CN103603364B - 深水用吸力式重力基础及其深水安装装置和深水安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深水用吸力式重力基础及其深水安装装置和深水安装方法，吸力式重力基础包括吸力桩和置于吸力桩上的配重箱，配重箱的顶部设有与配重箱相通的排水口和注砂口，以及与吸力桩相通的泵接口。本发明施工作业简便，节省了费用。

Description

深水用吸力式重力基础及其深水安装装置和深水安装方法

技术领域

本发明涉及水下基础施工领域，特别是涉及一种深水用吸力式重力基础及其深水安装装置和深水安装方法。

背景技术

吸力桩技术是20世纪60年代提出来的，80年代初才开始在工程世纪中得到应用，由于吸力桩技术施工简单，并且能够回收重复使用的特点，备受人们的青睐，因此，国内各个研究和施工单位对吸力桩技术倍加重视。吸力桩是一种利用水压力将桩压入土中的刚性短桩，它的基本结构型式是一种上端封闭、下端开口的圆筒，因此吸力桩也称吸力锚，筒型基础或桶形基础，并且在其顶部开有连接泵系统的水孔。

吸力桩的沉桩原理是：吸力桩沉入水中，利用其自重产生一定贯入深度的初始入泥形成一个封闭系统；使用泵系统抽吸筒内的水，使筒内产生低于筒外的水压，利用筒顶内、外的负压差将桩筒压入泥中。吸力桩的起桩原理是：通过泵系统向筒内注水，利用筒顶内、外的正压差将桩筒顶出泥面。

吸力桩被广泛应用到许多海洋工程中，除了可以回收重复使用外，在技术和经济上具有显著的特点。相对于传统的打桩技术而言，吸力桩的安装不需要打桩锤和浮吊，只需要泵等比较小巧的设备，是依靠负压静力安装，没有打桩施工的振动噪音等，因此吸力桩安装比较精确方便。

重力式基础是一种自重大于上拔力的基础，重量一般地在一千吨甚至几千吨以上，使得运输非常困难，特别是在浅水区，运输需要大型的运输船只，在置放重力基础前需要对海底进行预先的平整处理，凿开海床表层换以一层沙砾层，之后使用驳船运送或漂浮拖驳至场址,基础就位之后再用混凝土将其周边固定。单一的重力基础从运输，施工，使用区域都受到很大的限制。

如何将吸力桩技术和重力式基础进行合理结合，以克服其各自的缺陷充分发挥两者的优点，以形成新结构的水下基础，以及如何将该水下基础在深水内安装，成为目前重要的研究课题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种深水用吸力式重力基础及其深水安装装置和深水安装方法，用于解决现有技术中缺乏深水区域内安装吸力式重力基础的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于深水的吸力式重力基础，所述吸力式重力基础包括吸力桩和置于吸力桩上的配重箱，配重箱的顶部设有与配重箱相通的排水口和注砂口，以及与吸力桩相通的泵接口。

优选的，所述排水口处设有防止铁砂外露的滤网。

本发明还提供一种吸力式重力基础的深水安装装置，所述吸力式重力基础包括吸力桩和置于吸力桩上的配重箱，配重箱的顶部设有与配重箱相通的排水口和注砂口，以及与吸力桩相通的泵接口，所述吸力式重力基础的深水安装装置包括：

水下监控系统，包括测量所述吸力式重力基础水下运行姿态及位置的第一测量机构，测量所述吸力桩内、外压力的压力监测机构，以及控制所述吸力桩内水压的第一控制机构；

水下运作机构，包括在下沉过程中用于调整所述吸力式重力基础的姿态和位置的动力推进器，以及用于向所述吸力桩注水或排水的吸力桩负压系统，用于辅助操作的水下机械手，所述吸力桩负压系统、水下机械手均与所述第一控制机构相连；

