《水下多孔空心方塊安放工法》是中交第三航務工程局有限公司完成的建築類施工工法，完成人是鄭榮平、黃兆周、夏顯文、施沖、葉偉民，適用於各種結構物（在吊機起重範圍內）高精度的水下定位，任何一種單個物體（構築物）的定位系統安裝，各種各樣的特殊安裝系統的開發。
《水下多孔空心方塊安放工法》主要的工法特點是多孔空心方塊在室內做模型擺放試驗，確定各種斷面空心方塊的堆放層數和間距；研製專用起重安裝定位船；研製專用液壓吊具。
2008年1月31日，《水下多孔空心方塊安放工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家一級工法。
基本介紹
- 中文名：水下多孔空心方塊安放工法
- 工法編號： YJGF055-2006
- 完成單位：中交第三航務工程局有限公司
- 主要完成人：鄭榮平、黃兆周、夏顯文、施沖、葉偉民
- 套用實例：長江口深水航道治理工程整治建築物二期工程NIIC-1標段工程
- 主要榮譽：國家一級工法（2005-2006年度）
形成原因,工法特點,操作原理,適用範圍,工藝原理,施工工藝,材料設備,質量控制,安全措施,環保措施,效益分析,套用實例,榮譽表彰,
形成原因
長江口深水航道治理二期整治建築物工程位於南港北槽橫沙淺灘南側，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。
設計經過多方案比選，決定採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。
工程設計檔案提出：多孔空心方塊的安放原則是："水平分層、質心定點、姿態隨機"，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築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式，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研究成果的基礎上加於實踐和總結，經過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》。
工法特點
《水下多孔空心方塊安放工法》採用一套多孔空心方塊定位軟體，將GPS衛星定位系統與起重船上的各種監測儀器連線起來，GPS定位系統測出起重船船體的空間位置，船上的監測儀器測出多孔空心方塊質心與船體的相對位置，通過計算機軟體數據處理，計算出多孔空心方塊質心的空間坐標。操作人員監視螢幕，了解多孔空心方塊的即時位置和與設計位置的相對關係，操縱起重設備，移動多孔空心方塊到設計位置，並記錄下多孔空心方塊的最終位置坐標值。
多孔空心方塊用於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築成全斷面空心方塊、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，並遵循"水平分層、質心定點、姿態隨機"的原則，具有以下幾項創新點：
1）多孔空心方塊在室內做模型擺放試驗，確定各種斷面空心方塊的堆放層數和間距；
2）研製專用起重安裝定位船；
3）研製專用液壓吊具；
4）開發安裝系統軟體，具有即時顯示多孔空心方塊質心坐標（三維）、與導堤相對位置、與多孔空心方塊設計位置相對關係的功能，還能自動記錄、列印安裝數據。
操作原理
適用範圍
《水下多孔空心方塊安放工法》可以運用於各種結構物（在吊機起重範圍內）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"可以套用在任何一種單個物體（構築物）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出各種各樣的特殊安裝系統，為工程技術服務，開闢水工構築物"盲"定位技術新領域。
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。由於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來調節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節堤身高度。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，如果調整多孔空心方塊的間距，那么上層塊體的嵌入深度就會發生變化，這樣，層高就會發生變化，從而達到了調節堤身高度的目的。
一、通過模型試驗確定多孔空心方塊安放的間距和層數值等參數
參數確定後，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、採用一套自動跟蹤空間定位系統進行安裝定位
當輸入多孔空心方塊質心點的設計三維坐標後，定位系統自動跟蹤多孔空心方塊的即時位置，並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、安裝定位系統的原理
系統採用分級定位原理，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。
圖1 方塊導堤GPS定位計算原理立面圖
圖2 方塊導堤GPS定位計算原理平面圖
1.船體位置確定：採用兩台RTKGPS以確定船體位置，並由GPS實時定位結果計算吊機旋轉中心O位置。
2.吊臂方向測定：通過吊機轉向傳動齒輪帶動光柵角度感測器，並由光柵角度感測器記錄吊機的轉動角度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.多孔空心方塊質心（B）位置（坐標）計算：多孔空心方塊質心（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、系統精度
系統精度主要與監測儀器（如光柵角度感測器和雙軸測傾儀）初始度數設定、設備齒輪傳動間隙、鋼絲繩的彎曲度和監測儀器安裝位置有關。
