绞吸式挖泥船边坡施工质量影响因素分析.doc
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1、绞吸式挖泥船边坡施工质量影响因素分析中交天津港航勘察设计研究院有限公司张毅【摘要】本文从绞吸船边坡施工存在的质量问题出发,从DGPS导航系统误差、施工工艺、驾驶员操作、测量系统误差等四个方面分析了其对边坡施工质量所产生的影响,阐述了相应的解决措施,并以实例数据证明实施后所取得施工效果。【关键词】边坡施工质量、影响因素、DGPS导航 施工工艺、测量 概述边坡施工质量作为疏浚工程验收,质量等级评定标准的一项重要内容,一直是疏浚工程质量控制的重中之重。边坡施工质量问题主要体现在两个方面,超挖和欠挖。超挖,一方面会造成不必要的废方,影响施工船的生产效率;另一方面,在特殊地段,如护岸、码头、防波堤等建筑
2、物附近的边坡进行施工,超挖过多,易危及建筑物的安全,形成安全事故。欠挖过多,则需移船或调船进行二次开挖,不但降低了施工船的生产效率,同时还增加了施工成本,进行二次开挖后,还易形成超挖。尤其是绞吸船施工作业,挖槽内的深度和平整度质量一般较易控制,出现的施工质量问题大部分集中在边坡开挖区域。因此,有必要对造成绞吸船边坡施工质量的各种因素进行详细论证,探寻解决措施。1.DGPS导航系统误差对边坡施工质量影响绞吸式挖泥船平面导航系统主要由DGPS接收机、罗经及罗经数字化仪、钢桩台车位置测量仪、绞刀下放深度指示仪、导航电脑、导航软件等组成。随着GPS罗经平面定位精度和方位计算精度、稳定性的日益提高,部分
3、绞吸式挖泥船已采用该设备代替单天线DGPS接收机和罗经及数字化仪设备。施工过程中,DGPS接收机实时采集的天线位置坐标,罗经实时采集的施工船瞬时方位角,绞刀下放深度指示仪实时采集的绞刀下放深度信息;钢桩台车位置测量仪实时采集的主钢桩台车伸缩量信息,同步传输到施工导航软件中,通过预设在导航软件中的各设备的几何关系,换算出绞刀头和钢桩的位置坐标,并显示在导航屏幕中,驾驶员根据显示信息和施工背景文件的关系,操控挖泥船进行施工作业。假设DGPS天线安装在绞刀桥梁耳轴中心的正上方(实际并非如此,但可以通过偏移参数修正到此位置),根据几何换算关系可以推导出绞刀头和钢桩位置坐标换算公式,各设备的几何关系如图
4、1所示: (图1)绞刀头位置坐标:XC=X0+(L-dL)*COSYC=Y0+(L-dL)*SIN主钢桩位置坐标:XS=X0+(L1+dL1)*COS(180+arctg(L2/(L1+dL1)YS=Y0+(L1+dL1)*SIN(180+arctg(L2/(L1+dL1)式中:X0,Y0为DGPS天线位置坐标 XS,YS为主钢桩位置坐标 XC,YC为绞刀位置坐标 L为绞刀桥梁耳轴到绞刀头中心位置距离 dL为因绞刀桥梁下放引起的耳轴到绞刀头中心位置距离在水平面上投影的收缩长度 L1桥梁耳轴和主钢桩伸缩基点连线在施工船中轴线上的投影长度dL1为主钢桩伸缩距离L2为主钢桩伸缩基点到施工船中轴线的垂
5、足距离为施工船在施工坐标系中的坐标方位角由上式我们可以看出,DGPS导航系统的误差源为L、L1、L2、dL、 dL1、X0、Y0、。其中参数L、L1、L2可以由钢尺直接测量所得,误差可忽略不计。参数dL可以由绞刀下放深度指示仪测定的深度计算, dL1、X0、Y0、分别由钢桩台车测量仪、DGPS接收机、罗经直接测定。假设某一绞吸式疏浚船耳轴到绞刀头中心位置距离为45米,桥梁耳轴和主钢桩伸缩基点连线在施工船中轴线上的投影长度为55米,挖深-20米时。根据公式计算,若罗经所确定的坐标方位角存在1度的误差,其它导航设备测定的结果不存在误差,绞刀头会产生0.8米的位移误差,主钢桩会产生0.95米的位移误
6、差;若DGPS存在1米的定位误差,其它导航设备测定的结果不存在误差,绞刀头和主钢桩也将会产生1米的位移误差;若绞刀下放深度指示仪误差为1米时,其它导航设备测定的结果不存在误差,将会引起绞刀头的点位误差为0.5米;若主钢桩台车测量仪误差为1米时,其它导航设备测定的结果不存在误差,将会引起主钢桩的点位误差为1米。在工程开工前和施工期间必须对导航系统各设备的几何关系、偏移参数、测量精度等进行校核,并最终通过检查绞刀头和钢桩位置的精度来衡量整个导航系统的精度,误差一般控制在1米范围之内。2.施工工艺对边坡施工质量的影响2.1正刀和反刀施工的影响如图2所示,绞吸船正刀施工,摆动到右侧边坡区域施工导航边线
