基于SRC－CAD系统的水下土工布施工工艺研究

2014-08-06王国顺詹文辉胡正晓张天兵

浙江交通职业技术学院学报 2014年2期

王国顺，詹文辉，胡正晓，张天兵

（临海市交通工程建设有限公司，浙江临海 317000）

0 引言

随着海洋经济的不断发展，沿海产业带内的公路建设已逐步由内陆向外海发展，路线直接位于敞口海域，并且垂直于大陆岸线向深海延伸，因此，疏港公路工程也由浅海向深海区域发展。土工布是目前疏港公路软基处理的重要材料，掌握深海水下土工布的铺设技术，能更好地保证软基处理质量，促进疏港公路的快速发展。目前深海水下土工布的铺设遇到的主要问题就是无法清楚地了解海底地形和无法对海上铺设船只进行准确定位。这严重影响了深海水下土工布的铺设质量和进度，进而影响了整个疏港公路工程的进展。

目前，对土工布的铺设已有较多研究。罗赛虎[1]等给出了土工布铺设同时跟抛碎石层的方法；权晓博[2]对采用小型船机设备对海堤工程中浅水区水下土工布施工进行了研究，给出了前期施工准备和施工方法；孙悦萍[3]在文献中对施工的前期准备、土工布的材料选取等各项物理指标及选材作了分析，同时给出了简略的土工布施工方法；陈光垣[4]研究了土工布派排体铺设方法及排体铺设的检测方法。然而，以上施工方法仅适用于水面以上或者浅滩处，同时都是以海底涂面平整为前提的，施工过程中无法清晰直观地了解海底地形情况，并对海上铺设船只进行实时定位。鉴于此，根据最新的SRC－CAD辅助系统[5]和其他相关计算机软件，充分利用海底地形云图显示技术和海上定位技术，结合已有的土工布铺设方案研究，总结出一种新的水下土工布施工工艺以更好地解决深海水下土工布铺设问题。。

1 SRC－CAD计算机辅助系统

1.1 系统概括

SRC－CAD系统即海底抛石施工计算机辅助系统（Computer aided design for submarine riprap construction），其采用系统集成技术，通过调用信标机附属软件系统的GIS数据，实现疏港公路关键工艺施工时间、施工位置、施工方法等多源施工信息耦合的自动记录，形成考虑施工过程关键断面材质分布的有限元模型。在此基础上，利用基于OpenGL和GIS的三维动态可视化仿真技术，研究疏港公路路堤施工过程，形成施工过程的可视化。同时，基于DTM建模技术，用Visual Studio 2005编程实现了海底地形云图显示，为海底土工布的施工和定位提供技术支持。

1.2 显示海底地形云图

SRC－CAD软件从地形图中读入各高程点的信息，通过数据处理层过滤得到高程点的z坐标即海底深度，利用冒泡排序法计算得到整个模型中的海底深度极值；利用颜色插值算法计算得到海底地形颜色信息，以此来达到用云图来显示海底地形的目的。通过海底地形云图，我们可以直观地观察海底地形情况，可以为水下土工布施工的准确性和安全性提供保障。软件实现海底地形云图的基本流程如图1所示。图2展示了云图显示结果，可以看出此处海底出现了凸起的小山，根据具体的数据，可以判断小山的大小，可以提供具体的解决方案。

图1 海底地形云图实现基本流程

图2 海底地形云图

1.3 海上船只定位

采用SRC－CAD作为深海水洗土工布施工计算机辅助系统，实时定位铺设船只和测深仪，为现场铺设土工布船只提供24小时全天候定位和图形导航及船位指示，指挥铺设和现场施工调度、施工质量监督和控制。系统基本模块逻辑分析如图3所示。

