水下多孔空心方块安放工法

水下多孔空心方块安放工法适用范围

《水下多孔空心方块安放工法》可以运用于各种结构物（在吊机起重范围内）高精度的水下定位，如防坡堤块体安装定位；河床护坦施工等。

其核心技术"水下多孔空心方块定位系统"可以应用在任何一种单个物体（构筑物）的安装，无论它是在水上还是在水下；还可以利用该技术原理开发出各种各样的特殊安装系统，为工程技术服务，开辟水工构筑物"盲"定位技术新领域。

水下多孔空心方块安放工法工艺原理

《水下多孔空心方块安放工法》的工艺原理叙述如下：

多孔空心方块斜坡堤的外形、顶标高有明确的规定，但是，海底标高不同，堤身高度随海底标高的不同而变化。由于多孔空心方块单个构件尺寸较大，无法通过增加或减少安装层数来调节较小的堤身高度变化，因此必须通过改变多孔空心方块的纵横间距来调节堤身高度。多孔空心方块分层安放，层与层之间呈梅花形布置，即上面一层的多孔空心方块始终放在下一层四个多孔空心方块的中间，如果调整多孔空心方块的间距，那么上层块体的嵌入深度就会发生变化，这样，层高就会发生变化，从而达到了调节堤身高度的目的。

一、通过模型试验确定多孔空心方块安放的间距和层数值等参数

参数确定后，多孔空心方块在沿堤轴线各里程的空间位置亦确定，可以计算出每一个多孔空心方块的三维坐标值。

二、采用一套自动跟踪空间定位系统进行安装定位

当输入多孔空心方块质心点的设计三维坐标后，定位系统自动跟踪多孔空心方块的即时位置，并与设计坐标值进行比较，随时提示操作人员多孔空心方块的位置和与设计值的差距，从而控制多孔空心方块安装过程。

三、安装定位系统的原理

系统采用分级定位原理，如图1方块导堤GPS定位计算原理立面图和图2方块导堤GPS定位计算原理平面图所示。

1.船体位置确定：采用两台RTKGPS以确定船体位置，并由GPS实时定位结果计算吊机旋转中心O位置。

2.吊臂方向测定：通过吊机转向传动齿轮带动光栅角度传感器，并由光栅角度传感器记录吊机的转动角度α₁以计算吊臂的方向。

3.吊臂倾斜测定：吊臂倾斜度α₂通过安装在吊臂上的测倾仪测定。

4.吊钩线倾斜测定：吊钩线倾斜度β₁、β₂通过安装在吊钩线上的双轴测倾仪测定。

5.天菱（A）位置（坐标）计算：天菱（A）相对吊机旋转中心（O）的位置由吊臂长度（L₁）、吊臂方向（α₁）和吊臂倾斜度（α₂）计算。

6.多孔空心方块质心（B）位置（坐标）计算：多孔空心方块质心（B）相对天菱（A）的位置由吊钩线长度十多孔空心方块对角线半长（L₂）、吊钩线在平面投影上与两坐标轴方向的夹角计算。高程也用相同原理推导出来。

四、系统精度

系统精度主要与监测仪器（如光栅角度传感器和双轴测倾仪）初始度数设定、设备齿轮传动间隙、钢丝绳的弯曲度和监测仪器安装位置有关。

1.首先在陆地用这套安装系统安放多孔空心方块与用全站仪实测，比测结果：平面测量误差15厘米，高程测量误差16.5厘米。

2.再在海上现场安装试验。试安装作业是检验系统运行的稳定性、可靠性，中交第三航务工程局有限公司对774个多孔空心方块安装数据进行采集分析，其中459个多孔空心方块为吊机1号安装，315个多孔空心方块由吊机2号安装，海上安装受船体摇晃影响，位置误差明显增加，但系统仍然能够准确地测量到多孔空心方块的实际位置。统计数据见表1。

