河航道整治生态炸礁疏浚体系及施工方法与流程

本发明涉及炸礁疏浚施工领域，具体涉及河航道整治生态炸礁疏浚体系及施工方法。

背景技术：

水运行业的持续发展导致原来水深条件不足的港池和航道，现在都需要浚深，遇到土质较硬时就要采用水下爆破的方式。水下爆破的方式一般取决于疏浚开挖面积、地形及开挖深度等情况。对于有覆盖层的区域，先进行挖泥疏浚施工，无覆盖层的区域直接进行炸礁开挖，而炸礁开挖又根据开挖厚度一般采取水下钻孔爆破或裸露爆破。炸礁工程不仅要求定位准确、合理确定爆破参数和精确装药等，又以控制爆破地震波、飞石、扬尘以及减少对周围环境的污染为重点。

在炸礁疏浚施工前通常需要进行水下地形的测量，传统技术主要采用扦插法，现普遍采用测深仪结合验潮数据，工作量较大，测量精度和效率有待提高；钻爆船一般按照岸上设置的导标粗定位后，再根据全站仪的指挥进行精确定位，定位过程较繁琐；通常钻机固定在钻爆船上，钻孔定位只能依靠钻爆船的起锚来调节，较难实现精确定位；水下钻孔普遍采用套管钻孔法，但受水流冲刷影响，成孔后易导致淤泥、碎石等回流堵塞炮孔，影响后续装药质量和炸礁效果，甚至需要二次炸礁，增加了工作量和施工成本；现有裸露爆破药包的投放技术包括叉插药包法、滑杆法和船投法，主要需要定位船和投药船相结合的方式，但因定位船起锚操作繁琐，投药船的定位又主要依靠定位船，导致投药效率和精度均有待提高

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有水下地形测量精度高、工作量少，钻爆船和钻孔定位准确，成孔效果好，装药质量和效率高等特点的河航道整治生态炸礁疏浚体系的施工方法，及施工完成的河航道整治生态炸礁疏浚体系。

为了实现以上目的，本发明提供一河航道整治生态炸礁疏浚体系的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、采用水下地形精确测量体系测量水下地形：

水下地形精确测量体系包括放置在河岸上的基准站、导向船、测量船、测量船船艏rtk接收仪、测量船船艏测深仪、测量船船艉rtk接收仪、测量船船艉测深仪、主缆和钢缆；所述导向船设有两道所述主缆，所述主缆分别锚固在上游的两侧河岸上；通过所述钢缆将测量船与导向船连接；所述测量船船艏rtk接收仪安装在测量船的船头上端，所述测量船船艏测深仪安装在测量船的船头底端，所述测量船船艉rtk接收仪安装在测量船的船尾上端，所述测量船船艉测深仪安装在测量船的船尾底端；

测量前，先将基准站固定在河岸上，将导向船的两道主缆分别锚固在上游的两侧河岸上，通过钢缆连接下游测量船的船艏部位，将测量船移至礁石区域上方；测量船船艏rtk接收仪和测量船船艉rtk接收仪通过数据通信链与基准站的信号对接；

测量时，读取测量船船艏rtk接收仪的三维坐标，记为(xi，yi，zi)，通过测量船船艏测深仪测量其距离水下礁石的深度，记为hi，推算可得船艏水下礁石区域a点位的三维地形坐标为(xi，yi，zi-hi)；同理，测量并推算可得船艉水下礁石区域b点位的三维地形坐标为(xj，yj，zj-hj)；

调节钢缆长度沿河道纵向断面移动测量船，重复上述步骤，完成对应的纵向断面的水下地形测量；调节两道主缆的长度比例沿河道横向断面同步移动导向船和测量船，重复上述步骤，直至完成礁石区域的水下地形测量；

