挖掘機(jī)、甲板駁拋石施工技術(shù)及應(yīng)用

周衛(wèi)文 劉詞振 伍耀華

(湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司，湖北 武漢 430050)

拇指斗挖掘機(jī)、甲板駁，在GIS技術(shù)、GPS技術(shù)的輔助下進(jìn)行拋石的施工技術(shù)，在長(zhǎng)江干、支流堤防治理中，取得了很好的效果。我們將該技術(shù)應(yīng)用于天門(mén)張港崩岸應(yīng)急整治工程，針對(duì)2020年汛前水位高、流速大、施工工期短的特點(diǎn)，在GIS技術(shù)、GPS技術(shù)輔助下，采用甲板駁進(jìn)行裝運(yùn)料、定位，拇指斗挖掘機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工拋投，實(shí)現(xiàn)了對(duì)拋投區(qū)質(zhì)量的動(dòng)態(tài)控制，具有施工速度快、質(zhì)量好、塊石破碎率低、人工用量少、施工安全有保障等優(yōu)點(diǎn)，快速有效地完成了施工任務(wù)，達(dá)到了汛前脫險(xiǎn)的工程目的。

1 工程概況

天門(mén)張港崩岸應(yīng)急整治工程，位于漢江張港險(xiǎn)段，樁號(hào)為漢左216+450～216+580，崩岸段長(zhǎng)130m，崩垮最寬處約為30m。整治好該處崩岸險(xiǎn)工，可該河段河岸穩(wěn)定起到控制性作用，同時(shí)也能保護(hù)張港上下游的護(hù)岸工程，確保大堤安全。

整治方案：對(duì)漢左樁號(hào)216+480～216+580長(zhǎng)100m段進(jìn)行水上削坡減載、護(hù)坡、水下拋石護(hù)腳等；拋石范圍：漢左樁號(hào)216+480～216+580，長(zhǎng)100m；橫向，根據(jù)險(xiǎn)段水下坡度崩塌強(qiáng)弱程度，從枯水平臺(tái)拋至深泓附近。

該項(xiàng)目于2020年6月初承接，由于長(zhǎng)江流域已經(jīng)進(jìn)入主汛期，江水隨時(shí)可能上漲，必須于2020年6月30日前完成水下拋石施工，時(shí)間非常緊迫。

2 技術(shù)原理

拇指斗挖掘機(jī)、甲板駁拋石施工系統(tǒng)由兩大部分組成：GIS數(shù)據(jù)收集、處理系統(tǒng)和水上定位拋投系統(tǒng)。GIS數(shù)據(jù)收集、處理系統(tǒng)由數(shù)字測(cè)深儀、GPS定位設(shè)備及測(cè)量導(dǎo)航軟件、計(jì)算機(jī)及CASS成圖軟件等組成；水上定位拋投系統(tǒng)由GPS定位測(cè)控和岸上導(dǎo)標(biāo)、甲板駁和挖掘機(jī)等運(yùn)、拋設(shè)備組成。GIS系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

圖1 GIS系統(tǒng)組成

開(kāi)工前，利用GIS系統(tǒng)收集拋投區(qū)數(shù)據(jù)，繪制水下地形圖、拋投斷面圖，劃定拋投網(wǎng)格，確定拋投方案和質(zhì)量控制措施。

根據(jù)施工水域的流速、水深，及工程規(guī)模，選擇300～500t的甲板駁作為拋石船(兼做定位船)，開(kāi)工前挖掘機(jī)在岸坡上待命；開(kāi)工時(shí)，拋石船靠岸，挖機(jī)自行至甲板駁上，挖掘機(jī)拋投作業(yè)連續(xù)進(jìn)行。

拋石作業(yè)時(shí)，由GPS精確定位甲板駁后，挖掘機(jī)開(kāi)始拋投作業(yè)。挖掘機(jī)、甲板駁拋石施工見(jiàn)圖2。

圖2 挖掘機(jī)、甲板駁拋石施工

挖掘機(jī)在完成臂長(zhǎng)所及的范圍內(nèi)拋投作業(yè)后，將甲板駁移至下一個(gè)拋投網(wǎng)格，進(jìn)行下一個(gè)網(wǎng)格的拋投作業(yè)。