与所述水下运作机构相连的水下动力控制单元，用于控制分配动力；

向所述配重箱内注入铁砂的铁砂注入系统；

水上控制系统，与所述水下监控系统、水下动力控制单元和铁砂注入系统相连，用于监测和控制所述水下监控系统、水下动力控制单元和铁砂注入系统的运作。

优选的，所述水下监控系统和所述水下动力控制单元均安装在一密封耐压壳体内。

优选的，所述第一测量机构包括用于测量所述吸力式重力基础的位置度、倾斜度和方位角的测量仪。

优选的，所述吸力桩负压系统包括水泵以及与水泵相连的换向阀。

优选的，所述水下运作机构还包括用于将所述吸力桩负压系统与泵接口相连的水压自动锁紧机构。

优选的，所述铁砂注入系统包括置于施工母船上的铁砂罐，与铁砂罐相连的铁砂输送机构和锥形储罐，以及与所述锥形储罐相连的管道，所述管道还与空气压力容器相连通，高压空气压缩机通过空气压力容器向管道输送高压空气将锥形储罐内的铁砂注入水下配重箱。

优选的，所述吸力式重力基础的深水安装装置还包括用于获取所需图像的水下摄像检测机构。

本发明还提供一种吸力式重力基础的深水安装方法，所述深水安装方法采用所述的吸力式重力基础的深水安装装置进行安装，所述深水安装方法包括以下步骤：A、将吸力式重力基础浮拖至目的地；B、采用所述水下机械手抓住所述吸力式重力基础，向所述配重箱内注水，并且启动所述动力推进器协助将所述吸力式重力基础下沉至海底，吸力式重力基础的吸力桩依靠自重达到初始如泥条件；C、采用所述吸力桩负压系统将吸力式重力基础上的吸力桩负压沉贯入泥；D、采用铁砂注入系统向所述吸力式重力基础上的配重箱内注入铁砂，直至配重箱内填满铁砂。

优选的，步骤B中，所述吸力式重力基础在运送至海底过程中，所述吸力桩负压系统与所述配重箱的注砂口连通并且向配重箱内注水，所述吸力式重力基础在自重作用下下沉，所述动力推进器实时调整吸力式重力基础的运行姿态和位置，使吸力式重力基础到达海底预定地点并达到初始入泥条件。

进一步的，步骤B中，所述吸力式重力基础在运送至海底过程中，所述第一测量机构实时测量所述吸力式重力基础的位置坐标，并将所测得数据传送给所述水上控制系统，水上控制系统通过所述动力推进器调整吸力式重力基础的运行位置直至下沉至目的地。

优选的，步骤C中，所述吸力桩负压沉贯过程中，所述压力监测机构实时监测吸力桩的内、外压力，确保吸力桩的内部压力低于外部压力。

进一步的，步骤C中，所述吸力桩负压沉贯过程中，所述第一测量机构实时测量所述吸力式重力基础的位置度、倾斜度及方位角，并且将所测数据传送给水上控制系统，水上控制系统通过第一控制机构控制所述吸力桩负压系统，使所述吸力式重力基础按设计要求下沉。

优选的，步骤D中，所述配重箱内注入铁砂的具体过程为：所述水下机械手将所述铁砂注入系统的管道与配重箱的注砂口连通，开启所述铁砂输送机构和高压空气压缩机，利用高压空气将铁砂注入配重箱内。

进一步的，步骤D中，所述配重箱内注入铁砂时，采用水下摄像检测机构实时拍摄配重箱排水口的图像，并将所测图像传输给所述水上控制系统，实时观察配重箱是否被填满。

如上所述，本发明的深水用吸力式重力基础及其深水安装装置和深水安装方法，具有以下有益效果：其深水安装装置结构简单，适用于深水施工，在安装时可以利用空的配重箱作为浮箱进行浮拖和就位，节省了大型浮吊和运输船只，通过向水下的配重箱填充铁砂增加配重，使吸力式重力基础在运输和安装施工方面简便易行，施工作业简便，节省了费用。

