王國順，詹文輝，胡正曉，張?zhí)毂?/p>

（臨海市交通工程建設有限公司，浙江 臨海 317000）

0 引 言

隨著海洋經(jīng)濟的不斷發(fā)展，沿海產(chǎn)業(yè)帶內(nèi)的公路建設已逐步由內(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技術，能更好地保證軟基處理質(zhì)量，促進疏港公路的快速發(fā)展。目前深海水下土工布的鋪設遇到的主要問題就是無法清楚地了解海底地形和無法對海上鋪設船只進行準確定位。這嚴重影響了深海水下土工布的鋪設質(zhì)量和進度，進而影響了整個疏港公路工程的進展。

目前，對土工布的鋪設已有較多研究。羅賽虎[1]等給出了土工布鋪設同時跟拋碎石層的方法；權(quán)曉博[2]對采用小型船機設備對海堤工程中淺水區(qū)水下土工布施工進行了研究，給出了前期施工準備和施工方法；孫悅萍[3]在文獻中對施工的前期準備、土工布的材料選取等各項物理指標及選材作了分析，同時給出了簡略的土工布施工方法；陳光垣[4]研究了土工布派排體鋪設方法及排體鋪設的檢測方法。然而，以上施工方法僅適用于水面以上或者淺灘處，同時都是以海底涂面平整為前提的，施工過程中無法清晰直觀地了解海底地形情況，并對海上鋪設船只進行實時定位。鑒于此，根據(jù)最新的SRC－CAD輔助系統(tǒng)[5]和其他相關計算機軟件，充分利用海底地形云圖顯示技術和海上定位技術，結(jié)合已有的土工布鋪設方案研究，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問題。。

1 SRC－CAD計算機輔助系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概括

SRC－CAD系統(tǒng)即海底拋石施工計算機輔助系統(tǒng)（Computer aided design for submarine riprap construction），其采用系統(tǒng)集成技術，通過調(diào)用信標機附屬軟件系統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)，實現(xiàn)疏港公路關鍵工藝施工時間、施工位置、施工方法等多源施工信息耦合的自動記錄，形成考慮施工過程關鍵斷面材質(zhì)分布的有限元模型。在此基礎上，利用基于OpenGL和GIS的三維動態(tài)可視化仿真技術，研究疏港公路路堤施工過程，形成施工過程的可視化。同時，基于DTM建模技術，用Visual Studio 2005編程實現(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的信息，通過數(shù)據(jù)處理層過濾得到高程點的z坐標即海底深度，利用冒泡排序法計算得到整個模型中的海底深度極值；利用顏色插值算法計算得到海底地形顏色信息，以此來達到用云圖來顯示海底地形的目的。通過海底地形云圖，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確性和安全性提供保障。軟件實現(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算機輔助系統(tǒng)，實時定位鋪設船只和測深儀，為現(xiàn)場鋪設土工布船只提供24小時全天候定位和圖形導航及船位指示，指揮鋪設和現(xiàn)場施工調(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計算機輔助系統(tǒng)，結(jié)合其它軟件，生成海底地形云圖，清晰海底地形狀況，進而進行清潔平整處理。然后將土工布在岸上縫接拼寬，按堤底橫向設計攤鋪寬度裁斷卷成土工布卷，土工布卷裝船后到達鋪設位置由卷揚機沉入水底。采用GPS、SRC－CAD系統(tǒng)及相關導航測量軟件作為施工導航定位系統(tǒng)，實時定位鋪設船只和測深儀，然后將土工布卷一端錨定，一端通過滾軸、鉸錨機牽引，水下緩慢鋪設。土工布水下拉力鋪設，避免了漂浮或折疊現(xiàn)象；水下鋪設受水流、風力等影響小，鋪設質(zhì)量可靠，鋪設效率高。

