扭王字块抓取器研发

    张烨++胡景++余南

    

    

    摘 要：扭王字块体的安放施工的关键问题，在于保证块体表面的完整性以及块体位置的安放精度。然而，现有的扭王字块施工方式，不能最大程度上保证块体表面的完整性以及位置的安放精度，所有，存在极大的改进和提高空间。本文在调查国内外扭王字块安装方式的基础上，结合工程实践，研发扭王字块抓取器，适应长江航道整治工程技术特点，提高施工质量和效率。

    关键词：扭王字块安放 长江航道整治工程 挖掘机抓取器

    扭王字块，材料为混凝土，通过定型模板一次性浇筑完成。

    由三个杆件组成，两端杆件平行，中间的杆件正交于两端杆件，是常用的预制混凝土异形块体的一种。因制作工艺简单、施工方便，同时具有稳定性好、抗冲刷能力强、消能效果好、自重大的特点，能增加建筑物的耐久性，一般应用在防波堤、围堰等水工工程中，在受波浪影响较大的港口和水流流速较大（超过3m/s）的河段，应用最为广泛。

    扭王字块外形结构示意图

    1981年，法国工程师索格雷（Sogreah）发明了新型防波堤护面块体，扭王字块（Accropode），此后，广泛应用于港口、海岸工程之中。2008年，长江上游叙泸段航道建设二期工程的铜鼓滩疏浚工程，采用扭王字块加固铜鼓滩丁顺坝坝头。扭王字块首次应用于长江流域的航道整治工程。 2012年，沙市河段航道整治一期工程，在三八滩滩头迎流顶冲部位使用扭王字块。扭王字块首次应用于长江中游航道。2014年，鹦鹉洲大桥2#桥墩局部冲刷防护工程，在桥墩附近的顺坝尾、鱼骨坝采用扭王字块筑坝。

    在国外的港口海岸工程中，依据扭王字块体尺寸不同，采用的工程机械有所差别。小型到中型块体，采用叉式起重器安放；叉式起重器，是一种汽车起重器械，能对沙石、预制构件，进行挖掘、装卸、抓运。大型块体，采用吊车悬吊或驳船起重机安放。优点是起重量大，可以吊重行走。具有较强的吊装能力。缺点是拆装麻烦，起重臂不能自由伸缩，局限性太强。驳船起重机多用于深水海域或大型港口建设。

    目前，在国内的航道整治过程中，一般采取吊车、起重船和运输船的方式安放。首先，平板车运输扭王字块体至运输船。然后，根据扭王字块在坡面上的安装点坐标，在堤上定出扭王字块的安装方向线，两点间拉测量绳，预先在测量绳上标出扭王字块安装点距，并做好醒目的标记。起重船移动，将吊绳移到测量绳上安装点的标记位置，吊机吊取块体，再将吊机仪表读数与预先设计的控制数值表对照，左右旋转、调整吊臂，当两者较吻合后，脱钩下放，安放块体。移机进行下一个机位的块体安装。

    工程概况

    自上个世纪五十年代武汉长江大桥建成以后，武桥水道开始碍航，九十年代以来形势更为严峻。为了解决武桥水道的碍航问题，确定实施在潜州上实施长顺坝结合鱼骨坝的整治工程方案。作用是保持潜州的完整，使左侧和右侧的水流集中，改善枯水期汉阳边滩的水流动力条件，加大汉阳边滩退水期及枯水期的冲刷力度，有效扩大航道弯曲半径，达到改善通航条件的目的。

    武汉鹦鹉洲长江大桥位于长江中游武桥水道内，全长5km， 2#桥墩位于河段左右汊分界的潜洲上。在2#桥墩局部冲刷防护工程中，施工区域位于桥墩附近，水流急，流速大，冲刷强烈。

    因扭王字块抗冲性好，用于水流较急，冲刷较大的部位，故采用其作为坝体护面、护脚的防冲结构。

    5#鱼骨坝和顺坝，均采用抛石与扭王字块混合坝体结构。坝体采用抛石填芯，在坝头和坝的两侧面采用抗冲能力强的扭王字块体护面。扭王字块采用C30砼，重约636kg。

    安放的质量要求是安放密度达到设计要求。根据JTS257-2008《水运工程质量检验标准》，块体在坡面上可斜向放置，并使一半杆件与坝坡接触。安放的数量不低于设计要求，允许偏差应该控制在 5%以内。根据施工规范和设计的要求，本工程扭王字块安放密度为4块/m2。

    实验与研究

    1、工程船舶

    从施工工序来看，安放扭王字块紧随水上抛石之后。水上抛石，采用定位船测量定位，运输船装载块石，挖掘机安放块石。施工工艺流程为，抛前水下地形测量、施工区域划分、测量、放样、定位船定位、装石船定位、安放块石、定位船移位、装石船定位、安放块石。水上抛石与安放扭王字块相似，都需要定位船测量、运输船装载扭王字块体。因而，沿用水上抛石的定位船和运输船是可行的，能加快施工进度，节省调遣船舶的时间。

    船舶示意图如下：

    2、安放装置

    在工程前期准备时，开展实验与研究，改装挖掘机原有的头部装置。

    挖掘机，是利用铲斗挖掘物料，装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤和岩石。近几年挖掘机的发展相对较快，成为工程建设中最主要的机械之一。

    下图为挖掘机头部的铲斗装置：

    3、实验过程

    本工程使用的属于液压正铲挖掘机，其结构包括，动力装置，工作装置，回转机构，操纵机构，传动机构，行走机构和辅助设施。研究过程中，反复试验，不断改进抓取器的零部件，使挖掘机由简单的铲斗工作装置，改变为抓取、安放、抛投的综合控制工作装置，使其适合扭王字块作业。。

