基于北斗地基增强AIS的精准抛填施工技术

包江，王大鹏，行莉

（中交水利水电建设有限公司，浙江 宁波 315200）

泉州围头湾石井航道二期工程项目（以下简称石井航道项目）与南安市海峡科技生态城A片区造地项目（以下简称造地项目）组成的配套项目，是福建省港航项目建设和航道疏浚物综合利用省级试点项目[1]。由于造地项目施工区的水深条件限制，石井航道项目增深、拓宽产生的航道疏浚物需要先全部抛填至转运坑内，再由造地项目进行综合处置，以提高对疏浚物的综合处置利用率[2]。在项目施工开始，由于转运坑海域面积受限且海况复杂，在转运坑同时有泥驳船、绞吸船作业的情况下，航行安全存在风险，交叉作业有序难；
同时由于配套泥驳船只有高精度北斗AIS系统、无定点抛泥显示系统，在不提高成本前提下，航道疏浚物的抛填位置和精度不易控制。经过研究，提出基于北斗地基增强AIS船位信息服务系统的精准抛填施工技术，并详细阐述精准抛填施工控制措施，较好解决了以上问题。

泉州围头湾石井航道二期工程项目及南安市海峡科技生态城A片区造地工程项目，地处福建省东南沿海、泉州市海岸线的最南部，海岸线呈南北走向，毗邻厦门港，见图1。石井航道工程为航道改、扩建工程，根据石井港区发展需要，对原有的围头湾5 000吨级航道进行增深、拓宽，施工产生的疏浚物方量约954万m3。航道施工疏浚物通过泥驳船抛填至转运坑内，并由绞吸式挖泥船吹填至造地项目围埝内进行陆域形成[3-4]。

图1 疏浚物综合处置总平面图Fig.1 General plan for comprehensive disposal of dredged materials

1）疏浚土种类。根据前期地质钻探，航道疏浚施工区疏浚土主要为中砂、中粗砂，约占疏浚量的50%，其他为淤泥及淤泥混砂。耙吸船、绞吸船及抓斗船均有较好的可挖性[3-5]。

2）施工区水深条件。根据浚前测量水深数据，航道疏浚二区、三区存在较大水深不足3 m的区域[5]。

3）施工区周边通航环境。石井航道项目施工所在区域港口码头及水上作业区数量较多，且根据海事部门发布的船舶进出港组织计划，每日存在较多的集装箱船、油船、干货船、散货船、危险品船进出港，对航道通航要求较高，水上交通环境复杂。疏浚施工区与原航道、菊江航道存在交叉、大面积、长距离铺设海上管线，将对施工期航道通航造成极大影响，故无法使用绞吸船施工[3-4]。

4）疏浚物转运坑情况。根据JTS 181-5—2012《疏浚与吹填工程设计规范》，转运坑宜由2个相邻的尺度相同的矩形转运坑组成，但水域条件受限制时，可设1个转运坑[6]。考虑本工程纳泥区容量有限，故按1个转运坑设计，其两侧各半个转运坑的尺度应满足抛泥船舶和吹填船舶交替并同时安全作业的要求。半个转运坑的尺度长度应不小于吹填船舶船长的3倍且不小于抛泥船舶船长的2倍，宽度应不小于抛泥船舶船长的2倍。本方案半个转运坑尺度取325 m×260 m，则整个转运坑的尺度为650 m×260 m。经计算，储泥厚度取3 m[2]。

综合考虑上述分析，本项目采用抓斗船配合开体（底）泥驳船的方式进行施工，造地项目采用绞吸式挖泥船进行吹填作业[7-10]。

2.1 影响抛填施工的主要因素及精准抛填必要性分析

1）疏浚物转运坑尺度较小，抛泥施工作业面受限

疏浚物转运坑尺度约650 m×260 m，目前施工的1 200 m3及以上泥驳船船长普遍在60 m左右，船宽在13 m左右；
使用的3 500 m3/h绞吸式挖泥船船长约100 m，船宽约17 m，施工船舶需在转运坑内同时进行抛泥、吹填作业，且泥驳船抛泥完毕后需调头返航，绞吸式挖泥船横移锚、浮管铺设及相关辅助设施亦占用坑内部分水域，施工作业面严重受限，见图2。

图2 转运坑交叉施工示意图Fig.2 Schematic diagram of cross construction of transfer pit

2）转运坑周边水深不足，船舶存在较大的搁滩风险

转运坑设计水深为9 m（基准面理论最低潮），其周边水深很浅，最浅处在基准面以上。本项目施工泥驳船载重吃水为4.5 m，大于转运坑周边大多数水深，若船员操舵不当，施工船舶将面临搁滩风险。

3）抛泥船舶与绞吸挖泥船作业面较近，存在交叉施工安全风险

根据图2转运坑交叉施工示意图所示，转运坑海域面积较小，泥驳船抛泥作业面距离绞吸式挖泥船、浮管、横移锚以及浮管锚较近，存在发生船舶碰撞等水上交通事故的风险。

结合以上分析，因转运坑内施工作业面受限，施工船舶之间存在交叉施工，泥驳船随意抛填可能导致转运坑不能充分被利用，造成转运坑储砂能力降低。若抛填区域较集中，转运坑内极易产生浅点，将对船舶施工构成安全隐患。因此采取精准抛填的方式对确保工程顺利推进具有必要性。