水下多孔空心方块安放工法施工工艺

• 工艺流程

《水下多孔空心方块安放工法》的施工工艺流程见图3。

• 安装仪器及各项参数测定

船机改装主要是在安装船吊机上安装传感器，测量吊机的各种姿态数据，据此计算多孔空心方块质心坐标。《水下多孔空心方块安放工法》安装仪器及各项参数测定如下：

一、吊机旋转角的测定

在吊机的旋转部位安装光栅角度传感器，光栅角度传感器与吊机的固定底座紧密接触。吊机旋转时。光栅角度传感器的转子受底座摩擦而发生旋转，通过参数设定，可以根据光栅角度传感器的旋转数计算出吊机的平面旋转角。

二、吊臂倾角的测定

在吊机吊臂上安装双轴测倾仪，根据双轴测倾仪的数据可推算出吊臂的倾角。

三、钢丝绳倾角的测定

在吊机大钩钢丝绳上套一根钢套管，套管的直径与钢丝绳粗细相当，使套管能与钢丝绳紧密接触，这样就能确保套管与钢丝绳的倾斜方向一致。

在套管的外壁上安装双轴测倾仪，双轴测倾仪同时检测钢丝绳的级纵倾和横倾角度，由此可推算出钢丝绳的倾斜方向和倾斜角度。

四、钢丝绳下放长度的测定

在吊机大钩上连接一根钢丝绳，钢丝绳通过吊臂连接到吊机后部的滑轮组上，滑轮组上悬挂重物并可沿固定跑道上下滑动，当大钩钢丝下降时，可拉动滑轮组沿跑道上升，大钩起升时，重物带动滑轮组下降，通过检测滑轮组的上升和下降距离，即可推算出大钩钢丝绳的下放距离。

在吊机的顶端安装测距仪，通过测距仪即可检测滑轮组的上升和下降高度。

• 模型试验

《水下多孔空心方块安放工法》的模型试验如下：

通过改变多孔空心方块的纵横间距来调整堤身高度。

通过室内安放试验，找出最佳堆放层数和同层块数，使空心方块空隙率达到41%。确定各种断面水深堤身宽度情况的空心方块的行列间距和层高等参数。

• 空心方块安装

《水下多孔空心方块安放工法》空心方块安装如下：

一、底层多孔空心块体的安放

1.底层多孔空心方块采用平吊，吊起后多孔空心方块呈水平状态，以保证安装后多孔空心方块仍呈水平状态，安装间距由模型试验的结果确定。

2.安装船顺堤轴线停放，根据GPS显示数据移船到位。

3.按模拟试验所确定的纵、横向间距，将参数输入电脑，完成程序设置。

4.吊起多孔空心方块，按电脑屏幕显示的理论位置和实际位置，移动吊臂，安放多孔空心方块。安放时尽量确保多孔空心方块能水平着底。

二、第二层及其上各层多孔空心块体的安放

1.第二层及其以上的多孔空心方块采用单点吊，吊起后块体呈倾斜状态。

2.第二层及其以上的多孔空心方块的安放步骤与第一层相同，但横向安放行数为：若第一层为n行，则第二层为n＋1行，第三层为n行，其后每增加一层行数减少一行。

3.相邻两层的多孔空心方块从平面看呈梅花形布置，即上层块体均安放在其下层块体的空档处。

三、水面附近及以上多孔空心方块安放

安装水面以上多孔空心方块时，除按间距控制外，还需结合实际情况，将块体安放在下层块体的空隙处，以确保上层块体的稳定性。多孔空心方块斜坡堤的堤顶顶宽6.9米、随机安放三块多孔空心方块。

四、安装定位系统操作事项

1.必须在具有GPS卫星定位信号和差分信号的空间使用；能推导出二维或三维坐标值的单个物体（构筑物）定点安装。在水下安装时，水深或流急情况下，应保持水下段吊装钢丝绳呈一直线，否则安装误差会随着钢丝绳的弯曲而增加。