7、时,开始变为反刀施工,受绞刀叶片、绞刀齿的强力“由上向下切割”以及绞刀头高速顺时针转动的连带作用,在右侧边坡区域形成的残留区范围相对较小,如果再加上横移停止改向的影响,则容易形成超挖。绞吸船反刀施工,摆动到左侧边坡区域施工导航边线时,绞刀叶片、绞刀齿“由下向上切割”,受左侧原状土的挤压作用以及向上切割时产生的塌方等因素影响,在左侧边坡区域形成的残留区范围相对较大,易形成欠挖。 (图2) 2.2开挖方法的影响绞吸船通常采用阶梯开挖法进行边坡施工,使塌陷部分形成的边坡达到设计边坡,但是由于不同施工区或同一施工区不同区域地质情况不同,塌陷的程度也不尽相同,造成超挖或欠挖现象。在边坡区域,对于不同的施
8、工工艺、开挖方法、施工地质条件,开挖一段距离后,应立即进行检测,绘制断面图,仔细分析,找出边坡开挖存在的质量问题,适当调整施工导航边线或摆宽,并对其调整后的施工质量做跟踪检查测量。3.驾驶员操作对边坡施工质量的影响各岗的驾驶员,操作习惯和手法各不同,尤其是在边坡区域,绞刀横移停止转向的时机,施工参数的把握、停留时间长短,责任心,质量意识等各不相同,其所开挖的边坡质量情况也不尽相同。施工期间,可根据不同的工况,在边坡区域先进行一段试挖,根据试挖情况,制定统一的操作规程和施工参数,并在日常的施工生产中,加强驾驶员的责任心和质量意识教育,可以消除或减弱由此原因造成的质量问题。4.水深测量系统误差对边
9、坡质量的影响测量是检验疏浚工程施工质量的重要手段,通常疏浚工程技术人员是根据测量成果图所反映的质量问题,对疏浚施工方法进行调整、改进,以达到保证施工质量的目的,因此,保证测量成果图的准确性是确保施工质量的前提。水深测量系统自身存在一定的误差因子,测量时必须予以修正,否则所提交的成果图将不能真实反映施工船实际开挖的情况,误导施工,造成严重的质量问题。在边坡区域测量时有两个重要的误差因素必须考虑,一个是延迟造成的测量误差,另一个是波束角造成的测量误差。4.1定位数据和测深数据间的延迟对边坡测量成果造成的影响 计算机采集定位数据和测深数据信息时,由于定位数据和测深数据之间不同步,存在时间延迟,使得所
10、测水深的平面位置和实际平面位置不一致,造成测深数据整体偏移。在边坡区域沿垂直于边线方向测量时,会使实际开挖的边坡断面整体发生位移,给施工人员分析边坡施工质量带来误导。假设测量船的船速为5节,定位数据和测深数据存在1秒的延迟,经计算实际开挖断面将会产生2.6米的平面位移。由此可见,在边坡区域测量时必须加延迟改正。4.2测深仪波束角对边坡测量成果造成的影响 单波束测深仪换能器一般有610度的发射角,波束信号发射到海底后形成的脚印是一个圆形的面,测深仪记录的是圆形脚印内最早返回到换能器的回波信号,也就是这个脚印内的最浅点。在边坡区域用单波束测深仪沿垂直于边线方向测量时,由于此特征会造成实际开挖边坡发
11、生位移,如图3所示: (图3)由图3可以看出,单波束测深仪在边坡区域形成的测量误差随测量深度、坡比变化而变化。坡比固定不变时,测量深度越深,位移越大;同一测量深度条件下,坡比越大,坡越陡,位移越大。若波束角为8度,坡比为1:1,在20米水深处,实际测量的边坡水深数据已向疏浚区内平移了1.39米。波束角形成的测量误差不是一个固定值,在目前使用的测量软件中还不能加以自动改正。在疏浚工程施工过程中,测量人员应根据本工程所使用的单波束测深仪波束角、设计坡比、设计坡底的最大深度,计算分析由于波束角的因素,可能对本工程边坡测量造成的误差有多大,若误差较大,则需根据分析计算结果,对边坡区域的水深测量数据进行
