水下多孔空心方塊安放工法效益分析

《水下多孔空心方塊安放工法》的效益分析如下：

多孔空心方塊是長江口深水航道治理二期整治建筑物工程NIIC-1標段的堤身結構物，工程技術人員為了及時、準確、安全地將多孔空心方塊安放到海上設計位置，專門成立課題研究小組，研究多孔空心方塊施工工藝，攻克了海上安放多孔空心方塊施工技術難題，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

一、經(jīng)濟效益

根據(jù)合同要求和2005年前的施工能力，多孔空心方塊21928個，安放時間199日歷天（含不可作業(yè)天數(shù)），日作業(yè)強度111個。經(jīng)過新技術研發(fā)，成果應用于施工，實際安放時間為149日歷天（含不可作業(yè)天數(shù)），日作業(yè)強度148個，有效作業(yè)日平均強度627個。由此，節(jié)省了多孔空心方塊安裝船舶、運輸船舶和施工人員的作業(yè)時間和現(xiàn)場滯留時間，合計節(jié)約費用4044000元。

由于導堤形成后使航槽沖深加快，借助自然水流力使航道提前達到設計深度，減少了預期的航道挖泥費用。

注：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算

二、社會效益

由于新技術的應用，施工人員無須直接暴露于惡劣海況，人員和船舶現(xiàn)場滯留時間縮短，安全保障率提高；合同工期2004年1月1日至2005年4月30日，業(yè)主調(diào)整工期2004年12月3日，實際工期于2004年12月10日完成，提前完成工期，提高了上海分公司履約能力和社會信譽；二期工程提前完成，為長江口深水航道治理提前達到竣深要求作出了貢獻；為長江流域水上物流提前提速、加快長江沿岸各城市經(jīng)濟發(fā)展作出了貢獻。

