绞吸式挖泥船边坡施工质量影响因素分析

绞吸式挖泥船边坡施工质量影响因素分析 中交天津港航勘察设计研究院有限公司 张毅 【摘要】本文从绞吸船边坡施工存在的质量问题出发，从DGPS导航系统误差、、驾驶员操作、测量系统误差等四个方面分析了其对边坡施工质量所产生的影响，阐述了相应的解决措施，并以实例数据证明实施后所取得施工效果。 【关键词】边坡施工质量、影响因素、DGPS导航 施工工艺、测量 概述 边坡施工质量作为疏浚验收，质量等级评定标准的一项重要内容，一直是疏浚工程质量控制的重中之重。边坡施工质量问题主要体现在两个方面，超挖和欠挖。超挖，一方面会造成不必要的废方，影响施工船的生产效率;另一方面，在特殊地段，如护岸、码头、防波堤等建筑物附近的边坡进行施工，超挖过多，易危及建筑物的安全，形成安全事故。欠挖过多，则需移船或调船进行二次开挖，不但降低了施工船的生产效率，同时还增加了施工成本，进行二次开挖后，还易形成超挖。尤其是绞吸船施工作业，挖槽内的深度和平整度质量一般较易控制，出现的施工质量问题大部分集中在边坡开挖区域。因此，有必要对造成绞吸船边坡施工质量的各种因素进行详细论证，探寻解决措施。 1.DGPS导航系统误差对边坡施工质量影响 绞吸式挖泥船平面导航系统主要由DGPS接收机、罗经及罗经数字化仪、钢桩台车位置测量仪、绞刀下放深度指示仪、导航电脑、导航软件等组成。随着GPS罗经平面定位精度和方位计算精度、稳定性的日益提高，部分绞吸式挖泥船已采用该设备代替单天线DGPS接收机和罗经及数字化仪设备。施工过程中，DGPS接收机实时采集的天线位置坐标，罗经实时采集的施工船瞬时方位角，绞刀下放深度指示仪实时采集的绞刀下放深度信息;钢桩台车位置测量仪实时采集的主钢桩台车伸缩量信息，同步传输到施工导航软件中，通过预设在导航软件中的各设备的几何关系，换算出绞刀头和钢桩的位置坐标，并显示在导航屏幕中，驾驶员根据显示信息和施工背景文件的关系，操控挖泥船进行施工作业。 假设DGPS天线安装在绞刀桥梁耳轴中心的正上方(实际并非如此，但可以通过偏移参数修正到此位置)，根据几何换算关系可以推导出绞刀头和钢桩位置坐标换算公式，各设备的几何关系如图1所示: (图1) 绞刀头位置坐标: X=X+(L-dL)*COSα C0 Y=Y+(L-dL)*SINα C0 主钢桩位置坐标: X=X+(L1+dL1)*COS(180+α+arctg(L2/(L1+dL1))) S0 Y=Y+(L1+dL1)*SIN(180+α+arctg(L2/(L1+dL1))) S0 式中:X，Y为DGPS天线位置坐标 00 X，Y为主钢桩位置坐标 SS X，Y为绞刀位置坐标 CC L为绞刀桥梁耳轴到绞刀头中心位置距离 dL为因绞刀桥梁下放引起的耳轴到绞刀头中心位置距离在水平面上投影的收缩长度 L1桥梁耳轴和主钢桩伸缩基点连线在施工船中轴线上的投影长度 dL1为主钢桩伸缩距离 L2为主钢桩伸缩基点到施工船中轴线的垂足距离 α为施工船在施工坐标系中的坐标方位角 由上式我们可以看出，DGPS导航系统的误差源为L、L1、L2、dL、 dL1、X、Yα。其中参数L、L1、L2可以由钢尺直接测量所得，00、 误差可忽略不计。参数dL可以由绞刀下放深度指示仪测定的深度计算， dL1、X、Yα分别由钢桩台车测量仪、DGPS接收机、罗经直00、 接测定。 假设某一绞吸式疏浚船耳轴到绞刀头中心位置距离为45米，桥梁耳轴和主钢桩伸缩基点连线在施工船中轴线上的投影长度为55米，挖深-20米时。根据公式计算，若罗经所确定的坐标方位角存在1度的误差，其它导航设备测定的结果不存在误差，绞刀头会产生0.8米的位移误差，主钢桩会产生0.95米的位移误差;若DGPS存在?1米的定位误差，其它导航设备测定的结果不存在误差，绞刀头和主钢桩也将会产生?1米的位移误差;若绞刀下放深度指示仪误差为?1米时，其它导航设备测定的结果不存在误差，将会引起绞刀头的点位误差为?0.5米;若主钢桩台车测量仪误差为?1米时，其它导航设备测定的结果不存在误差，将会引起主钢桩的点位误差为?1米。 在工程开工前和施工期间必须对导航系统各设备的几何关系、偏移参数、测量精度等进行校核，并最终通过检查绞刀头和钢桩位置的精度来衡量整个导航系统的精度，误差一般控制在?1米范围之内。 2.施工工艺对边坡施工质量的影响 2.1正刀和反刀施工的影响 如图2所示，绞吸船正刀施工，摆动到右侧边坡区域施工导航边线时，开始变为反刀施工，受绞刀叶片、绞刀齿的强力“由上向下切割”以及绞刀头高速顺时针转动的连带作用，在右侧边坡区域形成的残留区范围相对较小，如果再加上横移停止改向的影响，则容易形成超挖。绞吸船反刀施工，摆动到左侧边坡区域施工导航边线时，绞刀叶片、绞刀齿“由下向上切割”，受左侧原状土的挤压作用以及向上切割时产生的塌方等因素影响，在左侧边坡区域形成的残留区范围相对较大，易形成欠挖。 (图2) 2.2开挖的影响 绞吸船通常采用阶梯开挖法进行边坡施工，使塌陷部分形成的边坡达到设计边坡，但是由于不同施工区或同一施工区不同区域地质情况不同，塌陷的程度也不尽相同，造成超挖或欠挖现象。 在边坡区域，对于不同的施工工艺、开挖方法、施工地质条件，开挖一段距离后，应立即进行，绘制断面图，仔细分析，找出边坡开挖存在的质量问题，适当调整施工导航边线或摆宽，并对其调整后的施工质量做跟踪检查测量。 3.驾驶员操作对边坡施工质量的影响 各岗的驾驶员，操作习惯和手法各不同，尤其是在边坡区域，绞刀横移停止转向的时机，施工参数的把握、停留时间长短，责任心，质量意识等各不相同，其所开挖的边坡质量情况也不尽相同。 施工期间，可根据不同的工况，在边坡区域先进行一段试挖，根据试挖情况，制定统一的和施工参数，并在日常的施工生产中，加强驾驶员的责任心和质量意识教育，可以消除或减弱由此原因造成的质量问题。 4.水深测量系统误差对边坡质量的影响 测量是检验疏浚工程施工质量的重要手段，通常疏浚工程技术人员是根据测量成果图所反映的质量问题，对疏浚施工方法进行调整、 改进，以达到保证施工质量的目的，因此，保证测量成果图的准确性是确保施工质量的前提。水深测量系统自身存在一定的误差因子，测量时必须予以修正，否则所提交的成果图将不能真实反映施工船实际开挖的情况，误导施工，造成严重的质量问题。在边坡区域测量时有两个重要的误差因素必须考虑，一个是延迟造成的测量误差，另一个是波束角造成的测量误差。 4.1定位数据和测深数据间的延迟对边坡测量成果造成的影响 计算机采集定位数据和测深数据信息时，由于定位数据和测深数据之间不同步，存在时间延迟，使得所测水深的平面位置和实际平面位置不一致，造成测深数据整体偏移。在边坡区域沿垂直于边线方向测量时，会使实际开挖的边坡断面整体发生位移，给施工人员分析边坡施工质量带来误导。假设测量船的船速为5节，定位数据和测深数据存在1秒的延迟，经计算实际开挖断面将会产生2.6米的平面位移。由此可见，在边坡区域测量时必须加延迟改正。 4.2测深仪波束角对边坡测量成果造成的影响 单波束测深仪换能器一般有6—10度的发射角，波束信号发射到海底后形成的脚印是一个圆形的面，测深仪记录的是圆形脚印内最早返回到换能器的回波信号，也就是这个脚印内的最浅点。在边坡区域用单波束测深仪沿垂直于边线方向测量时，由于此特征会造成实际开挖边坡发生位移，如图3所示: (图3) 由图3可以看出，单波束测深仪在边坡区域形成的测量误差随测量深度、坡比变化而变化。坡比固定不变时，测量深度越深，位移越大;同一测量深度条件下，坡比越大，坡越陡，位移越大。若波束角为8度，坡比为1:1，在20米水深处，实际测量的边坡水深数据已向疏浚区内平移了1.39米。 波束角形成的测量误差不是一个固定值，在目前使用的测量软件中还不能加以自动改正。在疏浚工程施工过程中，测量人员应根据本工程所使用的单波束测深仪波束角、设计坡比、设计坡底的最大深度，计算分析由于波束角的因素，可能对本工程边坡测量造成的误差有多大，若误差较大，则需根据分析计算结果，对边坡区域的水深测量数据进行手工位移改正。若误差较小，则可以不予考虑。 5.工程应用实例 苏丹港新集装箱疏浚吹填工程是我局2006年承担的一项国外疏 3浚任务，疏浚工程量为110万m,土质主要为珊瑚礁风化岩，挖掘难 度较大。施工区域为一狭长条带，长约940米，最宽处105米，最窄处仅40米，需要疏浚的边坡区域总长约1200米。设计挖深:港池-16.0米，基槽-13.0米、-18.35米、-20.35米、-22.35米不等。设计边坡:基槽外侧(靠近吹填区一侧)坡比为2:1;基槽内侧(港池接壤一侧)和港池区域，坡比为1:1。由于当地的抛石单价较高(每方约80美金)，业主单位对工程质量问题非常重视，在开工前，明确提出严禁基槽疏浚区超深、超挖，否则超深、超挖部分的抛石费用将由我部自行承担，施工质量控制任务形势严峻。特别是边坡区域，由于边线较长，挖宽窄，施工期间，时刻都必须加强防范边坡施工质量问题。 整个工程施工期间，现场的施工技术人员主要从施工导航系统误差、施工工艺、驾驶员操作、测量系统误差等四方面分析考虑边坡施工存在的质量问题，摸索出了一些经验和措施，并在实际生产中加以实施，取得了良好的施工效果。根据竣工水深图和断面图分析，在设 3计挖槽内无浅点，设计边坡线区域内欠挖工程量合计380 m，设计计 3算超宽线外超挖工程量合计4170 m，集中在表层，主要是由于开挖上层珊瑚礁硬盖时，掀起的大片硬盖塌方造成。工程设计边坡计算超 3宽工程量合计8.3万m，实际开挖边坡计算超宽工程量合计5.2万m3(含废方)，比设计计算超宽工程量少开挖了3.1万方，折合产值约20万美元。