离岸深水港抛石基床整平关键技术研究

1、离岸深水港建设关键技术研究课题之八离岸深水港抛石基床整平关键技术研究报告简本1 抛石基床整平工艺技术调研及分析从文献资料看，日本、前苏联和英美各国从20世纪六十年代中后期开始，我国从七十年代中后期开始，进行了大量的研究工作。国内外研究的方向主要集中在三个方面：改进抛石工艺和机械以提高抛石质量；研究新的水深测量和质量检测方法；研制水下抛石整平设备提高作业效率。目前，需要结合未来码头工程发展趋势开展研究。归纳起来，国内外整平机从结构形式上可分为：框架式整平机、座底式整平船、平台船式整平机、重锤夯实或振动压实式整平机、步履式整平机和水下推土机六大类，都存在这样或那样的问题。要实现深水条件下基床整平机

2、械化，必须在前人的基础上做进一步研究。2 抛石基床整平关键技术问题的分析界定和研究所采取的技术路线2.1离岸深水港基床整平所面临的技术问题外海离岸码头深水化给水下抛石基床整平作业带来的问题主要有4个方面：(1)高程测量难度加大，传统测量方法不适用;(2)潜水整平有效作业时间缩短，劳动强度增大;(3)受风浪因素影响加大，作业天数减少，安全生产受到威胁;(4)整平料抛石困难，传统施工方法不能满足要求。总之，外海离岸深水港施工中，传统的施工工艺和施工技术面临着严重挑战,开展离岸深水港抛石基床整平关键技术研究十分必要。2.2关键技术问题针对深水抛石基床整平面临的问题，结合以往施工经验，确定离岸深水港基

3、床整平的关键技术问题如下：（1）抛石新工艺的研究重点是二片石找平层和碎石找平层抛石位置和抛石数量控制新工艺的研究。中块石抛石重点是对现有的抛石工艺进行总结完善和提高形成先进可靠的工法。（2）精确测量水下标高新方法的研究外海工程由于距离陆地太远，无法使用水准仪进行高程测量。较常用的现代测量方法有水下无线电定位、回声测深、压力传感器测深、GPS高程测量等，须将它们加以组合，开发出新的测量方法。（3）适应深水条件的机械化整平方法的研究现有的整平机都存在着这样和那样的缺点，必须针对未来码头工程水深要求，结合外海施工环境条件，吸取各种类型整平机的成功之处，开发研制新一代深水整平机。2.3 研究所采取的技

4、术路线所采取的技术路线可由如下框图概括:图2-1 技术路线框图3 水下固定点高程测量新方法的研究针对外海深水抛石基床整平施工作业条件,结合人工潜水整平所惯常使用的整平轨道高程测量方法,拟定3套初步方案进行方案比选。方案一，“GPS+钢丝绳引测方案”，即采用GPS RTK技术直接测量水下某点的高程：采取机械手段将被测点引至水面以上，利用GPS直接测定被测点标高。水下被测点引测装置采取“钢丝绳+张紧机构”。方案二，“压力传感器动态验潮方案”，采用GPS与测深仪联合测量水下某点的高程：采用GPS测量并给出高程参考点并作为测深起点，采用压力传感器测深仪测定水下被测点处的水深，从而得出水下被测点的标高。

5、方案三，“压力传感器静态验潮方案”，采用全站仪与测深仪联合测量水下某点的高程：采用全站仪测量并给出高程参考点并作为测深起点，采用压力传感器测深仪测定水下被测点处的水深，从而得出水下被测点的标高。3.1 三个方案试验比选为了客观地确定三个方案的优劣及测深精度，专门设计进行了对比试验，通过实测对比进行方案优选。从表3-3可明显看出两点： （1）以标准差作为评判标准，三个方案的测量精度由低到高排列顺序为“方案1、方案2、方案3”；（2）如果以全站仪测量结果作为被测点高程的标准值的话，三个方案所采用的系统均需校准。以测量结果偏离标准值的变化幅度大小作为系统稳定性的评判标准，三个方案的稳定性由低到高的排

