長江口南槽航道治理一期工程軟體排鋪設(shè)施工工藝

施軍

（中交三航局第二工程有限公司，上海 200122）

0 引言

軟體排在航道整治工程中較為常用。軟體鋪排利用高強(qiáng)度土工織物縫接成排布，并結(jié)合排布上的壓載物形成整體結(jié)構(gòu)，具有隔沙、反濾與防沖刷等多種功能，對維護(hù)沿江沿海岸坡穩(wěn)定與航道正常運(yùn)行具有重要作用。

隨著近年工程技術(shù)的發(fā)展，軟體排鋪設(shè)技術(shù)已在長江南京以下12.5 m深水航道建設(shè)工程[1-3]等項(xiàng)目上得以逐步推廣應(yīng)用。單志浩等[4]研究了一種創(chuàng)新型聯(lián)體軟體排-砂袋護(hù)底工藝及其在工程中的應(yīng)用；李雅婷等[5]運(yùn)用砂肋軟體排結(jié)合塊石預(yù)防護(hù)實(shí)現(xiàn)了大潮差粉砂底質(zhì)環(huán)境下海堤的防沖刷；董朝明等[6]分析了軟體排縮排原因，提出了利用混凝土構(gòu)件控制縮排的措施；張才俊等[7]進(jìn)行了水下軟體排鋪設(shè)質(zhì)量檢測技術(shù)的對比分析。由于排布收縮、行船影響及水流干擾等原因，軟體鋪排施工時(shí)通常需要在設(shè)計(jì)圖紙基礎(chǔ)上預(yù)留一部分搭接尺寸，以確保排體入水后依舊能滿足設(shè)計(jì)要求。例如，在長江南京以下12.5 m深水航道工程中，曾嘗試將搭接量縮短至5 m，使得搭接量最優(yōu)化，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。由于軟體排面積巨大，搭接量的減少將可大幅減少材料用量，從而節(jié)約工程造價(jià)，故對軟體排鋪設(shè)施工工藝的優(yōu)化具有較大的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

以長江口南槽航道治理一期工程為例，在總結(jié)挖掘前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過行船、量測及檢測方面的技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)展形成了更加有效的軟體鋪排精細(xì)化施工工藝，使得軟體排鋪設(shè)預(yù)留搭接縮減至2 m，進(jìn)一步節(jié)約了工程材料，實(shí)現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)利益的最大化，相關(guān)研究成果可為類似項(xiàng)目提供技術(shù)借鑒與參考。

1 工程概況

長江口南槽航道治理一期工程位于長江口南槽航道上段（圖1），上游順接長江口深水航道分流魚嘴南線堤，堤身沿江亞南沙南緣向下，航道整治建筑物總長約16 km，0+000—10+000區(qū)段堤頂高程+2.0 m，10+000—14+975區(qū)段堤頂高程+1.5 m，尾段700 m長為2.0 m厚護(hù)灘堤，并設(shè)置300 m長的過渡段與前段銜接。為防止長江水流沖刷的影響，總長16 km的航道整治建筑物均需要進(jìn)行護(hù)底作業(yè)，設(shè)計(jì)采用鋪設(shè)混凝土聯(lián)鎖塊軟體排，護(hù)底面積總計(jì)211萬m2，鋪設(shè)塊數(shù)達(dá)459塊，項(xiàng)目規(guī)模大、任務(wù)重。

圖1 工程位置Fig.1 Project location

2 工程難點(diǎn)

1）水文地質(zhì)復(fù)雜

項(xiàng)目位于長江口區(qū)域，屬海陸交匯地帶，受徑流和潮流的雙重影響，水流動力復(fù)雜，同時(shí)地基土主要為松散狀的砂質(zhì)粉土和粉砂，地質(zhì)條件異常復(fù)雜。

2）高泥面區(qū)段多

項(xiàng)目施工海船吃水往往在3 m以上，但因存在大量高灘，泥面高程過高的區(qū)域需乘潮施工，特別低的區(qū)域需乘高潮施工或采用小船施工。

3）通航船舶干擾

工程臨近長江口南槽航道，據(jù)統(tǒng)計(jì)，南槽航道進(jìn)出船舶總數(shù)占長江口航道船舶總艘數(shù)的68%，水道內(nèi)航行船舶較多，這使得工程施工船舶穿越航道時(shí)受到的干擾較多。