《水下多孔空心方塊安放工法》的環(huán)保措施如下：

1.施工船只嚴格執(zhí)行國家有關海上法規(guī)，保護海上環(huán)境。

2.施工過程嚴格執(zhí)行上海市文明施工規(guī)定，進行文明施工保護環(huán)境。

3.多孔空心方塊出運前，在預制工地進行必要的構件表面清潔，禁止存在油污等的空心方塊的吊裝出運。

4.禁止安裝施工人員向海中傾倒生活垃圾，安排固定船只收集垃圾運至岸上進行統(tǒng)一安全處置。

5.如果出現(xiàn)海上較大規(guī)模的油品污染事件，及時通知政府有關部門進行環(huán)境保護處理。

采用《水下多孔空心方塊安放工法》施工時，除應執(zhí)行國家、地方的各項安全施工的規(guī)定外，尚應遵守注意下列事項：

1.施工人員嚴格執(zhí)行國家、地方各項安全法律、法規(guī)；嚴格執(zhí)行企業(yè)各項安全生產(chǎn)操作規(guī)程。

2.設備安裝，提供穩(wěn)定的200伏低電壓線路，合理設計配電線路的走向，并具備良好的保護措施。

3.對檢測儀器外部采用金屬外殼加于保護，防止受外力破壞。

4.定位系統(tǒng)必須通過陸上比測，數(shù)據(jù)相吻合后才能進行水上作業(yè)。

5.水上施工首先進行安裝試驗，試驗符合要求后方可進行大規(guī)模安裝作業(yè)。

6.人工檢測作業(yè)需要爬上爬下，扶梯必須扎牢。水上作業(yè)必須穿好救生衣戴好安全帽。

7.定位軟件系統(tǒng)操作事先必須通過培訓，熟悉理解整個系統(tǒng)后方可進行現(xiàn)場空心方塊安裝施工。

8.嚴禁非系統(tǒng)操作人員操作主控計算機，避免系統(tǒng)數(shù)據(jù)或各項參數(shù)的改動而造成施工錯誤。

9.對所有上船作業(yè)的軟件操作人員、測量技術人員等進行全面的水上作業(yè)培訓，并嚴格執(zhí)行各項規(guī)定要求。

《水下多孔空心方塊安放工法》應符合交通部專項標準《長江口深水航道治理工程整治建筑物工程質(zhì)量檢驗評定標準》（局部修訂）對多孔空心方塊安裝提出允許偏差要求。多孔空心方塊定點不規(guī)則安放時，不得有漏放和過大隆起；多孔空心方塊堤的平均斷面輪廓線不得小于設計斷面；多孔空心方塊安放數(shù)量的允許偏差不大于-5%；頂標高允許偏差：0～ 1200毫米；頂層塊數(shù)：3個。

《水下多孔空心方塊安放工法》安裝定位系統(tǒng)主要材料與設備儀器具體見表3。

水下多孔空心方塊安放工法適用范圍

《水下多孔空心方塊安放工法》可以運用于各種結構物（在吊機起重范圍內(nèi)）高精度的水下定位，如防坡堤塊體安裝定位；河床護坦施工等。

其核心技術"水下多孔空心方塊定位系統(tǒng)"可以應用在任何一種單個物體（構筑物）的安裝，無論它是在水上還是在水下；還可以利用該技術原理開發(fā)出各種各樣的特殊安裝系統(tǒng)，為工程技術服務，開辟水工構筑物"盲"定位技術新領域。

水下多孔空心方塊安放工法工藝原理

《水下多孔空心方塊安放工法》的工藝原理敘述如下：

多孔空心方塊斜坡堤的外形、頂標高有明確的規(guī)定，但是，海底標高不同，堤身高度隨海底標高的不同而變化。由于多孔空心方塊單個構件尺寸較大，無法通過增加或減少安裝層數(shù)來調(diào)節(jié)較小的堤身高度變化，因此必須通過改變多孔空心方塊的縱橫間距來調(diào)節(jié)堤身高度。多孔空心方塊分層安放，層與層之間呈梅花形布置，即上面一層的多孔空心方塊始終放在下一層四個多孔空心方塊的中間，如果調(diào)整多孔空心方塊的間距，那么上層塊體的嵌入深度就會發(fā)生變化，這樣，層高就會發(fā)生變化，從而達到了調(diào)節(jié)堤身高度的目的。

一、通過模型試驗確定多孔空心方塊安放的間距和層數(shù)值等參數(shù)

參數(shù)確定后，多孔空心方塊在沿堤軸線各里程的空間位置亦確定，可以計算出每一個多孔空心方塊的三維坐標值。

二、采用一套自動跟蹤空間定位系統(tǒng)進行安裝定位

當輸入多孔空心方塊質(zhì)心點的設計三維坐標后，定位系統(tǒng)自動跟蹤多孔空心方塊的即時位置，并與設計坐標值進行比較，隨時提示操作人員多孔空心方塊的位置和與設計值的差距，從而控制多孔空心方塊安裝過程。

三、安裝定位系統(tǒng)的原理

系統(tǒng)采用分級定位原理，如圖1方塊導堤GPS定位計算原理立面圖和圖2方塊導堤GPS定位計算原理平面圖所示。

1.船體位置確定：采用兩臺RTKGPS以確定船體位置，并由GPS實時定位結果計算吊機旋轉(zhuǎn)中心O位置。

2.吊臂方向測定：通過吊機轉(zhuǎn)向傳動齒輪帶動光柵角度傳感器，并由光柵角度傳感器記錄吊機的轉(zhuǎn)動角度α₁以計算吊臂的方向。

3.吊臂傾斜測定：吊臂傾斜度α₂通過安裝在吊臂上的測傾儀測定。

4.吊鉤線傾斜測定：吊鉤線傾斜度β₁、β₂通過安裝在吊鉤線上的雙軸測傾儀測定。

5.天菱（A）位置（坐標）計算：天菱（A）相對吊機旋轉(zhuǎn)中心（O）的位置由吊臂長度（L₁）、吊臂方向（α₁）和吊臂傾斜度（α₂）計算。

6.多孔空心方塊質(zhì)心（B）位置（坐標）計算：多孔空心方塊質(zhì)心（B）相對天菱（A）的位置由吊鉤線長度十多孔空心方塊對角線半長（L₂）、吊鉤線在平面投影上與兩坐標軸方向的夾角計算。高程也用相同原理推導出來。

