几种典型基床整平工艺在深水航道整治工程运用效果的探讨
罗兵
摘 要：近年来，随着深水航道整治工程的需要，采用“抛石基床+安装预制空心构件”混合堤结构型式在整治结构物逐渐应用，对基床抛石的整平要求不断提高，激发水下基床整平新工艺不断涌现，本文就深水基床不同的抛石工艺适用条件和质量控制效果进行探讨，为类似工程采用合理工艺提供借鉴。
关键词：深水航道；抛石基床整平工艺；质量效果
中图分类号：U615 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）2-0055-03
从1998年长江口深水航道治理工程一期开工，经历三期到2010年12.5米深水航道全面贯通，2011年上延至江苏太仓，2015年长江南京以下12.5米深水航道一期工程实现太仓到南通，2016年二期工程实现南通到南京初通，实现长江下游南京以下长达400多公里，10.5米航道维护水深的通航条件。为达到以上深水通航条件，沿线布置众多航道整治工程建筑物，抛石基床整平施工工艺不断地在实施中完善和创新。
传统的抛石基床整平，由水上整平船悬吊刮尺配潜水员人工作业的方法。整平船一般是方驳改装，在方驳的船边伸出两根工字钢或钢轨作为刮尺支架，支架外端安装滑轮，用重轨做成的刮尺通过滑轮悬吊在水中，在刮尺两端系以测深绳尺，以此来控制刮尺高程。
施工时，整平船就位，按整平标高用滑车控制刮尺下放深度，根据水位变化随时调整，潜水员以刮尺底为准，按“去高填洼”进行整平，边整平、边移船，压茬向前进行。另外基床的细平由于精度要求高，需要在基床面设导轨辅助控制整平精度。
人工整平工艺，劳动强度大，作业效率一般比较低，受气象、风浪和潮流的影响大。
在长江深水航道整治工程，由于泥沙含量大，水下能见度极低，采用传统的潜水员作业极为困难。
根据笔者多年的工作经历，水下基床抛石整平方面有了一定的创新，出现了如铲斗式、自升平台式、水下推土机等类型的水下整平机械设备，并在深水航道整治工程实践中得到检验。本文主要就一体和分体式整平船配整平机、铲斗式整平船整平的施工工艺，适用范围，质量控制效果进行探讨。
1 基床整平的质量要求及检测方法
依据现行《港口及航道护岸工程设计与施工规范》（JTJ300-2000）、《水运工程质量检验标准》（JTS 257-2008）的水下基床整平规定：整平的范围和方法、顶面坡度应满足设计和施工方案的要求，深水航道安装预制空心构件参考安装沉箱要求控制。
其中顶面标高按细平±50mm，整平边线+500～0mm允许偏差控制，检验方法使用经纬仪或 GPS 定位，用水准仪、水深测杆测量钢轨内侧 1m 和中线处，基床顶宽小于 6m 时，可只测钢轨内侧 1m 处。
2 几种典型基床整平的工艺原理、适用范围及质量控制效果
2.1 改进的整平船悬吊刮道GPS定位基床整平工艺
该工艺与传统方法类似，省去了水下基床整平标高顶面铺设顺向整平钢轨，改为在船舷一侧悬挂刮道，运用GPS定位控制技术，由刮道正上方的GPS接收机控制标高，再通过手拉葫芦调整刮道标高。
适用条件是船机配置要求整平施工船舶有较强的抗风浪能力，以减小船舶摆动带来的误差，其次，船舶甲板要有较大的空间以利于储备整平石料、潜水装备等，需要1000吨级以上的船舶。适合整平石料为10～50kg的块石，一般流速和5米以内的水深基床整平。
基床悬吊刮道GPS定位整平工艺，平面定位精度在≤20cm，刮道标高通过手拉葫芦调整吊绳，吊绳的读数通过钢卷尺量取吊绳上的尺码和悬臂支架顶面的GPS的距离求得，基床整平的质量标准控制在±10cm。从理论上讲，柔性钢丝绳悬吊刮道工艺整平的基床呈波浪形，可通过随时调整刮道标高，减小每次调整的幅度。该施工方法在长江口深水航道治理工程一期工程应用，从安装结果看，整平质量不次于常规工艺，满足长江口工程施工的质量要求。
2.2 坐底式水下基床抛石整平船施工工艺
