王國(guó)順，詹文輝，胡正曉，張?zhí)毂?/p>

（臨海市交通工程建設(shè)有限公司，浙江 臨海 317000）

0 引 言

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，沿海產(chǎn)業(yè)帶內(nèi)的公路建設(shè)已逐步由內(nèi)陸向外海發(fā)展，路線直接位于敞口海域，并且垂直于大陸岸線向深海延伸，因此，疏港公路工程也由淺海向深海區(qū)域發(fā)展。土工布是目前疏港公路軟基處理的重要材料，掌握深海水下土工布的鋪設(shè)技術(shù)，能更好地保證軟基處理質(zhì)量，促進(jìn)疏港公路的快速發(fā)展。目前深海水下土工布的鋪設(shè)遇到的主要問(wèn)題就是無(wú)法清楚地了解海底地形和無(wú)法對(duì)海上鋪設(shè)船只進(jìn)行準(zhǔn)確定位。這嚴(yán)重影響了深海水下土工布的鋪設(shè)質(zhì)量和進(jìn)度，進(jìn)而影響了整個(gè)疏港公路工程的進(jìn)展。

目前，對(duì)土工布的鋪設(shè)已有較多研究。羅賽虎[1]等給出了土工布鋪設(shè)同時(shí)跟拋碎石層的方法；權(quán)曉博[2]對(duì)采用小型船機(jī)設(shè)備對(duì)海堤工程中淺水區(qū)水下土工布施工進(jìn)行了研究，給出了前期施工準(zhǔn)備和施工方法；孫悅萍[3]在文獻(xiàn)中對(duì)施工的前期準(zhǔn)備、土工布的材料選取等各項(xiàng)物理指標(biāo)及選材作了分析，同時(shí)給出了簡(jiǎn)略的土工布施工方法；陳光垣[4]研究了土工布派排體鋪設(shè)方法及排體鋪設(shè)的檢測(cè)方法。然而，以上施工方法僅適用于水面以上或者淺灘處，同時(shí)都是以海底涂面平整為前提的，施工過(guò)程中無(wú)法清晰直觀地了解海底地形情況，并對(duì)海上鋪設(shè)船只進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。鑒于此，根據(jù)最新的SRC－CAD輔助系統(tǒng)[5]和其他相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件，充分利用海底地形云圖顯示技術(shù)和海上定位技術(shù)，結(jié)合已有的土工布鋪設(shè)方案研究，總結(jié)出一種新的水下土工布施工工藝以更好地解決深海水下土工布鋪設(shè)問(wèn)題。。

1 SRC－CAD計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概括

SRC－CAD系統(tǒng)即海底拋石施工計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)（Computer aided design for submarine riprap construction），其采用系統(tǒng)集成技術(shù)，通過(guò)調(diào)用信標(biāo)機(jī)附屬軟件系統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)疏港公路關(guān)鍵工藝施工時(shí)間、施工位置、施工方法等多源施工信息耦合的自動(dòng)記錄，形成考慮施工過(guò)程關(guān)鍵斷面材質(zhì)分布的有限元模型。在此基礎(chǔ)上，利用基于OpenGL和GIS的三維動(dòng)態(tài)可視化仿真技術(shù)，研究疏港公路路堤施工過(guò)程，形成施工過(guò)程的可視化。同時(shí)，基于DTM建模技術(shù)，用Visual Studio 2005編程實(shí)現(xiàn)了海底地形云圖顯示，為海底土工布的施工和定位提供技術(shù)支持。

1.2 顯示海底地形云圖

SRC－CAD軟件從地形圖中讀入各高程點(diǎn)的信息，通過(guò)數(shù)據(jù)處理層過(guò)濾得到高程點(diǎn)的z坐標(biāo)即海底深度，利用冒泡排序法計(jì)算得到整個(gè)模型中的海底深度極值；利用顏色插值算法計(jì)算得到海底地形顏色信息，以此來(lái)達(dá)到用云圖來(lái)顯示海底地形的目的。通過(guò)海底地形云圖，我們可以直觀地觀察海底地形情況，可以為水下土工布施工的準(zhǔn)確性和安全性提供保障。軟件實(shí)現(xiàn)海底地形云圖的基本流程如圖1所示。圖2展示了云圖顯示結(jié)果，可以看出此處海底出現(xiàn)了凸起的小山，根據(jù)具體的數(shù)據(jù)，可以判斷小山的大小，可以提供具體的解決方案。

圖1 海底地形云圖實(shí)現(xiàn)基本流程

圖2 海底地形云圖

1.3 海上船只定位

采用SRC－CAD作為深海水洗土工布施工計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，實(shí)時(shí)定位鋪設(shè)船只和測(cè)深儀，為現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)土工布船只提供24小時(shí)全天候定位和圖形導(dǎo)航及船位指示，指揮鋪設(shè)和現(xiàn)場(chǎng)施工調(diào)度、施工質(zhì)量監(jiān)督和控制。系統(tǒng)基本模塊邏輯分析如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)定位模塊邏輯分析