步骤二、采用钻爆船定位装置定位钻爆船：

钻爆船定位装置包括钻机、钻爆船、钻爆船船艏rtk接收仪、钻爆船船艉rtk接收仪、钻爆船主缆、侧缆、沉链、基准站和施工基准线，所述钻机设置在钻爆船上，所述钻爆船船艏rtk接收仪设置在钻爆船的船头，所述钻爆船船艉rtk接收仪设置在钻爆船的船尾；所述基准站设置在河岸上；所述施工基准线设置在河岸上；所述钻爆船主缆、侧缆和沉链用于定位钻爆船；

定位前，先将基准站固定在远离炸礁区域的河岸上，同时在河岸附近设置第一基准点和第二基准点，二者连线即为施工基准线，测量确定第一基准点和第二基准点的平面坐标，分别记为(x1，y1)和(x2，y2)；

定位时，根据步骤一的水下地形测量结果，将设有钻机的钻爆船移至礁石上方，实时读取钻爆船船艏rtk接收仪和钻爆船船艉rtk接收仪的平面坐标，记为(xm，ym)和(xn，yn)，动态调整钻爆船方向直至满足下式：

此时，钻爆船方向平行于施工基准线；

随后，依次将两道所述主缆一端连接钻爆船船艏，另一端锚固在上游的两侧河岸，将两道所述侧缆一端连接靠近河岸的钻爆船船身一侧，另一端锚固在河岸上；将两道所述沉链一端连接在背离河岸的钻爆船船身一侧，设有船锚的一端沉入水底，完成钻爆船的定位展布；

步骤三、利用炸礁水下钻孔装置进行水下钻孔：

炸礁水下钻孔装置包括钻机、横向轨道、纵向轨道和长度约等于礁石深度h水深的套管，所述钻机滑动式设置在纵向轨道，所述纵向轨道滑动式设置在横向轨道上，所述套管垂直置于钻机的正下方，所述钻机的钻杆能够贯穿套管下移穿入礁石的内部；

钻孔前，根据步骤二中的钻爆船的实际坐标数据，通过对钻机进行横向上和纵向上的调节来确保钻机的横向定位精确和纵向定位精确；

钻孔时，将长度约等于礁石深度h水深的套管垂直置于钻机正下方，启动钻机，钻杆内穿套管后下移直达礁石表面，开始钻孔，直至达到设计深度h孔深，最终形成钻孔；

步骤四、采用炸礁水下爆破装药结构对钻孔装药：

炸礁水下爆破装药结构包括用于装药的配重式导管，所述配重式导管的长度大于礁石水深h水深与钻孔深度h孔深之和，所述配重式导管一端用于插接在钻孔内，所述配重式导管的另一端用于投药；

装药前，在钻孔成孔清渣后，在步骤三中的套管内及时插入配重式导管稳定嵌入在钻孔内，然后再移走套管；配重式导管的管口露出水面；

装药时，将药柱依次连接好雷管和导爆管后，沿着配重式导管内壁下放至钻孔的孔底；

装药完毕后，用细粒卵石或砂石等作为填塞物对配重式导管和药柱之间的空隙进行回填；

步骤五、采用水下裸露爆破装药结构投放药包：

水下裸露爆破装药结构包括投药船、长臂挖掘机、用于观察礁石方位的水下摄像机和塑料软管，所述水下摄像机安装在长臂挖掘机的连杆上，所述长臂挖掘机上的摇杆用于控制连杆的角度；所述塑料软管的下管口与固定在连杆上，所述塑料软管的上管口位于投药船上；

装药前，将投药船移至礁石区域上方；

装药时，控制长臂挖掘机的摇杆角度，通过设置在长臂挖掘机连杆处的水下摄像机实时观察礁石的方位，将塑料软管的下管口对准礁石，上管口临时扣接在投药船上；

将药包通过绳索连接浮球，导爆管松弛绑扎在绳索上，随后先将药包顺入塑料软管沿内壁直接滑至礁石顶部，解除上管口处的扣件，提升控制长臂挖掘机的动臂，直至浮球滑出塑料软管的下管口并漂浮在水面上；