图3 系统定位模块逻辑分析

2 深海水下土工布施工工艺

2.1 工艺原理

首先根据SRC－CAD计算机辅助系统，结合其它软件，生成海底地形云图，清晰海底地形状况，进而进行清洁平整处理。然后将土工布在岸上缝接拼宽，按堤底横向设计摊铺宽度裁断卷成土工布卷，土工布卷装船后到达铺设位置由卷扬机沉入水底。采用GPS、SRC－CAD系统及相关导航测量软件作为施工导航定位系统，实时定位铺设船只和测深仪，然后将土工布卷一端锚定，一端通过滚轴、铰锚机牵引，水下缓慢铺设。土工布水下拉力铺设，避免了漂浮或折叠现象；水下铺设受水流、风力等影响小，铺设质量可靠，铺设效率高。

2.2 土工布施工工艺流程及操作要点

深海水下土工布整体施工工艺流程图如图4所示。

图4 施工工艺流程图

2.2.1 建立 GPS基准站

先将一台GPS接收机放置在岸上的已知点上，并将基准站的坐标、高程、坐标转换参数等输入GPS控制手簿。同时在铺设船船头部和驾驶室顶部各装配一台GPS接收器作为流动站。将每块土工布铺设宽度及铺设张数等数据输入土工布铺设船的GPS移动站，标明逐块铺设的位置并以此作为铺设土工布的定位依据。采用SRC－CAD系统对铺设船只和测深仪实时定位，为铺装提供施工导航和船位指示。

2.2.2 海底平整

水下土工布，特别是深海区域的水下铺设，与水面以上土工布的铺设和浅滩河流湖泊的铺设有很大的不同，其中主要面临以下两点问题：一是海底地形的不确定，无法准确得知海底的地形是否平整，是否有小山突起或者大的沟壑；二是海上风浪影响较大，无法对铺设船只进行准确定位。这两种问题严重影响水下土工布的铺设，因此寻求一种方法来准确测定水下地形显得非常重要。

目前对海底的处理通常采用扫海的方式，比如采用两艘柴油动力船拖长钢丝绳对施工范围内的涂面进行扫海作业。但是对于海底有大的沟壑（如图5）或者突起（如图6）的时候，简单的扫海并不能解决地形问题，特别是对于图5的情况，在铺设过程中是无法发现的。在图5的情况下铺设完土工布后，在铺设碎石时就会造成局部土工布下沉，出现褶皱现象。

图5 土工布铺设位置下有沟壑区域

图6 土工布铺设位置下有凸起区域

鉴于此情况，利用SRC－CAD计算机辅助系统，形成海底地形云图，能直观显示海底地貌，对于沟壑部位可以提前倾倒碎石填平，对凸起区域进行铲平工作，以保证土工布能紧贴涂面铺设，做到搭接密实、整体平整。

2.2.3 材料及铺设船准备

土工布应满足力学性能、水力学性能、耐久性能等性能指标，同时材料的撕裂强度、顶破强度以及接缝强度应满足有关要求。同时，土工织物要求具有弹性、抗老化等性能。涂面采用30kN／m有纺土工布，碎石垫层顶面采用120kN／m有纺土工布。主要技术指标如表1所示。

收集、整理瓦斯吹硫、热氮吹硫停工过程耗能工质消耗，如表3所列。热氮吹硫采用氮气、工厂风加热后对克劳斯系统进行吹硫、钝化作业，加氢单元、脱硫单元、酸性水汽提单元正常运行，增加氮气消耗131×104 m3、电耗8.72×104 k W·h、低压蒸汽2183 t，燃料气节约12.56×104 m3，除去低压氮气综合能耗增加2563750 MJ;单次热氮吹硫能耗成本340万元，较常规吹硫增加149万元。

表1 土工布主要技术指标

碎石垫层采用的碎石，要求采用新鲜坚硬的岩石扎制，碎石粒径≤120mm，其中粒径100～120 mm的含量≤20%，含泥量＜5%。

铺设船宜采用钢质自航式双体作业船，单底单甲板，混合骨架式结构，由船体、定位系统、土工布铺设装置等组成。

2.2.4 卷布装船

土工布经检测合格后，进行卷布工作。首先将4块或5块6.0m门幅的土工布在加工场缝接拼宽，拼接宽度不小于200mm，形成幅宽为23m或29m的大布（根据摊铺船摊铺宽度来定），然后用卷扬机将大布卷在滚筒上。

