挖掘机、甲板驳拋石施工技术及应用

周卫文 刘词振 伍耀华

(湖北水总水利水电建设股份有限公司，湖北 武汉 430050)

拇指斗挖掘机、甲板驳，在GIS技术、GPS技术的辅助下进行抛石的施工技术，在长江干、支流堤防治理中，取得了很好的效果。我们将该技术应用于天门张港崩岸应急整治工程，针对2020年汛前水位高、流速大、施工工期短的特点，在GIS技术、GPS技术辅助下，采用甲板驳进行装运料、定位，拇指斗挖掘机代替传统的人工抛投，实现了对抛投区质量的动态控制，具有施工速度快、质量好、块石破碎率低、人工用量少、施工安全有保障等优点，快速有效地完成了施工任务，达到了汛前脱险的工程目的。

1 工程概况

天门张港崩岸应急整治工程，位于汉江张港险段，桩号为汉左216+450～216+580，崩岸段长130m，崩垮最宽处约为30m。整治好该处崩岸险工，可该河段河岸稳定起到控制性作用，同时也能保护张港上下游的护岸工程，确保大堤安全。

整治方案：对汉左桩号216+480～216+580长100m段进行水上削坡减载、护坡、水下抛石护脚等；抛石范围：汉左桩号216+480～216+580，长100m；横向，根据险段水下坡度崩塌强弱程度，从枯水平台抛至深泓附近。

该项目于2020年6月初承接，由于长江流域已经进入主汛期，江水随时可能上涨，必须于2020年6月30日前完成水下抛石施工，时间非常紧迫。

2 技术原理

拇指斗挖掘机、甲板驳抛石施工系统由两大部分组成：GIS数据收集、处理系统和水上定位抛投系统。GIS数据收集、处理系统由数字测深仪、GPS定位设备及测量导航软件、计算机及CASS成图软件等组成；水上定位抛投系统由GPS定位测控和岸上导标、甲板驳和挖掘机等运、抛设备组成。GIS系统组成见图1。

图1 GIS系统组成

开工前，利用GIS系统收集抛投区数据，绘制水下地形图、抛投断面图，划定抛投网格，确定抛投方案和质量控制措施。

根据施工水域的流速、水深，及工程规模，选择300～500t的甲板驳作为抛石船(兼做定位船)，开工前挖掘机在岸坡上待命；开工时，抛石船靠岸，挖机自行至甲板驳上，挖掘机抛投作业连续进行。

抛石作业时，由GPS精确定位甲板驳后，挖掘机开始抛投作业。挖掘机、甲板驳抛石施工见图2。

图2 挖掘机、甲板驳抛石施工

挖掘机在完成臂长所及的范围内抛投作业后，将甲板驳移至下一个抛投网格，进行下一个网格的抛投作业。

在完成每一船的抛投作业后，利用GIS系统收集已抛投区的数据，绘制水下地形图、抛投断面图，并与设计抛投断面进行比较，检查抛投效果，确定下一步的施工计划。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

施工工艺流程见图3。

图3 挖掘机配合甲板驳、甲板驳抛石施工工艺流程

3.2 挖掘机、甲板驳抛石施工

首先，通过GIS设备，结合GPS定位技术，对施工水域进行水下地形测量。平面测量采用GPS，高程(水位)测量采用水准仪，水深测量采用数字回声测深仪，流速测量采用流速仪。测量时通过GIS系统的水下测量导航软件，进行船位和断面控制。数据采集完成后用南方测绘成图软件CASS绘制1∶200或1∶500水下地形图。在地形图上根据治导线划分L×b的方格网。方网格的长度L与甲板驳船甲板长度一致，一般为20m；宽度b，由挖掘机的臂长所能形成的抛投宽度决定,一般为1.5m。

方格网划定后，计算每一网格的抛投工程量和每一个抛投网格抛填后的高程。抛投作业前，根据网格位置、漂距、定位提前量等参数，计算甲板驳定位坐标，并绘制成表。抛石作业时，根据岸上预设的导标先对甲板驳初定位，再由GPS精确定位，然后挖掘机开始抛投作业。抛投作业顺序：垂直水流方向，由深水区向岸边抛投，顺水流方向先上游后下游。挖掘机在完成臂长所及的范围内抛投作业后(即2个网格的抛投作业量)，将甲板驳通过收放锚缆的方式移至下一个网格，进行抛投作业。

3.3 操作要点

3.3.1 甲板驳定位方式

定位采用定位船、抛石船合二为一的方式，即弃用专用定位船，将抛石船-甲板驳作为定位船使用，这样既便于在狭小水域展开，又减少了设备投入。甲板驳定位方式可分为竖一字形、横一字形两种，见图4、图5。

