基于北斗地基增強AIS的精準(zhǔn)拋填施工技術(shù)

包江，王大鵬，行莉

（中交水利水電建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315200）

0 引言

泉州圍頭灣石井航道二期工程項目（以下簡稱石井航道項目）與南安市海峽科技生態(tài)城A片區(qū)造地項目（以下簡稱造地項目）組成的配套項目，是福建省港航項目建設(shè)和航道疏浚物綜合利用省級試點項目[1]。由于造地項目施工區(qū)的水深條件限制，石井航道項目增深、拓寬產(chǎn)生的航道疏浚物需要先全部拋填至轉(zhuǎn)運坑內(nèi)，再由造地項目進行綜合處置，以提高對疏浚物的綜合處置利用率[2]。在項目施工開始，由于轉(zhuǎn)運坑海域面積受限且海況復(fù)雜，在轉(zhuǎn)運坑同時有泥駁船、絞吸船作業(yè)的情況下，航行安全存在風(fēng)險，交叉作業(yè)有序難；同時由于配套泥駁船只有高精度北斗AIS系統(tǒng)、無定點拋泥顯示系統(tǒng)，在不提高成本前提下，航道疏浚物的拋填位置和精度不易控制。經(jīng)過研究，提出基于北斗地基增強AIS船位信息服務(wù)系統(tǒng)的精準(zhǔn)拋填施工技術(shù)，并詳細闡述精準(zhǔn)拋填施工控制措施，較好解決了以上問題。

1 工程概況

泉州圍頭灣石井航道二期工程項目及南安市海峽科技生態(tài)城A片區(qū)造地工程項目，地處福建省東南沿海、泉州市海岸線的最南部，海岸線呈南北走向，毗鄰廈門港，見圖1。石井航道工程為航道改、擴建工程，根據(jù)石井港區(qū)發(fā)展需要，對原有的圍頭灣5 000噸級航道進行增深、拓寬，施工產(chǎn)生的疏浚物方量約954萬m3。航道施工疏浚物通過泥駁船拋填至轉(zhuǎn)運坑內(nèi)，并由絞吸式挖泥船吹填至造地項目圍埝內(nèi)進行陸域形成[3-4]。

圖1 疏浚物綜合處置總平面圖Fig.1 General plan for comprehensive disposal of dredged materials

1）疏浚土種類。根據(jù)前期地質(zhì)鉆探，航道疏浚施工區(qū)疏浚土主要為中砂、中粗砂，約占疏浚量的50%，其他為淤泥及淤泥混砂。耙吸船、絞吸船及抓斗船均有較好的可挖性[3-5]。

2）施工區(qū)水深條件。根據(jù)浚前測量水深數(shù)據(jù)，航道疏浚二區(qū)、三區(qū)存在較大水深不足3 m的區(qū)域[5]。

3）施工區(qū)周邊通航環(huán)境。石井航道項目施工所在區(qū)域港口碼頭及水上作業(yè)區(qū)數(shù)量較多，且根據(jù)海事部門發(fā)布的船舶進出港組織計劃，每日存在較多的集裝箱船、油船、干貨船、散貨船、危險品船進出港，對航道通航要求較高，水上交通環(huán)境復(fù)雜。疏浚施工區(qū)與原航道、菊江航道存在交叉、大面積、長距離鋪設(shè)海上管線，將對施工期航道通航造成極大影響，故無法使用絞吸船施工[3-4]。

4）疏浚物轉(zhuǎn)運坑情況。根據(jù)JTS 181-5—2012《疏浚與吹填工程設(shè)計規(guī)范》，轉(zhuǎn)運坑宜由2個相鄰的尺度相同的矩形轉(zhuǎn)運坑組成，但水域條件受限制時，可設(shè)1個轉(zhuǎn)運坑[6]。考慮本工程納泥區(qū)容量有限，故按1個轉(zhuǎn)運坑設(shè)計，其兩側(cè)各半個轉(zhuǎn)運坑的尺度應(yīng)滿足拋泥船舶和吹填船舶交替并同時安全作業(yè)的要求。半個轉(zhuǎn)運坑的尺度長度應(yīng)不小于吹填船舶船長的3倍且不小于拋泥船舶船長的2倍，寬度應(yīng)不小于拋泥船舶船長的2倍。本方案半個轉(zhuǎn)運坑尺度取325 m×260 m，則整個轉(zhuǎn)運坑的尺度為650 m×260 m。經(jīng)計算，儲泥厚度取3 m[2]。

