CN105064402B - 一种水中悬浮隧道水下对接装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水中悬浮隧道水下对接装置及其应用，其特征是：设置一呈圆筒状的钢架，以其后半段套装并支撑在上节管上，在钢架的前半段的内侧壁上、处在不同的轴向位置上设置各道环绕钢轨和相贯通的轴向钢轨；多个可伸缩机械臂利用可旋转的滚轮支撑在轴向钢轨上，并能够在轴向钢轨及环绕钢轨中移动，利用成对设置的可伸缩机械臂对于下节管形成夹持；在对接管的外侧壁上沿轴向设置临时轨道，辊轮是支撑在临时轨道中，使对接管与钢架处在同轴位置上并能够相对轴向移动。本发明以半自动化的形式实现了水中悬浮隧道水下准确对接。

Description

一种水中悬浮隧道水下对接装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种水下隧道对接装置，特别涉及一种水中悬浮隧道水下对接安装装置及其应用。

背景技术

水中悬浮隧道，又称阿基米德桥，其通过结构的自重、浮力和锚固系统的共同作用维持在水中的平衡和稳定。水中悬浮隧道相比跨海大桥、沉管隧道等传统交通形式，是近几年来提出的一种新型交通概念。由于其自身所具有的经济性、环保性、抗震性和便捷性，注定水中悬浮隧道在未来将拥有十分广阔的应用前景。但是水中悬浮隧道这一交通概念涉及领域广泛，需要解决的技术难题尚多，因此目前世界上还未建成一座实用的水中悬浮隧道。而水下隧道管体对接这一难题，也是阻碍悬浮隧道实施的关键技术问题之一。

目前水下隧道管体对接技术主要运用于沉管隧道。虽然沉管隧道建设于海床之上，受到水流、波浪的影响较小，但要在海洋气候、海洋流体环境、海底地形地貌等各种复杂因素的影响下进行管段之间的精确对接也是非常困难的。

当前并没有一种针对水中悬浮隧道水下精准对接的施工技术。不同于沉管隧道，水中悬浮隧道通常位于水下十几米到三十米之间，除了受沉管隧道水下对接安装影响因素外，水流、波浪会导致悬浮隧道管体和安装起吊船舶的摆动，极大地增加了悬浮隧道管体水中对接的难度。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种水中悬浮隧道水下对接装置及其应用，以期能够以半自动化的形式实现水中悬浮隧道水下准确对接装置。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明水中悬浮隧道水下对接装置的结构特点是：令对接管为上节管和下节管，对接装置是在上节管和下节管之间进行对接操作；所述对接装置包括：

一呈圆筒状的钢架，所述钢架以其后半段套装在上节管的外周，并利用设置在后半段上的辊轮支撑在所述上节管的外周；在所述钢架的前半段的内侧壁上、处在不同的轴向位置上设置各道环绕钢轨，所述各道环绕钢轨是以钢架的中轴线为中心并具有相同的圆环半径R1；在所有环绕钢轨之间有轴向钢轨相贯通，所述轴向钢轨为以钢架轴线为对称中心的对称设置的两道；

多个可伸缩机械臂利用可旋转的滚轮支撑在所述轴向钢轨上，并能够利用滚轮在所述轴向钢轨及环绕钢轨中移动，所述可伸缩机械臂在以钢架轴线为对称中心的位置上成对设置，利用成对设置的可伸缩机械臂对于下节管形成夹持；

在所述对接管的外侧壁上沿轴向设置临时轨道，所述临时轨道贯通在所述上节管和下节管之间，所述辊轮是支撑在所述临时轨道中，并能够沿所述临时轨道进行轴向移动，使对接管与钢架处在同轴位置上并能够相对轴向移动。

本发明水中悬浮隧道水下对接装置的结构特点也在于：在所述下节管的外侧壁上，处在完成对接后的钢架的前端所在位置上设置有一临时定位弹性体，对应位置的钢架上设置定位槽，使完成对接后的钢架利用所述临时定位弹性体上获得定位；所述钢架的前端是指钢架的前半段所在的一端。

本发明水中悬浮隧道水下对接装置的结构特点也在于：所述环绕钢轨在轴向等距分布。

本发明水中悬浮隧道水下对接装置的结构特点也在于：所述可伸缩机械臂在前端为一能够与所述下节管的外侧壁相贴合的弧形压板，弧形压板的表面设置为防滑弹性垫层，所述弧形压板的支撑杆设置为液压可伸缩杆，滚轮与所述支撑杆可相对转动。