步骤六、在水面汇总连接导爆管形成起爆网络，钻爆船和投药船移位，起爆。

作为优选，在所述步骤1当中，所述测量船船艏rtk接收仪与所述测量船船艏测深仪分别设置在测量船船艏部位的甲板和船底处，处于同一中轴线上；对应地，所述测量船船艉rtk接收仪和所述测量船船艉测深仪分别设置在测量船船艉部位的甲板和船底处，处于同一中轴线上。

作为优选，在所述步骤3当中，所述炸礁水下钻孔装置中包括整体式底板，所述钻机安装在整体式底板上，所述整体式底板中部镂空，所述整体式底板长边两侧设有两道平行的纵向轨道，所述钻机可沿纵向轨道移动。

作为优选，在所述步骤4当中，所述配重式导管的外径小于所述套管和钻孔的内径，管顶高度延伸至水面以上，管底设有配重、孔洞和无纺土工布，配重设在最底端，孔洞均匀分布在管壁四周，无纺土工布包覆在管底的最外层。

进一步的，所述填塞物高度高于孔洞，用于确保药柱不会浮起。

作为优选，在所述步骤4当中，所述配重式导管内穿套管后嵌入河底礁石的钻孔中，所述雷管设在所述药柱内部，一同内置于所述配重式导管底部，所述导爆管连接所述雷管并向上延伸至套管管外，所述填塞物用于回填所述配重式导管和所述药柱之间的空隙。

作为优选，在所述步骤5当中，所述水下摄像机安装在连杆的前端，角度随摇杆可调；所述塑料软管通过扣件柔性固定在长臂挖掘机的动臂内侧，下管口与连杆的前端齐平，上管口可拆卸式扣接在投药船的船艉。

为了实现以上目的，本发明还提供一种河航道整治生态炸礁疏浚体系，包括用于测量水下地形的水下地形精确测量体系、用于定位钻爆的船钻爆船定位装置、用于进行水下钻孔的炸礁水下钻孔装置、用于对钻孔装药的炸礁水下爆破装药结构、及用于投放药包的水下裸露爆破装药结构。

本发明相较现有技术的有益效果如下：

(1)本发明采用在测量船的船艏和船艉均设有一套测量装置，利用高精度gps-rtk三维数字化测量技术获取三维坐标，结合测深仪可以精确测量水下礁石的深度，无需验潮作业，工作量降低；

(2)本发明通过在钻爆船头尾分别设置rtk接收仪，采用载波相位差分技术可以实时动态获取钻爆船的三维坐标，通过与施工基准线的坐标对比，实现精准定位；

(3)本发明整体式底板可以实现成排钻机沿钻爆船横向的整体移动以及单个钻机沿钻爆船纵向的自由移动，操作简便，钻孔定位的灵活性强，定位精确；

(4)本发明的配重式导管基于增大自重和浸水减小浮力的原理，可稳定内嵌在钻孔内，通过避免淤泥、碎石等回流阻塞钻孔保证了钻孔质量，同时可进一步作为装药和回填的导向管，有效提高装药效率和质量；