    实验过程中，调整抓取器的齿长和轴承开合度，做出9组试验品，进行3组对比。

    根据扭王字块杆件1000mm的长度，设计不同的齿长。将第1、2、3组的齿长分别设计成1000mm、900mm和800mm，试验不同齿长抓取器抓取、安放扭王字块体的实际效果。实验结果证明800mm齿长的抓取器，不仅能牢固抓取，相比之下，还能节省制作材料，因此，是最佳选择。

    根据块体杆件中心正交的外形特点，设计不同的开合角度。将第4、5、6组的开合角度分别设计成90°、120°、150°，试验不同的开合角对抓取器轴承灵活度的影响。实验结果证明，90°开合角太小，虽然能抓取块体，但是在安放块体时，容易刮损块体表面，导致杆件破损残缺。150°开合角过大，一张一合时，加速了抓取器轴承零件的磨损，增加了机械损耗和施工成本。开合角为120°的抓取器，相比之下，是最优选择，不但能灵活地抓取、安放块体，而且能减少不必要的机械损耗，延长零部件的使用寿命。

    根据扭王字块体的混凝土材质特点，设计不同的齿前端。将第7、8、9组的齿前段，分别设计成直齿、弯齿和钩齿。试验不同的齿前端在抓取、安放扭王字块体过程中的作用和影响。实验结果表明，直齿前端的抓取器不能有效抓住扭王字块体，在安放过程中，极易滑脱，砸损块体。钩齿前端的抓取器在抓取扭王字块体时，造成块体表面的残缺、破损，不能达到水运工程施工的质量要求。相比之下，弯齿前端的抓取器，不仅能牢牢地有效抓住扭王字块体，防止滑脱，而且能避免给块体带来不必要的损伤，提高了施工效率，保证施工质量，因此是最佳选择。

    综合9组样品的实验结果和对比分析，最终选择齿长800mm、开合度120°、弯齿前端的扭王字块体抓取器。既充分适应了扭王字块体的尺寸、外形和材质特性，又加快了施工效率，提高了施工质量。

    齿长0.8m、抓容量1块的小型抓取器，使挖掘机一机多能，配备了抓取器工作装置以后，既能抓取、安放扭王字块体，又能抛投扭王字块体，能满足满足不同施工部位的工程需要。取代了体型庞大的吊机，缩小了施工机械在运输船上的占地面积，提高了扭王字块体的运输效率。

    下图为扭王字块体抓取器的实际效果图

    4、实际施工

    采取运输船装运扭王字块体，GPS仪器测量、定位，挖掘机抓取器安放。

    安放前先测定水深、流速、流向。遵循先上游后下游、先深水后浅水的顺序进行。通过对水深、流速的测量，合理的安排整体安放扭王字块的施工进度。

    定位船顺水流布置，扭王字块体堆放在运输船上，挖掘机停放在运输船上。通过收、放锚缆灵活控制定位船上、下、左、右移动。

    安放前，准备详细的块体坐标位置图，并根据安放区域实际地形情况，绘制安放网格图。按设计范围分别设置成近似20m×25m的施工网格，将扭王字块体的施工区域用CAD成图，并计算出每个网格内的工程量。先计算出每个扭王块体所占面积和尺度，绘制出扭王块体在断面结构中的布置图，并计算出各扭王块体“质心”位置，依据堤轴线和断面位置计算出各扭王块体平面定位点。施工时每个网格用GPS定位，定位船在网格内移动，依次安放。

    在坝体的水下断面，采用抓取、抛投操作，利用挖掘机抓取器和GPS测量指引相结合，定点随机抛投扭王字块，达到合适密度。在坝体露出水面的部分，采用抓取、安放操作，最下面一排块体坡脚位置利用GPS定位，其它坡面上，从下向上依次安装，顶部安装时尽量利用露出的时间，保证顶面每个断面扭王字块密度合理。在安放过程中，保证扭王字块体的均匀受力，轻抓轻放，避免碰坏构件棱角。采用动态GPS进行安放时的定位，保证安装密度应满足规范和设计要求。

    结语

    扭王字块体的安放施工的关键问题，在于保证块体表面的完整性以及块体位置的安放精度。然而，现有的扭王字块施工方式，不能最大程度上保证块体表面的完整性以及位置的安放精度，所有，存在极大的改进和提高空间。在调查国内外扭王字块安装方式的基础上，经过大量的实验准备、反复试验和对比研究后，研发了扭王字块抓取器。沿用抛石筑坝后的船舶设备，采用GPS定位，来保证水下安放密度。在挖掘机基础上，改装工作装置，研发齿长800mm、开合度120°、弯齿前端的抓取器。

    结合工程实践，改进后的扭王字块体安放方式，适应了鹦鹉洲大桥2#桥墩局部冲刷防护工程的技术特点，加快了施工速度，提高施工质量，保证了施工过程中扭王字块体的完好性，为长江航道整治工程中的扭王字块体安放施工提供借鉴，为今后进一步完善扭王字块体施工工艺起到了参考意义。

    参考文献：

    [1] Wikipedia. Accropode[DB/OL]. http：//en.wikipedia.org/wiki/Accropode.

    [2] 杨祥飞. 扭王字块在川江航道整治工程中的应用. 重庆交通大学学报（自然科学版），2013，32（5）： 1031-1034.

    [3] 赵虎，骆国庆，向前. 攻克长江航道“顽疾”. 中国水运报（综合新闻版）， 2012-5-25.

    [4] Wikipedia. Accropode[DB/OL].

    [5] 建设工程教育网. 扭王字块安装工程施工步骤[DB/OL]. http：//www.jianshe99.com/web/zhuanyeziliao/gongyi/zh2014052011545487394300.shtml

    （作者单位：长江武汉航道局）