CN101768968A - 潜水桩机 - Google Patents

Abstract

一种能在水下数百米处施工钢管混疑土桩和基础承台的潜水桩机。把基础承台的外壳做成无盖的箱子，箱子底板上设置钢沉管穿孔，用螺栓把基础承台和潜水桩机连接在一起。把钻孔钻机、静压桩机、沉管桩机有机地结合在一起。用潜水艇的工作原理通过向桩机内灌水或排水控制桩机的下沉或上浮，用液压千斤顶中密封活塞杆的原理来密封钢沉管，解决潜水桩机的防水。施工时，由钻孔钻机成孔，再用液压装置将钢沉管压入已成的孔中，待钢管下沉到设计标高后，抽净钢沉管内的泥浆和水，安放钢龙骨并浇注混疑土，使钢管混凝土桩与基础承台连接在一起并形成刚性连接，最后卸下承台与潜水桩机连接的螺栓，浮起潜水桩机完成基础的施工。

Description

潜水桩机

技术领域

本发明涉及一种能在水下施工桥墩基础的设备，能在数百米深的水下，连续一次性地完成钢管混凝土桩和基础的施工。具体是一种水下钻孔沉管混凝土灌注桩机，简称水下桩机或者潜水桩机。

背景技术

目前，在水中建桥墩基础的主要方法是，用钢围堰做围护，桩和基础的施工是在钢围堰的围护下、在无水的情况下进行的。其施工方法是，先将钢围堰下沉到基础承台底标高处，用高压水枪冲击钢围堰内的泥土使其变成泥浆，将泥浆置换成较清的水，再浇灌封底混凝土，使封底混凝土与钢围堰形成一个相对密封的桶体。然后，将水抽净，施工桩和基础。施工时钢围堰内外有水位差，施工的水域越深，水位差就越大，这样就要求钢围堰具有一定的刚度和重量。随着钢围堰的刚度和重量的增加，给钢围堰的安装带越来越多的困难。因此，用这种方法建桥墩只宜在水位相对较浅的水域施工。如果要在水深为几十米或者数百米的水域建桥墩，用现有的施工方法就很困难或者无法施工。

发明内容

为能在数百米深的水域建桥墩基础，本发明提供一种潜水桩机。这种潜水桩机可以在较深的水下，完成钢管混凝土桩和桥墩基础的施工，用一种全新的施工方法在深水水域建桥墩基础或者建筑物基础。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种潜水桩机，包括由塔架、潜水器、断水仓、支腿等构成。塔架、断水仓、支腿与潜水器通过螺栓连接在一起组成潜水桩机。把液压装置、钢沉管、钻孔钻机及附属设施全部安装在潜水器内，钻孔钻机的转盘安装在钢沉管内，钢沉管通过潜水器底板并穿过断水仓底板伸到潜水桩机外面。

潜水器为钢结构，主要由顶板、底板、弓形板、侧板、立板、底座、通道等组成，是一个相对封闭的密封体。潜水器内部设有蓄水仓、压力仓、储物间、操作间、管道间、通道等。潜水器顶板、底板、弓形板、侧板、立板均为双壁结构，以抵抗海水的压力。顶板、底板、弓形板、侧板、立板的夹层也能蓄水，并与蓄水仓相通，在向蓄水仓内灌水时，各处的水位是在一个平面上。

操作室内安装有泥浆泵、潜水桩机的高压抽水泵、断水仓的抽水机、潜水桩机的进水阀门、钻孔钻机的进水阀门等，是操纵潜水桩机下沉或者上浮、调整液压支腿高低，控制钻机钻机、泥浆泵、抽水泵、进水阀门的地方。

压力仓的底板上设置若干个潜水器钢沉管穿孔，这些穿孔与断水仓钢沉管穿孔相对应，每个穿孔处都设置有导向装置来调整和控制钢沉管的垂直。压力仓的上方有一台可以移动的行车，行车上安装有卷扬机和液压装置，由卷扬机来安装钢沉管和钻孔钻机，利用液压装置对每根钢沉管进行使压。

通道在潜水器上部的中间位置，与压力仓、储物间、操作室、食管连通。通道的顶部安装有一台单轨吊，用它来转运钢沉管及其它各种材料。

潜水桩机中的潜水器是根据已有潜水器的原理，把它的的体积加大，将钢沉管、钻孔钻机、液压装置及各种所需的工具全部放在潜水器内。潜水器为施工钢管混凝土桩的人员操作提供一个安全操作空间，只要潜水器有相应抵抗深水压力的能力，潜水桩机就能在数百米深的水域施工桥墩基础或者建筑物基础。潜水桩机抗水压的能力是潜水桩机需要解决的第一个问题。