6、列顺序为“方案2、方案1、方案3”。比选结果列于下表：表3-3 3个方案比选结果表 （单位：m）方案1方案2方案3平均标准差0.056/0.0560.046/0.0480.008/0.008最大标准差0.132/0.1060.083/0.0860.018/0.017与全站仪测量结果之差变幅0.069/0.0640.160/0.1490.022/0.020比选结论下中上5图3-1 三方案对比试验示意图3.2 压力传感器测深系统干扰因素分析通过试验比选，压力传感器测深系统具备两大优势：一是精度高：测量结果统计标准差最小；二是稳定性好：测量结果同标准值的差值变化幅度小，基本保持不变，易于通过系统校准

7、加以消除。为此，后续工作以该方案为研究重点。影响压力传感器测深精度的因素主要有以下三个方面：波浪造成的水压力波动、水密度变化、传感器特性（精度、温度稳定性、时间稳定性等）。其中波浪因素，当水深大于波长的一半时，其影响可忽略不计；海水密度因素，由于在较小的范围内水密度变化也会较小，故限制传感器空间分布范围大小可减小其影响；本课题所采用的传感器型号为LMP 308i ,由于非线性、温漂所产生的信号偏差进行了补偿，具有较高的温度和时间稳定性。3.3 压力传感器测深系统实测试验及误差分析为了确切评价压力传感器测深系统在实际工程环境中的综合测量精度，设计了压力传感器测深系统实测试验。实测试验表明，压力传

8、感器测深系统高程测量中误差为6mm。通常使用的GPS RTK高程测量中误差设定为20mm+1ppm，按照误差传递公式，在基站距离被测点2km以内的情况下，由GPS RTK高程测量提供绝对高程值的“压力传感器静态验潮方案”，其高程测控的中误差为，可满足限差±50mm条件下的测控要求。通过对实测试验数据的分析，还对如何校正系统误差、如何消除水密度变化等因素造成的误差提出了建议，详见专题报告：压力传感器测深系统实测试验报告。4 抛石新工艺研究4.1基床中块石机械化抛填工艺抛石时要分粗抛和细抛，在距基床顶标高500mm以下可按粗抛控制，以上按细抛控制，细抛控制在0-300mm内。基床中块石机

9、械化抛石工艺主要有开体驳抛石工艺、方驳反铲抛石工艺两种，均为粗抛施工。课题组对机械化抛石工艺进行了系统总结提炼，形成了“机械化抛石工法”。该工法已通过专家评审，成为中交股份级工法（详见附件2）。4.2 整平料二片石抛石工艺整平料抛石新工艺专题的技术难点是，如何将整平料抛到需填平的低点位置，实现定点抛石，以及如何按照低点的不同深度确定需抛石的数量，实现定量抛石。4.2.1 抛石位置和方量的测定和控制要实现定点定量抛石，方法之一是首先对待整平基床顶面进行测量，测定低点位置和深度，然后计算出每一个低点填平所需要的整平料方量，据以进行抛石。但是这种方法技术难度大，可行性较差。经过研究，决定采取摊铺的方

10、式进行整平，即按设计标高进行整平料摊铺，所有低点不论深浅一律填平至设计标高。为此专门设计了“控制料位物料自流分配仓”（详见图4-3），用于物料分配的定量控制。1-仓格2-高料位传感器 3-低料位传感器图4-3 控制料位物料自流分配仓结构示意图4.2.2 下料方式比选拟定3种定点抛石方案进行比选，分别是：溜筒方案、上位料斗吊放方案和克令吊直接吊放石料方案。通过论证和方案比选，确定溜筒方案为最终方案，研制出“万向可伸缩物料输送管”，解决了如何适应母船和整平机之间相对运动的技术难题，实现了整平料定向输送。5 机械化整平方法的研究从整平方式、高程和水平度测控方式、整平料抛石方式、整平船水上和水下两部分