4）生態(tài)環(huán)境敏感

項(xiàng)目所在地生態(tài)環(huán)境構(gòu)成多樣且獨(dú)特，水生生物種群繁多，還涉及中華鱘、江豚、松江鱸等珍稀水生動物，環(huán)境保護(hù)要求非常高。

3 施工分析與創(chuàng)新

由于是水上作業(yè)，船舶的定位、控制與穩(wěn)定對軟體排施工質(zhì)量具有決定性影響[8]。而軟體排鋪設(shè)受到的干擾較多，應(yīng)當(dāng)在實(shí)際施工中結(jié)合具體情況靈活調(diào)整，以方便軟體排精準(zhǔn)投放與固定。鋪排后檢測是對軟體排施工質(zhì)量的最后復(fù)核，確認(rèn)是否需要調(diào)整與補(bǔ)排等工作，因而也非常重要。綜上，本項(xiàng)目施工圍繞關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，開展行船精細(xì)化、量測精細(xì)化以及檢測精細(xì)化的技術(shù)研究與創(chuàng)新。

3.1 行船精細(xì)化

行船走船是軟體排鋪設(shè)是否順直的最重要的因素，行船軌跡直接影響到軟體排沉入水底的形態(tài)。20世紀(jì)90年代時(shí)的軟體排鋪設(shè)完全依靠船員經(jīng)驗(yàn)控制，初代的鋪排軟件通過GPS換算坐標(biāo)，精度都不是很高。為了實(shí)現(xiàn)船舶定位與控制更精準(zhǔn)，開發(fā)了最新的鋪排控制軟件，實(shí)現(xiàn)行船軌跡的實(shí)時(shí)顯示，通過可視化定位精度的提高，做到了實(shí)時(shí)顯示行船軌跡和偏移距離，在行船過程中能直接糾偏，不必等到一次行船后點(diǎn)擊記錄再根據(jù)換算距離進(jìn)行糾偏。

同時(shí)，以往的鋪排軟件需根據(jù)軸線計(jì)算每個點(diǎn)應(yīng)該到的位置，容易出錯。而新鋪排軟件直接將排頭作為目標(biāo)線，每次行多少就直接加多少，簡單高效。通過以上創(chuàng)新，降低了鋪排船行船的難度，實(shí)現(xiàn)了軟體排鋪中行船的直觀化，形成了行船的精細(xì)化控制新模式。

3.2 量測精細(xì)化

項(xiàng)目所在地為江海交界處，水流動力復(fù)雜，有時(shí)水面平靜但水底還在漲落潮，極易導(dǎo)致排頭鋪設(shè)時(shí)無法抵達(dá)設(shè)計(jì)位置，甚至出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的情況。因此，需要對施工中的量測精度加以提高。通過在鋪排軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)CAD底圖添加的功能，結(jié)合實(shí)時(shí)的無驗(yàn)潮水面高程，導(dǎo)入DWG格式的水底標(biāo)高導(dǎo)圖，可以直觀反映當(dāng)前排體與周邊排體的情況，同時(shí)可在軟件上直接量測距離，很容易確認(rèn)軟體排是否偏移以及偏移的大小。實(shí)際操作中，可以通過在急漲潮、水深變化快時(shí)適當(dāng)少走船，急落潮時(shí)、水深變化慢時(shí)適當(dāng)多走船，大大減少排布拉升縮排或排布變松導(dǎo)致水底堆疊，形成了軟體排鋪設(shè)時(shí)的量測即時(shí)化，實(shí)現(xiàn)對軟體排鋪設(shè)的動態(tài)控制。

3.3 檢測精細(xì)化

長江南京以下12.5 m深水航道工程配備MS1000實(shí)時(shí)聲吶設(shè)備后，相比原來的倒垂法檢測[6]，軟體排鋪設(shè)精度得到了提升。MS1000實(shí)時(shí)聲吶設(shè)備系統(tǒng)能實(shí)時(shí)反映水底情況，但對于施工后的質(zhì)量特別是連接部位質(zhì)量的監(jiān)控較弱。為了使軟體排的搭接寬度更小，項(xiàng)目在運(yùn)用MS1000實(shí)時(shí)水下成像技術(shù)進(jìn)行過程監(jiān)測的基礎(chǔ)上，鋪設(shè)后還采用側(cè)掃聲吶對排體搭接及異常部位的質(zhì)量進(jìn)行檢測，形成了水下工程檢測質(zhì)量的雙控模式，提高了檢測結(jié)果的精度。