1.首先在陸地用這套安裝系統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.再在海上現場安裝試驗。試安裝作業是檢驗系統運行的穩定性、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據進行採集分析，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，但系統仍然能夠準確地測量到多孔空心方塊的實際位置。統計數據見表1。
吊機名稱 | 統計個數 | 平均|△X▏（米） | 平均|△Y▏（米） | 平均坐標偏差量（米） | 坐標偏差量大於2米百分比 | X方差 | Y方差 |
302吊機1 | 459 | 0.41 | 0.41 | 0.58 | 3.34 | 0.31 | 0.35 |
302吊機2 | 315 | 0.65 | 0.63 | 0.91 | 9.2 | 0.84 | 0.85 |
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。
圖3 施工工藝流程圖
- 安裝儀器及各項參數測定
船機改裝主要是在安裝船吊機上安裝感測器，測量吊機的各種姿態數據，據此計算多孔空心方塊質心坐標。《水下多孔空心方塊安放工法》安裝儀器及各項參數測定如下：
一、吊機旋轉角的測定
在吊機的旋轉部位安裝光柵角度感測器，光柵角度感測器與吊機的固定底座緊密接觸。吊機旋轉時。光柵角度感測器的轉子受底座摩擦而發生旋轉，通過參數設定，可以根據光柵角度感測器的旋轉數計算出吊機的平面旋轉角。
二、吊臂傾角的測定
在吊機吊臂上安裝雙軸測傾儀，根據雙軸測傾儀的數據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
在吊機大鉤上連線一根鋼絲繩，鋼絲繩通過吊臂連線到吊機後部的滑輪組上，滑輪組上懸掛重物並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整堤身高度。
通過室內安放試驗，找出最佳堆放層數和同層塊數，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。
- 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.底層多孔空心方塊採用平吊，吊起後多孔空心方塊呈水平狀態，以保證安裝後多孔空心方塊仍呈水平狀態，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GPS顯示數據移船到位。
3.按模擬試驗所確定的縱、橫向間距，將參數輸入電腦，完成程式設定。
4.吊起多孔空心方塊，按電腦螢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。安放時儘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採用單點吊，吊起後塊體呈傾斜狀態。
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，但橫向安放行數為：若第一層為n行，則第二層為n＋1行，第三層為n行，其後每增加一層行數減少一行。
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、安裝定位系統操作事項
1.必須在具有GPS衛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（構築物）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.系統中的監測儀器如光柵角度感測器和雙軸測傾儀，應避免雨淋或水體浸蝕，保持電源在常通狀態。
3.系統在使用過程中，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，重新設定儀器的初始讀數。
4.多套安裝系統可以同時共用一套GPS衛星定位接收器的信號。
5.一套安裝系統有一組作業系統（指令輸入），可以有多個監視系統（不可操作）。
6.吊裝物體（構築物）的鋼絲繩一旦放鬆，讀數無效。
7.操作過程中應注意系統中的兩台GPS接收機工作狀態是否處於正常的鎖定狀態，數據是否實時刷新。
8.操作過程中應注意系統中的吊臂方向感測器、鋼絲廠度感測器、吊臂傾角感測器、鋼絲請教感測器的數據是否實時刷新。
- 勞動組織
由於施工進度計畫緊，採用《水下多孔空心方塊安放工法》安裝時按照連續作業每日三班。表2列出每台吊機的人員組織。另外配備有正常的空心方塊運輸施工船舶。
工種 | 人員數量 | 責任範圍 |
計算機操作員 | 1人 | 選擇安裝方塊，數據輸人、採集、存檔 |
測量技術員 | 1人 | 配合計算機操作人員，現場安裝巡視 |
吊車駕駛員 | 1人 | 通過觀察顯示器，確定方塊的安放 |
材料設備
《水下多孔空心方塊安放工法》安裝定位系統主要材料與設備儀器具體見表3。
序號 | 名稱 | 數量 | 作用 |
1 | RTKGPS參考站 | 1 | 用於高精度RTK GPS定位的參考站，多條施工船可以共用一個參考站 |
2 | RTKGPS流動站 | 2 | 用於確定施工船船位 |
3 | 雙軸測傾儀 | 2 | 分別用於測定吊臂仰角及鋼絲繩的傾斜角 |
4 | 角度感測器 | 1 | 用於測定吊臂水平角 |
5 | 測距儀 | 1 | 用於測定鋼絲繩的行程，從而計算吊鉤與天菱的高度差 |
6 | 計算機 | 1 | 用於運行系統軟體 |
7 | 多串口卡 | 1 | 用於擴展計算機的串口數量，是系統採集各感測器數據的硬體接口 |
8 | "安裝定位系統"軟體 | 1 | 用於採集各感測器數據，計算並顯示船體位置及方塊體位置，計算並顯示方塊體的設計位置、當前在安裝方塊體的實際位置及偏位等信息 |