綜合考慮上述分析，本項目采用抓斗船配合開體（底）泥駁船的方式進行施工，造地項目采用絞吸式挖泥船進行吹填作業(yè)[7-10]。

2 精準(zhǔn)拋填施工技術(shù)研究

2.1 影響拋填施工的主要因素及精準(zhǔn)拋填必要性分析

1）疏浚物轉(zhuǎn)運坑尺度較小，拋泥施工作業(yè)面受限

疏浚物轉(zhuǎn)運坑尺度約650 m×260 m，目前施工的1 200 m3及以上泥駁船船長普遍在60 m左右，船寬在13 m左右；使用的3 500 m3/h絞吸式挖泥船船長約100 m，船寬約17 m，施工船舶需在轉(zhuǎn)運坑內(nèi)同時進行拋泥、吹填作業(yè)，且泥駁船拋泥完畢后需調(diào)頭返航，絞吸式挖泥船橫移錨、浮管鋪設(shè)及相關(guān)輔助設(shè)施亦占用坑內(nèi)部分水域，施工作業(yè)面嚴(yán)重受限，見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)運坑交叉施工示意圖Fig.2 Schematic diagram of cross construction of transfer pit

2）轉(zhuǎn)運坑周邊水深不足，船舶存在較大的擱灘風(fēng)險

轉(zhuǎn)運坑設(shè)計水深為9 m（基準(zhǔn)面理論最低潮），其周邊水深很淺，最淺處在基準(zhǔn)面以上。本項目施工泥駁船載重吃水為4.5 m，大于轉(zhuǎn)運坑周邊大多數(shù)水深，若船員操舵不當(dāng)，施工船舶將面臨擱灘風(fēng)險。

3）拋泥船舶與絞吸挖泥船作業(yè)面較近，存在交叉施工安全風(fēng)險

根據(jù)圖2轉(zhuǎn)運坑交叉施工示意圖所示，轉(zhuǎn)運坑海域面積較小，泥駁船拋泥作業(yè)面距離絞吸式挖泥船、浮管、橫移錨以及浮管錨較近，存在發(fā)生船舶碰撞等水上交通事故的風(fēng)險。

結(jié)合以上分析，因轉(zhuǎn)運坑內(nèi)施工作業(yè)面受限，施工船舶之間存在交叉施工，泥駁船隨意拋填可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)運坑不能充分被利用，造成轉(zhuǎn)運坑儲砂能力降低。若拋填區(qū)域較集中，轉(zhuǎn)運坑內(nèi)極易產(chǎn)生淺點，將對船舶施工構(gòu)成安全隱患。因此采取精準(zhǔn)拋填的方式對確保工程順利推進具有必要性。

2.2 拋填網(wǎng)格設(shè)計及實現(xiàn)

1）拋填網(wǎng)格設(shè)計

為減少因交叉施工的干擾，將轉(zhuǎn)運坑劃分為2個260 m×325 m的分區(qū)（A區(qū)與B區(qū)），A區(qū)拋砂完成后，絞吸船在A區(qū)施工，拋填在B區(qū)進行，形成循環(huán)流水作業(yè)[3-4]。

泥駁船船長約60 m，船寬約13 m。根據(jù)船舶尺度，同時考慮預(yù)留富裕寬度，將轉(zhuǎn)運坑進一步細化，把每個半?yún)^(qū)繼續(xù)細化為24個80 m×40 m的網(wǎng)格（網(wǎng)格尺寸可根據(jù)施工實際情況進行優(yōu)化調(diào)整），見圖3。

圖3 精準(zhǔn)拋填施工示意圖Fig.3 Schematic diagram of precise dumping and filling construction

2）定位精度分析

北斗AIS是航運船舶必須配備的設(shè)備，不僅能實時提供船舶的位置，還能有效地完成信息的播發(fā)和接收，實時在互聯(lián)網(wǎng)海圖如“船訊網(wǎng)”顯示相關(guān)信息，有利于施工船的安全航行。單獨的北斗定位精度一般為10 m，而接收北斗基地增強系統(tǒng)如RBN-DBDS、BD-CORS的載波相位差分，精度可提高到亞米級甚至厘米級，能滿足海上施工定位精度要求（按測量定位精度）[11-12]。

泥駁船的北斗AIS系統(tǒng)，能接收RBN-DBDS和BD-CORS的差分信號，其定位精度優(yōu)于1 m，能滿足本項目高精度拋填的定位精度要求。

3）網(wǎng)格拋船數(shù)推算

為保證船舶的安全，先在A區(qū)進行了試驗：先測量繪制轉(zhuǎn)運坑的水深圖，在每個網(wǎng)格都拋了2船疏浚物，再測量繪制水深圖。比較2次測量的水深圖，計算每個網(wǎng)格增加的平均厚度，基本在（0.4±0.05）m左右，綜合平均約為0.4 m，即每次約為0.2 m。按公式（1）進行推算網(wǎng)格最多拋船數(shù)，嚴(yán)格控制每個網(wǎng)格拋船數(shù)不超過N：