2.系统中的监测仪器如光栅角度传感器和双轴测倾仪，应避免雨淋或水体浸蚀，保持电源在常通状态。

3.系统在使用过程中，或停止使用一段时间，电源停止供电，恢复使用前，必须在吊机吊臂回到起始位置时，重新设置仪器的初始读数。

4.多套安装系统可以同时共用一套GPS卫星定位接收器的信号。

5.一套安装系统有一组操作系统（指令输入），可以有多个监视系统（不可操作）。

6.吊装物体（构筑物）的钢丝绳一旦放松，读数无效。

7.操作过程中应注意系统中的两台GPS接收机工作状态是否处于正常的锁定状态，数据是否实时刷新。

8.操作过程中应注意系统中的吊臂方向传感器、钢丝厂度传感器、吊臂倾角传感器、钢丝请教传感器的数据是否实时刷新。

• 劳动组织

由于施工进度计划紧，采用《水下多孔空心方块安放工法》安装时按照连续作业每日三班。表2列出每台吊机的人员组织。另外配备有正常的空心方块运输施工船舶。

《水下多孔空心方块安放工法》安装定位系统主要材料与设备仪器具体见表3。

《水下多孔空心方块安放工法》采用一套多孔空心方块定位软件，将GPS卫星定位系统与起重船上的各种监测仪器连接起来，GPS定位系统测出起重船船体的空间位置，船上的监测仪器测出多孔空心方块质心与船体的相对位置，通过计算机软件数据处理，计算出多孔空心方块质心的空间坐标。操作人员监视屏幕，了解多孔空心方块的即时位置和与设计位置的相对关系，操纵起重设备，移动多孔空心方块到设计位置，并记录下多孔空心方块的最终位置坐标值。

多孔空心方块用于长江口航道整治工程中，是世界上第一次在如此软弱的海底筑成全断面空心方块、具有导流作用的斜坡堤。也是第一次运用工程技术将这种大空隙率轻型结构物安放到海域指定位置，并遵循"水平分层、质心定点、姿态随机"的原则，具有以下几项创新点：

1）多孔空心方块在室内做模型摆放试验，确定各种断面空心方块的堆放层数和间距；

2）研制专用起重安装定位船；

3）研制专用液压吊具；

4）开发安装系统软件，具有即时显示多孔空心方块质心坐标（三维）、与导堤相对位置、与多孔空心方块设计位置相对关系的功能，还能自动记录、打印安装数据。

长江口深水航道治理二期整治建筑物工程位于南港北槽横沙浅滩南侧，北导堤NIIC段在北导堤的最东端，里程号为：N46＋600至N49 200，总长2.6千米。

设计经过多方案比选，决定采用高强度机织土工布全连锁块软体排护底，钢筋混凝土多孔空心方块作为堤身结构。多孔空心方块外形尺寸为2.5米×2.5米×2.5米，立方体的6个面均由断面为0.48米×0.48米的4根立柱组成，重量14.4吨，共21928个。

工程设计文件提出：多孔空心方块的安放原则是："水平分层、质心定点、姿态随机"，严格控制堤身空隙率。

多孔空心方块水下安装施工工艺是长江口深水航道治理二期整治建筑物工程中的关键技术。2004年1月中交第三航务工程局有限公司组织工程实施单位，三航上海分公司成立课题研究小组，研究多孔空心方块安放工艺，成功开发了一套引导多孔空心方块水下准确就位的跟踪定位设备和工艺程序，解决了水下空心方块施工技术难题。

中交第三航务工程局有限公司在开发研究成果的基础上加于实践和总结，经过2万多块空心方块的水下安放，形成了《水下多孔空心方块安放工法》。

《水下多孔空心方块安放工法》应符合交通部专项标准《长江口深水航道治理工程整治建筑物工程质量检验评定标准》（局部修订）对多孔空心方块安装提出允许偏差要求。多孔空心方块定点不规则安放时，不得有漏放和过大隆起；多孔空心方块堤的平均断面轮廓线不得小于设计断面；多孔空心方块安放数量的允许偏差不大于-5%；顶标高允许偏差：0～ 1200毫米；顶层块数：3个。