四、系統(tǒng)精度

系統(tǒng)精度主要與監(jiān)測儀器（如光柵角度傳感器和雙軸測傾儀）初始度數(shù)設定、設備齒輪傳動間隙、鋼絲繩的彎曲度和監(jiān)測儀器安裝位置有關。

1.首先在陸地用這套安裝系統(tǒng)安放多孔空心方塊與用全站儀實測，比測結果：平面測量誤差15厘米，高程測量誤差16.5厘米。

2.再在海上現(xiàn)場安裝試驗。試安裝作業(yè)是檢驗系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性，中交第三航務工程局有限公司對774個多孔空心方塊安裝數(shù)據(jù)進行采集分析，其中459個多孔空心方塊為吊機1號安裝，315個多孔空心方塊由吊機2號安裝，海上安裝受船體搖晃影響，位置誤差明顯增加，但系統(tǒng)仍然能夠準確地測量到多孔空心方塊的實際位置。統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

水下多孔空心方塊安放工法施工工藝

• 工藝流程

《水下多孔空心方塊安放工法》的施工工藝流程見圖3。

• 安裝儀器及各項參數(shù)測定

船機改裝主要是在安裝船吊機上安裝傳感器，測量吊機的各種姿態(tài)數(shù)據(jù)，據(jù)此計算多孔空心方塊質(zhì)心坐標?！端露嗫卓招姆綁K安放工法》安裝儀器及各項參數(shù)測定如下：

一、吊機旋轉(zhuǎn)角的測定

在吊機的旋轉(zhuǎn)部位安裝光柵角度傳感器，光柵角度傳感器與吊機的固定底座緊密接觸。吊機旋轉(zhuǎn)時。光柵角度傳感器的轉(zhuǎn)子受底座摩擦而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，通過參數(shù)設定，可以根據(jù)光柵角度傳感器的旋轉(zhuǎn)數(shù)計算出吊機的平面旋轉(zhuǎn)角。

二、吊臂傾角的測定

在吊機吊臂上安裝雙軸測傾儀，根據(jù)雙軸測傾儀的數(shù)據(jù)可推算出吊臂的傾角。

三、鋼絲繩傾角的測定

在吊機大鉤鋼絲繩上套一根鋼套管，套管的直徑與鋼絲繩粗細相當，使套管能與鋼絲繩緊密接觸，這樣就能確保套管與鋼絲繩的傾斜方向一致。

在套管的外壁上安裝雙軸測傾儀，雙軸測傾儀同時檢測鋼絲繩的級縱傾和橫傾角度，由此可推算出鋼絲繩的傾斜方向和傾斜角度。

四、鋼絲繩下放長度的測定

在吊機大鉤上連接一根鋼絲繩，鋼絲繩通過吊臂連接到吊機后部的滑輪組上，滑輪組上懸掛重物并可沿固定跑道上下滑動，當大鉤鋼絲下降時，可拉動滑輪組沿跑道上升，大鉤起升時，重物帶動滑輪組下降，通過檢測滑輪組的上升和下降距離，即可推算出大鉤鋼絲繩的下放距離。

在吊機的頂端安裝測距儀，通過測距儀即可檢測滑輪組的上升和下降高度。

• 模型試驗

《水下多孔空心方塊安放工法》的模型試驗如下：

通過改變多孔空心方塊的縱橫間距來調(diào)整堤身高度。

通過室內(nèi)安放試驗，找出最佳堆放層數(shù)和同層塊數(shù)，使空心方塊空隙率達到41%。確定各種斷面水深堤身寬度情況的空心方塊的行列間距和層高等參數(shù)。