2 深海水下土工布施工工藝

2.1 工藝原理

首先根據(jù)SRC－CAD計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，結(jié)合其它軟件，生成海底地形云圖，清晰海底地形狀況，進(jìn)而進(jìn)行清潔平整處理。然后將土工布在岸上縫接拼寬，按堤底橫向設(shè)計(jì)攤鋪寬度裁斷卷成土工布卷，土工布卷裝船后到達(dá)鋪設(shè)位置由卷?yè)P(yáng)機(jī)沉入水底。采用GPS、SRC－CAD系統(tǒng)及相關(guān)導(dǎo)航測(cè)量軟件作為施工導(dǎo)航定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)定位鋪設(shè)船只和測(cè)深儀，然后將土工布卷一端錨定，一端通過(guò)滾軸、鉸錨機(jī)牽引，水下緩慢鋪設(shè)。土工布水下拉力鋪設(shè)，避免了漂浮或折疊現(xiàn)象；水下鋪設(shè)受水流、風(fēng)力等影響小，鋪設(shè)質(zhì)量可靠，鋪設(shè)效率高。

2.2 土工布施工工藝流程及操作要點(diǎn)

深海水下土工布整體施工工藝流程圖如圖4所示。

圖4 施工工藝流程圖

2.2.1 建立 GPS基準(zhǔn)站

先將一臺(tái)GPS接收機(jī)放置在岸上的已知點(diǎn)上，并將基準(zhǔn)站的坐標(biāo)、高程、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)等輸入GPS控制手簿。同時(shí)在鋪設(shè)船船頭部和駕駛室頂部各裝配一臺(tái)GPS接收器作為流動(dòng)站。將每塊土工布鋪設(shè)寬度及鋪設(shè)張數(shù)等數(shù)據(jù)輸入土工布鋪設(shè)船的GPS移動(dòng)站，標(biāo)明逐塊鋪設(shè)的位置并以此作為鋪設(shè)土工布的定位依據(jù)。采用SRC－CAD系統(tǒng)對(duì)鋪設(shè)船只和測(cè)深儀實(shí)時(shí)定位，為鋪裝提供施工導(dǎo)航和船位指示。

2.2.2 海底平整

水下土工布，特別是深海區(qū)域的水下鋪設(shè)，與水面以上土工布的鋪設(shè)和淺灘河流湖泊的鋪設(shè)有很大的不同，其中主要面臨以下兩點(diǎn)問(wèn)題：一是海底地形的不確定，無(wú)法準(zhǔn)確得知海底的地形是否平整，是否有小山突起或者大的溝壑；二是海上風(fēng)浪影響較大，無(wú)法對(duì)鋪設(shè)船只進(jìn)行準(zhǔn)確定位。這兩種問(wèn)題嚴(yán)重影響水下土工布的鋪設(shè)，因此尋求一種方法來(lái)準(zhǔn)確測(cè)定水下地形顯得非常重要。

目前對(duì)海底的處理通常采用掃海的方式，比如采用兩艘柴油動(dòng)力船拖長(zhǎng)鋼絲繩對(duì)施工范圍內(nèi)的涂面進(jìn)行掃海作業(yè)。但是對(duì)于海底有大的溝壑 （如圖5）或者突起 （如圖6）的時(shí)候，簡(jiǎn)單的掃海并不能解決地形問(wèn)題，特別是對(duì)于圖5的情況，在鋪設(shè)過(guò)程中是無(wú)法發(fā)現(xiàn)的。在圖5的情況下鋪設(shè)完土工布后，在鋪設(shè)碎石時(shí)就會(huì)造成局部土工布下沉，出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象。

圖5 土工布鋪設(shè)位置下有溝壑區(qū)域

圖6 土工布鋪設(shè)位置下有凸起區(qū)域

鑒于此情況，利用SRC－CAD計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，形成海底地形云圖，能直觀顯示海底地貌，對(duì)于溝壑部位可以提前傾倒碎石填平，對(duì)凸起區(qū)域進(jìn)行鏟平工作，以保證土工布能緊貼涂面鋪設(shè)，做到搭接密實(shí)、整體平整。

2.2.3 材料及鋪設(shè)船準(zhǔn)備

土工布應(yīng)滿足力學(xué)性能、水力學(xué)性能、耐久性能等性能指標(biāo)，同時(shí)材料的撕裂強(qiáng)度、頂破強(qiáng)度以及接縫強(qiáng)度應(yīng)滿足有關(guān)要求。同時(shí)，土工織物要求具有彈性、抗老化等性能。涂面采用30kN／m有紡?fù)凉げ?，碎石墊層頂面采用120kN／m有紡?fù)凉げ肌Ｖ饕夹g(shù)指標(biāo)如表1所示。

