CN109853576A - 智能调节的碎石基床整平溜管系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能调节的碎石基床整平溜管系统及方法，包括溜管，在溜管的底部设有出料口调节装置，所述的出料口调节装置中，出料口套筒与第二溜管活动套接，在第二溜管的外壁设有多个向外伸出的上固定架，出料口套筒的外壁相应设有多个向外伸出的下固定架，上固定架与下固定架之间设有倾角调节油缸。出料口套筒或下固定架上还设有第一倾角传感器。根据第一倾角传感器的反馈，调节各个倾角调节油缸，使出料口套筒的底部出料口与泥地之间平行；通过采用带有上固定架、下固定架和倾角调节油缸的结构，除了能够调节溜管出料口的高程，还能够调节溜管出料口的倾角，保证出料口与泥面平齐，从而保证石料铺设的精度。

Description

智能调节的碎石基床整平溜管系统及方法

技术领域

本发明涉及水下工程施工领域，特别是一种智能调节的碎石基床整平溜管系统及方法。

背景技术

沉管法是在水底建筑隧道的一种施工方法。沉管隧道就是将若干个预制段分别浮运到海面（河面）现场，并一个接一个地沉放安装在已疏浚好的基槽内，以此方法修建的水下隧道。为避免基础局部高点，沉管底板受力均匀，底板和地基间设计高精度整平的碎石垫层作为基床，需整平精度很高的专用碎石垫层铺设船进行施工。

具有代表性的船舶是DEME公司集团旗下的动态定位直落管式抛石船“FLINTSTONE”，它是世界上最大的抛石船。该船采用DP/DT动态定位，不需拖船协助，可在邻近平台结构500米范围内操作，作业水深可达2000m。其抛石管系统具有主动升降补偿ROV的测量系统，包括多波束、回声测深仪和联机处理系统，被认为是业内最先进。但是浮式动态抛石船的定位精度难以达到cm级，船舶行进方向和抛石管的横向移动很难准确形成如Z型垫层。通常仅适用于石油平台的防护、大型海上风电基础和海底电缆的抛石保护等对表层精度要求不高的项目，不适用于沉管基床铺设。

在韩国Busan-Geoje隧道施工中采用了更为先进的支撑平台式抛石整平船“KUS-ISLAND”[该整平船集成了碎石抛设、整平和检测功能，实质上融合支撑平台结构和带补偿装置的抛石管系统，并配套开发施工管理系统，平台式铺设船由于平台升离水面，作业时船体基本不受波、浪、流影响；在海况条件好时也可以漂浮状态整平，适应作业环境能力强。抛石管管理系统能准确检测并控制布料管出料口的高程和位置，整平精度高。“KUS-ISLAND”在釜山隧道实测铺设综合精度，累加高程和平整度，达到±40mm。该方法的缺点是造价极其昂贵，且桩腿需要插入隧道基床沟槽范围内，对地基有一定的破坏作用。

中国专利文献CN107489154A记载了一种深海基床整平施工方法，通过船体的移动实现抛石，存在的问题是，船体在移动过程中受到海浪的影响，施工精度不高。中国专利文献CN203270585U记载了一种抛石整平装置，其中记载了通过液压缸控制平衡管反复伸缩进行行程调节的方案，但是由于受水流和风浪的影响，抛石管保持竖直是困难的，在说明书中虽然记载了倾斜计，但是并未记载如何根据倾斜程度修正抛石管的倾斜程度来确保基床的平面度。进一步的，由于液压缸位于水下，且每个液压缸都有进油和回油管，对多个液压缸进行精确控制是非常困难的，较多液压油管使抛石管的升降控制非常麻烦。中国专利文献CN 208328938 U记载了实质上相同的结构，也存在相同的技术问题。更进一步的，上述文件还记载了利用整平头去刮平基床，但是随着抛石管的长度增加，抛石管的弯曲变形增大，该方案变的不可行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种智能调节的碎石基床整平溜管系统及方法，能够方便地调节溜管底部出料口的高程和倾角，从而进一步提高碎石基床的摊铺精度，优选的方案中，能够对溜管底部出料口的高程和倾角分别进行调节，以提高控制精度，能够减少对位于水下的液压缸的控制难度，尤其是能够减少复杂的控制管路，能够不依赖溜管自身的刚度，实现对碎石基床的整平。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种智能调节的碎石基床整平溜管系统，包括溜管，在溜管的底部设有出料口调节装置，所述的出料口调节装置中，出料口套筒与第二溜管活动套接，在第二溜管的外壁设有多个向外伸出的上固定架，出料口套筒的外壁相应设有多个向外伸出的下固定架，上固定架与下固定架之间设有倾角调节油缸。