質量控制
《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築物工程質量檢驗評定標準》（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於設計斷面；多孔空心方塊安放數量的允許偏差不大於-5%；頂標高允許偏差：0～+1200毫米；頂層塊數：3個。
安全措施
採用《水下多孔空心方塊安放工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：
1.施工人員嚴格執行國家、地方各項安全法律、法規；嚴格執行企業各項安全生產操作規程。
2.設備安裝，提供穩定的200伏低電壓線路，合理設計配電線路的走向，並具備良好的保護措施。
3.對檢測儀器外部採用金屬外殼加於保護，防止受外力破壞。
4.定位系統必須通過陸上比測，數據相吻合後才能進行水上作業。
5.水上施工首先進行安裝試驗，試驗符合要求後方可進行大規模安裝作業。
6.人工檢測作業需要爬上爬下，扶梯必須扎牢。水上作業必須穿好救生衣戴好安全帽。
7.定位軟體系統操作事先必須通過培訓，熟悉理解整個系統後方可進行現場空心方塊安裝施工。
8.嚴禁非系統操作人員操作主控計算機，避免系統數據或各項參數的改動而造成施工錯誤。
9.對所有上船作業的軟體操作人員、測量技術人員等進行全面的水上作業培訓，並嚴格執行各項規定要求。
環保措施
《水下多孔空心方塊安放工法》的環保措施如下：
1.施工船隻嚴格執行國家有關海上法規，保護海上環境。
2.施工過程嚴格執行上海市文明施工規定，進行文明施工保護環境。
3.多孔空心方塊出運前，在預製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，安排固定船隻收集垃圾運至岸上進行統一安全處置。
5.如果出現海上較大規模的油品污染事件，及時通知政府有關部門進行環境保護處理。
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築物工程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，取得了良好的經濟效益和社會效益。
一、經濟效益
根據契約要求和2005年前的施工能力，多孔空心方塊21928個，安放時間199日曆天（含不可作業天數），日作業強度111個。經過新技術研發，成果套用於施工，實際安放時間為149日曆天（含不可作業天數），日作業強度148個，有效作業日平均強度627個。由此，節省了多孔空心方塊安裝船舶、運輸船舶和施工人員的作業時間和現場滯留時間，合計節約費用4044000元。
由於導堤形成後使航槽沖深加快，藉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。
註：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算
二、社會效益
由於新技術的套用，施工人員無須直接暴露於惡劣海況，人員和船舶現場滯留時間縮短，安全保障率提高；契約工期2004年1月1日至2005年4月30日，業主調整工期2004年12月3日，實際工期於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濟發展作出了貢獻。
套用實例
《水下多孔空心方塊安放工法》的套用實例如下：
長江口深水航道治理工程整治建築物二期工程NIIC-1標段工程，位於南港北槽橫沙淺灘南側，北導堤NIC段在北導堤的最東端，總長2.6千米。採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據及分析如下。
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。
成堤高度（米） | 堆放塊數（塊） | 空隙率 | 成堤高度（米） | 堆放塊數（塊） | 空隙率 |
9.4 | 23 | 41.0% | 11.2 | 31 | 40.5% |
9.7 | 23 | 40.4% | 11.5 | 31 | 40.0% |
10.0 | 31 | 40.6% | 11.8 | 31 | 40.1% |
10.3 | 31 | 40.6% | 12.1 | 40 | 40.3% |
10.6 | 31 | 40.8% | 12.4 | 40 | 40.0% |
10.9 | 31 | 40.8% | ╱ | ╱ | ╱ |
根據不同成堤斷面尺寸，在室內進行堆放試驗，找出最佳格線間距，現場安裝多孔空心方塊導堤空隙率，依據以上公式計算為40.0%~41.0%，符合設計要求。
二、堆放塊數
根據不同成堤斷面尺寸，在室內進行堆放試驗，找出滿足設計空隙率最佳格線間距，確定每一個多孔空心方塊的位置和質心坐標，多孔空心方塊的堆放數量也確定。現場安裝時，電腦已設定了每個多孔空心方塊質心坐標值，操作人員嚴格按照既定的位置進行安裝，堆放數量與預設值相等，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），滿足規範要求（0～+1200毫米），見圖4。
圖4 安裝標高與設計標高對照
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範要求。經過數次寒潮、颱風的侵襲堤身處於穩定狀態。
多孔空心方塊安裝達到了如表5的技術指標。
項目 | 實測值 | 允許值 |
空隙率 | 40%~41% | 40%~41% |
堆放塊數 | 100% | 95%~100% |
堤頂高度 | +10毫米~+930毫米 | 0~+1200毫米 |
榮譽表彰
2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》建質[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。