钢沉管是用钢材焊接而成的管子，标准节钢管的长度为3米，其外径为2.5米，钢沉管两端设置内法兰，用螺栓连接。钢沉管是桩的一部分，成孔时钢沉管是护筒和钻孔钻机的支架，成桩时钢沉管是钢管混凝土桩的外壁。钢沉管穿过断水仓底板时，水能顺着钢沉管的外壁进到断水仓，在断水仓钢沉管穿孔处，设置一道钢沉管密封装置，阻止水顺着钢沉管的外壁进到断水仓内。钢沉管密封装置密封钢沉管的原理与液压千斤顶中密封装置密封活塞杆的原理一样。

钢沉管穿过断水仓底板时，防止水从钢沉管外壁和断水仓钢沉管穿孔之间进入潜水桩机内，是潜水桩机需要解决的第二个问题。

钻孔钻机由钻头、转盘、钻杆、水龙头、隔水板、泥浆管、进水管、泥浆泵等组成，与反循环泥浆护壁钻孔钻机基本相同。所不同的是：钻孔钻机安装在钢沉管内，钻机的转盘连接在钢沉管的下端，钻头在钢沉管的外部，工作时钻孔钻机完全处在水中，电机应为潜水电机。为能方便地从钢沉管中取出钻头，钻头的直径是可以调整的。

钢沉管内设置一道隔水板，由隔水板来阻止水从钢沉管内进入潜水器。隔水板上设置一个泥浆管穿孔，以方便泥浆管的移动，就需要解决泥浆管与隔水板之间的防水。把穿过隔水板的那段泥浆管的外壁进行特殊处理，让泥浆管的光洁度与液压千斤顶中活塞杆的光洁度相同，在隔水板上泥浆管的穿孔处设置一道泥浆管密封装置，这样既可防水，又不影响泥浆管的移动。

钢沉管进入土层后，由于有钢沉管的保护，水不能直接进到桩孔内，水只能以渗透的方式进到桩孔内，水的渗透量将随着钢沉管的下沉而逐渐减少，直到无水渗透。钻孔钻机在成孔时是需要有水来搅拌泥浆，所以在隔水板上还设置一个进水管，以保证钻孔钻机在成孔时的用水。为能方便地安装和拆卸钻孔钻机以及成孔后对桩孔的检查，在隔水板上设置一个舱门供人员出入。

把钻孔钻机与钢沉管有机地连接在一起是潜水桩机需要解决的第三个问题，泥浆管上下移动穿过隔水板时的防水是潜水桩机需要解决的第四个问题

钻孔钻机的工作原理：在转盘的带动下使得钻头转动，将泥土或者沙砾等搅拌成泥浆，在泥浆泵的作用下，泥浆从钻头处经钻杆、水龙头、特制泥浆管、泥浆管、泥浆泵被排到潜水桩机外部。在抽泥浆的同时，清水由进水管进到桩孔内来填补被抽走泥浆的空位，钻机成孔时桩孔内始终充满水。

塔架是由食管、支柱、横梁组合而成，它的下端与潜水器顶部连接，上端露出水面。食管是输送动力、通风、人员及各种材料的通道。食管的周边设置6根支柱，每10米设置一道横梁，由支柱、横梁、食管共同组成一个塔架，以确保食管的垂直。6根支柱中，沿桩机纵向中心线上的两根支柱的上方安装有送风机，由送风机通过钢管支柱向潜水桩机内强制送风，食管为排气筒。

断水仓是预制的无盖钢筋混凝土箱体，在箱体内用钢筋混凝土隔断把断水仓隔成一个个小箱体，小箱体内的底板上设置有断水仓钢沉管穿孔，用于穿插钢沉管，并与压力仓钢沉管穿孔相对应。断水仓与潜水器用螺栓连接的方式连接在一起，为密封连接。

