CN110541419A - 水下混凝土灌注的机械化施工方法及施工平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下混凝土灌注领域，具体涉及水下混凝土灌注的机械化施工方法及施工平台。水下混凝土灌注的机械化施工方法包括测试工作，密闭测试和清孔工作，二次测试工作，水下混凝土灌注；施工平台包括回转平台上设有操控室、通风系统和动力系统，操作室内安装有智能探测系统主机；回转平台与桅杆连接，桅杆上的主绳与伸缩导管连接，套管提降器套在伸缩导管上，伸缩导管分别与设置在回转平台上的混凝土输送泵和泥浆泵连通，设置在回转平台侧面的自动导线卷轴连接智能探测器。目前灌注工艺存在安全隐患大、消耗人工和设备多、施工效率低等问题。本发明提供一种具备快速安全、灌注质量高的水下混凝土灌注的机械化施工方法和施工平台。

Description

水下混凝土灌注的机械化施工方法及施工平台

技术领域

本发明涉及水下混凝土灌注领域，具体涉及水下混凝土灌注的机械化施工方法及施工平台。

背景技术

在钻孔灌注桩、地下连续墙、沉管沉箱等工艺施工过程中都需要进行水下混凝土灌注。目前的水下混凝土灌注还局限在人工分段连接安放导管，依靠人工计算导管长度和混凝土灌注量来拆除导管。

目前人工灌注工艺存在安全隐患大、易出现拔冒埋管等质量事故、消耗人工和设备多、施工效率低下等问题。现如今混凝土施工机械都着眼在地面现浇混凝土施工方面，然而在水下混凝土灌注方面没有过多涉及。

因此，目前对于如何快速、高效的实现水下混凝土灌注仍是现有急需解决的技术问题。

发明内容

发明目的：

为解决上述问题，本发明提供一种减少人工、快速安全、灌注质量高的水下混凝土灌注的机械化施工方法及施工平台。

技术方案：

水下混凝土灌注的机械化施工方法，该机械化施工方法包括：

步骤一：测试工作：利用智能探测器测试孔径、孔深和孔底沉渣的厚度；

步骤二：密闭测试和清孔工作：当沉渣厚度高于要求量时，进行清孔工作；待孔底沉渣厚度合格后，通过主绳调节伸缩导管向下运动至孔底沉渣表面，提升泥浆泵输出压力，进行密闭性测试；再次进行清孔工作；

步骤三：二次测试工作：再次测量孔深和沉渣高度；并且在智能探测器提升过程中，扫描孔壁，探测孔壁的具体轮廓；

步骤四：水下混凝土灌注：关闭底部可闭合活门，向伸缩导管内灌注混凝土的同时缓慢放松主绳，在伸缩导管内混凝土和伸缩导管自重作用下，伸缩导管向下直至孔底的标高位置；同时将智能探测器下放置孔底标高上方，利用伸缩导管内混凝土作为水下混凝土灌注初灌量，打开底部可闭合活门同时开启混凝土输送泵并加大输出量，完成首灌封底；封底之后继续泵入混凝土，随着混凝土灌注，孔内泥浆液面逐渐上升，开启泥浆泵，将孔内溢出泥浆泵入泥浆池内；智能探测器与混凝土液面保持水平并随着孔底混凝土面的上升而上升；当孔内混凝土与智能探测器、伸缩导管同步上升至设计桩顶停灰面以后，关闭混凝土输送泵，完成水下混凝土灌注，将伸缩导管提出；完成水下混凝土灌注。

步骤一中的灌注桩孔的信息，包括灌注桩孔或槽的地面标高、孔位坐标、孔底标高、允许沉渣厚度、设计桩顶标高、桩号、桩径、理论混凝土灌注量、混凝土信息、施工时间、温度、湿度、允许泥浆比重、允许泥浆粘稠度、允许泥浆含沙量。