优选的方案中，出料口套筒或下固定架上还设有第一倾角传感器。

优选的方案中，在下固定架的底部设有距离传感器，用于检测出料口套筒到基床底部的距离。

优选的方案中，所述的下固定架为四个，上固定架、距离传感器和倾角调节油缸的数量相应为四个；

在出料口套筒的外壁设有振动装置。

优选的方案中，倾角调节油缸两端的油口与倾角换向阀连接，倾角换向阀分别与进油管和回油管连接，进油管上设有第二流量阀和第二单向阀；

多个进油管与多位分配电磁阀连接，多位分配电磁阀与供油管连接。

优选的方案中，所述的溜管为互相套接的第一溜管和第二溜管；

第一溜管与第二溜管可升降的连接，出料口调节装置设置在第二溜管的底部；

第一溜管被限制上下位置的固定连接，第一溜管的顶部设有送料口，用于与输送带连接进行供料，在送料口的周围固设有多个卷扬装置，卷扬装置的钢丝绳端头与第二溜管连接。

优选的方案中，在第二溜管上固设有伸缩固定装置，伸缩固定装置的固定支架与第二溜管固定连接，固定支架上固设有一个或多个固定缸，固定缸的活塞杆前端设有夹片，夹片穿过第二溜管与第一溜管的外壁接触，用于固定第二溜管。

优选的方案中，固定缸内设有复位弹簧，固定缸的油口通过管路与进油管和第一回油管连接，进油管和回油管与换向电磁阀连接，换向电磁阀与供油管和第二回油管连接；

在进油管上设有第一流量阀和第一单向阀；

在管路上设有压力传感器；

所述的换向电磁阀有两位，每位均有连通通路和截止位，两位中的连通通路和截止位位置相反。

优选的方案中，在第一溜管上还设有石料检测装置，用于检测石料的装料高度；

在第一溜管上还设有GPS定位装置；

在第一溜管的外壁还设有全站仪棱镜。

一种采用上述的智能调节的碎石基床整平溜管系统的方法，包括以下步骤：

S1、溜管为互相套接的第一溜管和第二溜管，在第二溜管上固设有伸缩固定装置，在船体就位后，伸缩固定装置将第二溜管松开，启动卷扬装置下放第二溜管，根据距离传感器的反馈使第二溜管的底部与泥地之间的距离达到预设值；

S2、根据第一倾角传感器的反馈，调节各个倾角调节油缸，使出料口套筒的底部出料口与泥地之间平行；

S3、将石料送入到第一溜管的送料口，通过第一溜管上的石料检测装置的反馈控制石料的高度；

S4、溜管沿着预设路径行走，溜管内的石料落下，摊铺形成碎石基床，在摊铺的过程中，通过第一倾角传感器和/或距离传感器的反馈对倾角调节油缸进行微调，通过石料检测装置的反馈控制送料以保持石料在溜管内的高度；