在完成每一船的拋投作業(yè)后，利用GIS系統(tǒng)收集已拋投區(qū)的數(shù)據(jù)，繪制水下地形圖、拋投斷面圖，并與設(shè)計(jì)拋投斷面進(jìn)行比較，檢查拋投效果，確定下一步的施工計(jì)劃。

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 挖掘機(jī)配合甲板駁、甲板駁拋石施工工藝流程

3.2 挖掘機(jī)、甲板駁拋石施工

首先，通過(guò)GIS設(shè)備，結(jié)合GPS定位技術(shù)，對(duì)施工水域進(jìn)行水下地形測(cè)量。平面測(cè)量采用GPS，高程(水位)測(cè)量采用水準(zhǔn)儀，水深測(cè)量采用數(shù)字回聲測(cè)深儀，流速測(cè)量采用流速儀。測(cè)量時(shí)通過(guò)GIS系統(tǒng)的水下測(cè)量導(dǎo)航軟件，進(jìn)行船位和斷面控制。數(shù)據(jù)采集完成后用南方測(cè)繪成圖軟件CASS繪制1∶200或1∶500水下地形圖。在地形圖上根據(jù)治導(dǎo)線劃分L×b的方格網(wǎng)。方網(wǎng)格的長(zhǎng)度L與甲板駁船甲板長(zhǎng)度一致，一般為20m；寬度b，由挖掘機(jī)的臂長(zhǎng)所能形成的拋投寬度決定,一般為1.5m。

方格網(wǎng)劃定后，計(jì)算每一網(wǎng)格的拋投工程量和每一個(gè)拋投網(wǎng)格拋填后的高程。拋投作業(yè)前，根據(jù)網(wǎng)格位置、漂距、定位提前量等參數(shù)，計(jì)算甲板駁定位坐標(biāo)，并繪制成表。拋石作業(yè)時(shí)，根據(jù)岸上預(yù)設(shè)的導(dǎo)標(biāo)先對(duì)甲板駁初定位，再由GPS精確定位，然后挖掘機(jī)開(kāi)始拋投作業(yè)。拋投作業(yè)順序：垂直水流方向，由深水區(qū)向岸邊拋投，順?biāo)鞣较蛳壬嫌魏笙掠巍Ｍ诰驒C(jī)在完成臂長(zhǎng)所及的范圍內(nèi)拋投作業(yè)后(即2個(gè)網(wǎng)格的拋投作業(yè)量)，將甲板駁通過(guò)收放錨纜的方式移至下一個(gè)網(wǎng)格，進(jìn)行拋投作業(yè)。

3.3 操作要點(diǎn)

3.3.1 甲板駁定位方式

定位采用定位船、拋石船合二為一的方式，即棄用專用定位船，將拋石船-甲板駁作為定位船使用，這樣既便于在狹小水域展開(kāi)，又減少了設(shè)備投入。甲板駁定位方式可分為豎一字形、橫一字形兩種，見(jiàn)圖4、圖5。

3.3.1.1 豎一字形定位

豎一字形定位是甲板駁船體平行于水流方向固定。豎一字形定位主要適合于水流速度較大的拋投區(qū)域。船只順流定位較為穩(wěn)定、安全。

甲板駁沿順?biāo)较虿捎谩拔邋^法”固定方法，在船首用一個(gè)領(lǐng)水錨固定，在船體前半部和后半部分別用錨固定，見(jiàn)圖4。錨和船體之間采用鋼纜連接，甲板駁靠船前后兩個(gè)絞盤(pán)絞動(dòng)五根鋼絲繩實(shí)現(xiàn)向上、下游及橫向移動(dòng)。

圖4 甲板駁定位方式——豎一字形

3.3.1.2 橫一字形定位

橫一字形定位是甲板駁船體垂直于水流方向固定。橫一字形定位主要適合于水流較緩的水域，水流較急時(shí)船只難以固定，比較危險(xiǎn)。甲板駁采用“五錨法”固定，在船體迎水側(cè)用兩根錨纜固定，背水側(cè)用兩根錨斜拉,靠岸側(cè)(船首)用一個(gè)錨固定于岸上，見(jiàn)圖5。如果拋石區(qū)順岸線方向呈條帶狀分布，且水流速度小，采用橫一字形定位方式，效率比較高。