步骤三中的密闭性测试是将伸缩导管底部下落至孔底沉渣面表面时，关闭底部可闭合活门，关闭伸缩导管顶部的排气阀门，开启压力传感器，提高泥浆泵的输出泥浆压力，待伸缩导管顶部压力传感器压力达到设计密闭性检测试验要求后，关闭泥浆泵，持续记录压力传感器数据；密闭性测试时的压力值、衰减值及持续时长满足要求，则结束密闭性测试工作；密闭性测试不满足要求，则需要对伸缩导管进行检查；进行清孔工作具体步骤是：下沉伸缩导管至孔底，打开伸缩导管的底部可闭合活门，排出伸缩导管内部压力泥浆，同时开启泥浆泵，持续向孔底泵入泥浆，将孔底沉渣冲起，正循环泥浆形式清孔；完成沉渣清理工作后，提起伸缩导管；或者利用泥浆泵和伸缩导管将孔底沉渣吸出，以反循环形式进行清孔。

完成水下混凝土灌注之后需要清洗设备，清洗的具体步骤：通过回转平台上的水箱向混凝土输送泵内注入清水，开启混凝土输送泵清洗混凝土泵管和伸缩导管内侧；将水箱中的清水注入泥浆泵进行清洗；在桅杆上设置伸缩导管清洗装置，向伸缩导管外侧喷出清水清洗。

水下混凝土灌注的机械化施工平台，回转平台上设有操控室、通风系统和动力系统，操作室内安装有智能探测系统主机；回转平台与桅杆连接，桅杆上的主绳与伸缩导管连接，套管提降器套在伸缩导管上，伸缩导管分别与设置在回转平台上的混凝土输送泵和泥浆泵连通，设置在回转平台侧面的自动导线卷轴连接智能探测器。

回转平台前端安装有可转动的桅杆，桅杆的一侧固定主卷扬和副卷扬；桅杆的另一侧与套管提降器通过滑道连接；主绳一端与主卷扬连接，另一端与伸缩导管连接；副绳一端与副卷扬连接，另一端与套管提降器连接；桅杆通过三角轴及辅助油缸与回转平台转动连接。

伸缩导管与主绳连接，伸缩导杆顶端设有压力传感器和排气阀门，伸缩导管顶端侧面设有混凝土识别传感器，混凝土识别传感器下方设有与桅杆泵管连通的接口；伸缩导管底端设有可开关的底部可闭合活门；主绳与设置在桅杆上的滑轮连接，副绳与设置在桅杆上的副绳滑轮连接。

回转平台前端侧面设有自动导线卷轴，自动导线卷轴通过机械臂与回转平台连接，自动导线卷轴缠绕的卷绳与智能探测器连接。

机械化施工平台还包括水箱，水箱通过混凝土输送泵输水管、泥浆泵输水管分别与混凝土输送泵、泥浆泵连接。

水箱的出水口分别与混凝土输送泵、泥浆泵和伸缩导管清洗装置连接；水箱的通风口与通风系统连接；水箱的伸缩导管清洗装置一端套在伸缩导管上，伸缩导管清洗装置的另一端与水箱连通；混凝土输送泵输水管一端与混凝土输送泵连接，混凝土输送泵输水管另一端与水箱连通；泥浆泵输水管一端与泥浆泵连接，泥浆泵输水管另一端与水箱连通。

优点及效果：

本发明具有以下优点和有益效果：

1.集成化操作，利用水下混凝土灌注的机械化施工平台完成下钢筋笼之后的操作步骤，达到混凝土灌注成孔的目的。减少了现有技术的需要多台设备协助完成的繁琐操作，节约人力成本，设备投入和时间投入。

2.增加工作效率，将原本需要用人工手动连接的混凝土导管由可控制的伸缩导管代替，极大的降低了人工成本与时间成本。并且本发明简化了现有的人工清洗导管的模式，利用清洗系统清理泵管与伸缩导管内部，从而更大程度上的减少了人力投入。

3.提高灌桩质量，减少人为操作导致的施工质量的降低。混凝土强度与泥浆比重传感器可以监控混凝土灌注高度与质量，降低了断桩与超灌的风险。同时还避免了人工测量带来的误差或测量时操作不当带来的失误，进而进一步提高了混凝土灌注的质量。

4.做出应急处理，如堵管。混凝土堵管是由于首灌混凝土在未完成灌桩时提前凝固而导致无法进行进一步灌注。本发明的套管提降器和放置在伸缩导管内部的钢丝绳可解决此问题。通过卷扬活动钢丝绳会带动管内混凝土活动，通过套管提降器控制导管小幅度升降可将外管壁的混凝土搅拌松散从而疏松伸缩导管。