2.2 土工布施工工藝流程及操作要點

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基準站

先將一臺GPS接收機放置在岸上的已知點上，并將基準站的坐標、高程、坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)等輸入GPS控制手簿。同時在鋪設船船頭部和駕駛室頂部各裝配一臺GPS接收器作為流動站。將每塊土工布鋪設寬度及鋪設張數(shù)等數(shù)據(jù)輸入土工布鋪設船的GPS移動站，標明逐塊鋪設的位置并以此作為鋪設土工布的定位依據(jù)。采用SRC－CAD系統(tǒng)對鋪設船只和測深儀實時定位，為鋪裝提供施工導航和船位指示。

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，與水面以上土工布的鋪設和淺灘河流湖泊的鋪設有很大的不同，其中主要面臨以下兩點問題：一是海底地形的不確定，無法準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；二是海上風浪影響較大，無法對鋪設船只進行準確定位。這兩種問題嚴重影響水下土工布的鋪設，因此尋求一種方法來準確測定水下地形顯得非常重要。

目前對海底的處理通常采用掃海的方式，比如采用兩艘柴油動力船拖長鋼絲繩對施工范圍內(nèi)的涂面進行掃海作業(yè)。但是對于海底有大的溝壑 （如圖5）或者突起 （如圖6）的時候，簡單的掃海并不能解決地形問題，特別是對于圖5的情況，在鋪設過程中是無法發(fā)現(xiàn)的。在圖5的情況下鋪設完土工布后，在鋪設碎石時就會造成局部土工布下沉，出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象。

圖5 土工布鋪設位置下有溝壑區(qū)域

圖6 土工布鋪設位置下有凸起區(qū)域

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

2.2.3 材料及鋪設船準備

土工布應滿足力學性能、水力學性能、耐久性能等性能指標，同時材料的撕裂強度、頂破強度以及接縫強度應滿足有關要求。同時，土工織物要求具有彈性、抗老化等性能。涂面采用30kN／m有紡土工布，碎石墊層頂面采用120kN／m有紡土工布。主要技術指標如表1所示。

收集、整理瓦斯吹硫、熱氮吹硫停工過程耗能工質(zhì)消耗，如表3所列。熱氮吹硫采用氮氣、工廠風加熱后對克勞斯系統(tǒng)進行吹硫、鈍化作業(yè)，加氫單元、脫硫單元、酸性水汽提單元正常運行，增加氮氣消耗131×104 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，除去低壓氮氣綜合能耗增加2563750 MJ;單次熱氮吹硫能耗成本340萬元，較常規(guī)吹硫增加149萬元。

表1 土工布主要技術指標

碎石墊層采用的碎石，要求采用新鮮堅硬的巖石扎制，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)、土工布鋪設裝置等組成。

2.2.4 卷布裝船

土工布經(jīng)檢測合格后，進行卷布工作。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)攤鋪船攤鋪寬度來定），然后用卷揚機將大布卷在滾筒上。

土工布卷設完成后吊入鋪設船堆放，堆放方向應垂直于鋪設方向，以方便鋪設。土工布卷堆放與臂架間應預留石料 （袋裝碎石）堆放空間，寬度應大于挖掘機最小作業(yè)寬度。

2.2.5 船只定位

使用GPS定位系統(tǒng)。首先測量人員根據(jù)基底鋪設圖紙畫出施工放樣圖，并導入到施工定位軟件，結(jié)合SRC－CAD計算機輔助軟件，定位作業(yè)時只要在計算機內(nèi)輸入鋪設方向、船體的尺寸、土工布平面尺寸以及施工平面區(qū)域位置，計算機可自動劃分出土工布鋪設單元格軌跡，即可進行定位作業(yè)?，F(xiàn)場施工人員根據(jù)計算機桌面上實時顯示的施工船位置，使用羅盤調(diào)整方向，指揮鋪設船進行定位。船只根據(jù)GPS的導航到達預定鋪設區(qū)域，由拋錨船配合將四只錨沿四角八字拋錨固定，錨繩應足夠長，滿足鋪設船移位需要。利用計算機對船位進行監(jiān)控，通過調(diào)整船頭、船尾設置的4臺鉸錨機移動船舶，至其施工空間與劃分的船位重合時，說明船舶已準確就位，實現(xiàn)可視化鋪設，該系統(tǒng)的定位精度達到50mm，施工時還應根據(jù)潮水變化及時調(diào)整錨纜，保證船位的準確。

