CN103266611A - 一种水中打桩用的高效减振装置 - Google Patents

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刘志峰
罗永传
杨富发
牟芸
何海群
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Abstract

本发明公开了一种水中打桩用的高效减振装置，包括能够容纳下桩体的上下相通的支架、高压管和空压机，所述的高压管与空压机连接；高压管盘绕在支架上，在高压管上间隔设有出气孔；本发明的减振装置能够有效降低水中打桩产生的噪音以及激波的传播范围和强度。

Description

一种水中打桩用的高效减振装置
技术领域
本发明涉及一种水域内进行的打桩作业用的设备，尤其是一种水中打桩用的高效减振装置。 
背景技术
苏欣硕士学位论文“厦门海域水下爆破冲击波监测与传播特性分析”指出水下工程作业形成的飞石、通过水介质传播的水中冲击波、通过水底岩层传播的地震波，以及通过气泡脉动形成的水流浪涌等都会对周围环境产生破坏效应，除了对附近的建筑物、水面船舶的影响外，还会对附近水域中的工作人员以及水域中的海洋生物造成影响。 
杨光煦在《水下工程爆破》书中（海洋出版社，1992），给出了人体受冲击波伤害程度的比较，见下表。 
Figure DEST_PATH_IMAGE001
 该书同样指出，水中冲击波对海洋生物有致伤甚至致死效应，并引用日本学者的研究结果：不仅不同鱼种在水中冲击波的作用下受伤和死亡的差别很大，即使同一种鱼类，鱼体在不同的受压方向上的受伤程度和死亡也有明显区别，大致情况如下表。 
Figure DEST_PATH_IMAGE002
由于打桩作业多为撞击式的工作方式，所以在水下打桩的时候，其制造的高频噪音会严重影响海洋生物的听觉，短期内这些噪音会增加它们的压力及改变它们的行为，而长期则可能令它们迁离原本的栖身地，甚至令它们受伤致死。撞击式打桩的噪音声源产生于空气中的撞击接触点，桩体在水中的震动（激波）会向外传播。强烈的波震产生水中的超压会影响海洋生物，尤其是海豚的回声定位系统。当它们距冲击波太近时，鱼鳔会发生胀破或者压瘪，这会导致死亡的产生。因此如何有效地降低水中撞击式打桩作业的噪音及激波的传播范围和强度尤为重要。 
发明内容
本发明的目的是提供一种能够有效降低水中打桩产生的噪音以及激波的传播范围和强度的水中打桩用的高效减振装置。 
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种水中打桩用的高效减振装置，包括能够容纳下桩体的上下相通的支架、高压管和空压机，所述的高压管与空压机连接；高压管设在支架上，在高压管上间隔设有出气孔。 
优选的是，所述高压管与空压机之间通过风包装置连接。 
优选的是，所述支架由底框和侧框组成，底框与侧框焊接在一起构成上下相通的支架。 
优选的是，所述侧框的顶部还设有若干个吊耳，用于方便吊起整个减振装置。 
优选的是，所述的风包装置包括风包本体，该风包本体一端开孔与空压机连接，另一端的开孔与高压管连接，采用该结构的风包装置可以加大气管的进气气压及保证气管的进气量，以使气管产生能满足减噪要求的高质量气泡。 
优选的是，所述高压管上两出气孔的间距为5CM，出气孔的孔直径为3CM。 
优选的是，所述支架的形状为长方体。 
优选的是，所述支架的形状为圆柱体。 
本发明采用上述结构后，通过设置能够容纳下桩体的上下相通的支架、高压管和空压机，所述的高压管与空压机连接；高压管盘绕在支架上，在高压管上间隔设有出气孔；这样将气管完全嵌入在护管内，使得插入口腔内的整个插管口径相比现有使用的气管护管的口径大大缩小，这样口腔插管也不会过大而使病人感觉不舒服。当采用本发明进行打桩作业时，桩体位于支架中间，通过空压机向高压管供给压缩空气，在桩体周围形成一圈空气幕墙，降低打桩产生的水中噪音及激波的传播范围和强度。比没采用本发明减振装置的噪声峰值声压衰减量可达11%～50%。 