12、手工位移改正。若误差较小,则可以不予考虑。5.工程应用实例苏丹港新集装箱疏浚吹填工程是我局2006年承担的一项国外疏浚任务,疏浚工程量为110万m3,土质主要为珊瑚礁风化岩,挖掘难度较大。施工区域为一狭长条带,长约940米,最宽处105米,最窄处仅40米,需要疏浚的边坡区域总长约1200米。设计挖深:港池-16.0米,基槽-13.0米、-18.35米、-20.35米、-22.35米不等。设计边坡:基槽外侧(靠近吹填区一侧)坡比为2:1;基槽内侧(港池接壤一侧)和港池区域,坡比为1:1。由于当地的抛石单价较高(每方约80美金),业主单位对工程质量问题非常重视,在开工前,明确提出严禁基槽疏浚区超深
13、、超挖,否则超深、超挖部分的抛石费用将由我部自行承担,施工质量控制任务形势严峻。特别是边坡区域,由于边线较长,挖宽窄,施工期间,时刻都必须加强防范边坡施工质量问题。整个工程施工期间,现场的施工技术人员主要从施工导航系统误差、施工工艺、驾驶员操作、测量系统误差等四方面分析考虑边坡施工存在的质量问题,摸索出了一些经验和措施,并在实际生产中加以实施,取得了良好的施工效果。根据竣工水深图和断面图分析,在设计挖槽内无浅点,设计边坡线区域内欠挖工程量合计380 m3,设计计算超宽线外超挖工程量合计4170 m3,集中在表层,主要是由于开挖上层珊瑚礁硬盖时,掀起的大片硬盖塌方造成。工程设计边坡计算超宽工程量
14、合计8.3万m3,实际开挖边坡计算超宽工程量合计5.2万m3(含废方),比设计计算超宽工程量少开挖了3.1万方,折合产值约20万美元。-下面是赠送的excel操作练习 不需要的下载后可以编辑删除(Excel 2003部分)1. 公式和函数1. (1)打开当前试题目录下文件excel-10.xls;(2)利用函数计算每个人各阶段总成绩,并利用函数计算各阶段的平均成绩;(3)“平均成绩”行数字格式都为带一位小数(例如0.0)格式;(4)同名存盘。步骤:a) 文件在各阶段总成绩单元格内,点插入,点函数,在对话框中选择求和函数“SUM”,在对话中Number1内点右侧的按钮,将出现另外一个对话框,在文
15、件中选择需要求和的单元格,然后点该对话框的右侧按钮,点确定(完成一个总成绩求和后,利用填充柄完成其他的总成绩求和,或者重复上面的顺序)在平均成绩单元格内,点插入,点函数,选择算术平均值函数AVERAGE,出现对话框后,采用求和时的相同方法,完成操作选中平均成绩行,点右键点设置单元格,点数字,在分类项下点数值,设小数位为1,b) 确定保存2. (1)打开当前试题目录下文件excel-13.xls;(2)根据工作表中给定数据,按“合计=交通费+住宿费+补助”公式计算“合计”数,并计算交通费、住宿费和补助的合计数;(3)所有数字以单元格格式中货币类的“¥”货币符号、小数点后2位数表现(如:¥2,11
16、5.00格式);(4)同名存盘。打开当前试题目录下文件excel-13.xls在合计下的一个单元格内输入“=交通费(在该行的单元格,假如说是E3)+住宿费(同上)+补助(同上)”,回车(其他的合计可以采用填充柄完成,或者重复上面的顺序)利用求和函数,参考1中的方法完成交通费、住宿费和补助的合计选择文件中的所有数字单元格,点右键,点设置单元格格式,点数字,点货币,选择货币符号为“¥”,设置小数点后为2位,确定保存文件本题完成3. (1)打开当前试题目录下文件excel-2.xls;(2)根据工作表中数据,计算“总成绩”列的数据。总成绩=一阶段成绩0.3+二阶段成绩0.3+三阶段成绩0.4;(3)
17、“总成绩”列数据格式为小数点后2位小数(例:6.20);(4)同名存盘。打开当前试题目录下文件excel-2.xls在总成绩下的一个单元格内输入“=一阶段成绩(在该行的单元格,假如说是E3)*0.3+住宿费(同上)*0.3+补助(同上)*0.4”,回车(其他的合计可以采用填充柄完成,或者重复上面的顺序)选中总成绩列的数据单元格,点右键,点设置单元格格式,点数字,点数值,设置小数点后为2位,确定保存文件本题完成4. (1)打开当前试题目录下文件excel-3.xls;(2)计算“审定费”和“税后款”,“审定费=全书字数10003,税后款=审定费-审定费5%”;(3)利用菜单将“审定费”和“税后款