5.减少人为操作导致的安全事故的发生。本发明水下混凝土灌注的机械化施工平台减少了操作人员的投入，并且避免了人工操作在孔、槽上施工连接导管和插入泥浆泵与混凝土输送泵的潜在安全隐患。

6.估算混凝土用量。智能探测器绘制孔内环境扫描图，准确预算混凝土所需量，减少由于无法准确预计孔内环境而预定混凝土过量或不足的风险。

7.智能探测器所测量的数据被实时记录，为水下混凝土灌注过程提供实时准确的灌注报告，并上传至数据中心备份以便于之后的数据查询。

附图说明：

图1为本发明侧视结构示意图；

图2为本发明俯视结构示意图；

图3为本发明通风系统示意图；

图4为本发明清洗系统示意图；

图5为施工平台准备工作示意图；

图6为施工平台首次测试示意图；

图7为施工平台密闭性检测示意图；

图8为施工平台清孔换浆示意图；

图9为施工平台二次测试示意图；

图10为施工平台清洗润湿泵管示意图；

图11为水下混凝土首灌示意图；

图12为水下混凝土灌注示意图；

图13为灌注完成示意图；

图14为伸缩导管收缩状态时的结构示意图；

图15为伸缩导管伸长状态时的结构示意图；

图16为底部可闭合活门打开时的结构示意图。

附图标记说明：

1-1智能探测器；1-2自动导线卷轴；1-3机械臂；1-4智能探测系统主机；2-伸缩导管；2-1底部可闭合活门；2-2压力传感器；2-3排气阀门；2-4主绳；2-5主卷扬；2-6密封圈；2-7混凝土识别传感器；3-混凝土输送泵；3-1混凝土泵管；3-2混凝土流量监测仪；4-泥浆泵；4-1吸浆口；4-2排浆口；4-3泥浆泵管；5-水箱；5-1伸缩导管清洗装置；5-2混凝土输送泵输水管；5-3泥浆泵输水管；6-通风系统；6-1气源；6-2冷干机；6-3散热器；6-4加热装置；7-动力系统；7-1行走系统；8-操控室；9-桅杆；9-1三角轴；9-2辅助油缸；10套管提降器；10-1副绳；10-2副卷扬；11-桅杆泵管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

水下灌注混凝土也称导管混凝土，是将混凝土通过竖立的管子，依靠混凝土的自重进行灌注的方法。适用于灌注围堰、沉箱基础、沉井基础、地下连续墙、桩基础等水下或地下工程。本发明可以进行探测识别并切换孔深探测、导管密闭性检测、沉渣清理、孔壁探测扫描、水下混凝土灌注、自动清洗、施工记录输出、应急处理、冬季工作、夏季工作、自动驾驶等工作模式。

实施例1

水下混凝土灌注的机械化施工平台，回转平台上设有操控室8、通风系统6和动力系统7，操作室8内安装有智能探测系统主机1-4；回转平台与桅杆9连接，桅杆9上的主绳2-4与伸缩导管2连接，套管提降器10套在伸缩导管2上，伸缩导管2分别与设置在回转平台上的混凝土输送泵3、泥浆泵4连通，设置在回转平台侧面的自动导线卷轴1-2连接智能探测器1-1。

水下混凝土灌注的机械化施工方法，具体步骤：

如图6所示，步骤一：测试工作：利用智能探测器1-1测试孔径、孔深和孔底沉渣的厚度；

如图7、8所示，步骤二：密闭测试和清孔工作：当沉渣厚度高于要求量时，进行清孔工作。待孔底沉渣厚度合格后，通过主绳2-4调节伸缩导管2向下运动至孔底沉渣表面，提升泥浆泵4输出压力，进行密闭性测试；再次进行清孔工作；

如图9所示，步骤三：二次测试工作：再次测量孔深和沉渣高度；并且在智能探测器1-1提升过程中，扫描孔壁，探测孔壁的具体轮廓；

如图11、12、13所示，步骤四：水下混凝土灌注：关闭底部可闭合活门，向伸缩导管2内灌注混凝土的同时缓慢放松主绳2-4，在伸缩导管2内混凝土和伸缩导管2自重作用下，伸缩导管2向下直至孔底的标高位置；同时将智能探测器1-1下放置孔底标高上方，利用伸缩导管2内混凝土作为水下混凝土灌注初灌量，打开底部可闭合活门2-1同时开启混凝土输送泵3并加大输出量，完成首灌封底；封底之后混凝土输送泵3继续泵入混凝土，随着混凝土灌注，孔内泥浆液面逐渐上升，开启泥浆泵4，将孔内溢出泥浆泵入泥浆池内；智能探测器1-1与混凝土液面保持水平并随着孔底混凝土面的上升而上升；当孔内混凝土与智能探测器1-1、伸缩导管2同步上升至设计桩顶停灰面以后，关闭混凝土输送泵3，完成水下混凝土灌注，将伸缩导管2提出；完成水下混凝土灌注。

