深水水下抛石施工工艺.docx
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深水水下抛石施工工艺
本文主要介绍了长江南京以下12.5m 深水航道二期工程和畅洲标段洲头及右缘护岸的水下抛石施工，洲头及右缘护岸施工水域通航环境复杂，航道弯曲、狭窄、船舶数量多、通航密度大，有长江水道咽喉之称，处理好施工与通航的关系尤为重要，在此水域进行护岸抛石施工作业，安全风险高，通过开展水下抛石工艺及安全保障措施研究，确保了工程安全、质量。
和畅洲整治建筑物工程护岸工程总长约12.2km，由五个子护岸组成。
洲头及右缘护岸工程全长3,062m，本护岸靠近主航道，过往船舶多，对于施工的安全要求高，受到指挥部、海事等各单位领导的高度重视。
本单位工程自2016年10月10日开工，于2017年3月10日结束。
一、工程概况
洲头及右缘护岸采用平顺护岸型式，主要项目为土工布铺设、水上护坎抛石、水下防崩层、抛石I 区抛石。
洲头及右缘护岸标高+1.5m以上采用护坎抛石防护，+1.5m以下采用抛石防护。
水下抛石防崩层设计厚度1.25m，宽20m，抛石I 区设计厚度0.5m，宽度20～103m；护坎抛石厚度0.6m，宽度8～23m，下设230g/m2机织土工布。
图1 和畅洲水道护岸工程平面位置示意图
图2 洲头及右缘护岸典型断面图
二、工况条件
⒈水位变化
和畅洲水道工程河段潮汐为非正规半日浅海潮，每日两涨两落，且有日潮不等现象，在径流与河床边界的阻滞下，潮波变形明显，涨落潮历时不对称基本不出现上溯潮流，根据观测资料，平均涨潮历时约3时30分，落潮历时约9h，最高、最低水位差约1m。
和畅洲水道水位自下而上沿程逐渐增高，汛期水位较高，根据镇江水位站月平均水位统计表，最高水位出现在7、8月，最低水位出现在1月，详见下表1。
工程河段镇江潮位特征值如表2。
表1 水位站月平均水位统计表（单位：
m）
镇江站
月份
镇江站
月份
1月
1.17
2月
1.27
3月
1.63
4月
1.89
5月
2.70
6月
3.45
7月
3.72
8月
3.58
9月
3.37
10月
2.57
11月
1.93
12月
1.39
表2 镇江潮位特征值统计表
特征值
镇江站
最高潮位（m）
6.70
最低潮位（m）
-0.65
平均高潮位（m）
3.43
平均低潮位（m）
2.76
平均潮差（m）
0.96
最大潮差（m）
2.32
最小潮差（m）
0
平均落潮历时（h：
min）
9
平均涨潮历时（h：
min）
3：
30
根据第一阶段对施工水域的潮位观测资料统计，2015年9～12月11点平均潮位统计见表3所示。
表3 2015年9～12月11点平均潮位统计
月份
11点平均水位
最低水位（m）
最高水位（m）
备注
9月
3.22m
1.7
3.8
9 月12日～14日、18～28日数据统计
10月
2.86m
1.7
3.3
10月6～11日测量数据
11月
2.6m
0.95
4.0
11月整月数据统计
12月
2.48m
1.2
3.5
12月整月数据统计
⒉流速
为了及时更新数据，了解现场流速情况，项目部在9月份10日以及20日在洲头及右缘护岸左侧进行了两次观测，根据最新数据，施工区域流速最大值仍出现在表层，最大流速分别为1.48m/s和1.45m/s，具体观测数据如下：
表4 施工区更新流速数据统计表
日期
2016.9.10
2016.9.20
测点流速（单位：
m/s）
流向（正北向）（单位：
°）
表层
流速
1.48
1.45
流向
173
179
0.2H
流速
1.36
1.28
流向
173
177
0.4H
流速
1.28
1.19
流向
176
179
0.6H
流速
1.15
1.07
流向
180
180
0.8H
流速
1.08
1.03
流向
177
179
底层
流速
0.97
0.94
流向
177
180
垂线平均
流速
1.22
1.16
流向
177
180
三、课题研究内容
⒈施工方案比选和确定
根据项目部调研，适合洲头及右缘护岸施工工艺有两种，分别为浮吊船吊抛及开底驳施工工艺，两种施工工艺优缺点对比见下表。
表5 施工工艺对比表
施工工艺
优点
缺点
浮吊船吊抛
①浮吊船通过锚缆调整船位，定位比较准确。
②石料运输船可以直接靠档浮吊船进行抛石施工，减少了石料倒运环节，节约倒运船机设备投入。
和畅洲右汊航道狭窄，通航船舶密度大，且防崩层施工区域临近航道，部分施工区域甚至探入航道80m，浮吊船在航道侧下锚，容易发生船舶碰撞事故，安全风险极高。