11、的连接配合形式等方面入手，研究制定了新一代整平船的2个总体方案，分别为“铰接溜管下料框架式整平机方案”和“母船起重机助浮框架式整平机方案”。5.1 深水抛石整平船总体方案及2方案比选制定总体方案后，委托上海船舶设计研究院、青岛玛瑞德公司分别按“铰接溜管下料框架式整平机方案”和“母船起重机助浮框架式整平机方案”进行了深水抛石整平船的方案设计，并认真进行了方案比选，最终确定按“铰接溜管下料框架式整平机方案”执行。5.1.1母船起重机助浮框架式整平机方案5.1.1.1 工作母船工作母船是作为深水整平机和与水下抛石基床整平作业机械化相关设备的载体和工作基站（详见图5-1）。工作母船拟利用现有的“起重1

12、”船进行改装而成，该船主要参数如下： 长：40.2 m型 宽：16 m型 深：3.35 m空载艏/艉吃水：0.8/1.1 m满载吃水：2.45 m满载排水量：1461.5 t使用条件：类航区工作、类航区空载拖航调遣、港区内作业图5-1 母船起重机助浮方案母船示意图5.1.1.2 整平机整平机包括：定位框架、整平框架、料筒、整平台车及监控系统等组成。该整平机具有自起浮和下潜功能，在母船起重机辅助下完成下潜定位及起浮作业。定位框架上的水平液压缸推动整平框架水平移动。料筒出水面，兼有喂料和测量之功能。整平台车在整平框架上移动实现整平作业。（详见图5-2）图5-2 母船起重机助浮方案整平机示意图5.1

13、.2铰接溜管下料框架式整平机方案整平船由3个组成部分5个功能系统组成。三个组成部分分别是：工作母船：其主要作用是作为整平机及动力、控制系统以及施工人员、材料的承载船和施工操作平台，其锚系还起到调整控制整平机平面位置的作用；水下整平机：整平机设液压支腿，用于调整整平刮刀标高。液压支腿承受整平机自重和分料斗内石料的部分重量，并提供整平推进阻力的反作用力；连接部分：连接部分包括升降钢丝绳、液压管路、动力电缆及控制电缆线排收放架、整平料抛石串筒等。五个功能系统分别是：母船及锚泊系统；补料推平系统；测量定位系统；自动化控制系统；动力系统。5.1.2.1 工作母船图5-3 铰接溜筒下料方案工作母船正视图图

14、5-4 铰接溜筒下料方案工作母船俯视图母船主要尺度和相关性能参数总 长：58.00 m船 宽：26.00 m片体宽：4.50 m片体型深：6.00 m设计吃水：3.60 m中间开口：42 m x 16 m（矩形）作业时船舶倾斜：纵倾2°横倾5°5.1.2.2 整平机图5-5 铰接溜筒下料方案整平机正视图图5-6 铰接溜筒下料方案整平机侧视图水下整平机主要技术参数整平台车行程：33.5 m刮刀宽度：12 m整平台车额定行走速度：1 m/min整平台车空载行走速度：3 m/min整平台车牵引力：45 t液压支腿的行程：1.25 m液压支腿的顶升速度：1 m/min下料斗几何容积

15、：80 m3下料斗通径：12 m x600 mm设计通过能力控：85.3 m3/min主尺度：长×宽×高 41.795x15.79x12.919 m自重：275.3t（水中重量约245 t）5.2 模型试验作为深水整平机开发的关键步骤，为验证方案可行性，以总体方案为指导，制定了深水整平机模型试验方案，完成了1/5模型的设计加工（详见图5-7）并完成了试验。图5-7 整平机模型示意图（工作状态）试验结论如下：（1）整平机模型试验过程中，溜筒机构伸缩自如，旋转灵活，能够适应母船的各种运动状态，且能够满足整平机收放需要；（2）料位控制系统有效，能够根据下料斗料位高低及时启闭上料斗

16、料门，达到了预期效果。证实了在现有技术条件下完全可以实现料位的自动监测和自动布料控制。这表明总体方案中所制定的整平料供料方式可行；（3）整平机整平效果良好，摊铺石料断面规整，顶面平整度在±1cm以内，表明总体方案中所选择的整平方式切实可行；（4）从试验的总体情况看，所制定的整平船整体方案是合理的，可以以此为基础进行设计。5.3 整平推进阻力及支腿钢垫板摩擦系数实测试验5.3.1整平推进阻力实测试验为测定整平船整平推进阻力及支腿垫板同抛石基床间的摩擦系数，为深水抛石整平船的设计提供设计参数，特制定了整平船整平推进阻力及支腿垫板摩擦系数测试方案进行试验。整平料粒径分析见表5-1。表5-1