土工布卷设完成后吊入铺设船堆放，堆放方向应垂直于铺设方向，以方便铺设。土工布卷堆放与臂架间应预留石料（袋装碎石）堆放空间，宽度应大于挖掘机最小作业宽度。

2.2.5 船只定位

使用GPS定位系统。首先测量人员根据基底铺设图纸画出施工放样图，并导入到施工定位软件，结合SRC－CAD计算机辅助软件，定位作业时只要在计算机内输入铺设方向、船体的尺寸、土工布平面尺寸以及施工平面区域位置，计算机可自动划分出土工布铺设单元格轨迹，即可进行定位作业。现场施工人员根据计算机桌面上实时显示的施工船位置，使用罗盘调整方向，指挥铺设船进行定位。船只根据GPS的导航到达预定铺设区域，由抛锚船配合将四只锚沿四角八字抛锚固定，锚绳应足够长，满足铺设船移位需要。利用计算机对船位进行监控，通过调整船头、船尾设置的4台铰锚机移动船舶，至其施工空间与划分的船位重合时，说明船舶已准确就位，实现可视化铺设，该系统的定位精度达到50mm，施工时还应根据潮水变化及时调整锚缆，保证船位的准确。

2.2.6 土工布铺设

（1）铺设

船体定位准确以后，将滚轴穿入土工布卷，将臂架钢丝绳分别拴在滚轴两端，松开土工布卷的起始边，在土工布的露头钢管上安装好土工布锚固小锚并预留一定的长度，将土工布卷悬吊在臂架上（如图7所示）。用绞锚机反向移动铺设船相当于预留约10m长度的距离，抛下土工布锚固小锚，然后将船移至铺设起始位置。土工布在涂面正常打开后，同时开启4台铰锚机，两个拉紧，两个放松。随着锚索的牵引，滚筒上的土工布逐步展开，沿垂直路基中线方向进行水底摊铺。因为是动态定位，所以整个移动过程在计算机上都有显示，只要预定的轨迹和铺设路线一致就说明铺设准确。如不同时或走偏必须及时通过绞锚机进行调整。由于整个摊铺过程是在水下操作，所以受水流和流向的影响极小。为了进一步减少水流和流向的影响，在摊铺时尽量采用顺流方向进行。

（2）抛投碎石

在摊铺过程中每移动2～3m左右的距离，用反铲挖掘机抛投碎石（袋装碎石）将摊铺的土工布压住，使其不能上浮或飘移。抛投碎石要求做到不漏抛不重抛，在相邻块土工布未铺设时，预留距离暂不抛填，避免影响两块土工布搭接质量。铺至末端时，适当增加碎石抛投量，放松滚筒吊索，将摊铺船移出铺设区，吊起滚筒，收起定位锚，单张土工布铺设完成，再移动铺设船进行下一幅布的铺设。两幅土工布搭接宽度不小于500mm。每铺设完成3～5块土工布，即进行碎石垫层施工。

图7 土工布铺设示意图

3 经济效益分析及应用实例

本施工工艺需用机械设备少，资源损耗小、铺设效率高，劳动强度低，节省大量劳动力。采用本施工方法较传统甲板上抛铺方案，每铺设1000m2可节约劳动力费用1 785元，节约机械设备费用1 162元。同时，本施工工艺铺设质量好，较传统铺设方法具有显著的质量效益；采用本施工方法安全，较传统铺设方法明显降低事故发生率，经济效益和社会效益明显。

某疏港公路，在抛石路基底部进行基础处理，处理方式为铺设30kN／m有纺土工布、抛填碎石垫层40cm、插设塑料排水板、抛填基础碎石垫层20cm、铺设120kN／m有纺土工布、抛填袋装碎石40cm的复合加固法，水深约4m。采用本施工工艺铺设水下土工布332 500m2，节约费用达97.323万元，同时保证了工程质量，缩短了工期，提高了施工安全性，降低了施工成本，取得了良好经济效益和社会效益。