附图说明

图1显示为本发明的吸力式重力基础的具体结构示意图。

图2显示为图1的俯视图。

图3显示为本发明的吸力式重力基础的深水安装装置的结构框图。

图4显示为本发明的铁砂注入系统示意图。

图5-图8显示为本发明吸力式重力基础的深水安装方法各步骤的状态示意图。

图9显示为本发明的吸力式重力基础安装完成后示意图。

元件标号说明

1 吸力桩

11 泵接口

2 配重箱

21 排水口

22 注砂口

3 吸力式重力基础

4 施工母船

5 水下监控系统

6 铁砂注入系统

61 铁砂罐

62 铁砂输送机构

63 空气压力容器

64 高压空气压缩机

65 管道

66 锥形储罐

7 水下运作机构

8 水上控制系统

9 水下摄像监测机构

10 水下动力控制单元

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图9。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1及图2所示，本发明一种用于深水的吸力式重力基础包括吸力桩1和置于吸力桩1上的配重箱2，本吸力式重力基础包括多个吸力桩，吸力桩1是一种上端封闭、下端开口的圆筒，因此吸力桩也称吸力锚，筒型基础或桶形基础，采用负压静力安装；配重箱2安装在吸力桩1上方，里面填充铁砂增加重量，形成配重；在配重箱2的顶部设有与配重箱相通的排水口21和注砂口22，以及与吸力桩1相通的泵接口11，以供吸力桩1安装和向配重箱2内填充铁砂，排水口21处加小于铁砂最小直径的滤网，这样空气和水通过滤网排到配重箱2外，铁砂留在配重箱2内，空的配重箱2浮拖过程中作为浮箱用。

本发明的吸力式重力基础结构简单，其上的配重箱在浮拖过程中作为浮箱用，节省了运输中的大型吊件，并且配重箱的排水口加滤孔直径小于铁砂最小直径的滤网，这样空气和水通过滤网排到配重箱外，铁砂留在配重箱内，便于注砂。

如图3及图4所示，本发明提供一种将上述吸力式重力基础进行深水安装的深水安装装置，吸力式重力基础的深水安装装置包括：

水下监控系统5，包括测量吸力式重力基础水下运行姿态及位置的第一测量机构，测量吸力桩内、外压力的压力监测机构，以及控制吸力桩内水压的第一控制机构；

水下运作机构7，包括在下沉过程中用于调整吸力式重力基础3的姿态和位置的动力推进器，以及用于向吸力桩注水或排水的吸力桩负压系统，用于辅助操作的水下机械手，吸力桩负压系统、水下机械手均与第一控制机构相连；

与所述水下运作机构相连的水下动力控制单元10，用于控制分配动力；

向配重箱内注入铁砂的铁砂注入系统6；

水上控制系统8，与水下监控系统5、水下动力控制单元10和铁砂注入系统相连，用于监测和控制水下监控系统、水下动力控制单元和铁砂注入系统的运作。

本发明采用水上控制系统8、水下运作机构7和水下监控系统5的协作将吸力式重力基础运至深水底部，使吸力式重力基础的吸力桩下沉贯入泥内，然后再通过铁砂注入系统向配重箱内注入铁砂，最后形成一种深水底部的吸力式重力基础，本发明的深水安装装置，其结构简单，施工方便，且整个施工过程安全可靠。

为适应深水作业，上述水下监控系统5和水下动力控制单元10均安装在一密封耐压壳体内。

下面详细描述上述各系统和机构的具体结构：

如图3所示，水下监控系统5，主要用于对吸力式重力基础从入水直至到水底过程中其姿态、位置的监控，以及吸力桩沉贯过程中的姿态、位置控制。其主要包括：上述第一测量机构包括用于测量吸力式重力基础的位置度、倾斜度和方位角的测量仪，如：高精度倾角仪、电罗经、导航定位装置等。上述压力监测机构主要包括监测吸力桩内部压力的筒内压力传感器，以及监测吸力桩外部压力的筒外压力传感器。上述第一控制机构主要为水压控制电磁阀，通过该水压控制电磁阀来控制水下机械手以及吸力桩负压系统。为便于信息传输，本水下监控系统还包括遥控电子通讯装置。

水下运作机构7，主要完成将吸力式重力基础从水面运至水底，并且将吸力桩沉贯，其主要包括：动力推进器，一般共七台，四个水平矢量布置和三个垂直矢量布置，在吸力式重力基础从水面至水底过程中提供推力和姿态调整；吸力桩负压系统，主要完成吸力桩的沉贯和顶升，本吸力桩负压系统主要包括水泵以及与水泵相连的换向阀，水泵与吸力桩的泵接口相连，进而通过换向阀完成对吸力桩的注水和排水；水压自动锁紧机构，用于将所述吸力桩负压系统与泵接口自动相连；水下机械手，可以辅助操作，便于水压自动锁紧机构对正，以及完成水泵与泵接口的相连与解脱，完成管道与配重箱注砂口快速接头连接与解脱。其还可包括水压切割器、自动舵手导航单元以及水压泵站、负压安装水泵等结构。