断水仓的作用有三个，一是断水：钢沉管穿过断水仓底板时，虽说设置有钢沉管密封装置用来防水，由于钢沉管直径较大，外壁精加工困难，其表面较粗糙，会有少许的水渗透到断水仓内，断水仓内有一定空间能存储这些渗透的水，让渗透的水留在断水仓内而进不到潜水器内，以达到断水的目的，保证人员在潜水器内操作时不与水接触；断水仓是潜水桩机防水的第二措施。二是配重：压钢沉管时，需要很大的重量，这与静压桩机的工作原理相同。为了得到较多的重量，断水仓与潜水器连接后，在断水仓内，小箱体之间灌入部分混凝土，可获得一定的重量。三是：断水仓本身就是基础承台，所有的钢沉管沉到设计标高后，把钢沉管与断水仓焊接在一起，将桩中的钢筋笼或者钢龙骨与断水仓上的钢龙骨焊接在一起，然后用现浇混凝土把钢沉管和断水仓中的小箱体内都灌满，钢管混凝土桩和断水仓就组成一个刚性体，形成桥墩基础。

断水仓与潜水器的连接是采用吊装技术并结合打捞沉船的技术来完成的，是潜水桩机需要解决的第五个问题。

潜水桩机的工作原理：把陆地上的静压桩机、反循环钻孔钻机、沉管桩机的功能集中在一起，将液压装置、钢沉管、钻孔钻机及附属设施全部安装在潜水桩机内，把预制的钢筋混凝土基础外壳(断水仓)安装在潜水器底部，利用液压千斤顶中密封活塞杆的原理来密封钢沉管外部，钢沉管内设置隔水板，解决潜水桩机的防水。利用潜水艇的原理通过向蓄水仓内灌水或者排水来完成潜水桩机的下沉或者上浮，潜水桩机沉到水底后，通过液压支腿来控制潜水桩机的高低和水平。成桩时，先由钻孔钻机钻出一节孔，再用液压装置压下一节钢沉管，这样钻一节孔压一节钢沉管，直到将钢沉管压到设计标高。同理逐节逐根地将所有钢沉管都压到设计标高，卸下钻机，将钻机从钢沉管中取出。然后，在钢沉管内安放钢筋笼或者钢龙骨，并把钢龙骨与断水仓上的钢龙骨焊接在一起，向钢沉管和断水仓内浇灌混凝土，利用现浇混凝土把钢管混凝土桩与断水仓连接成一个整体。最后，卸下断水仓与潜水器连接的螺栓，让断水仓与潜水器脱离，完成钢管混凝土桩与基础承台的施工。

本发明的有益效果是，

潜水桩机能在水下完成钢管混凝土桩和基础的施工，只要潜水桩机有足够抗水压的能力，就能在100多米或者数百米深的水下完成基础的施工，然后把预制的桥墩安装在基础上，解决深水桥墩施工的世界难题。用这种潜水桩机，能在琼州海峡、渤海湾、台湾海峡、白令海峡、直布罗陀海峡等海峡上建造跨海大桥，变天堑为通途。如果把预制的钢筋砼隧道架设在水中的桥墩上建成水中隧道，这种隧道的顶面距离水面25米，间隔一定的间距设置通风井，保证隧道内的通风，在不影响船只通行的情况下，能全天候通行火车和汽车，而且建造周期短，造价低(每公里费用为3～4亿，是海底隧道的1/6～1/8)。也能在海上建造城市，让人类走向海洋。

附图说明

图1为本发明潜水桩机的俯视图：

图2为本发明潜水桩机的侧视图：

图3为本发明潜水桩机的平面结构图：

图4为图1的A-A剖面图：

图5为图1的B-B剖面图：

图6为本发明潜水桩机断水仓的平面图：

图7为图6的C-C剖面图：

图8为图6的D-D剖面图

图9为本发明潜水桩机钻孔钻机在钢沉管内位置示意图：

图10为图9的E-E剖面图：

图11为图9的F-F剖面图：

图中1.潜水器，2.液压支腿，3.支柱，4.横梁，5.食管，6.通道，7.断水仓，8.潜水器钢沉管穿孔，9.压力仓，10.蓄水仓，11.操作室，12.储物间，13.管道间，14.压力装置，15钢筋混凝土隔断，16.钢沉管，17.断水仓钢沉管穿孔，18.进水管，19.泥浆管，20.导向装置，21.潜水器底板，22.特制泥浆管，23.泥浆管密封装置，24.隔水板，25.水龙头，26.钻杆，27.转盘，28.钢沉管密封装置，29.断水仓底板，30.钻头，31.舱门，32.减速器及防水电机。