收集、整理瓦斯吹硫、熱氮吹硫停工過(guò)程耗能工質(zhì)消耗，如表3所列。熱氮吹硫采用氮?dú)狻⒐S風(fēng)加熱后對(duì)克勞斯系統(tǒng)進(jìn)行吹硫、鈍化作業(yè)，加氫單元、脫硫單元、酸性水汽提單元正常運(yùn)行，增加氮?dú)庀?31×104 m3、電耗8.72×104 k W·h、低壓蒸汽2183 t，燃料氣節(jié)約12.56×104 m3，除去低壓氮?dú)饩C合能耗增加2563750 MJ;單次熱氮吹硫能耗成本340萬(wàn)元，較常規(guī)吹硫增加149萬(wàn)元。

表1 土工布主要技術(shù)指標(biāo)

碎石墊層采用的碎石，要求采用新鮮堅(jiān)硬的巖石扎制，碎石粒徑≤120mm，其中粒徑100～120 mm的含量≤20%，含泥量＜5%。

鋪設(shè)船宜采用鋼質(zhì)自航式雙體作業(yè)船，單底單甲板，混合骨架式結(jié)構(gòu)，由船體、定位系統(tǒng)、土工布鋪設(shè)裝置等組成。

2.2.4 卷布裝船

土工布經(jīng)檢測(cè)合格后，進(jìn)行卷布工作。首先將4塊或5塊6.0m門幅的土工布在加工場(chǎng)縫接拼寬，拼接寬度不小于200mm，形成幅寬為23m或29m的大布 （根據(jù)攤鋪船攤鋪寬度來(lái)定），然后用卷?yè)P(yáng)機(jī)將大布卷在滾筒上。

土工布卷設(shè)完成后吊入鋪設(shè)船堆放，堆放方向應(yīng)垂直于鋪設(shè)方向，以方便鋪設(shè)。土工布卷堆放與臂架間應(yīng)預(yù)留石料 （袋裝碎石）堆放空間，寬度應(yīng)大于挖掘機(jī)最小作業(yè)寬度。

2.2.5 船只定位

使用GPS定位系統(tǒng)。首先測(cè)量人員根據(jù)基底鋪設(shè)圖紙畫出施工放樣圖，并導(dǎo)入到施工定位軟件，結(jié)合SRC－CAD計(jì)算機(jī)輔助軟件，定位作業(yè)時(shí)只要在計(jì)算機(jī)內(nèi)輸入鋪設(shè)方向、船體的尺寸、土工布平面尺寸以及施工平面區(qū)域位置，計(jì)算機(jī)可自動(dòng)劃分出土工布鋪設(shè)單元格軌跡，即可進(jìn)行定位作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)施工人員根據(jù)計(jì)算機(jī)桌面上實(shí)時(shí)顯示的施工船位置，使用羅盤調(diào)整方向，指揮鋪設(shè)船進(jìn)行定位。船只根據(jù)GPS的導(dǎo)航到達(dá)預(yù)定鋪設(shè)區(qū)域，由拋錨船配合將四只錨沿四角八字拋錨固定，錨繩應(yīng)足夠長(zhǎng)，滿足鋪設(shè)船移位需要。利用計(jì)算機(jī)對(duì)船位進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)調(diào)整船頭、船尾設(shè)置的4臺(tái)鉸錨機(jī)移動(dòng)船舶，至其施工空間與劃分的船位重合時(shí)，說(shuō)明船舶已準(zhǔn)確就位，實(shí)現(xiàn)可視化鋪設(shè)，該系統(tǒng)的定位精度達(dá)到50mm，施工時(shí)還應(yīng)根據(jù)潮水變化及時(shí)調(diào)整錨纜，保證船位的準(zhǔn)確。

2.2.6 土工布鋪設(shè)

（1）鋪 設(shè)

船體定位準(zhǔn)確以后，將滾軸穿入土工布卷，將臂架鋼絲繩分別拴在滾軸兩端，松開土工布卷的起始邊，在土工布的露頭鋼管上安裝好土工布錨固小錨并預(yù)留一定的長(zhǎng)度，將土工布卷懸吊在臂架上（如圖7所示）。用絞錨機(jī)反向移動(dòng)鋪設(shè)船相當(dāng)于預(yù)留約10m長(zhǎng)度的距離，拋下土工布錨固小錨，然后將船移至鋪設(shè)起始位置。土工布在涂面正常打開后，同時(shí)開啟4臺(tái)鉸錨機(jī)，兩個(gè)拉緊，兩個(gè)放松。隨著錨索的牽引，滾筒上的土工布逐步展開，沿垂直路基中線方向進(jìn)行水底攤鋪。因?yàn)槭莿?dòng)態(tài)定位，所以整個(gè)移動(dòng)過(guò)程在計(jì)算機(jī)上都有顯示，只要預(yù)定的軌跡和鋪設(shè)路線一致就說(shuō)明鋪設(shè)準(zhǔn)確。如不同時(shí)或走偏必須及時(shí)通過(guò)絞錨機(jī)進(jìn)行調(diào)整。由于整個(gè)攤鋪過(guò)程是在水下操作，所以受水流和流向的影響極小。為了進(jìn)一步減少水流和流向的影響，在攤鋪時(shí)盡量采用順流方向進(jìn)行。