本項(xiàng)目在每張軟體排鋪設(shè)后，將側(cè)掃聲吶拖魚懸掛在測量船舶一側(cè)，根據(jù)已鋪排體的設(shè)計(jì)位置，利用導(dǎo)航軟件布設(shè)測線，測量船舶沿測線航行，同時(shí)側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的顯示單元便可得到水下排體圖像，由于側(cè)掃聲吶可掃測至兩側(cè)各50 m范圍，而排體寬度為38.5 m，因此由測量船拖引聲吶拖魚可對已鋪排體進(jìn)行全面檢測。

4 施工情況

軟體排鋪設(shè)涉及到水上作業(yè)以及水陸配合，其施工工藝流程主要有卷排、船舶定位、混凝土聯(lián)鎖塊吊安與余排下水、堤身排砂肋沖灌與堤身排下水、余排放排入水并收繩、鋪排后檢測共6個步驟。根據(jù)工程難點(diǎn)分析，由于常規(guī)水深軟體排鋪設(shè)不受船舶吃水影響，軟體排制作完成即裝船運(yùn)至施工現(xiàn)場，便可開始護(hù)底鋪排施工。

而對于4+000—6+000段的高灘排位，共計(jì)約60塊軟體排，則采用吃水?。ǔ运?.3 m）的高灘鋪排船實(shí)施高攤排鋪設(shè)，即乘高水位鋪設(shè)、低水位坐底，其他施工工藝與常規(guī)水深相同。為提高精度與確保工程質(zhì)量，本項(xiàng)目所有軟體排均采用MS1000進(jìn)行實(shí)時(shí)水下成像技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，鋪設(shè)后還采用側(cè)掃聲吶進(jìn)行復(fù)檢，見圖2。

圖2 MS1000下水實(shí)時(shí)掃測Fig.2 Real timescanning of MS1000 launching

5 應(yīng)用效果

5.1 質(zhì)量的提升

以往的航道整治項(xiàng)目中，通常設(shè)置3～6 m的預(yù)留量，且經(jīng)常需要補(bǔ)排。通過本次技術(shù)創(chuàng)新，軟體排搭接有了更精準(zhǔn)的把控，項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了僅需要2 m的預(yù)留量就能滿足設(shè)計(jì)搭接要求。為說明效果，圖3給出了本項(xiàng)目以及項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)此前參與的長江某航道工程的軟體排鋪設(shè)實(shí)際搭接寬度對比圖。

圖3 軟體排搭接對比圖Fig.3 Comparison of soft mattresslapping

由圖3可見，通過技術(shù)創(chuàng)新與精細(xì)化施工控制，本項(xiàng)目施工有效規(guī)避了急漲落潮的影響。結(jié)合實(shí)時(shí)聲吶監(jiān)測指導(dǎo)走船等措施，軟體排鋪設(shè)的質(zhì)量有了大幅提升，最明顯的是沒有翻折現(xiàn)象，且搭接均勻幾乎可以成1條直線，為減少搭接預(yù)留量提供了極為有利的條件。而在以往的長江某航道工程施工中，由于沒有MS1000聲吶設(shè)備等輔助，只能依靠初代鋪排軟件的軸線鋪設(shè)，無法考慮潮水的影響[9]，所鋪設(shè)出來的軟體排整塊上還算完整，但搭接處有3處明顯卷折，而且鋪設(shè)的路線也是彎彎曲曲，導(dǎo)致整體搭接不均勻，翻折處還有搭接不足的情況，為保證排體質(zhì)量，只能加大搭接預(yù)留量，導(dǎo)致材料的浪費(fèi)。