3.3.1.1 竖一字形定位

竖一字形定位是甲板驳船体平行于水流方向固定。竖一字形定位主要适合于水流速度较大的抛投区域。船只顺流定位较为稳定、安全。

甲板驳沿顺水方向采用“五锚法”固定方法，在船首用一个领水锚固定，在船体前半部和后半部分别用锚固定，见图4。锚和船体之间采用钢缆连接，甲板驳靠船前后两个绞盘绞动五根钢丝绳实现向上、下游及横向移动。

图4 甲板驳定位方式——竖一字形

3.3.1.2 横一字形定位

横一字形定位是甲板驳船体垂直于水流方向固定。横一字形定位主要适合于水流较缓的水域，水流较急时船只难以固定，比较危险。甲板驳采用“五锚法”固定，在船体迎水侧用两根锚缆固定，背水侧用两根锚斜拉,靠岸侧(船首)用一个锚固定于岸上，见图5。如果抛石区顺岸线方向呈条带状分布，且水流速度小，采用横一字形定位方式，效率比较高。

图5 甲板驳定位方式——横一字形

3.3.2 漂距的确定

漂距根据现场试验确定。

a.抛投试验前先测量水深、流速、流向，然后按下式计算理论漂距：

式中：Ld为抛石水平落距,m；H为水深,m；vf为表面流速,m/s；G为块石重量,kg。

b.根据理论漂距，进行试抛，然后进行测量，根据实测结果修正漂距。根据修正后的漂距，绘制成水深、流速、流向和漂移距离对应表格供抛投作业参考。根据流速、水深确定定位方式、方法。

3.3.3 抛投断面、作业单元、抛投网格的划分

施工前，对抛投区做三个层次的划分：垂直于岸线方向按照甲板驳甲板长度划分抛投断面，每个断面的长度等于甲板驳的甲板长度；每个抛投断面按照甲板驳宽度×2+1.5m×2(1.5m为挖机抛投宽度)划分作业单元；每个作业单元按照挖机抛投宽度(1.5m)划分抛投网格。在天门张港崩岸应急整治工程中甲板驳甲板长度20m，甲板驳宽度6m，挖机抛投宽度1.5m，那么，每个断面的抛投长度为20m，作业单元为20m×15m(15m=6m×2+1.5m×2)，抛投网格尺寸为20m×1.5m。抛投作业单元及抛投网格，见图6。

图6 抛投作业单元及抛头作业网格示意图

根据水下地形图与设计工程量计算出每个抛投网格的工程量，及每个抛投网格完工后的高程，以便在施工过程中做到定点定量抛石，从而控制抛石施工质量。

抛投网格划定后，抛投作业前，根据网格位置、漂距、定位提前量等参数，计算甲板驳定位坐标，并绘制成表。

根据试验确定的漂距，在抛投断面的分界线堤岸上对应位置设置一组导标，便于甲板驳初步定位。

3.3.4 甲板驳的定位和移动

施工前，根据网格位置、漂距、定位提前量等参数，计算甲板驳定位坐标，并绘制成表。

甲板驳在进入抛石区后，先通过岸上导标进行初步定位后，依次抛下上水锚、下水锚和船艏锚。再通过GPS数据，靠收放锚缆来精确定位到作业单元和抛投网格。锚缆通过甲板驳上的电动绞冠进行收放，从而控制甲板驳的移动和定位。

3.3.5 抛投作业

为减少块石挤压造成的破碎，我们将挖掘机的矩形斗改为拇指斗，这样既提高了抛投的准确性、效率，又确保了块石料的完整性。拇指斗见图7。

图7 拇指斗

甲板驳精确定位于抛投网格后(根据漂距定好提前量)，开始抛投作业。作业时船体左右舷均衡抛料，见图8。

图8 抛投作业布置图

在抛投过程中，严格按照计划的抛石作业断面、作业单元和网格抛投，控制每次移船位置和抛投量，做到定点定量抛投，并做好施工记录，确保不漏抛不重抛。

以图9中的网格为例，一个船位抛投两个网格，左右船舷各一个。一船块石料根据设计工程量可抛投两个以上的网格。船舷左右的网格抛投完成后，通过收紧锚缆，顺抛石方向移动一个网格(即1.5m)，进行下一个网格抛石作业。依此循环，直到完成一个作业单元(15m，甲板驳移动4次)的作业。

图9 网格法抛投示意图

挖机抛投作业时，甲板驳左右舷均衡取料抛投，以确保甲板驳不发生较大的倾斜。

4 GIS技术应用

采用挖掘机、甲板驳抛石施工技术，在完成一个作业单元的施工后，立即通过GIS技术，在GPS技术配合下，测量水下地形图，绘制断面图，并与设计抛投断面比较，评估施工质量是否符合要求。