具体实施方式

下面结合附图及实例详述本发明。

如图1-11所示，一种潜水桩机，包括由塔架、潜水器(1)、液压支腿(2)、断水仓(7)组成。其潜水器(1)由通道(6)、压力仓(9)、蓄水仓(10)、操作室(11)、储物间(12)、管道间(13)组成。

其压力仓(9)的底板上有若干个潜水器钢沉管穿孔(8)，每个潜水器钢沉管穿孔(8)处设置有导向装置(20)。压力仓(9)的上部有一台行车，行车上面有两台卷扬机和一台压力装置(14)。

如图6-8所示，断水仓(7)被钢筋混凝土隔断(15)隔成一个个小箱体，在小箱体的底板上有断水仓钢沉管穿孔(17)，在断水仓钢沉管穿孔(17)的上面设置有钢沉管密封装置(28)。

如图9-11所示，其钻孔钻机由进水管(18)、泥浆管(19)、特制泥浆管(22)、泥浆管密封装置(23)、隔水板(24)、水龙头(25)、钻杆(26)、转盘(27)、钻头(30)、减速器及防水电机(32)、泥浆泵等组成。钻孔钻机安装在钢沉管(16)内部，钻头(30)处在钢沉管(16)的外部。

其钢沉管(16)安装在潜水器底板(21)和断水仓底板(29)之间，钢沉管(16)上部位于潜水器底板(21)处，钢沉管(16)下部处在断水仓底板下面。潜水器钢沉管穿孔(8)的上面设置导向装置(20)，用来调整和控制钢沉管(16)的垂直。断水仓钢沉管穿孔(17)的上面设置一道钢沉管密封装置(28)，防止水从钢沉管(16)外部与断水仓钢沉管穿孔(17)之间进到断水仓(7)内。钢沉管(16)内部设置一道隔水板(24)，阻挡水从钢沉管(16)内部进到压力仓(9)内。特制泥浆管(22)穿过隔水板(24)时，在隔水板(24)的上面设置一道泥浆管密封装置(23)，防止特制泥浆管(22)在移动时水进到压力仓(9)内。

本发明具体操作过程如下：首先将断水仓(7)在船坞预制好，下水前把断水仓钢沉管穿孔(17)进行临时密封，使断水仓(7)能在水中漂浮，并把与潜水器(1)连接时所需的防水垫安装好。将钻头(30)和最下面一节钢沉管(16)放到断水仓(7)中的小箱体内，把钢沉管(16)插到断水仓底板钢沉管穿孔(17)中。断水仓(7)下水后，在拖轮的拖拽下，将断水仓(7)运到桥墩基础施工的水域，利用浮箱将断水仓(7)与潜水器(1)进行对接，通过螺栓把断水仓(7)连接在潜水器(1)的下面。

钢沉管(16)的安装：断水仓(7)与潜水器(1)连接后，抽净断水仓(7)内部的水，安装钢沉管(16)的标准节，通过导向装置(20)来校正和控制钢沉管(16)的垂直，最后固定钢沉管密封装置(28)。

桩孔钻机的安装顺序如下：先安装转盘(27)——钻杆(26)——钻杆(26)与钻头(30)连接——调整钻头(30)的直径——安装水龙头(25)——隔水板(24)——特制泥浆管(22)——固定泥浆管密封装置(23)——安装泥浆管(19)和阀门并与泥浆泵连接——安装进水管(18)并与进水阀门连接，调试钻孔钻机。最后拆除断水仓钢沉管穿孔(17)处的临时密封。

潜水桩机的下沉：下沉前把所需的泥浆管(19)、进水管(18)的标准节放在储物间(12)内，在断水仓(7)内、小箱体的外部浇注一定数量的混凝土。潜水桩机下沉，首先打开潜水桩机进水阀门，向蓄水仓(10)内灌水，潜水桩机随着蓄水仓(10)内水量的增加而下沉，在潜水桩机下沉的同时，及时安装塔架。潜水桩机将要沉到水底前，先把液压支腿(2)伸长一些，让其支腿底面低于钻孔钻机的钻头(30)，保证潜水桩机沉到水底时钻头(30)不直接与地面接触。控制潜水桩机使其沉到预定位置，通过调整四个液压支腿(2)，将潜水桩机调整到水平位置。并继续向蓄水仓(10)内灌水，直到把蓄水仓(10)灌满水；还要向断水仓(7)内灌水，但不能灌满，留出一定的空间存储从钢沉管密封装置(28)渗透的水。