5.2 時(shí)間的節(jié)約

根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，以100 m長全尺寸排布計(jì)算，每張軟體排鋪設(shè)約需要7 h，每張排布使用倒垂法檢測大約需要2 h。探摸工作一般是鋪設(shè)3～5塊后由潛水員下去探摸，探摸時(shí)間必須安排在平潮進(jìn)行，錯過1個潮水當(dāng)日就無法進(jìn)行施工，而且這些檢測方法均屬鋪設(shè)后檢測，若搭接有問題只能進(jìn)行補(bǔ)排處理，沒辦法在過程中及時(shí)動態(tài)調(diào)整。若使用聲納設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與掃描，僅需在行船停止穩(wěn)定后花費(fèi)1 min的時(shí)間讓聲吶設(shè)備掃測1圈便可立即反饋水底鋪設(shè)情況并及時(shí)在鋪設(shè)過程中調(diào)整?，F(xiàn)以100張鋪排體量為例，分別計(jì)算本項(xiàng)目、長江某航道工程的工程耗時(shí)，如表1所示。

表1 時(shí)間對比表Table 1 Time comparison table

由表1對比發(fā)現(xiàn)，以100張鋪排體量計(jì)算，使用新的檢測方法能有效節(jié)約190 h，工作效率提高25%，節(jié)約工期約20 d，工期節(jié)約20%。就本工程而言，直接節(jié)約工作時(shí)長約722 h，節(jié)省工期約73 d。

5.3 造價(jià)的降低

時(shí)間的節(jié)約促成了設(shè)備、成本等的節(jié)省，按節(jié)約工期推算，軟體排鋪設(shè)分項(xiàng)節(jié)約人員和船舶設(shè)備成本73 d。其次，新工藝無需再使用潛水組進(jìn)行探摸，節(jié)省了探摸的成本。同時(shí)將搭接量控制在2 m，每張排有效進(jìn)尺33.5 m，長江口南槽一期項(xiàng)目設(shè)計(jì)459張排，實(shí)際鋪設(shè)481張排，僅增加22張。同樣以長江某航道工程方案作為對比，其使用6 m保3 m方法，本項(xiàng)目理論上應(yīng)當(dāng)需要495張才能覆蓋設(shè)計(jì)面積。采用新工藝可以節(jié)約鋪設(shè)14張，大約7萬m2，即節(jié)約排布10萬m2，混凝土聯(lián)鎖塊4 135個，運(yùn)輸船18臺班，相關(guān)造價(jià)數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可見，單就經(jīng)濟(jì)效益而言，以搭接預(yù)留量由3 m縮減至2 m計(jì)算，本工程共節(jié)約工程造價(jià)約600多萬元，若與更早之前的盲鋪方法進(jìn)行對比，則能節(jié)約的工程造價(jià)更多，可見本次施工技術(shù)創(chuàng)新取得了較好的工程效果。

6 結(jié)語

針對軟體排施工中的技術(shù)難點(diǎn)，以長江口南槽航道治理一期工程為例，系統(tǒng)研究了軟體排施工中行船控制、定位與量測、水下檢測等關(guān)鍵技術(shù)，得出的主要結(jié)論有：

1）通過實(shí)時(shí)顯示行船軌跡和精確計(jì)算偏移距離，降低了鋪排船行船的難度，實(shí)現(xiàn)了行船的精細(xì)化控制新模式，方便了軟體排精準(zhǔn)投放與固定施工。

2）結(jié)合實(shí)時(shí)的無驗(yàn)潮水面高程，導(dǎo)入DWG格式的水底標(biāo)高導(dǎo)圖，直觀反映當(dāng)前排體與周邊排體的情況，形成了軟體排鋪設(shè)時(shí)的量測動態(tài)化，實(shí)現(xiàn)對軟體排鋪設(shè)的動態(tài)控制。

3）在運(yùn)用MS1000實(shí)時(shí)水下成像技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用側(cè)掃聲吶對排體搭接及異常部位的質(zhì)量進(jìn)行檢測，形成了水下工程檢測質(zhì)量的雙控模式，提高了檢測結(jié)果的精度。

4）通過行船、量測及檢測精細(xì)化技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)展形成了更加有效的軟體鋪排精細(xì)化施工工藝，使得軟體鋪排預(yù)留搭接縮減至2 m，在實(shí)際工程應(yīng)用中有較好的適用性。

5）本項(xiàng)目施工工藝在質(zhì)量提升、時(shí)間節(jié)約以及造價(jià)節(jié)省等方面均有突出的優(yōu)越性，具有良好的應(yīng)用效果與推廣前景。