2.2 抛填网格设计及实现

1）抛填网格设计

为减少因交叉施工的干扰，将转运坑划分为2个260 m×325 m的分区（A区与B区），A区抛砂完成后，绞吸船在A区施工，抛填在B区进行，形成循环流水作业[3-4]。

泥驳船船长约60 m，船宽约13 m。根据船舶尺度，同时考虑预留富裕宽度，将转运坑进一步细化，把每个半区继续细化为24个80 m×40 m的网格（网格尺寸可根据施工实际情况进行优化调整），见图3。

图3 精准抛填施工示意图Fig.3 Schematic diagram of precise dumping and filling construction

2）定位精度分析

北斗AIS是航运船舶必须配备的设备，不仅能实时提供船舶的位置，还能有效地完成信息的播发和接收，实时在互联网海图如“船讯网”显示相关信息，有利于施工船的安全航行。单独的北斗定位精度一般为10 m，而接收北斗基地增强系统如RBN-DBDS、BD-CORS的载波相位差分，精度可提高到亚米级甚至厘米级，能满足海上施工定位精度要求（按测量定位精度）[11-12]。

泥驳船的北斗AIS系统，能接收RBN-DBDS和BD-CORS的差分信号，其定位精度优于1 m，能满足本项目高精度抛填的定位精度要求。

3）网格抛船数推算

为保证船舶的安全，先在A区进行了试验：先测量绘制转运坑的水深图，在每个网格都抛了2船疏浚物，再测量绘制水深图。比较2次测量的水深图，计算每个网格增加的平均厚度，基本在（0.4±0.05）m左右，综合平均约为0.4 m，即每次约为0.2 m。按公式（1）进行推算网格最多抛船数，严格控制每个网格抛船数不超过N：

式中：D1为抛泥前的网格平均水深，m；
D2为泥驳船满载和绞吸船的吃水最大值，m；
D3为保证船舶安全施工的富裕安全深度，m；

4）高精度抛填的实现

在“船讯网”的AIS船位信息服务系统上，录入施工区边线范围和设计好的施工网格等信息。利用北斗AIS系统提供的船舶定位服务，按“自两边向中间、由南向北”、“先进先出、抛完即走”的原则，根据图3中编号按A1—A24、B1—B24的顺序进行。施工时，实时指挥泥驳船到对应网格抛填，并记录每个网格的抛船数直至抛足船数，再由调度安排进行下一网格继续抛填作业。船舶抛泥时需控制船速，并重点关注最外侧一圈的抛填网格，预留一定富余位，避免船舶冲滩搁浅。根据AIS船位信息服务系统对船舶的航行轨迹进行分析，预估各网格的抛储量，做到全面抛填无死角，控制抛泥平整度，确保绞吸式挖泥船能最大程度发挥施工效率，同时为交叉有序施工提供安全保障。

2.3 精准抛填施工主要保障措施

1）联合调度。因疏浚物综合处置涉及多个项目、多种施工船舶交叉作业，保持信息共享以及彼此之间密切沟通有着重要作用。石井航道项目和造地项目分别成立调度室，配备无线电甚高频（VHF）通讯设备，安排有经验的调度员24 h轮班值守。同时充分利用AIS船位信息系统，实施跟踪船舶动态。

2）设置报告点。因综合处置转运坑施工作业面受限，不满足2艘及以上船舶同时进行抛填作业条件，且疏浚物运输通道较窄（航道宽度仅约80 m）。为有效控制船速以及船舶间的安全距离，确保抛填作业不间断、有序、安全进行，根据航道通航交通流、当地潮汐、航道水深情况以及航道宽度，在运输航线浮标等显著位置设置报告点[13]，且专门制定船舶抛填报告程序，提高船舶调度管理效率，见表1。

表1 抛填施工报告程序一览表Table 1 List of dumping and filling construction report procedures

3）勤测量。测量是疏浚工程水下施工的眼睛，为确保抛填作业精度，提高抛填施工及吹填施工的衔接性，达到循环流水施工目的，需做好水上测量工作，并根据实际情况增加测量频率。对航道疏浚施工区进行水深测量，并利用HYPACK等专业软件对测图进行分析，合理组织船舶施工，确保作业连续性。同时应对转运坑内的水深进行测量，利用南方CASS等算量软件计算分析坑内吹填区吹填方量以及抛填区剩余可抛方量，确保绞吸式挖泥船施工效率与抛填施工效率合理匹配。

4）加强施工交底。疏浚物综合处置双方应对作业人员进行施工、安全技术交底，确保现场作业人员知悉疏浚物综合处置施工工艺、精准抛坑技术措施、施工区域周边通航环境及应急处置措施，确保项目有序、安全推进。

1）采用北斗地基增强AIS，并利用船位信息系统，在没有大幅增加成本的前提下，能有效提升施工船舶的定位精度，清晰掌握航行和位置信息，有利于项目的施工管理，有效提高抛填效率。

2）对转运坑运用网格进行抛泥管理，用公式（1）能简单快速测算每个网格的抛船数，有效提高抛泥精度，有利于施工安排，保证施工安全。

3）由于本项目中采用的是预报水位，水位精度低。预报低潮位的时间、数值与实际不一致，对船舶航行和抛填产生了一定的影响，建议今后在类似项目中布设水位站，自动发送水位信息，可以更好地利用水位差进行施工安排，提高施工效率。