(5)本发明的水下摄像头提高了裸露投药的准确性，同时利用沿长臂挖掘机动臂柔性固定的塑料软管，为裸露投药起到导向作用，避免了水流对装药质量的影响。

附图说明

图1是根据本发明的一实施例的河航道整治生态炸礁疏浚体系的水下地形精确测量体系的纵向断面图。

图2是根据本发明的一实施例的河航道整治生态炸礁疏浚体系的钻爆船定位装置的平面布置图。

图3是根据本发明的一实施例的河航道整治生态炸礁疏浚体系的钻爆船定位装置的横向断面图。

图4是根据本发明的一实施例的河航道整治生态炸礁疏浚体系的炸礁水下钻孔装置的平面布置图。

图5是根据本发明的一实施例的河航道整治生态炸礁疏浚体系的炸礁水下钻孔装置在钻孔前的纵向断面图。

图6是根据本发明的一实施例的河航道整治生态炸礁疏浚体系的炸礁水下钻孔装置在钻孔中的纵向断面图。

图7是根据本发明的一实施例的河航道整治生态炸礁疏浚体系的炸礁水下钻孔装置在钻孔后的纵向断面图。

图8是根据本发明的一实施例的河航道整治生态炸礁疏浚体系的炸礁水下爆破装药结构在拔出套管前的纵向断面图。

图9是根据本发明的一实施例的河航道整治生态炸礁疏浚体系的炸礁水下爆破装药结构在拔出套管后的纵向断面图。

图10是根据本发明的一实施例的河航道整治生态炸礁疏浚体系的炸礁水下爆破装药结构在装药回填后的纵向断面图。

图11是根据本发明的一实施例的河航道整治生态炸礁疏浚体系的炸礁水下爆破装药结构在装药回填后的局部示意图。

图12是根据本发明的一实施例的河航道整治生态炸礁疏浚体系的水下裸露爆破装药结构的纵向断面图。

图中：1-导向船；2-测量船；3-船艏rtk接收仪；4-船艏测深仪；5-船艉rtk接收仪；6-船艉测深仪；7-基准站；8-主缆；9-钢缆；10-礁石；11-河岸；12-第一基准点；13-第二基准点；14-施工基准线；15-钻机；16-钻爆船；17-侧缆；18-沉链；19-船锚；20-整体式底板；21-横向轨道；22-纵向轨道；23-套管；24-钻杆；25-钻孔；26-配重式导管；27-药柱；28-雷管；29-导爆管；30-填塞物；31-孔洞；32-投药船；33-长臂挖掘机；34-摇杆；35-连杆；36-水下摄像机；37-塑料软管；38-药包；39-绳索；40-浮球；41-扣件；42-动臂；43-重块；44-基座；45-配重；46-无纺土工布。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

本发明提供一河航道整治生态炸礁疏浚体系的施工方法，所述施工方法包括以下步骤，

1)水下地形测量

采用水下地形精确测量体系测量水下地形：

如图1所示，测量前，先将基准站(7)固定在远离河岸(11)的平地区域，将导向船(1)的两道主缆(8)锚固在礁石区域上游的河岸(11)两侧，通过钢缆(9)连接下游测量船(2)的船艏部位，将测量船(2)初始移至礁石(10)上方；船艏rtk接收仪(3)和船艉rtk接收仪(5)通过数据通信链与基准站(7)的信号对接，船艏rtk接收仪(3)与船艏测深仪(4)之间、船艉rtk接收仪(5)与船艉测深仪(6)之间的竖向距离记为h0；

测量时，读取船艏rtk接收仪(3)的三维坐标，记为(xi，yi，zi)，通过船艏测深仪(4)测量其距离水下礁石(10)的深度，记为hi，推算可得船艏水下a点位的三维地形坐标为(xi，yi，zi-hi)；同理，测量并推算可得船艉水下b点位的三维地形坐标为(xj，yj，zj-hj)；

随后，调节钢缆(9)长度沿河道纵向断面移动测量船(2)，重复上述步骤，完成该纵向断面的水下地形测量；调节两道主缆(8)的长度比例沿河道横向断面同步移动导向船(1)和测量船(2)，重复上述步骤，直至完成礁石区域的水下地形测量；

2)钻爆船定位展布

采用钻爆船定位装置定位钻爆船：

如图2～3所示，定位前，先将基准站(7)固定在远离炸礁区域河岸(11)的平地区域，同时在河岸(11)附近设置第一基准点(12)和第二基准点(13)，二者连线即为施工基准线(14)，测量确定第一基准点(12)和第二基准点(13)的平面坐标，分别记为(x1，y1)和(x2，y2)；

定位时，根据前期的水下地形测量结果，将设有成排钻机(15)的钻爆船(16)移至礁石(10)上方，实时读取船艏rtk接收仪(3)和船艉rtk接收仪(5)的平面坐标，记为(xm，ym)和(xn，yn)，动态调整钻爆船(16)方向直至满足下式：