• 空心方塊安裝

《水下多孔空心方塊安放工法》空心方塊安裝如下：

一、底層多孔空心塊體的安放

1.底層多孔空心方塊采用平吊，吊起后多孔空心方塊呈水平狀態(tài)，以保證安裝后多孔空心方塊仍呈水平狀態(tài)，安裝間距由模型試驗的結果確定。

2.安裝船順堤軸線停放，根據(jù)GPS顯示數(shù)據(jù)移船到位。

3.按模擬試驗所確定的縱、橫向間距，將參數(shù)輸入電腦，完成程序設置。

4.吊起多孔空心方塊，按電腦屏幕顯示的理論位置和實際位置，移動吊臂，安放多孔空心方塊。安放時盡量確保多孔空心方塊能水平著底。

二、第二層及其上各層多孔空心塊體的安放

1.第二層及其以上的多孔空心方塊采用單點吊，吊起后塊體呈傾斜狀態(tài)。

2.第二層及其以上的多孔空心方塊的安放步驟與第一層相同，但橫向安放行數(shù)為：若第一層為n行，則第二層為n＋1行，第三層為n行，其后每增加一層行數(shù)減少一行。

3.相鄰兩層的多孔空心方塊從平面看呈梅花形布置，即上層塊體均安放在其下層塊體的空檔處。

三、水面附近及以上多孔空心方塊安放

安裝水面以上多孔空心方塊時，除按間距控制外，還需結合實際情況，將塊體安放在下層塊體的空隙處，以確保上層塊體的穩(wěn)定性。多孔空心方塊斜坡堤的堤頂頂寬6.9米、隨機安放三塊多孔空心方塊。

四、安裝定位系統(tǒng)操作事項

1.必須在具有GPS衛(wèi)星定位信號和差分信號的空間使用；能推導出二維或三維坐標值的單個物體（構筑物）定點安裝。在水下安裝時，水深或流急情況下，應保持水下段吊裝鋼絲繩呈一直線，否則安裝誤差會隨著鋼絲繩的彎曲而增加。

2.系統(tǒng)中的監(jiān)測儀器如光柵角度傳感器和雙軸測傾儀，應避免雨淋或水體浸蝕，保持電源在常通狀態(tài)。

3.系統(tǒng)在使用過程中，或停止使用一段時間，電源停止供電，恢復使用前，必須在吊機吊臂回到起始位置時，重新設置儀器的初始讀數(shù)。

4.多套安裝系統(tǒng)可以同時共用一套GPS衛(wèi)星定位接收器的信號。

5.一套安裝系統(tǒng)有一組操作系統(tǒng)（指令輸入），可以有多個監(jiān)視系統(tǒng)（不可操作）。

6.吊裝物體（構筑物）的鋼絲繩一旦放松，讀數(shù)無效。

7.操作過程中應注意系統(tǒng)中的兩臺GPS接收機工作狀態(tài)是否處于正常的鎖定狀態(tài)，數(shù)據(jù)是否實時刷新。

8.操作過程中應注意系統(tǒng)中的吊臂方向傳感器、鋼絲廠度傳感器、吊臂傾角傳感器、鋼絲請教傳感器的數(shù)據(jù)是否實時刷新。

• 勞動組織

由于施工進度計劃緊，采用《水下多孔空心方塊安放工法》安裝時按照連續(xù)作業(yè)每日三班。表2列出每臺吊機的人員組織。另外配備有正常的空心方塊運輸施工船舶。

《水下多孔空心方塊安放工法》采用一套多孔空心方塊定位軟件，將GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)與起重船上的各種監(jiān)測儀器連接起來，GPS定位系統(tǒng)測出起重船船體的空間位置，船上的監(jiān)測儀器測出多孔空心方塊質(zhì)心與船體的相對位置，通過計算機軟件數(shù)據(jù)處理，計算出多孔空心方塊質(zhì)心的空間坐標。操作人員監(jiān)視屏幕，了解多孔空心方塊的即時位置和與設計位置的相對關系，操縱起重設備，移動多孔空心方塊到設計位置，并記錄下多孔空心方塊的最終位置坐標值。