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明： 
图1为发明结构示意图；
图2为发明风包装置的结构图；
图3为发明支架结构示意图；
图4为发明高压管结构示意图；
图5为发明工作原理示意图；
图6为水下噪音监测平面布置图；
图7为水下噪音监测纵向布置图。
图中：1支架，11底框，12侧框，13吊耳，2高压管，21出气孔，3空压机，４风包装置，41风包本体，5桩体，6气泡。 
具体实施方式
图1、2、3和4所示，本发明的水中打桩用的高效减振装置，包括能够容纳下桩体的上下相通的支架1、高压管2和空压机3，所述的高压管2与空压机3相连接；高压管2盘绕并固定在支架1上，在高压管2上间隔设有出气孔21。在本实施例中，高压管2与空压机3之间通过风包装置4连接，该风包装置4包括风包本体41，该风包本体41一端开孔与空压机3连接，另一端的开孔与高压管2连接；风包装置4采用直径为14cm，壁厚为8mm 的钢管制作而成；风包装置4一端开孔接空压机3，另一端开42mm 双孔通过阀门接高压管2。上述支架1由底框11和侧框12组成，底框11与侧框12焊接在一起。在侧框11的顶部设有若干个吊耳13。在高压管2上两出气孔21之间的间距为5CM，出气孔21的孔直径为3CM。本实施方式中，支架1的形状为长方体，支架1的形状还可以为圆柱体或其它柱体形状。 
工作原理：将桩体5位于支架中间，通过空压机3向高压管2内压入高压空气，气体从高压管2所出气孔21中流出，在桩体周围形成一圈气幕墙（如图5），降低打桩产生的水中噪音及激波的传播范围和强度，形成气幕来抑制打桩时水中所产生的激波影响。 
使用本发明打桩具体操作步骤如下。 
1、桩体定位 
利用打桩船（或浮吊）吊装桩体，并在GPS 辅助定位下进行桩体的定位，达到设计的精度后，放松吊钩，桩体在自重作用下下沉。
2、吊装本发明的减振装置 
桩体靠自重作用下沉停止后，解开吊桩的钢丝绳，吊装减振装置套于桩体外部，并下放至海床面。
3、打桩 
开启空压机3，向高压管2输入压缩空气，在桩体周围形成气泡6帷幕。开启打桩锤，进行锤击沉桩，直至打设至设计标高。
对钢管插打水下噪音检测结果报告。 
1 桩基地点和环境参数 
桩基地点：经度113°39′18.695814″； 纬度022°15′06.653118″；
现场环境参数：海况：4 级，水深：4.5-5.0 米。海底地质条件：从上往下地质情况为：淤泥层厚度10.60m，淤泥质粘土7.10m，粘土层厚度11.9m，中粗砂6.4m，粘土7.7m，粉质粘土层厚度3.7m，粗砂4.2m，砂砾1.2m，强风化花岗岩2.4m，以下为中风化混合花岗岩。该海域为主航道，各种船舶来往频繁。
2 现场作业设备和相关参数 
监测点周围有若干船只和浮吊等工作平台（参见图6和7）；
其中:三航桩19 打桩船吃水深度为3.1 米；长大39 浮吊吃水深度为1.8 米；工作船吃水深度为3.1 米；
液压式撞击打桩机型号：BSPHH30；
钢管桩规格：φ2200*25mm。
3 水下噪声监测结果 
分别对距离气泡帷幕65 米（监测点一）、118 米（监测点二）、189 米（监测点三）、385 米（监测点四）、498 米（监测点五）和852 米（监测点六）等6 个监测点的水下1米、2.5 米和4 米处噪声进行测量。主要针对以下三种情景下的噪声源进行监测：
1、水下背景噪声：包含测量船自噪声；
2、液压式撞击打桩（以下简称撞击打桩）：无减振装置防护，撞击打桩机工作并向下打桩；
3、采用减振装置防护时撞击打桩（以下简称气泡帷幕撞击打桩）：空压机和撞击打桩机工作，产生气泡帷幕防护并向下打桩。
撞击打桩水中冲击波监测结果如下表 
Figure DEST_PATH_IMAGE003
Figure DEST_PATH_IMAGE004
   