钢管混凝土桩及基础承台的施工：待潜水桩机沉到预定位置并调整到水平状态，经过核查潜水桩机的位置无误后，启动钻孔钻机开始钻孔，钻出一节孔后，停止钻孔，关闭泥浆管阀门和进水管阀门，提起钻头(30)到初始位置，拆开泥浆管(19)和进水管(18)，安装一节钢沉管(16)、一节泥浆管(19)和进水管(18)，再把进水管(18)泥浆管(19)接好，然后用压力装置(14)将这节钢沉管(16)压下，使钢沉管(16)的顶面与原来位置相同，用螺栓把钢沉管(16)固定在导向装置(20)上，再次启动钻孔钻机钻下一节孔。移动行车到下一个桩孔处，用同样的方法完成压钢沉管(16)的工作，这样逐节逐根地将所有的钢沉管(16)都压到预定位置为止。钻孔钻机在钻孔时，泥浆通过泥浆管(19)由泥浆泵抽到潜水桩机的外面。待钢沉管(16)沉到设计位置后，把进水管(18)的进水功能改为进气，抽净钢沉管(16)内的泥浆和水，打开隔水板(24)上的舱门(31)，人员下到钢沉管(16)的底部，查看孔底的土层结构，如无异常，拆卸钻孔钻机，把钻孔钻机从钢沉管(16)内取出，经过通道(6)转运到储物间(12)中。拆卸钻孔钻机的同时，将钢沉管(16)与断水仓(7)的底板焊接在一起，并把焊接部位以上的钢沉管(16)全部截去，将它们转运到储物间(12)中。在钢沉管(16)内安装钢筋笼或者钢龙骨，并将钢筋笼或者钢龙骨与断水仓(7)上的钢龙骨焊接在一起，然后向钢沉管(16)内灌混凝土，直到把断水仓(7)的小箱体灌满混凝土为止，待所有桩位的混凝土灌满后，钢管混凝土桩与基础承台就连在一起，形成刚性连接，完成基础的施工。

潜水桩机的浮起：完成混凝土的浇灌后，不能立刻将潜水桩机浮向水面，应在所浇灌的混凝土达到一定的强度后再浮起潜水桩机。潜水桩机浮起前，先将压力仓(9)底板上的潜水器钢沉管穿孔(8)用闸门密封，再向压力仓(9)内灌水以增加潜水桩机的重量，使潜水桩机的重量大于海水对潜水桩机的浮力。然后将连接潜水器(1)和断水仓(7)的螺栓卸下，关闭所有的舱门，启动抽水装置，将蓄水仓(10)和压力仓(9)中的水抽到潜水器外面，随着蓄水仓(10)内水的减少，潜水桩机就慢慢地与基础承台分离，浮向水面。

Claims (5)

1.一种潜水桩机，包括由塔架、潜水器(1)、液压支腿(2)、断水仓(7)、压力装置(14)、钢沉管(16)、钻孔钻机、导向装置(20)等组成，其特征在于：所述塔架由支柱(3)、横梁(4)、食管(5)构成，用螺栓连接的方式连接在潜水器(1)的上面；其特征在于：所述断水仓(7)为钢筋混凝土无盖箱体，箱体由钢筋混凝土隔断(15)隔成一个个小箱体，小箱体内的底板上设置断水仓钢沉管穿孔(17)；其特征在于：所述潜水器(1)为双壁钢结构，由通道(6)、压力仓(9)、蓄水仓(10)、储物间(11)、操作间(12)、管道间(13)组成；其特征在于：所述钻孔钻机由进水管(18)、泥浆管(19)、特制泥浆管(22)、泥浆管密封装置(23)、隔水板(24)、水龙头(25)、钻杆(26)、转盘(27)、钻头(30)、泥浆泵等构成。

2.根据权利要求1所述的潜水桩机，其特征在于：所述钢沉管(16)穿过断水仓底板(29)时外壁的防水，是采用钢沉管密封装置(28)进行密封防水的；钢沉管(16)内部防水，是采用隔水板(24)防水的。

3.根据权利要求1所述的潜水桩机，其特征在于：所述钻孔钻机安装在管沉管(16)内。

4.根据权利要求1所述的潜水桩机，其特征在于：所述特制泥浆管(22)穿过隔水板(24)时的防水，是采用泥浆管密封装置(23)进行密封防水的。

5.根据权利要求1所述的潜水桩机，其特征在于：所述断水仓(7)为钢筋混凝土结构，是采用螺栓连接的方式与潜水器(1)连接在一起，为密封连接。

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