此时，钻爆船(16)方向平行于施工基准线(14)；

随后，依次将两道主缆(8)一端连接钻爆船(16)船艏，另一端锚固在河岸(11)上游两侧，将两道侧缆(17)一端连接靠近河岸(11)的钻爆船(16)船身一侧，另一端锚固在河岸(11)。最后，将两道沉链(18)一端连接在背离河岸(11)的钻爆船(16)船身一侧，设有船锚(19)的一端沉入水底，保证沉链(18)整体沉入水中，完成钻爆船的定位展布；

3)水下钻孔

利用炸礁水下钻孔装置进行水下钻孔：

如图4～7所示，钻孔前，根据钻爆船(16)的实际坐标数据，判断是否需要对钻机(15)进行微调。如需，可将整体式底板(20)沿横向轨道(21)一次性移动到位，确保钻机(15)的横向定位精确，随后再沿纵向轨道(22)进一步调节单个钻机(15)的位置，确保钻机(15)的纵向定位准确和孔间距满足设计要求；

钻孔时，将若干长度约等于礁石深度h水深的套管(23)垂直置于钻机(15)正下方，同步启动钻机(15)，钻杆(24)内穿套管(23)后下移直达礁石(10)表面，开始钻孔，直至达到设计深度h孔深，最终形成若干钻孔(25)；

4)水下钻孔装药、填塞

采用炸礁水下爆破装药结构对钻孔装药、填塞：

如图8～11所示，装药前，在钻孔(25)成孔清渣后，在套管(23)内及时插入配重式导管(26)稳定嵌入在钻孔(25)内，然后再拔出套管(23)。配重式导管(26)的长度宜大于礁石水深h水深与钻孔深度h孔深之和，使其管口露出水面；

装药时，将药柱(27)依次连接好雷管(28)和导爆管(29)后，沿着配重式导管(26)内壁下放至孔底。下放时，可将导爆管(29)松弛绑扎在绳索上，以防止拉断；

装药完毕后，用细粒卵石或砂石等作为填塞物(30)对配重式导管(26)和药柱(27)之间的空隙进行回填，回填高度应高于孔洞(31)，确保药柱(27)不至浮起；

5)水下裸露爆破装药

采用水下裸露爆破装药结构投放裸露药包：

如图12所示，装药前，启动船艏rtk接收仪(3)，与基准站(7)的信号对接后实时测量投药船(32)的坐标，将投药船(32)移至礁石(10)区域上方；

装药时，控制长臂挖掘机(33)的摇杆(34)角度，通过设置在长臂挖掘机(33)连杆(35)处的水下摄像机(36)实时观察礁石(10)的方位，将塑料软管(37)的下管口对准礁石(10)，上管口临时扣接在投药船(32)的船艉；

在平整的礁石(10)上投放药包(38)时，将药包(38)通过绳索(39)连接浮球(40)，导爆管(29)松弛绑扎在绳索(39)上，随后先将药包(38)顺入塑料软管(37)沿内壁直接滑至礁石(10)顶部，解除上管口处的扣件(41)，提升动臂(42)，直至浮球(40)滑出塑料软管(37)下管口并漂浮在水面上；

在凸出或孤立的礁石(10)上投放药包(38)时，将药包(38)两端分别与浮球(40)和近似等质量的重块(43)通过绳索(39)相连，导爆管(29)松弛绑扎在绳索(39)上，随后先将重块(43)顺入塑料软管(37)沿内壁滑落，使重块(43)和药包(38)搭接在礁石(10)两侧，解除上管口处的扣件(41)，提升动臂(42)，直至浮球(40)滑出塑料软管(37)下管口并漂浮在水面上。