通过以上步骤，实现碎石基床的精确施工。

本发明提供的一种智能调节的碎石基床整平溜管系统及方法，通过采用带有上固定架、下固定架和倾角调节油缸的结构，除了能够调节溜管出料口的高程，还能够调节溜管出料口的倾角，以使出料口与泥地的距离在设定值内，同时能够在溜管产生倾斜的情况下，调节出料口的角度，保证出料口与泥面平齐并且保证出料口与泥面的距离保持固定值，从而保证石料铺设的精度。通过采用的第一溜管与第二溜管套接的结构，配合卷扬装置和伸缩固定装置，能够方便的调整整个溜管的长度，以精确控制碎石基床的厚度。溜管内设置有石料检测装置，保证石料的量一定，从而保证出料口的石料对地压力一致，可以保证石料铺设的精度。溜管可通过卷扬装置控制伸缩，随时可根据水深的变化进行调节。通过设置在出料口套筒的振动装置，能够通过振动将碎石基床整平，而无需依赖溜管自身的刚度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明中溜管和出料口调节装置的结构示意图。

图2为本发明的整体结构主视示意图。

图3为本发明的整体结构俯视示意图。

图4为本发明的侧视结构示意图。

图5为本发明中出料口调节装置的俯视图。

图6为本发明中伸缩固定装置的俯视图。

图7为本发明中固定缸的液压驱动结构示意图。

图8为本发明中倾角调节油缸的液压驱动结构示意图。

图中：第一溜管1，石料检测装置101，全站仪棱镜102，GPS定位装置103，第二溜管2，船体3，轨道31，驱动装置32，出料口调节装置4，上固定架41，倾角调节油缸42，倾角换向阀421，第二流量阀422，第二单向阀423，多位分配电磁阀424，压力缓冲罐425，下固定架43，距离传感器44，第一倾角传感器45，出料口套筒46，振动装置47，定位桩5，定位桩锁定装置51，伸缩固定装置6，固定支架61，固定缸62，压力传感器621，第一流量阀622，第一单向阀623，换向电磁阀624，碎石基床7，送料口8，第二输送带9，绞车10，卷扬装置的钢丝绳11，第一输送带12，运送小车13，卷扬装置14。

具体实施方式

实施例1：

如图1~5中，一种智能调节的碎石基床整平溜管系统，包括溜管，在溜管的底部设有出料口调节装置4，所述的出料口调节装置4中，出料口套筒46与第二溜管2活动套接，在第二溜管2的外壁设有多个向外伸出的上固定架41，出料口套筒46的外壁相应设有多个向外伸出的下固定架43，上固定架41与下固定架43之间设有倾角调节油缸42。由此结构，由于上固定架41和下固定架43向外伸出一段距离，使出料口套筒46具有较长的摆臂，通过倾角调节油缸42的伸缩，能够巧妙的同时调节出料口的高程和倾角。

优选的方案如图1中，出料口套筒46或下固定架43上还设有第一倾角传感器45。通过第一倾角传感器45的反馈来调节出料口的倾角以和预设值一致。本例中的第一倾角传感器45采用具有X、Y轴的倾角传感器，以实现基于X、Y轴平面的倾角调节。

优选的方案如图1中，在下固定架43的底部设有距离传感器44，用于检测出料口套筒46到基床底部的距离。

优选的方案中，所述的下固定架43为四个，上固定架41、距离传感器44和倾角调节油缸42的数量相应为四个。由此方案，在摊铺过程中，通过对四个距离传感器44的运算，配合倾角传感器辅助，能够精确控制碎石基床7的摊铺高度和倾角。

优选的方案中，在出料口套筒46的外壁设有振动装置47。振动装置47的结构为：出料口套筒46的外壁设有液压马达，液压马达与偏心块连接，以通过振动方式，更好的将碎石基床7整平，进一步优选的，振动装置47在出料口套筒46的外壁沿着圆周相距90度布置，以通过控制实现圆形、椭圆形或直线振动，进一步提高整平效率。设置的振动装置47使碎石基床7的整平无需依赖溜管自身的刚度，尤其是溜管采用可伸缩的结构，且第一溜管1与第二溜管2之间具有较大间隙的工况下，本发明的方案具有更大的优势。