本发明水中悬浮隧道水下对接装置的结构特点也在于：在所述钢架的两端分别焊接有用于牵引的钢拉环。

本发明水中悬浮隧道水下对接装置的结构特点也在于：设置位置传感器，用于实时检测处在对接过程中的上节管和下节管之间的相对距离。

本发明水中悬浮隧道水下对接装置的结构特点也在于：所述位置传感器是由发射端和接收端构成，所述发射端和接收端分处在所述上节管和下节管的对接端。

利用本发明水中悬浮隧道水下对接装置实现水中悬浮隧道水下对接的方法是：

令：

钢架中前半段所在一端为前端，钢架中后半段所在一端为后端；

处在钢架中的各道环绕钢轨，其自钢架后端所在一侧朝向钢架的前段所在一侧依次为第一道环绕钢轨、第二道环绕钢轨…第n道第一道环绕钢轨，n为环绕钢轨的道数；

支撑在轴向钢轨中的可伸缩机械臂，其自钢架后端所在一侧朝向钢架的前段所在一侧的各成对的可伸缩机械臂依次为第一对可伸缩机械臂、第二对可伸缩机械臂…第n对可伸缩机械臂；

所述对接的方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1：将钢架利用其后半段中的辊轮支撑在上节管上，并使钢架的前半段在上节管的对接端呈悬伸；

步骤2：将下节管的对接端自钢架的前端导入，第一对可伸缩机械臂伸长并夹持下节管，利用外力向钢架后端方向推进下节管以及第一对可伸缩机械臂；

步骤3：当第一对可伸缩机械臂沿轴向钢轨达到第n-1道环绕钢轨时，第二对可伸缩机械臂伸长并夹持下节管，利用外力继续向钢架后端方向推进下节管、第一对可伸缩机械臂以及第二对可伸缩机械臂；直至第一对可伸缩机械臂达到第一道环绕钢轨所在位置、第二对可伸缩机械臂达到第二道环绕钢轨…当第n对可伸缩机械臂达到第n道环绕钢轨时，完成下节管的轴向移动；使第一对可伸缩机械臂对应处在第一道环绕钢轨中、第二对可伸缩机械臂对应处在第二道环绕钢轨中…第n对可伸缩机械臂对应处在第n道环绕钢轨中；

步骤4：利用外力转动下节管，调整下节管与上节管处在相同的圆心角上，在下节管与上节管的对接端完成对接；

步骤5：收回各可伸缩机械臂，利用临时轨道和辊轮将钢架移动至下节管上，继续后续各管段的对接安装。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明运用机械化方法固定和传送隧道管段，克服了天气、水流、波浪等不利因素对于水下悬浮隧道对接作业的影响，防止悬浮隧道管体和安装起吊船舶的摆动，保证对接施工的顺利进行。

2、本发明中对接装置采用轻质、易安装的钢架结构，其与水中悬浮隧道外壁布设的轨道相结合，通过船舶力、机械力等外加动力向前、向后牵引，实现双向运动，解决了一次对接失败后调整困难的问题。

3、本发明可实现在悬浮隧道外壁上连续推进、重复利用，极大地提升施工进度，降低施工成本。

4、本发明利用位置传感器进行位置检测，配合设置控制系统，对于伸缩臂的伸缩动作和支撑杆的旋转动作实现自动控制，实现对接过程的半自动化操作模式，较大地减少了人工水下作业，保证了安全施工，并大大缩短工期。

附图说明

图1为本发明中钢架结构示意图；

图2为本发明中隧道初始沉放示意图；

图3为本发明中上管节及其外周钢架结构示意图；

图4为本发明中下管节及其外周钢架结构示意图；

图5a为本发明中下管节未进行旋转定位时的横截面示意图；

图5b为本发明中下管节完成定位后的横截面示意图；

图6a为本发明中机械臂位于轴向钢轨时的结构示意图；

图6b为本发明中机械臂位于环绕钢轨上的结构示意图；

图中标号：1a下管节，1b上管节，2钢架，3临时轨道，4钢拉环，5机械臂，5a滚轮，5b支撑杆，5c弧形压板，5d弹性垫层，6轴向钢轨，7环绕钢轨，8辊轮，9卡槽，10临时定位弹性体，11定位槽。

具体实施方式

如图3和图4所示,本实施例中，对接管为上节管1b和下节管1a，对接装置是在上节管1b和下节管1a之间进行对接操作，水中悬浮隧道水下对接装置是包括：

一呈圆筒状的钢架2，如图1所示，为了防止海洋环境腐蚀结构，钢架2所有暴露表面均涂覆有聚氨酯防腐涂层；所述钢架2内径大于管节外径1～2米，轴向长度为20～30米，以其后半段套装在上节管1b的外周，并利用设置在后半段上的辊轮8支撑在所述上节管1b的外周；在所述钢架2的前半段的内侧壁上、处在不同的轴向位置上设置各道环绕钢轨7，所述各道环绕钢轨7是以钢架2的中轴线为中心并具有相同的圆环半径R1；在所有环绕钢轨7之间有轴向钢轨6相贯通，所述轴向钢轨6为以钢架轴线为对称中心的对称设置的两道，首尾各缩进0.3～0.5米；