多孔空心方塊用于長江口航道整治工程中，是世界上第一次在如此軟弱的海底筑成全斷面空心方塊、具有導流作用的斜坡堤。也是第一次運用工程技術將這種大空隙率輕型結構物安放到海域指定位置，并遵循"水平分層、質(zhì)心定點、姿態(tài)隨機"的原則，具有以下幾項創(chuàng)新點：

1）多孔空心方塊在室內(nèi)做模型擺放試驗，確定各種斷面空心方塊的堆放層數(shù)和間距；

2）研制專用起重安裝定位船；

3）研制專用液壓吊具；

4）開發(fā)安裝系統(tǒng)軟件，具有即時顯示多孔空心方塊質(zhì)心坐標（三維）、與導堤相對位置、與多孔空心方塊設計位置相對關系的功能，還能自動記錄、打印安裝數(shù)據(jù)。

長江口深水航道治理二期整治建筑物工程位于南港北槽橫沙淺灘南側(cè)，北導堤NIIC段在北導堤的最東端，里程號為：N46＋600至N49 200，總長2.6千米。

設計經(jīng)過多方案比選，決定采用高強度機織土工布全連鎖塊軟體排護底，鋼筋混凝土多孔空心方塊作為堤身結構。多孔空心方塊外形尺寸為2.5米×2.5米×2.5米，立方體的6個面均由斷面為0.48米×0.48米的4根立柱組成，重量14.4噸，共21928個。

工程設計文件提出：多孔空心方塊的安放原則是："水平分層、質(zhì)心定點、姿態(tài)隨機"，嚴格控制堤身空隙率。

多孔空心方塊水下安裝施工工藝是長江口深水航道治理二期整治建筑物工程中的關鍵技術。2004年1月中交第三航務工程局有限公司組織工程實施單位，三航上海分公司成立課題研究小組，研究多孔空心方塊安放工藝，成功開發(fā)了一套引導多孔空心方塊水下準確就位的跟蹤定位設備和工藝程序，解決了水下空心方塊施工技術難題。

中交第三航務工程局有限公司在開發(fā)研究成果的基礎上加于實踐和總結，經(jīng)過2萬多塊空心方塊的水下安放，形成了《水下多孔空心方塊安放工法》。

《水下多孔空心方塊安放工法》的應用實例如下：

長江口深水航道治理工程整治建筑物二期工程NIIC-1標段工程，位于南港北槽橫沙淺灘南側(cè)，北導堤NIC段在北導堤的最東端，總長2.6千米。采用高強度機織土工布全連鎖塊軟體排護底，鋼筋混凝土多孔空心方塊作為堤身結構，多孔空心方塊共21928個，總重14.4噸。

空心方塊安裝及實測數(shù)據(jù)及分析如下。

一、空隙率

空隙率=多孔空心方塊之間的空隙體積/設計斷面體積。

導堤斷面參數(shù)除高度變化引起底寬變化以外，其他均相同，因此，導堤高度是引起"設計斷面體積"變化的原因。"多孔空心方塊之間的空隙體積"不包括多孔空心方塊自身的空隙。中交第三航務工程局有限公司對不同高度的導堤進行了空隙率計算，見表4。

根據(jù)不同成堤斷面尺寸，在室內(nèi)進行堆放試驗，找出最佳網(wǎng)格間距，現(xiàn)場安裝多孔空心方塊導堤空隙率，依據(jù)以上公式計算為40.0%~41.0%，符合設計要求。

二、堆放塊數(shù)