《水下多孔空心方块安放工法》的效益分析如下：

多孔空心方块是长江口深水航道治理二期整治建筑物工程NIIC-1标段的堤身结构物，工程技术人员为了及时、准确、安全地将多孔空心方块安放到海上设计位置，专门成立课题研究小组，研究多孔空心方块施工工艺，攻克了海上安放多孔空心方块施工技术难题，取得了良好的经济效益和社会效益。

一、经济效益

根据合同要求和2005年前的施工能力，多孔空心方块21928个，安放时间199日历天（含不可作业天数），日作业强度111个。经过新技术研发，成果应用于施工，实际安放时间为149日历天（含不可作业天数），日作业强度148个，有效作业日平均强度627个。由此，节省了多孔空心方块安装船舶、运输船舶和施工人员的作业时间和现场滞留时间，合计节约费用4044000元。

由于导堤形成后使航槽冲深加快，借助自然水流力使航道提前达到设计深度，减少了预期的航道挖泥费用。

注：施工费用以2005-2006年施工材料价格计算

二、社会效益

由于新技术的应用，施工人员无须直接暴露于恶劣海况，人员和船舶现场滞留时间缩短，安全保障率提高；合同工期2004年1月1日至2005年4月30日，业主调整工期2004年12月3日，实际工期于2004年12月10日完成，提前完成工期，提高了上海分公司履约能力和社会信誉；二期工程提前完成，为长江口深水航道治理提前达到竣深要求作出了贡献；为长江流域水上物流提前提速、加快长江沿岸各城市经济发展作出了贡献。

采用《水下多孔空心方块安放工法》施工时，除应执行国家、地方的各项安全施工的规定外，尚应遵守注意下列事项：

1.施工人员严格执行国家、地方各项安全法律、法规；严格执行企业各项安全生产操作规程。

2.设备安装，提供稳定的200伏低电压线路，合理设计配电线路的走向，并具备良好的保护措施。

3.对检测仪器外部采用金属外壳加于保护，防止受外力破坏。

4.定位系统必须通过陆上比测，数据相吻合后才能进行水上作业。

5.水上施工首先进行安装试验，试验符合要求后方可进行大规模安装作业。

6.人工检测作业需要爬上爬下，扶梯必须扎牢。水上作业必须穿好救生衣戴好安全帽。

7.定位软件系统操作事先必须通过培训，熟悉理解整个系统后方可进行现场空心方块安装施工。

8.严禁非系统操作人员操作主控计算机，避免系统数据或各项参数的改动而造成施工错误。

9.对所有上船作业的软件操作人员、测量技术人员等进行全面的水上作业培训，并严格执行各项规定要求。

《水下多孔空心方块安放工法》的应用实例如下：

长江口深水航道治理工程整治建筑物二期工程NIIC-1标段工程，位于南港北槽横沙浅滩南侧，北导堤NIC段在北导堤的最东端，总长2.6千米。采用高强度机织土工布全连锁块软体排护底，钢筋混凝土多孔空心方块作为堤身结构，多孔空心方块共21928个，总重14.4吨。

空心方块安装及实测数据及分析如下。

一、空隙率

空隙率=多孔空心方块之间的空隙体积/设计断面体积。

导堤断面参数除高度变化引起底宽变化以外，其他均相同，因此，导堤高度是引起"设计断面体积"变化的原因。"多孔空心方块之间的空隙体积"不包括多孔空心方块自身的空隙。中交第三航务工程局有限公司对不同高度的导堤进行了空隙率计算，见表4。

根据不同成堤断面尺寸，在室内进行堆放试验，找出最佳网格间距，现场安装多孔空心方块导堤空隙率，依据以上公式计算为40.0%~41.0%，符合设计要求。

二、堆放块数

根据不同成堤断面尺寸，在室内进行堆放试验，找出满足设计空隙率最佳网格间距，确定每一个多孔空心方块的位置和质心坐标，多孔空心方块的堆放数量也确定。现场安装时，电脑已设置了每个多孔空心方块质心坐标值，操作人员严格按照既定的位置进行安装，堆放数量与预设值相等，接近100%。