整平船为座底设计，类似双体船结构，整平机设在中间的开口内。整平机由整平架和刮刀（料斗）组成，整平机由四角的4个50t液压缸连接到船体并实现升降和调平，刮刀由设在工作甲板上的卷扬机牵引行走。整平机设计整平厚度最小为0.5m，最大为2.5m。
整平船定位及监控系统由GPS、吃水计和监控软件三部分组成。
该船要求施工水域水底坡度平缓，具有一定的承载力，最大坐底工作水深9m。
在长江口深水航道治理工程一期工程南导堤东段应用实践，采用的级配乱石一次整平的工艺，经过检测数据统计分析，整平高程误差一般在0～-10cm之间，满足半圆体基床整平允许偏差±10cm的要求。
2.3 无线遥控智能型水下整平机基床整平施工工艺
工艺原理为水下整平机通过整平架的支撑腿直接坐落于抛石基床上，通过无线信号传输至辅助船机中心控制室的显示屏上，操作人员通过各指令按钮控制整平机进行各个动作，使整平架可以在调整高度和水平度后通过刮铲实现整平功能，可以实现在水下行走的功能。
水下整平机主要由结构系统、动力系统、定位监控系统和操作控制系统组成。
适用于航道整治中的导堤块石重5～100kg基床整平，通过更换塔架高度最深可以适应35m 水深的基床整平，和水流不大于3m/s，风力7级以下的作业水域。
该工艺的定位精度是通过2台RTK GPS定位仪实时监测整平机的水平位置，通过横向、纵向步进及纠偏动作进行调整。4台水下倾斜仪实时监测水下整平机的水平姿态，通过单独调整4个支腿油缸，使水下整平机始终处于水平状态。联合使用3台测深仪和GPS定位系统检测整平机的高程，通过联动调整4个支腿油缸，控制水下整平機的作业标高。
水下整平机在水下整平作业时，刮铲刮平基床抛石后，还可以用压棍碾压复平基床，使基床面整平效果更好。
在长江南京以下12.5m深水航道一期工程白茆沙II标段抛石基床使用，高程和平面位置精度均控制在±5cm以内，合格率达到93%，基床顶面高程波动小，半圆体安放后顶面高程较一致。
2.4 智能控制船载挖机水下抛石基床自动整平施工工艺
水下抛石基床自动化整平控制系统原理，是通过CAN总线得到引导控制系统的挖掘机姿态信息及铲斗尖位置与目标位置的差值，然后通过阀芯、限流比例阀实现对主阀、主泵的控制，主阀节流、主泵容积调速，实现对工作装置各油缸的精确控制。
自动整平系统分为自动整平模式与手动引导整平模式，可通过显示屏的按键进行模式切换。其中自动整平模式可以实现连续多子步工作，在一个船位内可以实现完全的自动化操作，能够实现所有技术要求。
水下抛石基床自动化整平系统是由长臂挖掘机、设置于动臂和斗杆臂上的空间姿态传感器及挖机3D引导系统等部分组成。
适用范围主要受挖机的性能和臂长决定。依据铲斗挖掘力，配置2～4m刮刀满足刮刀阻力要求，有效宽度系数随石料厚度的增大而减小，每次整平的石料厚度不大于0.3m。目前挖机铲斗尖最深到17m，一次有效整平纵深9m。
另外，整平挖机承载于驳船，适用条件也是适合驳船施工的水文气象条件，一般流速不超过2m，风力不超过6级，波浪较小、水面开阔的水域。
为检测基床平整度，在挖机小臂上设置一根测深杆，测深杆与挖机小臂平行，当挖机小臂保持垂直状态时测深杆即垂直，测深杆底部设置一台测深仪，顶部高出水位部分设置一台GPS，可通过挖机上的测深杆对抛石顶标高及整平后的基床高程进行检测。
智能整平铲斗配置RTK和測深仪，整平定位精度主要受测量仪器精度、挖机铲斗传感器灵敏度和自动控制系统响应时间的影响，挖机整平船理论整平精度综合误差为±3.7cm，在长江南京以下12.5米深水航道二期工程仪征水道整治工程实践使用，满足设计和规范±5cm整平精度要求。
3 存在问题及建议
水下基床整平，整平机械定位是重点和难点，当前技术均是在水上完成初步定位，水下整平装置再依据各种传感器进行调整，其实时精度和稳定性受水上水下环境影响较大。目前在港珠澳大桥岛隧项目安装水下沉管的基床整平，采用的是世界最大抛石整平船“津平1”（船长88.8米，宽46米，一次作业范围48m×25m，四条桩腿每条长90米，插拔桩腿完成工作面移动）施工，在海底40多米深槽内创造了±4 cm高程误差，采用的整平工艺和定位方式类似坐底式（桩腿插底）改进版一体化整平船的技术，在水深10～50m海洋大工程建设、大规模水下整平施工具有实用性和优势，在长江深水航道整治工程还得适应水文和成本特点，应继续进行技术的研究和创新。