18、”列格式设置为货币类的“¥”货币符号、小数点1位(例¥1,280.0);(4)同名存盘。打开当前试题目录下文件excel-3.xls在审定费下的一个单元格内输入“=全书字数(在该行的单元格,假如说是E3)/1000*3”,回车(其他的审定费可以采用填充柄完成,或者重复上面的顺序)在税后款下的一个单元格内输入“=审定费(在该行的单元格,假如说是F3)-审定费*5%”,回车(其他的税后款可以采用填充柄完成,或者重复上面的顺序)选中审定费及税后款列的数据单元格,点右键,点设置单元格格式,点货币,选择货币符号“¥”,设置小数点后为1位,确定保存文件本题完成5. (1)打开当前试题目录下文件excel-
19、8.xls;(2)利用函数计算“总成绩”,利用公式“平均成绩=总成绩3”来计算“平均成绩”;(3)同名存盘。打开当前试题目录下文件excel-8.xls在总成绩下的一个单元格,点插入,点函数,在对话框中选求和函数“SUM”,在对话中Number1内点右侧的按钮,将出现另外一个对话框,在文件中选择需要求和的单元格,然后点该对话框的右侧按钮,点确定(完成一个总成绩求和后,利用填充柄完成其他的总成绩求和,或者重复上面的顺序在平均成绩下的一个单元格内,输入“=平均成绩(在该行的单元格,假如说是B3)/3”,回车(其他平均成绩可以采用填充柄完成,或者重复上面的顺序)保存文件本题完成6. (1)打开当前试
20、题目录下文件excel-1.xls;(2)利用公式计算每个项目的“合计”;(3)“合计”列数据的格式和其它数据的格式相同;(4)同名存盘。打开当前试题目录下文件excel-1.xls在合计下的一个单元格,点插入,点函数,在对话框中选求和函数“SUM”,在对话中Number1内点右侧的按钮,将出现另外一个对话框,在文件中选择需要求和的单元格,然后点该对话框的右侧按钮,点确定(完成一个总成绩求和后,利用填充柄完成其他的总成绩求和,或者重复上面的顺序利用格式刷将合计的列的数据格式刷成与其他数据格式相同的格式(使用格式刷的方法是,先选中合计列外的其他任意一个单元格,点格式刷,然后再点需要刷成该样格式的
21、单元格即可)保存文件本题完成7. (1)打开当前试题目录下文件excel-6.xls;(2)计算出“净资产收益率”,净资产收益率=净利润净资产总额;(3)“净资产收益率”行以保留三位小数的百分数形式表现(如:32.310%);(4)同名存盘。打开当前试题目录下文件excel-6.xls在净资产收益率下的一个单元格,输入“=净利润(在该行的单元格,假如说是B3)/净资产总额”,回车(完成一个单元格后,可以利用填充柄完成其他的单元格的操作,或者重复上面的顺序)选中净资产收益率列下的数据单元格,点右键,点设置单元格格式,点数字,单百分比,将小数位数设为3位,确定保存文件本题完成8. (1)打开当前试
22、题目录下文件excel-7.xls;(2)分别利用函数计算出“总成绩”、“平均成绩”;(3)平均成绩设置带两位小数格式(例如:78.00);(4)同名存盘。打开当前试题目录下的excel-7.xls文件在总成绩对应的单元格内,点插入,点函数,在对话框中选择求和函数“SUM”,在对话中Number1内点右侧的按钮,将出现另外一个对话框,在文件中选择需要求和的单元格,然后点该对话框的右侧按钮,点确定(如果有多个总成绩项,完成一个总成绩求和后,利用填充柄完成其他的总成绩求和,或者重复上面的顺序)在平均成绩对应的单元格内,点插入,点函数,选择算术平均值函数AVERAGE,出现对话框后,采用求和时的相同
23、方法,完成操作选中平均成绩对应的单元格,点右键,点设置单元格,点数字,点数值,设小数位为2,确定保存文件本题完成9. (1)打开当前试题目录下文件excel-16.xls;(2)计算出“全套优惠价”,公式为:全套优惠价裸机价+入网费-送话费;(3)所有数字都以单元格格式中货币类的“¥”货币符号、小数点后1位小数表现(如:¥1,450.00);(4)同名存盘。打开当前试题目录下文件excel-16.xls在全套优惠价对应的单元格,输入“=全套优惠价裸机价(在该行的单元格,假如说是B3)+入网费(同上)-送话费”,回车(如果有多个全套优惠价项,可以利用填充柄完成,也可以重复上面的顺序)选中所有的数
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