根據(jù)不同成堤斷面尺寸，在室內(nèi)進行堆放試驗，找出滿足設計空隙率最佳網(wǎng)格間距，確定每一個多孔空心方塊的位置和質(zhì)心坐標，多孔空心方塊的堆放數(shù)量也確定?，F(xiàn)場安裝時，電腦已設置了每個多孔空心方塊質(zhì)心坐標值，操作人員嚴格按照既定的位置進行安裝，堆放數(shù)量與預設值相等，接近100%。

三、堤頂高程

堤頂設計標高為＋2米，驗收標高為＋3.3米（＋3.5米），中交第三航務工程局有限公司對各里程堤頂標高進行了測量，最高為 4.43米（此處設計值＋3.50米），最低為＋3.51米（此處設計值＋3.50米），滿足規(guī)范要求（0～ 1200毫米），見圖4。

四、安裝效果

多孔空心方塊斜坡堤施工中，多孔空心方塊安放分項工程歷時4個月（2004年7月22日至2004年12月10日），期間共安放空心方塊21928個，月均安放方塊5500個，單船單吊機日均安放200個。單船單吊機日安放的最高紀錄為350個。各里程分段（以100米為一分段）的空隙率均控制在40%~41%之間。既滿足了工期要求，又達到設計的技術指標和規(guī)范要求。經(jīng)過數(shù)次寒潮、臺風的侵襲堤身處于穩(wěn)定狀態(tài)。

多孔空心方塊安裝達到了如表5的技術指標。

2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布《關于公布2005-2006年度國家級工法的通知》建質(zhì)[2008]22號，《水下多孔空心方塊安放工法》被評定為2005-2006年度國家一級工法。 2100433B

人工護面塊體可以分為雙層安放和一層安放的兩種。目前我國經(jīng)常使用的一層安放的塊體有：四腳空心方塊、扭王字塊等；雙層安放的塊體有四腳錐體和扭工字塊等。護面塊體的底層塊體應與其下的拋石棱體緊密接觸。四腳空心方塊的墊層的塊石宜鋪砌。雙層安放的護面塊體在安放后應使其相應間具為了防止堤心塊石被沖毀，有一定的聯(lián)鎖能力。扭工字塊當隨機安放時，其上層應盡量能有60%的塊體保持垂直桿在堤坡下方和水平桿在堤坡上方；當規(guī)則安放時，全部塊體應保持垂直桿在堤坡下方，水平桿在堤波上方。人工護面塊體一般都是在拼裝式鋼模板中制作，其頂部表面易產(chǎn)生氣泡，應在混凝土初凝前用原漿抹壓。2100433B

《雙層BDF空心管芯?？招臉前迨┕すしā返墓しㄌ攸c是：

充分利用了空心樓板的結構特點，以空心管之間的肋梁固定空心管，以肋梁鋼筋骨架及模板支撐架控制空心管上浮，通過采用合理坍落度的混凝土、科學劃分澆筑厚度、控制混凝土澆筑和振搗速度等措施，提高了施工工效，保證了成型質(zhì)量。

《觀賞水體水下景觀施工工法》的工法特點是：

1.水下造景塑型的制作是利用聚苯板和聚氨酯發(fā)泡劑制作塑型，可以刮、切、劃、割、填、補等技法進行處理，反復修改從而使塑型自然，布置于水體內(nèi)達到排山倒海的效果。

2.為了保證水下造景的防水、防腐及抗壓性能，充分利用玻璃鋼易成型的特點，用作模具的載體材料。同時玻璃鋼具有防滲、防腐及良好強度，可以解決了水下景觀施工中遇到的困難。

3.水下景觀若具有多種相同形狀的造型時，利用石膏作為輔助材料，翻制玻璃鋼模具，不僅節(jié)省了材料，同時也縮短了工序，可以取得良好的經(jīng)濟效益和工期效益。

4.水下景觀的玻璃鋼制作的塑型，保留了玻璃鋼造型的原味、肌理、塑痕，通過配置一定比例的著色材質(zhì)對雕塑進行色彩處理，從而使造景增加深度感，并且可以加強表面的肌理效果，從而使作品達到最佳的效果。