每段基床整平后预制结构安装前，提前测量整平地形变化，安排潜水员或回淤监测仪器对待安装构件的基床进行检测，检查基床的回淤和被冲刷情况，如出现淤积超过规范和设计允许的情况，应对基床回淤进行处理，重新对基床进行检测，在确保基床无回淤和破坏的情况下才能进行预制构件安装。
4 结论
对以上四种整平工艺的对比分析，传统的水下基床整平主要依靠潜水员人工完成，后来发展的整平工艺逐渐机械化，提高了生产率和整平精度，但均有不同的优缺点，应依据整治工程环境和水文特性予以综合选择。
（1）整平机械和工作母船一体的整平工艺，如坐底式整平船和智能船载挖机，实现了水下整平转变为水上作业，缺点是船机装备复杂，超过船机装备尺寸的深水工作能力不足，优点是整平和质量检测的一体化，整平监测方式多，定位精度高，质量控制较好。
（2）整平机为工作母船分离的整平工艺，较传统的水下整平人工潜水作业实现了水下整平机械化，其动力和监控依赖于母船，缺点是水下定位精度难以保证，整平精度较差，优点是能适应不同的水深，抗水流能力一般，抗水面风浪能力较好。
（3）集成了机械、液压、自动控制、GPS定位、计算机信息处理和智能控制系统等多种技术，将是未来一体化整平船机的发展趋势。
水下基床整平工艺，受水文环境的制约，定位技术发展的现状，目前的整平装备和技术各有优缺点和适用性，在方案选择中，应根据工程特点进行工艺的选择和完善。
参考文献：
[1] 基床悬吊刮道GPS定位整平工艺在长江口深水航道治理工程中的应用，张树明，中国港湾建设，2007年10月.
[2] 中国第一艘整平船简介及其在长江口航道治理工程中的应用，吴继福等，水运工程，1999年10月.
[3] 无线遥控智能型水下整平机基床整平技术，毛娟龙等，港工技术与管理，2015年第6期.
摘 要：近年来，随着深水航道整治工程的需要，采用“抛石基床+安装预制空心构件”混合堤结构型式在整治结构物逐渐应用，对基床抛石的整平要求不断提高，激发水下基床整平新工艺不断涌现，本文就深水基床不同的抛石工艺适用条件和质量控制效果进行探讨，为类似工程采用合理工艺提供借鉴。
关键词：深水航道；抛石基床整平工艺；质量效果
中图分类号：U615 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）2-0055-03
从1998年长江口深水航道治理工程一期开工，经历三期到2010年12.5米深水航道全面贯通，2011年上延至江苏太仓，2015年长江南京以下12.5米深水航道一期工程实现太仓到南通，2016年二期工程实现南通到南京初通，实现长江下游南京以下长达400多公里，10.5米航道维护水深的通航条件。为达到以上深水通航条件，沿线布置众多航道整治工程建筑物，抛石基床整平施工工艺不断地在实施中完善和创新。
传统的抛石基床整平，由水上整平船悬吊刮尺配潜水员人工作业的方法。整平船一般是方驳改装，在方驳的船边伸出两根工字钢或钢轨作为刮尺支架，支架外端安装滑轮，用重轨做成的刮尺通过滑轮悬吊在水中，在刮尺两端系以测深绳尺，以此来控制刮尺高程。
施工时，整平船就位，按整平标高用滑车控制刮尺下放深度，根据水位变化随时调整，潜水员以刮尺底为准，按“去高填洼”进行整平，边整平、边移船，压茬向前进行。另外基床的细平由于精度要求高，需要在基床面设导轨辅助控制整平精度。
人工整平工艺，劳动强度大，作业效率一般比较低，受气象、风浪和潮流的影响大。
在长江深水航道整治工程，由于泥沙含量大，水下能见度极低，采用传统的潜水员作业极为困难。
根据笔者多年的工作经历，水下基床抛石整平方面有了一定的创新，出现了如铲斗式、自升平台式、水下推土机等类型的水下整平机械设备，并在深水航道整治工程实践中得到检验。本文主要就一体和分体式整平船配整平机、铲斗式整平船整平的施工工艺，适用范围，质量控制效果进行探讨。