圖5 甲板駁定位方式——橫一字形

3.3.2 漂距的確定

漂距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

a.拋投試驗(yàn)前先測(cè)量水深、流速、流向，然后按下式計(jì)算理論漂距：

式中：Ld為拋石水平落距,m；H為水深,m；vf為表面流速,m/s；G為塊石重量,kg。

b.根據(jù)理論漂距，進(jìn)行試拋，然后進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果修正漂距。根據(jù)修正后的漂距，繪制成水深、流速、流向和漂移距離對(duì)應(yīng)表格供拋投作業(yè)參考。根據(jù)流速、水深確定定位方式、方法。

3.3.3 拋投斷面、作業(yè)單元、拋投網(wǎng)格的劃分

施工前，對(duì)拋投區(qū)做三個(gè)層次的劃分：垂直于岸線方向按照甲板駁甲板長(zhǎng)度劃分拋投斷面，每個(gè)斷面的長(zhǎng)度等于甲板駁的甲板長(zhǎng)度；每個(gè)拋投斷面按照甲板駁寬度×2+1.5m×2(1.5m為挖機(jī)拋投寬度)劃分作業(yè)單元；每個(gè)作業(yè)單元按照挖機(jī)拋投寬度(1.5m)劃分拋投網(wǎng)格。在天門(mén)張港崩岸應(yīng)急整治工程中甲板駁甲板長(zhǎng)度20m，甲板駁寬度6m，挖機(jī)拋投寬度1.5m，那么，每個(gè)斷面的拋投長(zhǎng)度為20m，作業(yè)單元為20m×15m(15m=6m×2+1.5m×2)，拋投網(wǎng)格尺寸為20m×1.5m。拋投作業(yè)單元及拋投網(wǎng)格，見(jiàn)圖6。

圖6 拋投作業(yè)單元及拋頭作業(yè)網(wǎng)格示意圖

根據(jù)水下地形圖與設(shè)計(jì)工程量計(jì)算出每個(gè)拋投網(wǎng)格的工程量，及每個(gè)拋投網(wǎng)格完工后的高程，以便在施工過(guò)程中做到定點(diǎn)定量拋石，從而控制拋石施工質(zhì)量。

拋投網(wǎng)格劃定后，拋投作業(yè)前，根據(jù)網(wǎng)格位置、漂距、定位提前量等參數(shù)，計(jì)算甲板駁定位坐標(biāo)，并繪制成表。

根據(jù)試驗(yàn)確定的漂距，在拋投斷面的分界線堤岸上對(duì)應(yīng)位置設(shè)置一組導(dǎo)標(biāo)，便于甲板駁初步定位。

3.3.4 甲板駁的定位和移動(dòng)

施工前，根據(jù)網(wǎng)格位置、漂距、定位提前量等參數(shù)，計(jì)算甲板駁定位坐標(biāo)，并繪制成表。

甲板駁在進(jìn)入拋石區(qū)后，先通過(guò)岸上導(dǎo)標(biāo)進(jìn)行初步定位后，依次拋下上水錨、下水錨和船艏錨。再通過(guò)GPS數(shù)據(jù)，靠收放錨纜來(lái)精確定位到作業(yè)單元和拋投網(wǎng)格。錨纜通過(guò)甲板駁上的電動(dòng)絞冠進(jìn)行收放，從而控制甲板駁的移動(dòng)和定位。

3.3.5 拋投作業(yè)

為減少塊石擠壓造成的破碎，我們將挖掘機(jī)的矩形斗改為拇指斗，這樣既提高了拋投的準(zhǔn)確性、效率，又確保了塊石料的完整性。拇指斗見(jiàn)圖7。

圖7 拇指斗

甲板駁精確定位于拋投網(wǎng)格后(根據(jù)漂距定好提前量)，開(kāi)始拋投作業(yè)。作業(yè)時(shí)船體左右舷均衡拋料，見(jiàn)圖8。

圖8 拋投作業(yè)布置圖

在拋投過(guò)程中，嚴(yán)格按照計(jì)劃的拋石作業(yè)斷面、作業(yè)單元和網(wǎng)格拋投，控制每次移船位置和拋投量，做到定點(diǎn)定量拋投，并做好施工記錄，確保不漏拋不重拋。