实施例2

如图1和图2所示，水下混凝土灌注的机械化施工平台，回转平台上设有操控室8、通风系统6和动力系统7，操作室8内安装有智能探测系统主机1-4；回转平台与桅杆9连接，桅杆9上的主绳2-4与伸缩导管2连接，套管提降器10套在伸缩导管2上，伸缩导管2分别与设置在回转平台上的混凝土输送泵3和泥浆泵4连通，设置在回转平台侧面的自动导线卷轴1-2连接智能探测器1-1。

动力系统7通过操控室内的操作键控制，通风系统6通过动力系统7供电。

回转平台前端安装有可转动的桅杆9，桅杆9的一侧固定主卷扬2-5和副卷扬10-2；桅杆9的另一侧与套管提降器10通过滑道连接；主绳2-4一端与主卷扬2-5连接，另一端与伸缩导管2连接；副绳10-1一端与副卷扬10-2连接，另一端与套管提降器10连接；桅杆通过三角轴9-1及辅助油缸9-2与回转平台转动连接。

主绳2-4与副绳10-1能够直接与伸缩导管2和套管提降器10连接；或者主绳2-4也可以通过在设置桅杆顶端设置的滑轮连接伸缩导管2，副绳10-1也可以通过桅杆9上安装副绳滑轮连接套管提降器10；主绳的滑轮和副绳滑轮的设置是为了防止主绳、副绳10-1与桅杆9之间的磨损，也保证了主绳和副绳10-1的稳定。副绳的滑轮可以设置在桅杆9上副绳10-1经过的侧面或者桅杆9的下端，主绳2-4的滑轮为了保证伸缩导管2的提升高度，设置在了桅杆9的上端，同时为了防止主绳磨损，在桅杆9上端两侧安装了滑轮支撑支架，支撑支架前端高于后端，有利于伸缩导管的提起。副绳滑轮也可以通过支撑支架进行支撑，支撑支架为常用的滑轮支架。

如图1所示，桅杆9与伸缩导管2相邻一侧设有滑道，桅杆9上的滑道与套管提降器10滑动连接，并通过副绳10-1控制套管提降器10的上下运动；套管提降器10套在伸缩导管2上，与主绳2-4协同保证伸缩导管2进行上下运动。为了保证套管提降器10的运动，设置了副绳10-1。副绳10-1在桅杆9的外表面转动，通过副卷扬10-2转动，带动连接的套管提降器10转动。桅杆泵管11泵送距离较长，且需要向上泵送，为了保证桅杆泵管11在泵送过程中或者施工平台运动时，出现的潜在危险，将桅杆泵管11的中间与桅杆9的中间位置的前端面固定。

桅杆泵管11为软泵管与金属泵管连接而成，与桅杆9贴近的为金属泵管部分。桅杆泵管11下端是金属泵管，金属泵管直立在桅杆9的一侧，保证桅杆泵管11下端的稳定，金属泵管上端与软泵管一端连接，软泵管的另一端与伸缩导管上端的接口连接。

操作室8设有控制动力系统7和回转平台的操作键，行走系统7-1为常见的履带式结构的行走装置，回转平台安装在行走系统7-1上，可以进行角度转动，动力系统7安装在回转平台上；机械臂1-3通过与操作室的调控杆连接实现控制机械臂的伸长或缩短。同时机械臂上转动连接有自动导线卷轴1-2，自动导线卷轴1-2上设有卷绳，卷绳的下端固定有智能探测器1-1；通过操作室8内的开关与自动导线卷轴1-2连接，实现下放和收回。