2.2.6 土工布鋪設

（1）鋪 設

船體定位準確以后，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留一定的長度，將土工布卷懸吊在臂架上（如圖7所示）。用絞錨機反向移動鋪設船相當于預留約10m長度的距離，拋下土工布錨固小錨，然后將船移至鋪設起始位置。土工布在涂面正常打開后，同時開啟4臺鉸錨機，兩個拉緊，兩個放松。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行水底攤鋪。因為是動態(tài)定位，所以整個移動過程在計算機上都有顯示，只要預定的軌跡和鋪設路線一致就說明鋪設準確。如不同時或走偏必須及時通過絞錨機進行調(diào)整。由于整個攤鋪過程是在水下操作，所以受水流和流向的影響極小。為了進一步減少水流和流向的影響，在攤鋪時盡量采用順流方向進行。

（2）拋投碎石

在攤鋪過程中每移動2～3m左右的距離，用反鏟挖掘機拋投碎石 （袋裝碎石）將攤鋪的土工布壓住，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時，預留距離暫不拋填，避免影響兩塊土工布搭接質(zhì)量。鋪至末端時，適當增加碎石拋投量，放松滾筒吊索，將攤鋪船移出鋪設區(qū)，吊起滾筒，收起定位錨，單張土工布鋪設完成，再移動鋪設船進行下一幅布的鋪設。兩幅土工布搭接寬度不小于500mm。每鋪設完成3～5塊土工布，即進行碎石墊層施工。

圖7 土工布鋪設示意圖

3 經(jīng)濟效益分析及應用實例

本施工工藝需用機械設備少，資源損耗小、鋪設效率高，勞動強度低，節(jié)省大量勞動力。采用本施工方法較傳統(tǒng)甲板上拋鋪方案，每鋪設1000m2可節(jié)約勞動力費用1 785元，節(jié)約機械設備費用1 162元。同時，本施工工藝鋪設質(zhì)量好，較傳統(tǒng)鋪設方法具有顯著的質(zhì)量效益；采用本施工方法安全，較傳統(tǒng)鋪設方法明顯降低事故發(fā)生率，經(jīng)濟效益和社會效益明顯。

某疏港公路，在拋石路基底部進行基礎處理，處理方式為鋪設30kN／m有紡土工布、拋填碎石墊層40cm、插設塑料排水板、拋填基礎碎石墊層20cm、鋪設120kN／m有紡土工布、拋填袋裝碎石40cm的復合加固法，水深約4m。采用本施工工藝鋪設水下土工布332 500m2，節(jié)約費用達97.323萬元，同時保證了工程質(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)濟效益和社會效益。

4 結(jié) 語

經(jīng)過應用顯示，本施工工藝有以下特點：

（1）鋪設質(zhì)量好

本工藝采用3臺GPS實時差分定位系統(tǒng)和SRC－CAD輔助定位軟件，實現(xiàn)了可視化鋪設，鋪設船施工位置與劃分的船位重合時，說明船舶已準確定位，定位精度誤差小于50mm，定位準確。

（2）施工效率高

鋪設船采用自航雙體船，設備性能既滿足水上作業(yè)的要求，又機動靈活，可作業(yè)時間長，施工效率高。

（3）鋪設安全

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

針對海上更加惡劣的自然環(huán)境，應用最新的信息技術以實現(xiàn)對海底地形準確測量和對海上船只更加準確的定位，可以獲得更好的施工質(zhì)量和經(jīng)濟效益。

[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探討[J].水利科技與經(jīng)濟，2008，14（10）：844－846.

[2]權(quán)曉博.深圳機場碼頭區(qū)水下土工布施工技術[J].中國水運，2013，13（9）：169－171.

[3]孫悅萍.土工布施工工藝及質(zhì)量控制[J].北方交通，2008，（12）：19－20.

[4]陳光垣.水下土工布鋪設施工技術[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)大學學報，2013，41（5）：524－528.