1 基床整平的质量要求及检测方法
依据现行《港口及航道护岸工程设计与施工规范》（JTJ300-2000）、《水运工程质量检验标准》（JTS 257-2008）的水下基床整平规定：整平的范围和方法、顶面坡度应满足设计和施工方案的要求，深水航道安装预制空心构件参考安装沉箱要求控制。
其中顶面标高按细平±50mm，整平边线+500～0mm允许偏差控制，检验方法使用经纬仪或 GPS 定位，用水准仪、水深测杆测量钢轨内侧 1m 和中线处，基床顶宽小于 6m 时，可只测钢轨内侧 1m 处。
2 几种典型基床整平的工艺原理、适用范围及质量控制效果
2.1 改进的整平船悬吊刮道GPS定位基床整平工艺
该工艺与传统方法类似，省去了水下基床整平标高顶面铺设顺向整平钢轨，改为在船舷一侧悬挂刮道，运用GPS定位控制技术，由刮道正上方的GPS接收机控制标高，再通过手拉葫芦调整刮道标高。
适用条件是船机配置要求整平施工船舶有较强的抗风浪能力，以减小船舶摆动带来的误差，其次，船舶甲板要有较大的空间以利于储备整平石料、潜水装备等，需要1000吨级以上的船舶。适合整平石料为10～50kg的块石，一般流速和5米以内的水深基床整平。
基床悬吊刮道GPS定位整平工艺，平面定位精度在≤20cm，刮道标高通过手拉葫芦调整吊绳，吊绳的读数通过钢卷尺量取吊绳上的尺码和悬臂支架顶面的GPS的距离求得，基床整平的质量标准控制在±10cm。从理论上讲，柔性钢丝绳悬吊刮道工艺整平的基床呈波浪形，可通过随时调整刮道标高，减小每次调整的幅度。该施工方法在长江口深水航道治理工程一期工程应用，从安装结果看，整平质量不次于常规工艺，满足长江口工程施工的质量要求。
2.2 坐底式水下基床抛石整平船施工工艺
整平船为座底设计，类似双体船结构，整平机设在中间的开口内。整平机由整平架和刮刀（料斗）组成，整平机由四角的4个50t液压缸连接到船体并实现升降和调平，刮刀由设在工作甲板上的卷扬机牵引行走。整平机设计整平厚度最小为0.5m，最大为2.5m。
整平船定位及监控系统由GPS、吃水计和监控软件三部分组成。
该船要求施工水域水底坡度平缓，具有一定的承载力，最大坐底工作水深9m。
在长江口深水航道治理工程一期工程南导堤东段应用实践，采用的级配乱石一次整平的工艺，经过检测数据统计分析，整平高程误差一般在0～-10cm之间，满足半圆体基床整平允许偏差±10cm的要求。
2.3 无线遥控智能型水下整平机基床整平施工工艺
工艺原理为水下整平机通过整平架的支撑腿直接坐落于抛石基床上，通过无线信号传输至辅助船机中心控制室的显示屏上，操作人员通过各指令按钮控制整平机进行各个动作，使整平架可以在调整高度和水平度后通过刮铲实现整平功能，可以实现在水下行走的功能。
水下整平机主要由结构系统、动力系统、定位监控系统和操作控制系统组成。
适用于航道整治中的导堤块石重5～100kg基床整平，通过更换塔架高度最深可以适应35m 水深的基床整平，和水流不大于3m/s，风力7级以下的作业水域。
该工艺的定位精度是通过2台RTK GPS定位仪实时监测整平机的水平位置，通过横向、纵向步进及纠偏动作进行调整。4台水下倾斜仪实时监测水下整平机的水平姿态，通过单独调整4个支腿油缸，使水下整平机始终处于水平状态。联合使用3台测深仪和GPS定位系统检测整平机的高程，通过联动调整4个支腿油缸，控制水下整平機的作业标高。
水下整平机在水下整平作业时，刮铲刮平基床抛石后，还可以用压棍碾压复平基床，使基床面整平效果更好。
在长江南京以下12.5m深水航道一期工程白茆沙II标段抛石基床使用，高程和平面位置精度均控制在±5cm以内，合格率达到93%，基床顶面高程波动小，半圆体安放后顶面高程较一致。
2.4 智能控制船载挖机水下抛石基床自动整平施工工艺