开底驳施工
开底驳具有“灵活、不需下锚”的优点。
①需要开底驳边航行边施工，船舶定位难度高，抛石质量控制难度大。
②石料需进行二次倒运，增加船机设备投入。
针对两个方案的特点，项目部安排测量人员对和畅洲南汊航道（靠近洲头及右缘护岸施工水域）内船舶航行轨迹进行了连续一个月的监测，并绘制了船舶航行轨迹线，最终确定了防崩层及临近航行线路的抛石I区采用开底驳施工工艺，靠近岸侧的抛石I区施工采用浮吊船吊抛施工工艺。
浮吊船吊抛为常规抛石工艺，本文主要介绍开底驳施工工艺及安全保障措施。
图3 断面两种工艺施工区域划分示意图
⒉工艺流程
开底驳施工其主要施工流程：
施工准备→抛石船水下地形测量→倒驳区倒料→开底驳装料→开底驳GPS 定位→到达指定地点开底卸料→满足要求后移至下一区域
⒊操作要点
⑴筛选石料
块石所选规格为50～100kg，块石要求石质坚硬，遇水不易破碎或水解，湿抗压强度大于50MPa，软化系数大于0.7，密度不小于2.55t/m3。
不允许使用薄片、条状、尖角等形状的块石；风化石，砂岩，页岩等沉积岩亦不得使用，岩浆岩为优先考虑对象。
⑵单元网格的设置
该工程由于采用开底驳施工工艺，因此单元网格根据开底驳船型及首船称重平均方量和现场实际操作情况（便于具体施工及测量扫测）确定的。
单元网格长度大约为16m，宽6.67m。
根据海事相关要求及出于安全施工考虑，开底驳在施工过程中最低航速必须大于四节（2m/s），根据典型施工经验，所有开底驳平均开底时间约25s，因此航行距离：
L=vs=2m/s×25s=50m。
从开底到抛投结束大约航行50m 距离，略等于3 个连续单元网格；而一船石料大约满足一个单元网格的设计量，因此施工过程中每个单元网格抛投三次，滚动式覆盖，循序推进。
⑶施工船舶定位及抛投提前量
本工程为水下抛石施工，为了提高效率及抛投的精确性，抛石施工定位系统采用南方测绘“自由行”水上工程软件和安装在船上的两台GPS组成的定位系统。
GPS天线安装在船艉顶部两侧，电脑、GPS主机及定位软件安装在船舶操控室内。
施工前，对施工船舶定位系统进行调试、比测，确保定位结果的准确。
“自由行”定位软件通过实时的GPS 坐标计算出船体与待施工区域间的相对关系，以此指导施工。
图4 施工单元网格图
图5 定位系统组成
图6 自由行定位软件
除了GPS定位系统外，还需确定抛投提前量，以便更精准的抛投。
抛投提前量根据长江水利委员会编制的《长江中下游护岸工程技术要求》中的有关规定，块石漂移距计算采用经验公式：
S=0.8VH/W1/6
式中：
S为块石落距（m）；V为水面流速（m/s）；H为水深（m）；W为块石重量（kg）。
抛石船定位前，将现场实测的水流速度，水深及块石平均重量等数据代入计算公式，计算得出块石的漂移距，确定开底驳抛投的提前量。
开底驳在抛投过程中保持四节航速前进，因此块石在落水之前已经具备初速度，如下图所示：
（项目部对现场流速进行了连续监测，本次计算水流流速取1.2m/s）。
图7 块石入水示意图
水下抛石施工顺序为先上游后下游，船舶从下游倒料点逆流航行至施工区域，开底驳航速及水流力对块石漂移距的影响如下图所示。
图8 块石漂移距示意图
由公式S=0.8VH/W1/6可得：
（根据设计院给出的设计图纸及典型施工经验，H取20m）
S船＝0.8V船H/W1/6＝0.8×（-2m/s）×20m×（100kg）1/6＝-14.85m
S水＝0.8V水H/W1/6＝0.8×1.2m/s×20m×（100kg）1/6＝8.91m
因此S＝S水+S船＝8.91m－14.85m＝-5.94m。
与水流方向相反。
开底驳从下游往上游航行须提前5.94m 抛投。
通过每船对块石漂移距进行计算，结合“自由行”定位软件，实现开底驳的准确定位。
⑷抛石效果检测
洲头及右缘护岸水下抛石施工前及施工后，项目部均采用Sonic2024多波束测深系统进行了扫测，形成待抛投区三维图。
通过工前、工后扫测结果对比，分析块石覆盖及增厚情况，实现了水下隐蔽工程可视化、定量化分析。
图9 水下抛石断面图
图10 抛前多波束扫测图 图11 抛后多波束扫测图
⒋安全保障措施
本工程靠近主航道，此航段被俗称为“老虎口”，一是“弯”，即航道弯曲，辖区内尹公洲航段呈两个连续90度转弯；二是“窄”，枯水期最窄处仅230m左右，三是“险”，和畅洲分南北汊，水流比为3：