以圖9中的網(wǎng)格為例，一個(gè)船位拋投兩個(gè)網(wǎng)格，左右船舷各一個(gè)。一船塊石料根據(jù)設(shè)計(jì)工程量可拋投兩個(gè)以上的網(wǎng)格。船舷左右的網(wǎng)格拋投完成后，通過(guò)收緊錨纜，順拋石方向移動(dòng)一個(gè)網(wǎng)格(即1.5m)，進(jìn)行下一個(gè)網(wǎng)格拋石作業(yè)。依此循環(huán)，直到完成一個(gè)作業(yè)單元(15m，甲板駁移動(dòng)4次)的作業(yè)。

圖9 網(wǎng)格法拋投示意圖

挖機(jī)拋投作業(yè)時(shí)，甲板駁左右舷均衡取料拋投，以確保甲板駁不發(fā)生較大的傾斜。

4 GIS技術(shù)應(yīng)用

采用挖掘機(jī)、甲板駁拋石施工技術(shù)，在完成一個(gè)作業(yè)單元的施工后，立即通過(guò)GIS技術(shù)，在GPS技術(shù)配合下，測(cè)量水下地形圖，繪制斷面圖，并與設(shè)計(jì)拋投斷面比較，評(píng)估施工質(zhì)量是否符合要求。

GIS系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備——數(shù)字測(cè)深儀、空間數(shù)據(jù)采集設(shè)備(GPS)、海洋測(cè)量軟件、成圖軟件以及相關(guān)存儲(chǔ)、輸入、輸出設(shè)備組成。在采集測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)時(shí)，以上設(shè)備統(tǒng)一由海洋測(cè)量軟件協(xié)調(diào)管理，見(jiàn)圖10、圖11。

圖10 海洋測(cè)量軟件界面

圖11 水上測(cè)量航線控制界面

數(shù)據(jù)采集完成后，通過(guò)GIS數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)導(dǎo)入CASS成圖軟件，自動(dòng)生成水下地形圖，再利用CASS的工程應(yīng)用功能，繪制斷面圖，然后導(dǎo)入設(shè)計(jì)線，即可對(duì)施工斷面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。CASS制圖見(jiàn)圖12、圖13。

圖12 CASS繪制水下地形圖

圖13 CASS繪制斷面圖

5 材料、設(shè)備及質(zhì)量控制

5.1 材料與設(shè)備配置

本技術(shù)不需要特殊材料，所需設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 材料及設(shè)備配備表

5.2 質(zhì)量控制

5.2.1 嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范

根據(jù)《堤防工程施工規(guī)范》(SL 260—2014)、《堤防工程施工質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(SL 634—2012)的要求，做好對(duì)工程質(zhì)量的控制工作。

結(jié)合拋區(qū)的網(wǎng)格計(jì)劃，按照《水利水電工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)與評(píng)定規(guī)程》(SL 176—2007)的規(guī)定進(jìn)行工程項(xiàng)目劃分。網(wǎng)格拋石量偏差應(yīng)在設(shè)計(jì)拋石量的±5%范圍內(nèi)，單元工程拋石量不小于設(shè)計(jì)拋石量。測(cè)點(diǎn)增厚值、斷面增厚值滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

5.2.2 塊石采購(gòu)及計(jì)量

塊石的粒徑、容重、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)檢驗(yàn)應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，按規(guī)范要求頻次取樣送檢，檢測(cè)合格后使用。

計(jì)量方式采取首船稱重計(jì)量，即在船舶首尾標(biāo)志清晰滿載和空載標(biāo)線，石場(chǎng)裝料在監(jiān)理工程師旁站監(jiān)督下進(jìn)行稱重裝料并造冊(cè)記錄，每船需以空載線進(jìn)場(chǎng)裝料并裝至滿載線，按石方堆積密度系數(shù)計(jì)算實(shí)際單船拋石方量，堆積密度經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定。

塊石運(yùn)輸船舶要求相對(duì)固定，并建立每艘船舶的資料檔案，確定每艘船舶的運(yùn)輸方量。施工現(xiàn)場(chǎng)收方時(shí)觀察空載線和滿載線，實(shí)行欠載不收、超載不計(jì)的收方制度，確保拋投量準(zhǔn)確。