水下抛石基床自动化整平控制系统原理，是通过CAN总线得到引导控制系统的挖掘机姿态信息及铲斗尖位置与目标位置的差值，然后通过阀芯、限流比例阀实现对主阀、主泵的控制，主阀节流、主泵容积调速，实现对工作装置各油缸的精确控制。
自动整平系统分为自动整平模式与手动引导整平模式，可通过显示屏的按键进行模式切换。其中自动整平模式可以实现连续多子步工作，在一个船位内可以实现完全的自动化操作，能够实现所有技术要求。
水下抛石基床自动化整平系统是由长臂挖掘机、设置于动臂和斗杆臂上的空间姿态传感器及挖机3D引导系统等部分组成。
适用范围主要受挖机的性能和臂长决定。依据铲斗挖掘力，配置2～4m刮刀满足刮刀阻力要求，有效宽度系数随石料厚度的增大而减小，每次整平的石料厚度不大于0.3m。目前挖机铲斗尖最深到17m，一次有效整平纵深9m。
另外，整平挖机承载于驳船，适用条件也是适合驳船施工的水文气象条件，一般流速不超过2m，风力不超过6级，波浪较小、水面开阔的水域。
为检测基床平整度，在挖机小臂上设置一根测深杆，测深杆与挖机小臂平行，当挖机小臂保持垂直状态时测深杆即垂直，测深杆底部设置一台测深仪，顶部高出水位部分设置一台GPS，可通过挖机上的测深杆对抛石顶标高及整平后的基床高程进行检测。
智能整平铲斗配置RTK和測深仪，整平定位精度主要受测量仪器精度、挖机铲斗传感器灵敏度和自动控制系统响应时间的影响，挖机整平船理论整平精度综合误差为±3.7cm，在长江南京以下12.5米深水航道二期工程仪征水道整治工程实践使用，满足设计和规范±5cm整平精度要求。
3 存在问题及建议
水下基床整平，整平机械定位是重点和难点，当前技术均是在水上完成初步定位，水下整平装置再依据各种传感器进行调整，其实时精度和稳定性受水上水下环境影响较大。目前在港珠澳大桥岛隧项目安装水下沉管的基床整平，采用的是世界最大抛石整平船“津平1”（船长88.8米，宽46米，一次作业范围48m×25m，四条桩腿每条长90米，插拔桩腿完成工作面移动）施工，在海底40多米深槽内创造了±4 cm高程误差，采用的整平工艺和定位方式类似坐底式（桩腿插底）改进版一体化整平船的技术，在水深10～50m海洋大工程建设、大规模水下整平施工具有实用性和优势，在长江深水航道整治工程还得适应水文和成本特点，应继续进行技术的研究和创新。
每段基床整平后预制结构安装前，提前测量整平地形变化，安排潜水员或回淤监测仪器对待安装构件的基床进行检测，检查基床的回淤和被冲刷情况，如出现淤积超过规范和设计允许的情况，应对基床回淤进行处理，重新对基床进行检测，在确保基床无回淤和破坏的情况下才能进行预制构件安装。
4 结论
对以上四种整平工艺的对比分析，传统的水下基床整平主要依靠潜水员人工完成，后来发展的整平工艺逐渐机械化，提高了生产率和整平精度，但均有不同的优缺点，应依据整治工程环境和水文特性予以综合选择。
（1）整平机械和工作母船一体的整平工艺，如坐底式整平船和智能船载挖机，实现了水下整平转变为水上作业，缺点是船机装备复杂，超过船机装备尺寸的深水工作能力不足，优点是整平和质量检测的一体化，整平监测方式多，定位精度高，质量控制较好。
（2）整平机为工作母船分离的整平工艺，较传统的水下整平人工潜水作业实现了水下整平机械化，其动力和监控依赖于母船，缺点是水下定位精度难以保证，整平精度较差，优点是能适应不同的水深，抗水流能力一般，抗水面风浪能力较好。
（3）集成了机械、液压、自动控制、GPS定位、计算机信息处理和智能控制系统等多种技术，将是未来一体化整平船机的发展趋势。
水下基床整平工艺，受水文环境的制约，定位技术发展的现状，目前的整平装备和技术各有优缺点和适用性，在方案选择中，应根据工程特点进行工艺的选择和完善。
参考文献：
[1] 基床悬吊刮道GPS定位整平工艺在长江口深水航道治理工程中的应用，张树明，中国港湾建设，2007年10月.
[2] 中国第一艘整平船简介及其在长江口航道治理工程中的应用，吴继福等，水运工程，1999年10月.
[3] 无线遥控智能型水下整平机基床整平技术，毛娟龙等，港工技术与管理，2015年第6期.