三、堤顶高程

堤顶设计标高为＋2米，验收标高为＋3.3米（＋3.5米），中交第三航务工程局有限公司对各里程堤顶标高进行了测量，最高为 4.43米（此处设计值＋3.50米），最低为＋3.51米（此处设计值＋3.50米），满足规范要求（0～ 1200毫米），见图4。

四、安装效果

多孔空心方块斜坡堤施工中，多孔空心方块安放分项工程历时4个月（2004年7月22日至2004年12月10日），期间共安放空心方块21928个，月均安放方块5500个，单船单吊机日均安放200个。单船单吊机日安放的最高纪录为350个。各里程分段（以100米为一分段）的空隙率均控制在40%~41%之间。既满足了工期要求，又达到设计的技术指标和规范要求。经过数次寒潮、台风的侵袭堤身处于稳定状态。

多孔空心方块安装达到了如表5的技术指标。

《水下多孔空心方块安放工法》的环保措施如下：

1.施工船只严格执行国家有关海上法规，保护海上环境。

2.施工过程严格执行上海市文明施工规定，进行文明施工保护环境。

3.多孔空心方块出运前，在预制工地进行必要的构件表面清洁，禁止存在油污等的空心方块的吊装出运。

4.禁止安装施工人员向海中倾倒生活垃圾，安排固定船只收集垃圾运至岸上进行统一安全处置。

5.如果出现海上较大规模的油品污染事件，及时通知政府有关部门进行环境保护处理。

2008年1月31日，中华人民共和国住房和城乡建设部发布《关于公布2005-2006年度国家级工法的通知》建质[2008]22号，《水下多孔空心方块安放工法》被评定为2005-2006年度国家一级工法。 2100433B

人工护面块体可以分为双层安放和一层安放的两种。目前我国经常使用的一层安放的块体有：四脚空心方块、扭王字块等；双层安放的块体有四脚锥体和扭工字块等。护面块体的底层块体应与其下的抛石棱体紧密接触。四脚空心方块的垫层的块石宜铺砌。双层安放的护面块体在安放后应使其相应间具为了防止堤心块石被冲毁，有一定的联锁能力。扭工字块当随机安放时，其上层应尽量能有60%的块体保持垂直杆在堤坡下方和水平杆在堤坡上方；当规则安放时，全部块体应保持垂直杆在堤坡下方，水平杆在堤波上方。人工护面块体一般都是在拼装式钢模板中制作，其顶部表面易产生气泡，应在混凝土初凝前用原浆抹压。2100433B

《双层BDF空心管芯模空心楼板施工工法》的工法特点是：

充分利用了空心楼板的结构特点，以空心管之间的肋梁固定空心管，以肋梁钢筋骨架及模板支撑架控制空心管上浮，通过采用合理坍落度的混凝土、科学划分浇筑厚度、控制混凝土浇筑和振捣速度等措施，提高了施工工效，保证了成型质量。

《观赏水体水下景观施工工法》的工法特点是：

1.水下造景塑型的制作是利用聚苯板和聚氨酯发泡剂制作塑型，可以刮、切、划、割、填、补等技法进行处理，反复修改从而使塑型自然，布置于水体内达到排山倒海的效果。

2.为了保证水下造景的防水、防腐及抗压性能，充分利用玻璃钢易成型的特点，用作模具的载体材料。同时玻璃钢具有防渗、防腐及良好强度，可以解决了水下景观施工中遇到的困难。

3.水下景观若具有多种相同形状的造型时，利用石膏作为辅助材料，翻制玻璃钢模具，不仅节省了材料，同时也缩短了工序，可以取得良好的经济效益和工期效益。

4.水下景观的玻璃钢制作的塑型，保留了玻璃钢造型的原味、肌理、塑痕，通过配置一定比例的着色材质对雕塑进行色彩处理，从而使造景增加深度感，并且可以加强表面的肌理效果，从而使作品达到最佳的效果。