Figure DEST_PATH_IMAGE005
                                             
对本次撞击打桩所监测得到的数据进行噪声谱分析，可以得出如下结论：撞击打桩所产生的噪声能量在0-24KHz 频带范围内均有分布，且在0-16KHz 频率范围内能量分布大致均匀，16KHz 以上高频能量略有降低。
比较背景噪声、撞击打桩噪声和采用减振装置防护时撞击打桩噪声频谱图（以监测点二、水下4 米为例），背景噪声谱级在0-24kHz 频率范围内，由低频到高频从136dB减少至83dB 左右,而撞击打桩噪声谱级从161dB 减少至115dB 左右，采用减振装置防护时撞击打桩噪声谱级从156dB 减少至95dB 左右。可以看出：撞击打桩所产生的噪声使水下背景噪声谱级提高了40-25dB，特别是2KHz-16KHz 频带范围内最为显著，最高达到40dB 左右。而减振装置对撞击打桩噪声谱级的衰减为5-20dB 左右。 
随着监测距离和时间的改变，背景噪声、撞击打桩噪声和有气泡帷幕防护时的撞击打桩噪声谱级也发生了变化，具体数据见表2（以水下4 米为例）。其中撞击打桩噪声/背景噪声、气泡帷幕撞击打桩噪声/撞击打桩噪声分别表示撞击打桩噪声使背景噪声谱级提高的分贝值和采用气泡帷幕防护时使撞击打桩噪声谱级衰减的分贝值。 
表2 0-24KH 频率范围内撞击打桩噪声谱级变化 
Figure DEST_PATH_IMAGE006
从监测数据同样可以看出：撞击打桩产生的噪声峰值声压和采用减振装置防护时撞击打桩产生的噪声峰值声压随着传输距离的增加而逐渐减小。
由于监测时海洋背景噪声较大，在监测点四（385 米）和监测点五（498 米），采用气泡帷幕防护时撞击打桩产生的周期性噪声信号淹没在背景噪声中，无法分辨。在监测点六（852 米），撞击打桩产生的周期性噪声也无法分辨。即在这些情景下，撞击打桩产生的水中噪声峰值声压接近或小于海洋背景噪声（包括船舶自噪声）峰值声压。 
本次撞击打桩试验项目中采用气泡帷幕以衰减水中噪声峰值声压的效果较为明显：监测距离65-189 米，水下4 米撞击打桩噪声峰值声压衰减量为11%-50%左右。 
以水下4 米为例，采用减振装置防护时撞击打桩噪声峰值声压衰减量随距离变化关系如表3 所示。 
表3 水下4 米处撞击打桩噪声峰值声压比较。 
 采用本发明减振装置比没采用本发明减振装置的噪声峰值声压衰减量可达11%～50%；根据打桩现场的监测数据：采用撞击式打桩，距离500 米，水下4 米处，撞击打桩产生的水下噪声峰值声压为195Pa，而采用减振装置防护时，在距离189 米处，撞击打桩噪声的峰值声压为145Pa，二者皆远小于“可能有少数鱼类受伤”的水中冲击波压力值（2.0×105Pa）和人体开始“发生致命危险”的水中冲击波压力值（2.4×105Pa）。同样可以得出如下结论：本次液压式撞击打桩产生的水中噪声冲击波对500 米以外、采用气泡帷幕防护时对189 米以外水域中的人和鱼类所产生的影响较小。 
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的保护范围。 

Claims (8)

1.一种水中打桩用的高效减振装置，其特征在于：包括能够容纳下桩体的上下相通的支架（1）、高压管（2）和空压机（3），所述的高压管（2）与空压机（3）连接；高压管（2）设在支架（1）上，在高压管（2）上间隔设有出气孔（21）。
2. 根据权利要求1所述的水中打桩用的高效减振装置，其特征在于：所述高压管（2）与空压机（3）之间通过风包装置（4）连接。
3.根据权利要求1所述的水中打桩用的高效减振装置，其特征在于：所述支架（1）由底框（11）和侧框（12）组成，底框(11)与侧框(12)焊接在一起。
4.根据权利要求3所述的水中打桩用的高效减振装置，其特征在于：所述侧框（11）的顶部设有若干个吊耳（13）。
5.根据权利要求2所述的水中打桩用的高效减振装置，其特征在于：所述的风包装置（4）包括风包本体（41），该风包本体（41）一端开孔与空压机（3）连接，另一端的开孔与高压管（2）连接。
6.根据权利要求1所述的水中打桩用的高效减振装置，其特征在于：所述高压管（2）上两出气孔（21）的间距为5CM，出气孔（21）的孔直径为3CM。
7.根据权利要求1所述的水中打桩用的高效减振装置，其特征在于：所述支架（1）的形状为长方体。
8.根据权利要求1所述的水中打桩用的高效减振装置，其特征在于：所述支架（1）的形状为圆柱体。
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