信标机高精度定位技术在水上抛石施工中的应用

秦雯 于一博 中交一航局第三工程有限公司

1.技术应用背景

大连临空产业园填海造地工程三标段水上抛石施工，由五爪山上料码头装填抛石船，采用自航开底方驳经海上运输至清淤换填区，本次施工船舶海上运距14km，抛填方量高达1800万m³。抛填水域长度3890m，宽度43 5m，抛填底标高-16m～-20m，抛填石料厚度10m～14m，抛填水深17m～21m；抛石区周边为抛石挤淤形成围堰，抛石区内受风浪影响较小。

原工艺采用开体驳进行石料运输，进入抛填区后采用定位方驳定位抛石。考虑到本次施工工程体量巨大，高峰期开体驳舶多达24艘，且施工区域面积大，采用定位方驳辅助定位抛石，施工效率较低，造成施工船舶在抛石区积压等候；若增加定位方驳数量，可提高施工效率，但导致施工成本大幅增加。为使抛石施工效率最大化，且降低施工成本，对开体驳施工定位工艺进行改进，将信标机软件定位技术应用于本次抛石施工中。

2.工艺比选

2.1 施工技术参数确定

2.1.1 抛填长度、宽度计算

本次施工拟采用500-1200m³开体驳进行施工，根据船舶尺寸参数，对抛填宽度、深度进行计算。船舶参数如表1。

本次施工抛填区域在已经形成围堰范围内，水抛考虑在无水流、风向等影响的理想状态下进行，开体驳舱门打开后，石料在水下的扩散角度暂按15°控制，抛填水深平均深度按17m考虑，计算各型号船舶抛填网格长度和宽度。

①500m³开体驳：

长度方向：30+17×2tg15°=39m

宽度方向：1.4+17×2tg15°=10.5m

②1000m³开体驳：

长度方向：33+17×2tg15°=42m

宽度方向：2.5+17×2tg15°=11.6m

③1200m³开体驳：

长度方向：40+17×2tg15°=49m

宽度方向：3+17×2tg15°=12m

经试算，500m³开体驳抛填长度39m，抛填宽度10.5m，800m³开体驳抛填长度42m，抛填宽度11.6m，1000m³开体驳抛填长度49m，抛填宽度12m。

2.1.2 搭接宽度

为避免实际形成棱台尺寸小于计算抛石形成棱台尺寸，造成相邻抛石网格间存在间隙，导致底部淤泥夹杂于石料内，影响施工质量，抛石作业时相邻抛石网格需进行搭接抛填，考虑搭接宽度过大将影响抛填标高及平整度，拟定相邻网格搭接宽度为0.5m。实际抛填网格划分为500m³开体驳抛填长度38.5m，抛填宽度10m，1000m³开体驳抛填长度41.5m，抛填宽度11m，1200m³开体驳抛填长度48.5m，抛填宽度11.5m。

2.1.3 分层厚度计算

根据上述各型号船舶抛填网格划分结果，所有船舶均按满载计算，假设石料入水后形成棱台，计算各船型抛石厚度如下。

表1 船舶参数统计表

①500m³开体驳：单次抛石厚度：500/(39×10.5)=1.2m

②1000m³开体驳：单次抛石厚度：1000/(42×11.6)=2m

③1200m³开体驳：单次抛石厚度：1200/(49×12)=2m

第一层抛填完成后，对抛填区域水深进行测量，根据水深数据对二层抛石网格重新进行划分。

上述参数确定完成后，船舶运输至抛填区域，依靠定位措施精确定位后进行抛填作业。

2.2 定位方驳定位工艺

考虑本工程施工船型，需采用1000t定位方驳做定位船进行施工。使用安装在定位船的GPS导航先进行粗定位，引导定位方驳通过抛锚、绞放锚缆的方式将方驳定位至欲抛填网格内，根据开体驳料舱纵向轴线至开体驳船舷的距离确定定位船船舷位置。

定位方驳采用四锚定位方式，下交叉锚，锚抛好后，测量人员使用手持GPS进行精确定位，校核定位船位置是否准确。开体驳靠泊后，由两名测量员持GPS于定位船艏、艉两点，校正定位船里程、偏移是否准确，于定位船上在里程方向立活动导标一对，检查料舱横向轴线上标记好的导标与定位船导标是否在一条直线上，当导标与标记三点一线时，开体驳里程方向正确，利用GPS检查位置是否正确，充分考虑开体驳与定位船间距离。若存在偏差，通过绞锚调整定位船位置。当位置达到规定抛石位置后，开体驳开舱抛出石料。

依靠定位方驳形式进行抛填作业，由于施工船型不尽相同，抛填网格需不断调整划分，定位方驳需不断移船、定位，每次抛填后需抛石工全断面打点测量，施工效率较低，且易出现多抛、漏抛现象，施工质量效果控制效果不佳。

图1 信标机定位施工示意图

2.3 信标机定位工艺

信标机是一种通过发射电磁信号并与雷达配合接收信号工作的电子设备。使用信标机进行定位时，原理为在船舱首、尾处中轴线上各安装GPS信号发射器一部，驾驶舱内屏幕显示器上可反馈接收到的电子信号，显示船舶实时位置，船舶按信标机指示航行至已划分完成的抛填网格内，根据信标机显示船身位置微调船身，待船舱准确进入抛填网格后，停稳船身，开启舱门进行抛石作业。经测算，船舶采用信标机技术完成一次抛石作业用时5min，且可多艘开体驳同时进行定位作业，船舶无需停船等待。

3.施工效果分析

项目选取200×200m区域为试验段进行典型施工，抛填完成后，对抛填区域水深进行了多波束水深测量，并绘制断面图，并与抛填前水深断面进行对比分析，本次抛填施工标高控制效果较好，部分区域抛填标高位于-14.5m～-13.5m，抛填区域四周形成边坡均小于1:3，满足纵断面边坡不大于1:3的设计要求。

通过试验段施工效果，对信标机定位技术在水上抛石施工中的应用进行分析。首先可以确定施工参数推算较合理，抛填网格划分准确，石料入水扩散角度、分层厚度、抛填标高较合理，可满足抛填设计要求。施工采用信标机定位方式，未出现超抛、漏抛、重复抛填等现象，且抛石均在各船舶指定抛填网格内进行，定位效果较好，施工效率高，定位精度可满足施工要求。

对比两种施工工艺，信标机定位技术的应用减少了船舶等待定位船定位、调整船身位置的时间，可多艘船舶同时进行作业，大大提升了施工效率；对比定位方驳租赁费用，信标机软件成本低，且一次购买后无后续费用，减少了施工成本；信标机技术定位方式为实时定位，定位精度高于定位方驳定位，避免了超抛、漏抛，抛填平整度不高等问题，大幅提高了施工质量。

4.结束语

通过大连临空产业园填海造地工程三标段水上抛石的实际应用，验证了信标机技术在水上抛石施工中的应用可行性，且在提高施工质量、提升施工效率的前提下，可降低施工成本投入，取得了较好的经济效益，同时可向其他类似施工环境的工程提供数据及理论支持。