式中：D1為拋泥前的網(wǎng)格平均水深，m；D2為泥駁船滿載和絞吸船的吃水最大值，m；D3為保證船舶安全施工的富裕安全深度，m；

4）高精度拋填的實現(xiàn)

在“船訊網(wǎng)”的AIS船位信息服務(wù)系統(tǒng)上，錄入施工區(qū)邊線范圍和設(shè)計好的施工網(wǎng)格等信息。利用北斗AIS系統(tǒng)提供的船舶定位服務(wù)，按“自兩邊向中間、由南向北”、“先進先出、拋完即走”的原則，根據(jù)圖3中編號按A1—A24、B1—B24的順序進行。施工時，實時指揮泥駁船到對應(yīng)網(wǎng)格拋填，并記錄每個網(wǎng)格的拋船數(shù)直至拋足船數(shù)，再由調(diào)度安排進行下一網(wǎng)格繼續(xù)拋填作業(yè)。船舶拋泥時需控制船速，并重點關(guān)注最外側(cè)一圈的拋填網(wǎng)格，預(yù)留一定富余位，避免船舶沖灘擱淺。根據(jù)AIS船位信息服務(wù)系統(tǒng)對船舶的航行軌跡進行分析，預(yù)估各網(wǎng)格的拋儲量，做到全面拋填無死角，控制拋泥平整度，確保絞吸式挖泥船能最大程度發(fā)揮施工效率，同時為交叉有序施工提供安全保障。

2.3 精準(zhǔn)拋填施工主要保障措施

1）聯(lián)合調(diào)度。因疏浚物綜合處置涉及多個項目、多種施工船舶交叉作業(yè)，保持信息共享以及彼此之間密切溝通有著重要作用。石井航道項目和造地項目分別成立調(diào)度室，配備無線電甚高頻（VHF）通訊設(shè)備，安排有經(jīng)驗的調(diào)度員24 h輪班值守。同時充分利用AIS船位信息系統(tǒng)，實施跟蹤船舶動態(tài)。

2）設(shè)置報告點。因綜合處置轉(zhuǎn)運坑施工作業(yè)面受限，不滿足2艘及以上船舶同時進行拋填作業(yè)條件，且疏浚物運輸通道較窄（航道寬度僅約80 m）。為有效控制船速以及船舶間的安全距離，確保拋填作業(yè)不間斷、有序、安全進行，根據(jù)航道通航交通流、當(dāng)?shù)爻毕?、航道水深情況以及航道寬度，在運輸航線浮標(biāo)等顯著位置設(shè)置報告點[13]，且專門制定船舶拋填報告程序，提高船舶調(diào)度管理效率，見表1。

表1 拋填施工報告程序一覽表Table 1 List of dumping and filling construction report procedures

3）勤測量。測量是疏浚工程水下施工的眼睛，為確保拋填作業(yè)精度，提高拋填施工及吹填施工的銜接性，達到循環(huán)流水施工目的，需做好水上測量工作，并根據(jù)實際情況增加測量頻率。對航道疏浚施工區(qū)進行水深測量，并利用HYPACK等專業(yè)軟件對測圖進行分析，合理組織船舶施工，確保作業(yè)連續(xù)性。同時應(yīng)對轉(zhuǎn)運坑內(nèi)的水深進行測量，利用南方CASS等算量軟件計算分析坑內(nèi)吹填區(qū)吹填方量以及拋填區(qū)剩余可拋方量，確保絞吸式挖泥船施工效率與拋填施工效率合理匹配。

4）加強施工交底。疏浚物綜合處置雙方應(yīng)對作業(yè)人員進行施工、安全技術(shù)交底，確?，F(xiàn)場作業(yè)人員知悉疏浚物綜合處置施工工藝、精準(zhǔn)拋坑技術(shù)措施、施工區(qū)域周邊通航環(huán)境及應(yīng)急處置措施，確保項目有序、安全推進。

3 結(jié)語

1）采用北斗地基增強AIS，并利用船位信息系統(tǒng)，在沒有大幅增加成本的前提下，能有效提升施工船舶的定位精度，清晰掌握航行和位置信息，有利于項目的施工管理，有效提高拋填效率。

2）對轉(zhuǎn)運坑運用網(wǎng)格進行拋泥管理，用公式（1）能簡單快速測算每個網(wǎng)格的拋船數(shù)，有效提高拋泥精度，有利于施工安排，保證施工安全。

3）由于本項目中采用的是預(yù)報水位，水位精度低。預(yù)報低潮位的時間、數(shù)值與實際不一致，對船舶航行和拋填產(chǎn)生了一定的影響，建議今后在類似項目中布設(shè)水位站，自動發(fā)送水位信息，可以更好地利用水位差進行施工安排，提高施工效率。