如图4所示，多个可伸缩机械臂5利用可旋转的滚轮5a支撑在所述轴向钢轨6上，并能够利用滚轮5a在所述轴向钢轨6及环绕钢轨7中移动，所述可伸缩机械臂5在以钢架轴线为对称中心的位置上成对设置，利用成对设置的可伸缩机械臂5对于下节管1a形成夹持。

如图2和图3所示，在所述对接管的外侧壁上沿轴向设置临时轨道3，所述临时轨道3采用玻璃纤维和陶瓷增韧的环氧树脂材料并贯通在所述上节管1b和下节管1a之间，所述辊轮8是支撑在所述临时轨道3上，并能够沿所述临时轨道进行轴向移动，使对接管与钢架2处在同轴位置上并能够相对轴向移动。本实施例中，在临时轨道3上的固定位置设置有卡槽9，在钢架2到达指定位置时，由潜水员于辊轮8前后卡槽9内插入临时档板，阻止辊轮8的滑动，实现定位。所述辊轮8在钢架2后半段至少设置为相互平行的两组，每组至少设置两个，以实现相互约束，防止钢架2在较大流速下发生移动和倾覆。本实施例中，辊轮8设置为两组，每组三个辊轮8之间夹角为120°。

如图5a和图5b所示，本实施例中在所述下节管1a的外侧壁上，处在完成对接后的钢架2的前端所在位置上设置有一天然橡胶的临时定位弹性体10，对应位置的钢架2上设置一边长为0.3～0.5米的立方体定位槽11，使完成对接后的钢架2利用所述临时定位弹性体10上获得定位；所述钢架2的前端是指钢架2的前半段所在的一端。临时定位弹性体10具有弹性大的特点，在下管节1a运动至对接位置后，可通过人工作业使其呈压缩状态，当定位弹性体10旋转至定位槽11时，将产生弹力释放，卡入定位槽11内，经过潜水员观察，即可确定管段1对接处的定位情况。

如图1，环绕钢轨7在轴向等距分布，间距为2～3米。

参见图6a和图6b，可伸缩机械臂5在前端为一能够与所述下节管1a的外侧壁相贴合的弧形压板5c，弧形压板5c的表面设置为防滑弹性垫层5d，并在所述弧形压板5c的支撑杆5b设置为液压可伸缩杆，滚轮5a与所述支撑杆5b可相对90°转动。可伸缩机械臂5由陆上计算机控制伸缩和转动，结合外力推送管节运动，以实现固定管节和径向定位的目的，通过推送和旋转实现精确对接。

如图1所示，在所述钢架2的两端分别焊接有用于牵引的钢拉环4。

为了实现自动控制，本实施例中设置位置传感器，用于实时检测处在对接过程中的上节管1b和下节管1a之间的相对距离；位置传感器采用超声波传感器，是由发射端和接收端构成，所述发射端和接收端分处在所述上节管1b和下节管1a的对接端。位置传感器通过采集对接管段间的距离数据并传送给计算机终端，通过计算机进行数据分析后，控制可伸缩机械臂5的伸缩和转动。

参见图1，令：

钢架2中前半段所在一端为前端，钢架2中后半段所在一端为后端；

处在钢架2中的各道环绕钢轨7，其自钢架2后端所在一侧朝向钢架2的前段所在一侧依次为第一道环绕钢轨、第二道环绕钢轨…第n道第一道环绕钢轨，n为环绕钢轨7的道数；

支撑在轴向钢轨6中的可伸缩机械臂5，其自钢架2后端所在一侧朝向钢架2的前段所在一侧的各成对的可伸缩机械臂5依次为第一对可伸缩机械臂、第二对可伸缩机械臂…第n对可伸缩机械臂；

如图3和图4所示，本实施例中对接装置实现水中悬浮隧道水下对接的方法是按如下步骤进行：

步骤1：将钢架2利用其后半段中的辊轮8支撑在上节管1b上，并使钢架2的前半段在上节管1b的对接端呈悬伸；

步骤2：将下节管1a的对接端自钢架2的前端导入，第一对可伸缩机械臂伸长并夹持下节管1a，利用外力向钢架后端方向推进下节管1a以及第一对可伸缩机械臂；

步骤3：位置感应器可实现距离数据采集并传送给计算机终端，当第一对可伸缩机械臂沿轴向钢轨达到第n-1道环绕钢轨时，第二对可伸缩机械臂伸长并夹持下节管1a，利用外力继续向钢架后端方向推进下节管1a、第一对可伸缩机械臂以及第二对可伸缩机械臂；直至第一对可伸缩机械臂达到第一道环绕钢轨所在位置、第二对可伸缩机械臂达到第二道环绕钢轨…当第n对可伸缩机械臂达到第n道环绕钢轨时，完成下节管1a的轴向移动；使第一对可伸缩机械臂对应处在第一道环绕钢轨中、第二对可伸缩机械臂对应处在第二道环绕钢轨中…第n对可伸缩机械臂对应处在第n道环绕钢轨中；