优选的方案如图8中，倾角调节油缸42两端的油口与倾角换向阀421连接，倾角换向阀421分别与进油管和回油管连接，进油管上设有第二流量阀422和第二单向阀423；优选的，本例中的倾角换向阀421被固设在倾角调节油缸42的缸体外壁，以减少管路长度。

多个进油管与多位分配电磁阀424连接，多位分配电磁阀424与供油管连接。本例中的分配电磁阀424采用五位电磁阀，在每位设有定位装置，以使阀芯定位，五个工作位置中，两侧为四个直通位，中间一个截止位。由此结构，能够大幅减少管路的数量，将原本的8根管路减少为2根。在供油管上还设有压力缓冲罐425，以提供波动较小的液压油，提高控制精度。

优选的方案如图1、2中，所述的溜管为互相套接的第一溜管1和第二溜管2；

第一溜管1与第二溜管2可升降的连接，出料口调节装置4设置在第二溜管2的底部；

第一溜管1被限制上下位置的固定连接，第一溜管1的顶部设有送料口8，用于与输送带连接进行供料，在送料口8的周围固设有多个卷扬装置14，卷扬装置14的钢丝绳端头与第二溜管2连接。由此结构，将溜管的伸缩与倾角调节的功能分离，在卷扬装置14主要调节第二溜管2的升降高程，而在出料口调节装置4则主要调节出料口的倾角，以大幅减少调节难度，便于实现自动控制。

优选的方案如图6中，在第二溜管2上固设有伸缩固定装置6，伸缩固定装置6的固定支架61与第二溜管2固定连接，固定支架61上固设有一个或多个固定缸62，固定缸62的活塞杆前端设有夹片，夹片穿过第二溜管2与第一溜管1的外壁接触，用于固定第二溜管2。由于第二溜管2的自重较重，仅靠卷扬装置的钢丝绳11固定，容易受到钢丝绳自身弹性变形的影响，从而影响摊铺精度。设置的伸缩固定装置6减少了钢丝绳变形带来的的影响。

优选的方案中，固定缸62内设有复位弹簧，固定缸62的油口通过管路与进油管和第一回油管连接，进油管和回油管与换向电磁阀624连接，换向电磁阀624与供油管和第二回油管连接；

在进油管上设有第一流量阀622和第一单向阀623，第一单向阀623只能单向进油；

在管路上设有压力传感器621；

所述的换向电磁阀624有两位，每位均有连通通路和截止位，两位中的连通通路和截止位位置相反。由此结构，通过换向电磁阀624的锁紧和松开，且油路简单，能够大幅减少管路，降低故障几率。本例中通过压力传感器621来控制固定缸62的夹持力，采用第一单向阀623实现持力。

优选的方案中，在第一溜管1上还设有石料检测装置101，用于检测石料的装料高度；保证石料的量一定，从而保证出料口的石料对地压力一致，以保证石料铺设的精度。

在第一溜管1上还设有GPS定位装置103；由此方案，用于确定第一溜管1在水平面上的空间位置。

在第一溜管1的外壁还设有全站仪棱镜102。由此方案，用于以更高的精度确定第一溜管1的空间位置。

实施例2：

一种采用上述的智能调节的碎石基床整平溜管系统的方法，包括以下步骤：

S1、溜管为互相套接的第一溜管1和第二溜管2，在第二溜管2上固设有伸缩固定装置6，在船体3就位后，伸缩固定装置6将第二溜管2松开，启动卷扬装置14下放第二溜管2，根据距离传感器44的反馈使第二溜管2的底部与泥地之间的距离达到预设值；