上述水下监控系统5、水下动力控制单元10和铁砂注入系统均由水面的施工母船通过水上控制系统8来控制完成，包括水下动力控制单元10所分配的动力也是施工母船的发电机供给，信号传输和动力供给全部由一条脐带缆完成，控制上述换向阀换向的液压系统采用无污染的容易就地取用介质的水压系统，介质即是海水，因此即使有些泄露也不会对海水环境有影响。

如图4所示，上述铁砂注入系统6包括置于水上的铁砂罐61，与铁砂罐61相连的铁砂输送机构62和锥形储罐66，以及与所述锥形储罐66相连的管道65，所述管道65还与空气压力容器63相连通，高压空气压缩机64通过空气压力容器63向管道65输送高压空气将锥形储罐66内的铁砂注入水下配重箱2。

为便于实时观察配重箱是否充满铁砂，以及实时观察吸力式重力基础的姿态，本吸力式重力基础的深水安装装置还包括用于获取所需图像的水下摄像监测机构9，其主要包括：辅助照明灯，摄像俯仰云台以及彩色摄像头，而在上述水下动力控制单元10中设有为水下摄像监测机构9提供能源的蓄电池和低压供电系统。

本发明的深水安装装置，其结构简单功能齐全，便于深水水域施工，确保了对吸力式重力基础安装的可靠性和安全性。

本发明还提供一种吸力式重力基础的深水安装方法，深水安装方法采用上述吸力式重力基础的深水安装装置进行安装，深水安装方法包括以下步骤：

A、采用施工母船4将吸力式重力基础3浮拖至目的地，见图5所示，在码头利用吊机将吸力式重力基础3吊装到水中，由于配重箱提供的浮力使基础漂浮在水面上，在施工母船4的牵拉作用下拖航到目的地即施工地点；

B、采用水下机械手抓住所述吸力式重力基础，向所述配重箱内注水，并且启动动力推进器协助将吸力式重力基础下沉至海底，吸力式重力基础的吸力桩依靠自重达到初始如泥条件，见图6所示；

C、采用吸力桩负压系统将吸力式重力基础上的吸力桩负压沉贯入泥，见图7所示；

D、采用铁砂注入系统向吸力式重力基础上的配重箱内注入铁砂，见图8所示，直至配重箱内填满铁砂，如图9所示，吸力式重力基础施工完毕的状态图。

本发明采用上述步骤可以将吸力式重力基础安装在深水区域内，该施工简单安全可靠。

见图6所示，步骤B中，吸力式重力基础3在运送至施工海域，从施工母船4上向吸力式重力基础3上的配重箱2内注水，随着水量的增加，吸力式重力基础3逐渐沉入水中，水下机械手抓住吸力式重力基础，上述安装装置中的水下设备随吸力式重力基础下沉，在下沉过程中，第一测量机构实时测量吸力式重力基础的位置坐标，并将所测得数据传送给水上控制系统，根据所监控的位置坐标，启动上述动力推进器调整吸力式重力基础的位置坐标，吸力式重力基础在自重作用下下沉，到达海底后，吸力式重力基础依靠自重达到初始入泥条件，吸力桩开始准备贯入施工。

见图7所示，步骤C，吸力桩负压系统松开水下机械手，并在动力推进器的作用下，启动水压自动锁紧机构，使吸力桩负压系统的水泵与吸力式重力基础的泵接口对接，然后开始吸力桩贯入施工，在吸力桩贯入施工过程中，通过水下监控系统5的第一测量机构实时测量吸力式重力基础的位置度、倾斜度、方位角，通过上述压力监测机构实时监测吸力桩的内、外压力，确保吸力桩的内部压力低于外部压力，调整各个吸力桩的注水和排水状态，改变吸力式重力基础安装的参数，安装数据及安装情况；并由水下监控系统5通过脐带信号缆传输到水面的施工母船上的水上控制系统8进行实时监控调整；吸力桩按照设计要求安装到海底后，松开水压自动锁紧机构，使吸力桩负压系统的水泵与吸力式重力基础的泵接口分开。

见图8所示，步骤D中，吸力桩式重力基础填充铁砂配重施工，吸力桩安装好后开始向配重箱内填充铁砂，首先从施工母船4上释放管道65，在水下机械手的协助下，管道65与配重箱的注砂口连接，启动施工母船上的高压空气压缩机64和铁砂输送机构62，开始填充铁砂施工，采用水下摄像监测机构实时拍摄配重箱排水口的图像，并将所测图像传输给所述水上控制系统，实时观察配重箱是否被填满。填充铁砂施工完成后，利用水下机械手拆除管道，进行回收。