（2）拋投碎石

在攤鋪過(guò)程中每移動(dòng)2～3m左右的距離，用反鏟挖掘機(jī)拋投碎石 （袋裝碎石）將攤鋪的土工布?jí)鹤?，使其不能上浮或飄移。拋投碎石要求做到不漏拋不重拋，在相鄰塊土工布未鋪設(shè)時(shí)，預(yù)留距離暫不拋填，避免影響兩塊土工布搭接質(zhì)量。鋪至末端時(shí)，適當(dāng)增加碎石拋投量，放松滾筒吊索，將攤鋪船移出鋪設(shè)區(qū)，吊起滾筒，收起定位錨，單張土工布鋪設(shè)完成，再移動(dòng)鋪設(shè)船進(jìn)行下一幅布的鋪設(shè)。兩幅土工布搭接寬度不小于500mm。每鋪設(shè)完成3～5塊土工布，即進(jìn)行碎石墊層施工。

圖7 土工布鋪設(shè)示意圖

3 經(jīng)濟(jì)效益分析及應(yīng)用實(shí)例

本施工工藝需用機(jī)械設(shè)備少，資源損耗小、鋪設(shè)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，節(jié)省大量勞動(dòng)力。采用本施工方法較傳統(tǒng)甲板上拋鋪方案，每鋪設(shè)1000m2可節(jié)約勞動(dòng)力費(fèi)用1 785元，節(jié)約機(jī)械設(shè)備費(fèi)用1 162元。同時(shí)，本施工工藝鋪設(shè)質(zhì)量好，較傳統(tǒng)鋪設(shè)方法具有顯著的質(zhì)量效益；采用本施工方法安全，較傳統(tǒng)鋪設(shè)方法明顯降低事故發(fā)生率，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯。

某疏港公路，在拋石路基底部進(jìn)行基礎(chǔ)處理，處理方式為鋪設(shè)30kN／m有紡?fù)凉げ?、拋填碎石墊層40cm、插設(shè)塑料排水板、拋填基礎(chǔ)碎石墊層20cm、鋪設(shè)120kN／m有紡?fù)凉げ?、拋填袋裝碎石40cm的復(fù)合加固法，水深約4m。采用本施工工藝鋪設(shè)水下土工布332 500m2，節(jié)約費(fèi)用達(dá)97.323萬(wàn)元，同時(shí)保證了工程質(zhì)量，縮短了工期，提高了施工安全性，降低了施工成本，取得了良好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)應(yīng)用顯示，本施工工藝有以下特點(diǎn)：

（1）鋪設(shè)質(zhì)量好

本工藝采用3臺(tái)GPS實(shí)時(shí)差分定位系統(tǒng)和SRC－CAD輔助定位軟件，實(shí)現(xiàn)了可視化鋪設(shè)，鋪設(shè)船施工位置與劃分的船位重合時(shí)，說(shuō)明船舶已準(zhǔn)確定位，定位精度誤差小于50mm，定位準(zhǔn)確。

（2）施工效率高

鋪設(shè)船采用自航雙體船，設(shè)備性能既滿足水上作業(yè)的要求，又機(jī)動(dòng)靈活，可作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，施工效率高。

（3）鋪設(shè)安全

水下緩慢鋪設(shè)。使用人員少，且只需在船甲板上作業(yè)，不需下水，施工安全。

針對(duì)海上更加惡劣的自然環(huán)境，應(yīng)用最新的信息技術(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)海底地形準(zhǔn)確測(cè)量和對(duì)海上船只更加準(zhǔn)確的定位，可以獲得更好的施工質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]羅賽虎，葉焰中，謝宏.舟山釣梁圍墾工程土工布及碎石墊層施工技術(shù)探討[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2008，14（10）：844－846.

[2]權(quán)曉博.深圳機(jī)場(chǎng)碼頭區(qū)水下土工布施工技術(shù)[J].中國(guó)水運(yùn)，2013，13（9）：169－171.

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[4]陳光垣.水下土工布鋪設(shè)施工技術(shù)[J].華南港工，2006，（1）：7－8.

[5]鄒勝勇，謝波，華毓江，等.疏港公路海底拋石施工工藝及三維可視化系統(tǒng)研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，41（5）：524－528.