步骤4：当两对接管段间距离为0.3～0.5米时，由潜水员将临时定位弹性体10垂直压缩至钢架结构2框架内，并进行观察。利用外力转动下节管1a，调整下节管1a与上节管1b处在相同的圆心角上，当临时定位弹性体10运动至定位槽11内，将发生弹性释放并固定。此时快速拆除位置传感器并通过外力向后牵引钢架2，即可在下节管1a与上节管1b的对接端完成对接；

步骤5：收回各可伸缩机械臂，利用临时轨道3和辊轮8将钢架2移动至下节管1a上，继续后续各管段的对接安装。

上述外力可由船舶、机械等海上施工作业设备提供。

具体实施中，如图2所示，在陆上预制好管段之后进行首节陆上对接，同时安装临时轨道3和位置传感器并在两段管节上同时套装两个钢架2，随后进行沉放。对接工作可根据沉放的两段管节向左、向右同时进行，大大节约施工时间。本发明中的对接装置主要可用于偏差在20～50公分的对接管段。

在完成一次对接后，只需拆除下管节1a上的临时定位弹性体10，便可通过外力进行钢架2的连续推进。所有用于临时安装的螺栓孔和卡槽9均在陆上完成定位预设，可实现临时安装件的水下快速安装和拆卸。

本实施例是以水中悬浮隧道为模型，相应的结构设置也可以是沉管隧道、海洋石油、天然气运输管道等长细结构。

Claims (6)

1.一种水中悬浮隧道水下对接装置，其特征是：令对接管为上节管(1b)和下节管(1a)，对接装置是在上节管(1b)和下节管(1a)之间进行对接操作；所述对接装置包括：

一呈圆筒状的钢架(2)，所述钢架(2)以其后半段套装在上节管(1b)的外周，并利用设置在后半段上的辊轮(8)支撑在所述上节管(1b)的外周；在所述钢架(2)的前半段的内侧壁上、处在不同的轴向位置上设置各道环绕钢轨(7)，所述各道环绕钢轨(7)是以钢架(2)的中轴线为中心并具有相同的圆环半径R1；在所有环绕钢轨(7)之间有轴向钢轨(6)相贯通，所述轴向钢轨(6)为以钢架轴线为对称中心的对称设置的两道；

多个可伸缩机械臂(5)利用可旋转的滚轮(5a)支撑在所述轴向钢轨(6)上，并能够利用滚轮(5a)在所述轴向钢轨(6)及环绕钢轨(7)中移动，所述可伸缩机械臂(5)在以钢架轴线为对称中心的位置上成对设置，利用成对设置的可伸缩机械臂(5)对于下节管(1a)形成夹持；

在所述对接管的外侧壁上沿轴向设置临时轨道(3)，所述临时轨道(3)贯通在所述上节管(1b)和下节管(1a)之间，所述辊轮(8)是支撑在所述临时轨道(3)中，并能够沿所述临时轨道进行轴向移动，使对接管与钢架(2)处在同轴位置上并能够相对轴向移动。

2.根据权利要求1所述的水中悬浮隧道水下对接装置，其特征是：在所述下节管(1a)的外侧壁上，处在完成对接后的钢架(2)的前端所在位置上设置有一临时定位弹性体(10)，对应位置的钢架(2)上设置定位槽(11)，使完成对接后的钢架(2)利用所述临时定位弹性体(10)上获得定位；所述钢架(2)的前端是指钢架(2)的前半段所在的一端。

3.根据权利要求1所述的水中悬浮隧道水下对接装置，其特征是：所述环绕钢轨(7)在轴向等距分布。

4.根据权利要求1所述的水中悬浮隧道水下对接装置，其特征是：所述可伸缩机械臂(5)在前端为一能够与所述下节管(1a)的外侧壁相贴合的弧形压板(5c)，弧形压板(5c)的表面设置为防滑弹性垫层(5d)，所述弧形压板(5c)的支撑杆(5b)设置为液压可伸缩杆，滚轮(5a)与所述支撑杆(5b)可相对转动。

5.根据权利要求1所述的水中悬浮隧道水下对接装置，其特征是：在所述钢架(2)的两端分别焊接有用于牵引的钢拉环(4)。

6.根据权利要求1所述的水中悬浮隧道水下对接装置，其特征是：设置位置传感器，用于实时检测处在对接过程中的上节管(1b)和下节管(1a)之间的相对距离；所述位置传感器是由发射端和接收端构成，所述发射端和接收端分处在所述上节管(1b)和下节管(1a)的对接端。