高压空气压缩机64通过管道向水下的配重箱内以空气为载体输送铁砂，高压空气除了平衡海底水压，还要克服海水阻力及铁砂和海水与管道之间的摩擦阻力，由于水面施工母船4距离吸力式重力基础的海底较远，因此不能采用注浆配重，而是采用铁砂填充配重箱形成配重，因为太长的注浆管线和注浆时间容易使浆液没到海底就凝固。铁砂在海水中不会发生溶解、凝固、粘连等现象，可以在高压空气的吹送下沿管道到水下海底的配重箱2内，配重铁砂规格一般地在0.2-2.0mm，为了防止铁砂在高压空气的作用下从配重箱的排水口随水流一起排出，需要在配重箱2的排水口21加最小80目(0.180mm)的滤网，这样空气和水通过滤网排到配重箱2外，铁砂留在配重箱2内。

综上所述，本发明的深水用吸力式重力基础及其深水安装装置和深水安装方法，可以利用空的配重箱作为浮箱进行浮拖和就位，节省了大型浮吊和运输船只，通过向水下的配重箱填充铁砂增加配重，使吸力式重力基础在运输和安装施工方面简便易行，施工作业简便，节省了费用。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种吸力式重力基础的深水安装装置，其特征在于，所述吸力式重力基础（3）包括多个吸力桩（1）和置于所有吸力桩上的配重箱（2），配重箱（2）的顶部设有与配重箱相通的排水口（21）和注砂口（22），以及与所有吸力桩（1）相通的泵接口（11），所述吸力桩为上端封闭、下端开口的圆筒；所述配重箱在浮拖过程中作为浮箱用，而在吸力桩负压沉贯入泥后，所述配重箱从注砂口处向内注铁砂，形成配重，所述吸力式重力基础（3）的深水安装装置包括：

水下监控系统（5），包括测量所述吸力式重力基础水下运行姿态及位置的第一测量机构，测量所述吸力桩内压力和外压力的压力监测机构，以及控制所述吸力桩内水压的第一控制机构；

水下运作机构（7），包括在下沉过程中用于调整所述吸力式重力基础的姿态和位置的动力推进器，用于向所述吸力桩注水或排水的吸力桩负压系统，以及用于以辅助操作的水下机械手，所述吸力桩负压系统、水下机械手均与所述第一控制机构相连；

与所述水下运作机构（7）相连的水下动力控制单元（10），用于控制分配动力；

向所述配重箱内注入铁砂的铁砂注入系统（6）；

水上控制系统（8），与所述水下监控系统（5）、水下动力控制单元（10）和铁砂注入系统（6）相连，用于监测和控制所述水下监控系统（5）、水下动力控制单元（10）和铁砂注入系统（6）的运作。

2.根据权利要求1所述的吸力式重力基础的深水安装装置，其特征在于：所述第一测量机构包括用于测量所述吸力式重力基础的位置度、倾斜度和方位角的测量仪。

3.根据权利要求1所述的吸力式重力基础的深水安装装置，其特征在于：所述吸力桩负压系统包括水泵以及与水泵相连的换向阀。

4.根据权利要求1所述的吸力式重力基础的深水安装装置，其特征在于：所述水下运作机构（7）还包括用于将所述吸力桩负压系统与所述泵接口相连的水压自动锁紧机构。

5.根据权利要求1所述的吸力式重力基础的深水安装装置，其特征在于：所述铁砂注入系统（6）包括置于施工母船（4）上的铁砂罐（61）、与铁砂罐（61）相连的铁砂输送机构（62）和锥形储罐（66）、以及与所述锥形储罐（66）相连的管道（65），所述管道（65）还与空气压力容器（63）相连通，高压空气压缩机（64）通过空气压力容器（63）向管道（65）输送高压空气将锥形储罐（66）内的铁砂注入水下配重箱（2）。

6.根据权利要求1所述的吸力式重力基础的深水安装装置，其特征在于：所述吸力式重力基础（3）的深水安装装置还包括用于获取所需图像的水下摄像监测机构（9）。