摘要：河道疏浚施工过程中因水下施工不可见，传统的挖泥船疏浚，要在约定的工期内实现高精度地拓宽和开挖，难以满足高精度质量要求，存在返工的巨大风险。通过应用智能3D引导系统，为机械操作手实时反馈工作面的状况，使得水下施工“可视化”，定位精确且易于操作人员控制与调整，成功保障了水下施工的工程质量与进度。

Abstract： Due to invisible underwater construction during the course of river dredging， traditional dredger dredging must be widened and excavated with high accuracy within the agreed construction period. It is difficult to meet the high-precision quality requirements and there is a huge risk of rework. By applying the intelligent 3D guidance system， real-time feedback of the working surface condition for the robotic operator makes the underwater construction "visual"， accurate positioning and easy operator control and adjustment， which successfully guarantees the quality and progress of the underwater construction project.

關键词：智能3D引导系统;可视化作业;河道疏浚

Key words： intelligent 3D guidance system;visual operation;river dredging

中图分类号：TV851                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）09-0252-03

1  应用背景

河道疏浚工程中，开挖、修坡与防护是工程中常见的施工项目。开挖、修坡的整平度要求高，施工工艺关系到整个项目的施工进度与成本控制。施工过程中，因水下施工不可见，往往造成施工质量和设计要求差别很大，传统的挖泥船疏浚，要在约定的工期内实现高精度地拓宽和开挖，难以满足高精度质量要求，存在返工的巨大风险。

中国电建市政集团有限公司实施的弗罗茨瓦夫防洪工程位于欧洲波兰，项目包含5，6，7工区的施工任务，其中第6工区，为11.6公里奥得河主河道扩浚，设计底宽105m，行洪能力为2043m3/s，控制洪峰流量3146m3/s，开挖量306万方，近40%的开挖量为坚硬粘土开挖，开挖难度大，精度难以把握，且工期要求紧，环保要求高。为满足河道通航要求、环保要求等条件，无法创造干地施工的作业条件，项目部面临工期紧、任务重，水下开挖施工精度要求较高等难题。对此项目部进行了技术攻关，基于全球定位系统技术引进了智能3D挖掘引导系统，形成智能引导水下开挖精度控制关键技术，取得了良好的实施效果。

2  智能3D引导系统技术特点及适用范围

利用智能3D挖掘引导系统进行水下高精度开挖，开挖过程中通过GNSS测量技术与机械控制系统的有机结合，实现了三维坐标的精确定位。该技术操作简单，以图形、数值及LED光靶等多种形式实时指示填挖量，操作手可以便捷的完成开挖，使复杂的水下开挖流程“可视化”，提升了河道水下开挖工程施工的可靠性。操作手根据系统引导，即可轻松完成挖填作业，同时夜间作业不受影响。该技术适用于水下高精度开挖河道、航道等疏浚工程，同时还适用于高精度边坡修整、沟槽开挖、复杂表面开挖等。

3  工艺原理

基于全球卫星导航定位系统，获取厘米级定位值，结合位于挖掘机车身的传感器计算出挖掘机斗齿的三维坐标，并根据车载控制器中的三维设计数据进行引导挖掘。实现了车体实时三维坐标与设计数据的有机整合，实现了设计数据与施工设备的无缝对接，让水下工作变得“可视化”，使数字化贯穿于施工全过程，使现场作业变的轻松、高效。

4  工艺流程及操作要点

4.1 工艺操作流程

施工准备→3D模型建立及导入→应用与测试→趸船定位→可视化开挖→开挖料运输。

4.2 操作要点

4.2.1 施工准备

①技术准备工作。

熟悉工程设计理念、图纸、施工技术要求，组织开展图纸会审。依据规范、设计文件、施工合同及现场实际情况编写水下工程开挖及边坡防护工程实施方案，并进行评审与技术交底工作。

获取大地坐标与当地坐标的转换参数。通过静态联测，获得当地已知高级控制点的PE-90坐标（GLONASS使用的前苏联地心坐标系统），同时输入至少三个已知点的当地坐标和PE-90坐标，就可以获得控制点区域的坐标转换七参数（三个平移参数、三个旋转参数和一个尺度参数），将此转换参数保存并设置，系统就可以自动将测得的PE-90坐标转换为当地坐标。

②设备物资准备工作。

采购或者租赁带有定位桩的趸船，排水量89t及以上，并完成河道试水。采购俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）接收设备，供应商需提供全球定位系统接收机鉴定证书，完成接收机定位精度和性能的检测工作。

4.2.2 模型建立与导入

将机载3D元件与挖掘机控制器进行连接，主机放置于驾驶室座位后面，显示器安装于驾驶室右侧中控区域，卫星天线置于挖机尾端进行信号接收，角度传感器置于挖机的前臂转动处，详见图1机载设备的安装示意图。依据挖机的实时姿态，并结合三维坐标系统的转换模型，将车体坐标转换为工程坐标。实现挖掘机开挖速度、经度、纬度、方向的准确计算和测量。

在河道断面数据采集中，将GLONASS接收机按照顺序依次安装完成后，架设在地面高级控制点上，并把电台与天线上的数据线连接;设置基准站，输入天线高与点名，设置数据链，连接设备;要确保数据链和各项参数一致。通过挖掘机配置的卫星天线和无线电数据通讯系统构成的河道断面数据采集系统，实时采集河道断面的三维坐标等基础数据。