GIS系统由计算机系统、数据采集设备——数字测深仪、空间数据采集设备(GPS)、海洋测量软件、成图软件以及相关存储、输入、输出设备组成。在采集测区数据时，以上设备统一由海洋测量软件协调管理，见图10、图11。

图10 海洋测量软件界面

图11 水上测量航线控制界面

数据采集完成后，通过GIS数据接口将数据导入CASS成图软件，自动生成水下地形图，再利用CASS的工程应用功能，绘制断面图，然后导入设计线，即可对施工断面质量进行评估。CASS制图见图12、图13。

图12 CASS绘制水下地形图

图13 CASS绘制断面图

5 材料、设备及质量控制

5.1 材料与设备配置

本技术不需要特殊材料，所需设备见表1。

表1 材料及设备配备表

5.2 质量控制

5.2.1 严格执行相关标准、规范

根据《堤防工程施工规范》(SL 260—2014)、《堤防工程施工质量验收评定标准》(SL 634—2012)的要求，做好对工程质量的控制工作。

结合抛区的网格计划，按照《水利水电工程施工质量检验与评定规程》(SL 176—2007)的规定进行工程项目划分。网格抛石量偏差应在设计抛石量的±5%范围内，单元工程抛石量不小于设计抛石量。测点增厚值、断面增厚值满足设计和规范要求。

5.2.2 块石采购及计量

块石的粒径、容重、抗压强度等指标检验应符合设计要求，按规范要求频次取样送检，检测合格后使用。

计量方式采取首船称重计量，即在船舶首尾标志清晰满载和空载标线，石场装料在监理工程师旁站监督下进行称重装料并造册记录，每船需以空载线进场装料并装至满载线，按石方堆积密度系数计算实际单船抛石方量，堆积密度经现场实测确定。

块石运输船舶要求相对固定，并建立每艘船舶的资料档案，确定每艘船舶的运输方量。施工现场收方时观察空载线和满载线，实行欠载不收、超载不计的收方制度，确保抛投量准确。

5.2.3 抛石过程质量控制

a.采用网格化精准抛投。施工过程严格按照划定的网格定点定量抛投，通过采用GIS技术，加强水深检测和断面高程控制，控制好每个网格抛石量，抛完一个网格立即做好记录，然后移船至下一个网格抛投。

b.准确定位，定量抛投。水位标尺设专人记录，每天上、下午各一次，水位上涨较快时，每小时测一次水位，便于随时调整起抛点。施工中要勤测流速、水深等参数，计算调整好抛石提前量。

c.验方时，严格按监理工程师指示进行，杜绝虚方。抛石过程中严格填写“抛石三联单”，分送监理和供货商备查，并做好水上抛石施工记录，确保每个网格抛投量的准确。

6 效益分析

经过现场施工总结，挖掘机、甲板驳进行水上块石抛投作业，具有施工速度快、施工安全有保障、劳力使用量少等优点；同时，降低了劳动强度，连续作业的可能性得到了保证。如果使用人工抛投，需要使用大量人力，安全隐患多、施工成本高。

施工成本比较：以一个作业单元来分析。一个作业单元两艘200m3甲板驳，1天完成抛投。如果采用人工抛投，400m3需要28个劳力，目前一个普工的工日单价为300元，28个工人一天的费用是8400元；如果采用挖掘机抛投，400m3只需一台1.6m3挖掘机即可。一台挖掘机台班费为2000元。机械作业费相当于人工作业费的23.4%，显著降低了抛投作业成本。

另外，采用GIS和GPS技术，能够快速采集抛投区数据，快速成图，节省了人力，节约了时间，提高了功效。

7 安全、环保措施

按照船舶航行内河避碰规则做好船舶水上航行安全工作，采取可靠安全措施，确保水上作业人员安全。

做好作业船舶的废水、废油、废液，以及船员的生活垃圾的收集处理工作，确保不污染江水。

8 结 语

经过“天门张港崩岸应急整治工程”的检验，采用拇指斗挖掘机、甲板驳在GIS和GPS技术辅助下进行拋石施工，解决了人工施工速度慢、安全风险多、不能连续高强度作业的问题，节省了投资，减少了劳力用量，降低了安全风险，同时缩短了施工周期，确保了崩岸治理项目的汛前脱险，其具有以下优点：

a.网格化精准定位，确保了抛石断面施工质量。采用GIS和GPS技术，根据原始地形和已抛投区高程的变化，监控抛投区施工质量，具有数据采集、处理速度快，能够及时实现对施工过程的了解、控制，确保了施工质量。

b.改进设备，减少块石的破损率。将挖掘机的挖斗改进为拇指斗，减少了石方的破损，确保了施工质量，提高了功效，降低了成本。

c.将定位船与抛石船合二为一，减少了设备投入，降低了成本。该施工技术适用于流速v<3m/s、风速低于6级工况条件下的堤防整治项目。