5.2.3 拋石過(guò)程質(zhì)量控制

a.采用網(wǎng)格化精準(zhǔn)拋投。施工過(guò)程嚴(yán)格按照劃定的網(wǎng)格定點(diǎn)定量拋投，通過(guò)采用GIS技術(shù)，加強(qiáng)水深檢測(cè)和斷面高程控制，控制好每個(gè)網(wǎng)格拋石量，拋完一個(gè)網(wǎng)格立即做好記錄，然后移船至下一個(gè)網(wǎng)格拋投。

b.準(zhǔn)確定位，定量拋投。水位標(biāo)尺設(shè)專人記錄，每天上、下午各一次，水位上漲較快時(shí)，每小時(shí)測(cè)一次水位，便于隨時(shí)調(diào)整起拋點(diǎn)。施工中要勤測(cè)流速、水深等參數(shù)，計(jì)算調(diào)整好拋石提前量。

c.驗(yàn)方時(shí)，嚴(yán)格按監(jiān)理工程師指示進(jìn)行，杜絕虛方。拋石過(guò)程中嚴(yán)格填寫(xiě)“拋石三聯(lián)單”，分送監(jiān)理和供貨商備查，并做好水上拋石施工記錄，確保每個(gè)網(wǎng)格拋投量的準(zhǔn)確。

6 效益分析

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工總結(jié)，挖掘機(jī)、甲板駁進(jìn)行水上塊石拋投作業(yè)，具有施工速度快、施工安全有保障、勞力使用量少等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，連續(xù)作業(yè)的可能性得到了保證。如果使用人工拋投，需要使用大量人力，安全隱患多、施工成本高。

施工成本比較：以一個(gè)作業(yè)單元來(lái)分析。一個(gè)作業(yè)單元兩艘200m3甲板駁，1天完成拋投。如果采用人工拋投，400m3需要28個(gè)勞力，目前一個(gè)普工的工日單價(jià)為300元，28個(gè)工人一天的費(fèi)用是8400元；如果采用挖掘機(jī)拋投，400m3只需一臺(tái)1.6m3挖掘機(jī)即可。一臺(tái)挖掘機(jī)臺(tái)班費(fèi)為2000元。機(jī)械作業(yè)費(fèi)相當(dāng)于人工作業(yè)費(fèi)的23.4%，顯著降低了拋投作業(yè)成本。

另外，采用GIS和GPS技術(shù)，能夠快速采集拋投區(qū)數(shù)據(jù)，快速成圖，節(jié)省了人力，節(jié)約了時(shí)間，提高了功效。

7 安全、環(huán)保措施

按照船舶航行內(nèi)河避碰規(guī)則做好船舶水上航行安全工作，采取可靠安全措施，確保水上作業(yè)人員安全。

做好作業(yè)船舶的廢水、廢油、廢液，以及船員的生活垃圾的收集處理工作，確保不污染江水。

8 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)“天門(mén)張港崩岸應(yīng)急整治工程”的檢驗(yàn)，采用拇指斗挖掘機(jī)、甲板駁在GIS和GPS技術(shù)輔助下進(jìn)行拋石施工，解決了人工施工速度慢、安全風(fēng)險(xiǎn)多、不能連續(xù)高強(qiáng)度作業(yè)的問(wèn)題，節(jié)省了投資，減少了勞力用量，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)縮短了施工周期，確保了崩岸治理項(xiàng)目的汛前脫險(xiǎn)，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a.網(wǎng)格化精準(zhǔn)定位，確保了拋石斷面施工質(zhì)量。采用GIS和GPS技術(shù)，根據(jù)原始地形和已拋投區(qū)高程的變化，監(jiān)控拋投區(qū)施工質(zhì)量，具有數(shù)據(jù)采集、處理速度快，能夠及時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程的了解、控制，確保了施工質(zhì)量。

b.改進(jìn)設(shè)備，減少塊石的破損率。將挖掘機(jī)的挖斗改進(jìn)為拇指斗，減少了石方的破損，確保了施工質(zhì)量，提高了功效，降低了成本。

c.將定位船與拋石船合二為一，減少了設(shè)備投入，降低了成本。該施工技術(shù)適用于流速v<3m/s、風(fēng)速低于6級(jí)工況條件下的堤防整治項(xiàng)目。