17、 试验料斗内石料级配分析材料种类块石（200mm以上）二片石（40200mm）碎石（540）砂（5mm以下）总重量（kg）48178018010重量百分比2.488.28.90.5实测数据汇总如下： 表5-2 整平推进阻力3组试验实测平均值（kg）开口宽(m)石料高度(m)1.550.750.50 2.215207 7882 5427 1.714647 8653 3980 1.212460 9247 4093 平均值14104 8594 4500 表5-3 整平推进阻力3组试验实测最大值（kg） 开口宽(m)石料高度(m)1.550.750.502.218020958557401.715860

18、984044601.213860106404620平均值15913100224940从实测数据可明显看出：（1）在料斗开口长度不变的情况下，阻力数值同开口的宽度呈现出明显的相关性：料斗内石料起始高度2.2m时，推进阻力随开口宽度的增加成正比增大，近似为线性关系。斗内石料起始高度越小，线性度越差。详见图5-16、5-17：图5-16 3组实测推进阻力平均值同料斗有效开口宽度关系曲线图5-17 3组实测推进阻力最大值同料斗有效开口宽度关系曲线（2）整平推进阻力同料斗内起始堆料高度的关系，在不同的料斗开口宽度情况下表现出不同的规律，关系较为复杂，仅有3 组实验数据不能揭示其相关关系。（详见图5-18

19、、5-19）图5-18 3组实测推进阻力平均值同料斗斗内石料起始高度关系曲线图5-19 3组实测推进阻力最大值同料斗斗内石料起始高度关系曲线（3）建议整平机下料斗开口宽度采用0.75m，相应的整平推进阻力设计值按如下原则确定：当刮刀下缘距离基床顶面大于20cm时,最大推进阻力为3220（kg/m）;当刮刀下缘距离基床顶面小于20cm时, 最大推进阻力为6047(kg/m)。（4）整平后基床顶面平整度良好，顶面高差只受到整平料粒径影响。5.3.2支腿垫板摩擦系数测试支腿垫板底面为平面，对基床石料进行浇水充分湿润以模拟水下环境条件，对平板式支腿垫板和糙化支腿垫板分别进行了测试，数据汇总如下： 表5

20、-4 平板式支腿垫板摩擦系数实测数据表序号压载重量(t)拉力(kg) 空载绳阻力(kg)摩擦系数115.73 48002000.29 224.16 150002000.61 329.60 205002000.69 432.56 235002000.72 516.37 88002000.53 624.80 145002000.58 729.60 185002000.62 832.56 198002000.60 916.37 45002000.26 1024.80 130002000.52 1129.60 178002000.59 1232.56 215002000.65 摩擦系数平均值（f）0.

21、55 摩擦系数标准差（）0.14 摩擦系数建议值（f-2）0.27 表5-4 糙化支腿垫板摩擦系数实测数据表序号压载重量(t)拉力(kg)空载绳阻力(kg)摩擦系数116.37 95002000.57 224.80 190002000.76 329.60 238002000.80 432.56 275002000.84 532.56 100002000.30 628.24 208002000.73 721.96 182002000.82 816.40 170002001.02 932.56 200002000.61 1029.60 230002000.77 1125.30 200002000.

22、78 1218.40 150002000.80 摩擦系数平均值（F）0.73 摩擦系数标准差（）0.18 摩擦系数建议值（F-2）0.38 5.4 深水整平机设计导则由于深水整平机的设计属研发性工作，尚没有经验可循，更无规范可依。为了让设计单位较好地理解整平机工作原理、设计要求和设计意图，更好地完成设计工作，我们专门研究制定了“深水整平机设计导则”。在本课题的研发过程中，深水整平机设计导则是设计招标过程中所编制的技术规格书的主要内容，是本项目执行中的重要文件和中间成果，从长远来说，它还应该是未来的深水整平机设计规范的雏形。5.5 深水抛石整平船设计经研究,决定采用现有青平2#船经改造后作为工作