行走系统扩大了平台的活动范围，从而使此设备可以运用在多种复杂地形上。

桅杆9上可以不设置滑轮，也可以设置主绳的滑轮，副绳的滑轮，或者同时设置主绳滑轮和副绳滑轮，实施例2中桅杆9上端设有两个主绳的滑轮，滑轮用于使主绳与伸缩导管2连接，但未设置副绳的滑轮。

如图1和图2所示，回转平台两侧设有辅助油缸9-2，辅助油缸9-2与桅杆9连接，桅杆9的下端与三角轴9-1转动连接。

桅杆9高度较高，为了保证在施工外可以进行正常的运输，通过设置的三角轴9-1和辅助油缸9-2可以将桅杆9向下放置在回转平台上，从图2可以看出回转平台中间设有连通的管道，上方可用于放置桅杆9。辅助油缸9-2设置在平台两端，分别与桅杆9连接，桅杆9垂直于地面时，辅助油缸9-2的活塞杆伸长，用于支撑桅杆9，桅杆9下端设有与三角轴轴连接的转动杆，三角轴9-1与转动平台左侧的侧面固定。当需要收起桅杆9时，两侧的辅助油缸9-2缩短，使桅杆9以三角轴9-1的轴为圆心向下运动，辅助油缸9-2与转动平台转动连接，保证辅助油缸9-2随着桅杆转动时保持相对。图2中辅助油缸9-2安装在回转平台上，辅助油缸9-2与动力系统7相连接。

伸缩导管2顶端与主绳2-4连接，主卷扬2-5通过主绳2-4控制伸缩导杆2伸缩和上下运动；伸缩导杆2顶端设有压力传感器2-2和排气阀门2-3，伸缩导管2前端侧面设有混凝土识别传感器2-7，混凝土识别传感器2-7下方还设有与桅杆泵管11连通的接口；伸缩导管2底端设有可开关的底部可闭合活门2-1。

伸缩导管2的结构主要是为了能够实现在灌注时到达灌注孔底端。压力传感器、混凝土识别传感器都分别与智能探测系统主机无线连接，智能探测系统主机收集信息数据。根据数据调整主卷扬、副卷扬的转动，以及排气阀门的开闭。

伸缩导管2下端设有可控制的底部可闭合活门2-1，底部可闭合活门2-1通过操控室8内的开关按钮控制开关。

回转平台与桅杆9同侧还设有自动导线卷轴1-2，自动导线卷轴1-2通过机械臂1-3与回转平台连接，自动导线卷轴1-2上缠绕的卷绳与智能探测器1-1连接。

自动导线卷轴1-2与机械臂1-3连接，自动导线卷轴与卷绳转动连接。自动导线卷轴上设有长于灌注孔高度的卷绳，卷绳下端固定有智能探测器1-1，智能探测器与控制室8内的智能探测系统主机连接1-4，将智能探测器得到的数据通过无线或有限传输到智能探测系统主机连接1-4中。如图2所示，回转平台左侧前端设有操作室，操作室内设有智能探测系统主机1-4。

如图3所示，实施例2的机械化施工平台还包括水箱5，水箱通过混凝土输送泵输水管5-2、泥浆泵输水管5-3分别与混凝土输送泵3、泥浆泵4连接。

如图3所示，水箱5的出水口分别与混凝土输送泵3、泥浆泵4和伸缩导管清洗装置5-1连接；水箱5的通风口与通风系统6连接；水箱5的伸缩导管清洗装置5-1一端套在伸缩导管2上，另一端与水箱5连通；混凝土输送泵输水管5-2一端与混凝土输送泵3连接，另一端与水箱5连通；泥浆泵输水管5-3一端与泥浆泵4连接，另一端与水箱5连通。

水箱5与伸缩导管清洗装置5-1、混凝土输送泵输水管5-2、泥浆泵输水管5-3的连接通过四通阀控制开关。

如图4所示，左侧后端设有泥浆泵4，泥浆泵4左端设有吸浆口4-1，吸浆口4-1在施工时可以放置在灌浆孔内、伸缩导管的外侧的泥浆液面以下，将泥浆通过泥浆泵4吸出到泥浆泵管4-3中再通过排浆口4-2排到指定的泥浆池中。泥浆泵吸浆口和排浆口均设置有泥浆逆止阀。