6)最后，在水面汇总连接导爆管(29)形成起爆网络，钻爆船(16)和投药船(32)移位，起爆。

所述河航道整治生态炸礁疏浚体系通过以上提到的水下地形精确测量体系、钻爆船定位装置、炸礁水下钻孔装置、炸礁水下爆破装药结构和水下裸露爆破装药结构分别完成炸礁疏浚工程的水下地形测量、钻爆船定位、水下钻孔、装药回填以及水下裸露装药，以使所述河航道整治生态炸礁疏浚体系具有水下地形测量精度高、工作量少，钻爆船和钻孔定位准确，成孔效果好，装药质量和效率高等特点。

在步骤1)中，所述水下地形精确测量体系包括：

导向船(1)、测量船(2)、船艏rtk接收仪(3)、船艏测深仪(4)、船艉rtk接收仪(5)、船艉测深仪(6)、基准站(7)、主缆(8)、钢缆(9)、礁石(10)以及河岸(11)；

其中所述导向船(1)的船艏通过两道主缆(8)锚固在上游河岸(10)两侧，船艉通过钢缆(9)牵引下游所述测量船(2)；所述测量船(2)船艏部位的甲板和船底分别设有船艏rtk接收仪(3)和船艏测深仪(4)，船艉部位的甲板和船底分别设有船艉rtk接收仪(5)和船艉测深仪(6)；所述基准站(7)布设在远离所述河岸(11)的平地上。

在步骤2)中，所述钻爆船定位装置包括：

钻爆船(16)、船艏rtk接收仪(3)、船艉rtk接收仪(5)、第一基准点(12)、第二基准点(13)、施工基准线(14)、基准站(7)、主缆(8)、侧缆(17)、沉链(18)、礁石(10)以及河岸(11)；

其中所述钻爆船(16)的头尾分别设有船艏rtk接收仪(3)和船艉rtk接收仪(5)，船艏通过两道主缆(8)锚固在河岸(11)的上游两侧，船身两侧分别设有两道侧缆(17)和两道沉链(18)，所述第一基准点(12)和所述第二基准点(13)形成所述施工基准线(14)，所述基准站(7)布设在远离所述河岸(11)的平地上。

在步骤3)中，所述炸礁水下钻孔装置包括：

钻爆船(16)、钻机(15)、钻杆(24)、整体式底板(20)、横向轨道(21)、基座(44)、纵向轨道(22)以及套管(23)；

其中所述钻爆船(16)船身一侧设有成排的钻机(15)，所述钻机(15)坐落在可沿所述整体式底板(20)纵向移动的所述基座(44)上，所述整体式底板(20)可沿横向轨道(21)移动。

在步骤4)中，所述炸礁水下爆破装药结构包括：

钻爆船(16)、套管(23)、配重式导管(26)、钻孔(25)、药柱(27)、雷管(28)、导爆管(29)以及填塞物(30)；

其中所述配重式导管(26)内穿所述套管(23)后嵌入河底礁石(10)的所述钻孔(25)中，所述雷管(28)设在所述药柱(27)内部，一同内置于所述配重式导管(26)底部，所述导爆管(29)连接所述雷管(28)并向上延伸至套管(23)管外，所述填塞物(30)用于回填所述配重式导管(26)和所述药柱(27)之间的空隙。

在步骤5)中，所述水下裸露爆破装药结构包括：

投药船(32)、长臂挖掘机(33)、水下摄像机(36)、塑料软管(37)、药包(38)、重块(43)以及浮球(40)；

其中所述投药船(32)通过船艏rtk接收仪(3)和基准站(7)信号对接定位，定位后采用主缆(8)、侧缆(17)和底端设有船锚(19)的沉链(18)锚固，所述水下摄像机(36)替代长臂挖掘机(33)的铲斗安装在最前端的连杆(35)处，角度随摇杆(34)可调，所述塑料软管(37)通过扣件(41)柔性固定在长臂挖掘机(33)的动臂(142)内侧，下管口与连杆(35)齐平，上管口可扣接在投药船(32)的船艉。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。