23、母船，委托青岛海盈通船舶工程设计公司承担设计任务。5.5.1深水抛石整平船主要参数本船用原“青平2号”坐底式基床抛石整平船改装成漂浮式“深水抛石整平船”，由工作母船、整平机和监测系统三大部分组成。工作母船是整平机的载体和工作基站。在调遣作业时工作母船作为整平机的运载工具，将整平机收起在船体中部方孔内，由拖船拖曳母船调遣转场。 主要参数： 船长 60m 船宽 34m 型深 9m 工作吃水 4.2m 拖航吃水 4.7m 适用水深 16.525m(预留45m) 作业海域 沿海 调遣海域 近海 一次驻位整平面积 482m2 (17.2×28m)5.5.2深水抛石整平船设计中的关键技术应用采用

24、GPS定位技术测控母船平面位置。整平机框架的标高测控则采用本课题技术成果-压力传感器测深系统来完成。整平用石料的输送采取了本课题技术成果-由万向可伸缩物料输送管。推力的确定依据整平推进阻力实测试验结果结合以往施工经验采用3t/m进行设计。料仓料位设了双套料位计，振弦式土压力计和重锤式料位计。整平船监测系统采用先进的元器件集成，并开发使用了整套监测软件。出于安全专门设计了整平机鎖固装置。5.5.3深水抛石整平船设计文件深水抛石整平船设计文件详见“附件3：深水抛石整平船设计文件（设计说明、审批文件及设计图纸）”5.6 深水抛石整平船建造深水抛石整平船建造过程中主要有以下几个关键工作：青平2号前期修

25、复及整平机拆卸工作；青平2号船体改造工作；整平机的制造工作；整平机测控系统的安装及调试；整平船的空载重载实验。5.6.1 工作母船改造 图5-26 改造前的青平2号“青平2号”原为坐底式基床抛石整平船（见图5-26），于2001年建造。船上现有起重能力为25t起重机2台，可使用4m3抓斗机进行转运石料作业。原船整平机的动力传动系统经改造和检修后继续使用。原有4台液压锚绞车可供整平作业时母船移船定位使用。船上原有3台320kW主柴油发电机组、2台压载水泵及各种设备均继续使用。 图5-27 改造后的青平2号原船长、船宽、中间工作区开口尺寸、航区、使用功能以及机舱、泵舱，尾部甲板室布置都不变，型深由

26、16m改为9m，最大吃水由14m改为4.6m,改装后用作深水抛石整平船的工作母船（见图5-27）。5.6.2 整平机制造整平机是深水抛石整平船的主要专用设备，它由母船的升降绞车控制，在作业时由升降绞车将其下降到海底基床，在转场或调遣时由升降绞车将其提升至船体开孔内部锁固。整平机由定位框架、上位料斗及台车、下位料斗及刮刀、上位与下位料斗间的连接溜管组成。 5.7 整平机陆上整平实验为了验证整平机结构及设备性能的可靠性、确认整平时台车运行速度和各种工况下的牵引力、验证整平效果和质量，在整平机制造完成后进行了陆上整平试验。整平后基床顶面标高采用水准仪测量，实测数据汇总于表5-6。表5-6 整平机陆上

27、整平实验数据汇总表断面号1234测点号高程差值高程差值高程差值高程差值110.392 -410.379 -1710.392 -410.387 -9210.397 110.394 -210.394 -210.395 -1310.394 -210.395 -110.391 -510.395 -1410.400 410.397 110.390 -610.397 1510.395 -110.393 -310.395 -110.396 0610.402 610.403 710.400 410.397 1710.395 -110.396 010.391 -510.403 7810.390 -610.397 110.397 110.391 -5910.395 -110.399 310.393 -310.394 -21010.394 -210.394 -2通过本次陆上整平实验验证，整平机的结构和机械性能能够满足使用要求，基床整平后标高偏差普遍不超过±10mm，达到预定指标要求。5.8深水抛石整平船工程试应用2010年1月18日，青平2号深水抛石整平船在青岛港前湾四期工程8号泊位施工现场进行碎石基床水下整平的试验性应用，具体位置为已安装沉箱东