回转平台的右侧后方设有混凝土输送泵3，通过设置在回转平台右侧前方的动力系统7供电，驱动混凝土输送泵3，混凝土输送泵3的混凝土泵管3-1与桅杆9一侧的桅杆泵管11连接，用于向伸缩导管内输送混凝土，混凝土输送泵3的出口安装有混凝土流量监测仪3-2。

混凝土流量监测仪3-2与智能探测系统主机1-4有线或无线连接，将监测数据传送给智能探测系统主机1-4。

回转平台的泥浆泵4和混凝土输送泵3之间设有水箱5；水箱5设置在回转平台上，水箱内存储清水，水箱外侧设置有常用的保温层，水箱内设有现有的加热管，加热管通电即可进行加热，加热管利用动力系统7供电进行加热，并设有加热开关。水箱5底部安装水泵，水泵连接水箱的出水口。出水口通过四通阀分别连接伸缩导管清洗装置5-1、混凝土输送泵输水管5-2、泥浆泵输水管5-3。冬季施工时水箱5内部加热产生热水，利用热水进行清洗，避免出现结冰状态。

如图3所示，设在操作室右侧的通风系统6设置在回转平台上，利用动力系统7提供电力，驱动通风系统。气源6-1的出风口设置为双向出口，分别接入冷干机6-2，用于夏季输出冷干空气为智能平台降温；和接入动力系统7的散热器6-3，收集散热器6-3所发出的热量，如温度不足则在通风管道上设置加热装置6-4，产生热风流，用于冬季施工时为回转平台的操作室加热以及风干各管道，避免结冰。设置加热装置6-4通过四通阀分别与伸缩导管清洗装置5-1、混凝土输送泵输水管5-2、泥浆泵输水管5-3连通，避免在动机施工过程中各管道结冰。

在极端天气时使用本发明的施工方法和施工平台。此平台设有通风系统，可在寒冷天气时吹出热风快速风干伸缩导管及系统内的积水，并完成预热。在炎热天气时可鼓出冷风快速冷却平台上其他系统产生的巨大热量。

如图14、图15、图16所示，伸缩导管2为多层导管套在一起，下层导管的内径大于或等于上层导管的外径，伸缩导管2的顶层为上端封闭的套筒，顶层下端设有向外凸出的连接下一层上端的环状支出结构。伸缩导管2的底层导管下端设有底部可闭合活门2-1，上端设有与上一层下端连接的环状支出结构。其余中间层每层上端设有向内的环状支出结构，下端设有向外的环状支出结构，每一层下端的支出结构与向下一层的向内环状支出结构形成限位，防止层与层脱离，同时可以在每层导管之间设置密封圈2-6，防止灌注混凝土时，混凝土从每层套管缝隙中渗漏出来影响成桩效果。

伸缩套管2通过套管提降器10与桅杆9连接，主绳2-4连接最底层导管底部以控制套管的伸缩。桅杆泵管11连接至最顶层套管，当混凝土泵开启时混凝土会从泵管11灌入套管中并直达孔内。图16为可闭合活门开启时的状态，可闭合活门2-1由安装在控制室中的开关无线控制器控制底部活门的张开与闭合。可闭合活门2-1可通过控制吸盘式电磁铁实现开关，在最低层的导管底端设有相对的两个吸盘式电磁铁。

从图14、15可以看出，主绳在伸缩导管的下端分为两个或者多个分支绳，分别与最底层导管底端连接，从而实现了控制伸缩导管的伸长和收缩。

水下混凝土灌注的机械化施工方法，具体如下：

如图5所示，步骤一：灌注前准备：在孔内钢筋笼安放完成后，平整灌注作业场地；将灌注桩孔的信息输入智能探测系统主机1-4；灌注桩孔的信息包括灌注桩孔或槽的地面标高、孔位坐标、孔底标高、允许沉渣厚度、设计桩顶标高、桩号、桩径、理论混凝土灌注量、混凝土信息、施工时间、温度、湿度、允许泥浆比重、允许泥浆粘稠度、允许泥浆含沙量。

如图6所示，步骤二：测试工作：伸缩导管2移动至桩孔上方，将伸缩导管2中心调整到设计孔位坐标处，调整桅杆9使桅杆9与回转平台垂直，通过自动导线卷轴1-2下放智能探测器1-1，测试孔深和孔底沉渣的厚度；如沉渣厚度不满足相关要求则需要进行清孔工作。