S2、根据第一倾角传感器45的反馈，调节各个倾角调节油缸42，使出料口套筒46的底部出料口与泥地之间平行；

S3、将石料送入到第一溜管1的送料口8，通过第一溜管1上的石料检测装置101的反馈控制石料的高度；

S4、溜管沿着预设路径行走，溜管内的石料落下，摊铺形成碎石基床7，在摊铺的过程中，通过第一倾角传感器45和/或距离传感器44的反馈对倾角调节油缸42进行微调，通过石料检测装置101的反馈控制送料以保持石料在溜管内的高度；优选的，本发明中设有四个距离传感器44，通常在摊铺过程中，至少有一个距离传感器44会检测到泥地的距离，至少一个检测到碎石基床7的距离，在此状态下，对二者的数据求差，即可获得碎石基床7的摊铺高度数据，以通过控制倾角调节油缸42的伸缩进行微调。溜管通常采用“Z”字形行走方式，往复摊铺，在摊铺了至少一行碎石基床7后，此时，两个距离传感器44会检测到泥地的距离，对获得数据求差，即可得到出料口是否存在倾斜的数据，然后以第一倾角传感器45进一步验证，并通过控制倾角调节油缸42的伸缩进行微调。而另两个距离传感器44会检测到碎石基床7之间的距离，对获得数据求差，可判断是否需要启动整平操作，若是，则启动振动装置47对碎石基床7的表面进行整平，直至符合设计要求。

通过以上步骤，实现碎石基床的精确施工。

实施例3：

采用本发明的应用场景，如图2~4中，整个抛石整平系统的结构，包括船体3，在船体3周围设有多个可升降的定位桩5，还设有运送小车13，运送小车13由驱动装置驱动沿着船体3滑动，在运送小车13上设有溜管，溜管的顶端设有送料口8，溜管的底端靠近河底；通过运送小车13的运动，带动溜管滑动，在一个施工段内，能够不移动船体，通过溜管的往复移动，实现碎石基床7的高效率和高精度铺设施工。

还设有至少一条为运送小车13供料的输送带。优选的，输送带为两条，能够实现连续的供料。

船体通过绞车移动至设计位置，将定位桩5下放插入泥土中，定位桩锁定装置51将定位桩5锁定，定位桩提高施工过程中船体的稳定性，能够抵抗水流力、溜管刮铲所带来的水平力，同时提供部分支撑力可以让船体的吃水深度保持一定，不受载荷，即运送小车13和溜管的移动带来的变化。

利用GPS/北斗系统定位溜管在水平面的位置，让溜管准确到起始抛石位置，通过控制倾角调节油缸42的伸缩调整溜管最下端出料口的水平度，通过卷扬装置14带动第二溜管2的升降，以保障出料口的标高是准确的，出料口是水平的。位置确定后，启动伸缩固定装置6将第二溜管2固定。启动第一输送带12和第二输送带9，往溜管内灌入一定的石料，当石料达到设定的高度时，开启绞车10驱动运送小车13，带动溜管沿船体3的一侧滑动，使石料从溜管下方缓慢流出，形成碎石垄带，即碎石基床7。同时施工过程中通过石料检测装置101，若发现溜管内石料过少，及时进行自动补充石料。当前一条碎石带铺设完毕后，四条定位桩5全部升起，通过锚缆或者拖轮移动船舶，船舶保持平稳的移动，船舶移动并定位好后，进行下一条碎石基床7的铺设。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能调节的碎石基床整平溜管系统，包括溜管，其特征是：在溜管的底部设有出料口调节装置（4），所述的出料口调节装置（4）中，出料口套筒（46）与第二溜管（2）活动套接，在第二溜管（2）的外壁设有多个向外伸出的上固定架（41），出料口套筒（46）的外壁相应设有多个向外伸出的下固定架（43），上固定架（41）与下固定架（43）之间设有倾角调节油缸（42）。

2.根据权利要求1所述的一种智能调节的碎石基床整平溜管系统，其特征是：出料口套筒（46）或下固定架（43）上还设有第一倾角传感器（45）。

3.根据权利要求1或2所述的一种智能调节的碎石基床整平溜管系统，其特征是：在下固定架（43）的底部设有距离传感器（44），用于检测出料口套筒（46）到基床底部的距离。