7，通航水域水流仅占30%，因而造成下行船舶在洲头易落弯而引发事故；四是“多”，长江与京杭运河在和畅洲水域交汇，两股船流在该处叠加，是长江下游船流最密集区域，长年日通行船舶2,500艘次左右，最高日流量达4,000艘次；五是“杂”，辖区水域船型复杂，海船与内河船并存，外轮与国轮并存、大船与小船并存、先进船与落后船并存。
施工区域与主航道位置示意图如下图所示。
图12 和畅洲洲头及右缘护岸施工区域
与主航道位置示意图
本工程采用开底驳施工工艺施工，未知风险因素太多，在施工过程中把安全作为重中之重，为此项目部多次召开专家评审会就本护岸工程安全问题进行讨论并拿出切实可行的施工安全措施。
⑴针对危险源采取的安全措施
开底驳施工从装料开始所有的安全问题必须杜绝，开底驳靠离泊装料码头前必须与码头取得联系，得到码头确认指令后方可靠离泊，靠离泊过程中严格控制船速，保证船舶靠离泊安全；倒料过程中禁止出现“三违”及危险作业；禁止出现超载、偏载现象；加强现场施工人员安全教育；严格船舶准入，现场船舶助导航仪器、船舶证书、号灯号型、消防救生设备及通讯设备等齐全有效。
⑵通航安全保证措施
①船舶驾驶人员必须保持与警戒船、水上调度中心及过往船舶的沟通联系，坚决服从警戒船、调度中心及海事交管部门的相关指令。
守听及高频喊话人员应尽量用普通话交流，重要信息要求对方明确确认后方可执行相关指令。
②交通流高峰时暂停施工，穿越航道前观察规定航路上的船舶密度，较大时禁止穿越航道；严禁夜间施工。
③开底驳上行穿越航道地点为105-1黑浮附近择机穿越，下行穿越地点为103红浮附近择机穿越。
开底驳穿越航道过程中，应安排专人负责瞭望及通讯联系，尤其注意视线死角，待确认无障碍或其他船舶影响后方可穿越。
开底驳严格航路规划路线行驶，严格禁止抛投完毕后就近在航道单向控制段处直接调头穿越航道。
如下图所示。
图13 石料倒运点及开底驳调头区域平面位置图
⑶警戒工作
①项目强部配备3艘专职警戒船，分别是“交工79#”、“护航2#”和“京安16”。
右缘护岸施工过程中具体警戒值守位置如下图所示，“交工79#”位于105-1红浮附近，“护航2#”位于石料倒运点附近，“京安16”位于下游护坎抛石区。
“交工79”及“护航2号”主要负责开底驳进出航道、调头区域的警戒任务，负责通知过往船舶航道内的施工情况，密切关注船流密度，加强与水上调度中心、开底驳的沟通联系，准确下达进出航道指令，确保通航安全；“京安16”负责护坎施工区域上行通航船舶的警戒任务，负责通知上行船舶了解施工区内施工情况，提醒主动避让。
此外，项目部将对施工过程中现有警戒船警戒情况进行评估，当不满足警戒要求时，再根据现场需求增加相应数量的警戒船。
“交工79”兼职应急拖轮。
②开底驳进出航道前，负责警戒值守的船舶必须提前对通航情况进行了解，并加强与镇江海事局、大沙海事处、项目部水上调度中心、来往船舶及开底驳、运输船的沟通，监督开底驳及运输船进出航道的安全。
③警戒船现场维护时当遇有船舶流量高峰时或现场警戒维护有困难时应向施工现场水上调度中心及开底驳通报，必要时要求施工工程船舶停止进出航道。
④警戒船应该达到最低安全配员要求，做好值班安排，每一小时或交接班时要详细填写警戒记录，发现通航异常时也要随时做好记录（注明时间，位置，船名，警告的频次、内容、回应情况，结果等）。
⑤警戒船配有高音喊话器及鸣笛警报器等。
现场施工的开底驳同样配有安全警示牌、安全警示灯等安全警示标志。
四、工艺实施效果
本工程施工中，由于特殊的施工位置，为保证本护岸工程的顺利、安全、圆满完工，经过多次会议的探讨，决定采用开底驳抛投的特殊施工工艺。
极大的保证了施工的安全性，将安全风险降到最低。
此外，本护岸工程水下抛石已圆满结束，经检验该施工工艺满足施工要求及设计要求。
五、施工过程中存在的经验、教训
开底驳定位抛投施工工艺为全新的施工工艺，且开底驳在抛投过程中禁止滞留，必须保持最低四节航速前行，抛投过程中航速、方向不易控制，极大的增加了施工难度。
为保证抛投过程中施工船的安全，在开底驳抛投过程中，警戒船全程护航，并增设警示灯、安全旗等，最大限度保证施工过程中的安全。
六、结语
开底驳具有“灵活，不须下锚，即抛即走”等优点，极大的提高了主航道附近水上施工的安全性，同时结合“自由行”定位软件及块石漂移距计算，实现了开底驳航行状态下的准确定位，做到了“抛匀、抛准”。
经检测，洲头及右缘护岸水下抛石施工区域的块石覆盖范围及增厚情况均满足设计要求，此工艺在今后类似护岸工程中，可进行推广应用。
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