依据设计图纸要求，建立3D开挖模型数据，按照机载GLONASS设备要求的格式导入机载面板计算机设备中。依据河道断面采集的数据与提取的3D开挖模型数据，设备启动后，系统将在屏幕上显示挖掘的深度、坡度等参数。由于GLONASS 系统的接入，还可以记录挖掘位置的相关信息，通过系统的记录，在屏幕上以不同颜色来区别待开挖区域、已挖合格区域及超深区域，效避免漏挖、欠挖现象的出现。

4.2.3 应用与測试

对配置完善的系统进行水上实地测试，依据系统屏幕上显示的可视化三维模型引导现场作业。应用前，对3D挖掘引导系统运行状态及挖掘机运行时间、机油压力、发动机水温、液压油温度等挖掘机运行状态进行测试。在移到趸船上之前，在旱地上模拟挖坑，测试高程、位置、宽度等进行检验，经过试挖测试，并用常规测量手段检查开挖精度，满足当地质量标准（PN-EN 12063，±10cm）的要求后，再进行水上开挖测试，水上真实场景测试满足要求后，再大规模推广应用。

4.2.4 趸船定位

采用机载定位系统挖掘机与趸船（排水量89t）的组合模式进行水中作业定位，挖掘作业时，趸船利用自身配置的两根定位桩进行固定，为挖掘机提供水上施工作业平台，趸船动力系统采用BP-400拖轮提供水上行走动力。

4.2.5 可视化开挖

机载GLONASS 挖掘机依据导入的断面开挖模型，在显示器中自动形成可视化的三维开挖模型，操作手在显示屏中开挖轨迹的引导下，通过调整挖掘机铲斗的位置使其与开挖模型设计线保持一致，实现便捷的水下开挖作业，开挖的淤泥直接装载到驳船中。

4.2.6 开挖料运输

每套挖掘系统配备一艘拖轮和2艘500t驳船进行水上渣土外运，到达指定的码头后，按渣土的污染程度分类堆放，进行二次陆路运输与污泥无害化处理。

5  应用实例

①中国电建市政建设集团承建的波兰弗罗茨瓦夫防洪项目第五工区任务段，3.6km城市运河疏浚与改造。运河河道设计底宽24m，分洪能力为150m3/s，控制洪峰流量为170m3/s，总开挖量约20万m3;2015年07月至2015年11月，运河疏浚与改造工程应用了智能3D 挖掘引导系统，施工进度、质量、安全均满足要求，取得很好的经济效益和社会效益。

②中国电建市政建设集团承建的波兰弗罗茨瓦夫防洪项目第六工区任务段，11.6km奥得河河道扩浚，设计底宽105m，行洪能力为2043m3/s，控制洪峰流量3146m3/s，总开挖量306万m3;2014年07月至2015年07月，该段河道水下开挖及修坡工程应用了智能3D 挖掘引导系统技术，施工进度、质量、安全均满足要求，取得了很好的经济效益和社会效益。

6  效益分析

6.1 经济效益

通过引入智能3D 挖掘引导系统技术，将施工数据直接导入，形成三维模型引导现场施工作业，避免了传统施工方法中释放浮标、插竹竿、水尺等前期作业，减少了施工中的测量检核任务，避免了前期作业带来的施工误差。从质量检测断面效果来看，一次施工到位，精度得到保障。传统作业方式，时间长，一次性成功率低，返工成本大。通过该项技术的引用，水下开挖与修坡作业机械效率提升约42%（传统技术修坡效率单台设备28～30延米/台班，引入智能3D引导技术后设备效率值提升到40～43延米/台班），取得较好的经济效益。

6.2 技术效益

通过智能3D挖掘引导系统的应用，提供了一种水下开挖高精度控制工艺，精度提高到±10cm内，达到了质量要求，远远高于常规疏浚施工标准（小于设计水深5%，小于30cm）确保了水下一次性施工质量合格率，保证了项目的施工进度。

6.3 社会效益

项目的顺利实施，受到社会各界和新闻媒体的高度关注，人民日报、凤凰网、天津电视台先后到项目实地采访、报道，对项目的进度控制、施工质量及安全环保方面取得的成绩给予了高度评价。特别是在项目完工后，2017年8月29日人民日报驻波兰记者对项目进行了题为“中企在这里筑起新‘防洪墙”的专题报道，该文章登录在人民日报、人民网的首页位置，同时被国务院新闻办公室转载。

7  应用前景

随着人工等各项成本的不断上涨，以及工程质量和工期要求的不断提高，可以预见，智能3D挖掘引导系统的应用必将成为一种趋势。通过该工艺在波兰弗罗茨瓦夫防洪工程项目的应用效果实例可以看出，挖掘引导系统的应用能够将隐蔽工程透明施工，提高工程质量，减少返工，避免重复施工;能够全天候作业，无间断施工，提高可作业时间，缩短工期;能够减少辅助人员的进场配合作业，降低配合的时间，提高人员的安全性，从而降低施工成本和人员开支，为施工带来极大的便利和经济效益。为以后类似工程及隐蔽工程施工提供了经验借鉴，应用前景广阔。

参考文献：

[1]李海明.（河北省水利工程局）.GPS卫星定位技术在水利疏浚工程的应用[J].水科学与工程技术，2014（6）：74-77.

[2]杨文志.GPS-RTK技术在港口水下工程的应用[J].中国水运（上半月），2010（7）：40-41.

[3]PN-EN 12063，波兰水利工程技术规范[S].

[4]CH/T 2009-2010，全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范[S].

作者简介：梁钱（1985-），男，安徽蚌埠人，中级工程师，本科，学士，研究方向为项目技术管理。