4.根据权利要求3所述的一种智能调节的碎石基床整平溜管系统，其特征是：所述的下固定架（43）为四个，上固定架（41）、距离传感器（44）和倾角调节油缸（42）的数量相应为四个；

在出料口套筒（46）的外壁设有振动装置（47）。

5.根据权利要求4所述的一种智能调节的碎石基床整平溜管系统，其特征是：倾角调节油缸（42）两端的油口与倾角换向阀（421）连接，倾角换向阀（421）分别与进油管和回油管连接，进油管上设有第二流量阀（422）和第二单向阀（423）；多个进油管与多位分配电磁阀（424）连接，多位分配电磁阀（424）与供油管连接。

6.根据权利要求1或4所述的一种智能调节的碎石基床整平溜管系统，其特征是：所述的溜管为互相套接的第一溜管（1）和第二溜管（2）；

第一溜管（1）与第二溜管（2）可升降的连接，出料口调节装置（4）设置在第二溜管（2）的底部；第一溜管（1）被限制上下位置的固定连接，第一溜管（1）的顶部设有送料口（8），用于与输送带连接进行供料，在送料口（8）的周围固设有多个卷扬装置（14），卷扬装置（14）的钢丝绳端头与第二溜管（2）连接。

7.根据权利要求6所述的一种智能调节的碎石基床整平溜管系统，其特征是：在第二溜管（2）上固设有伸缩固定装置（6），伸缩固定装置（6）的固定支架（61）与第二溜管（2）固定连接，固定支架（61）上固设有一个或多个固定缸（62），固定缸（62）的活塞杆前端设有夹片，夹片穿过第二溜管（2）与第一溜管（1）的外壁接触，用于固定第二溜管（2）。

8.根据权利要求7所述的一种智能调节的碎石基床整平溜管系统，其特征是：固定缸（62）内设有复位弹簧，固定缸（62）的油口通过管路与进油管和第一回油管连接，进油管和回油管与换向电磁阀（624）连接，换向电磁阀（624）与供油管和第二回油管连接；在进油管上设有第一流量阀（622）和第一单向阀（623）；

在管路上设有压力传感器（621）；所述的换向电磁阀（624）有两位，每位均有连通通路和截止位，两位中的连通通路和截止位位置相反。

9.根据权利要求6所述的一种智能调节的碎石基床整平溜管系统，其特征是：在第一溜管（1）上还设有石料检测装置（101），用于检测石料的装料高度；在第一溜管（1）上还设有GPS定位装置（103）；在第一溜管（1）的外壁还设有全站仪棱镜（102）。

10.一种采用权利要求1~9任一项所述的智能调节的碎石基床整平溜管系统的方法，其特征是包括以下步骤：S1、溜管为互相套接的第一溜管（1）和第二溜管（2），在第二溜管（2）上固设有伸缩固定装置（6），在船体（3）就位后，伸缩固定装置（6）将第二溜管（2）松开，启动卷扬装置（14）下放第二溜管（2），根据距离传感器（44）的反馈使第二溜管（2）的底部与泥地之间的距离达到预设值；S2、根据第一倾角传感器（45）的反馈，调节各个倾角调节油缸（42），使出料口套筒（46）的底部出料口与泥地之间平行；S3、将石料送入到第一溜管（1）的送料口（8），通过第一溜管（1）上的石料检测装置（101）的反馈控制石料的高度；S4、溜管沿着预设路径行走，溜管内的石料落下，摊铺形成碎石基床（7），在摊铺的过程中，通过第一倾角传感器（45）和/或距离传感器（44）的反馈对倾角调节油缸（42）进行微调，通过石料检测装置（101）的反馈控制送料以保持石料在溜管内的高度；通过以上步骤，实现碎石基床的精确施工。