如图7、8所示，步骤三：密闭测试和清孔工作：当沉渣厚度高于要求量时，进行清孔工作；待孔底沉渣厚度合格后，通过主绳2-4调节伸缩导管2向下运动至孔底沉渣表面，提升泥浆泵4输出压力，进行密闭性测试；密闭性测试是将伸缩导管2底部下落至孔底沉渣面表面时，关闭底部可闭合活门2-1，关闭伸缩导管2顶部排气阀门，开启压力传感器2-2，提高泥浆泵4的输出泥浆压力，待伸缩导管2顶部压力传感器2-2压力达到设计密闭性检测试验要求后，关闭泥浆泵4，持续记录压力传感器数据；压力传感器2-2通过无线传输将数据传送回智能探测系统主机中。

密闭性测试时的压力值和衰减值满足要求，则结束密闭性检测工作；密闭性侧测试不满足要求，则需要对伸缩导管进行检查；修正后重新重复密闭性测试，直到满足要求，测试结束。

再进行清孔工作；进行清孔工作具体步骤是：下沉伸缩导管2至孔底，打开伸缩导管2的底部可闭合活门2-1，排出伸缩导管2内部压力泥浆，同时开启泥浆泵4，持续向孔底泵入泥浆，将孔底沉渣冲起，正循环泥浆形式清孔；在泵入泥浆清孔的同时，逐渐下沉伸缩导管2将孔底沉渣完全冲洗至规范要求厚度，完成沉渣清理工作后，提起伸缩导管2。

如图9所示，步骤四：二次测试工作：将智能探测器1-1下放至孔内，再次测量孔深和沉渣高度；并且在智能探测器1-1提升过程中，扫描孔壁，探测孔壁的具体轮廓，进而实现对孔壁的全深度范围扫描；通过扫描结果可以准确判断孔壁塌陷或者凸出情况，同时还可以准确计算出孔内混凝土灌注需求量，将准确的混凝土需求量传送给物资供应部门。在扫描孔壁轮廓的同时再次扫测试全孔深度范围内泥浆比重，合格之后可以进行灌注工作。

如图11、12所示，步骤五：水下混凝土灌注：通过泥浆泵4将泥浆排出，向伸缩导管2内灌注混凝土的同时缓慢放松主绳2-4，在伸缩导管2内混凝土和伸缩导管2自重作用下，伸缩导管2向下直至孔底的标高位置；同时将智能探测器1-1下放置孔底标高上方，利用伸缩导管2内混凝土作为水下混凝土灌注初灌量，打开底部可闭合活门2-1同时开启混凝土输送泵3并加大输出量，完成首灌封底；智能探测器下放至高于伸缩导管底标高以上2-6m用于保证初灌量。

封底之后继续泵入混凝土，随着混凝土灌注，孔内泥浆液面逐渐上升，开启泥浆泵4，将孔内溢出泥浆泵入泥浆池内；智能探测器1-1与混凝土液面保持水平并随着孔底混凝土面的上升而上升；

当孔底混凝土面升至智能探测器位置，智能探测器识别确认混凝土液面，智能探测器设置为接触到混凝土立即上升，形成智能探测器与混凝土表面同步升起的状态，也就是智能探测器1-1随着孔底混凝土面的上升而上升。智能探测系统主机设置智能探测器与伸缩导管底口的相对固定高差2-6m，小于该范围则给主卷扬发出指令，使得伸缩导管底端跟随智能探测器以固定高差同步升起。进而实现随着水下混凝土灌注逐步提升伸缩导管的目的。

当孔内混凝土与智能探测器1-1、伸缩导管2同步同时上升至设计桩顶停灰面以后，关闭混凝土输送泵3，完成水下混凝土灌注，逐节将伸缩导管2提出；完成水下混凝土灌注。

如图13所示，完成水下混凝土灌注之后需要清洗设备，清洗的具体步骤：

离开施工地点，回转平台上的水箱5通过混凝土输送泵输水管5-2向混凝土输送泵3内注入清水，开启混凝土输送泵3清洗混凝土泵管3-1和伸缩导管2内侧；将水箱5中的清水通过泥浆泵输水管5-3注入泥浆泵4进行清洗；在桅杆9上设置伸缩导管清洗装置5-1，向伸缩导管外侧喷出清水清洗。

从图1可以看出，伸缩导管清洗装置5-1为连通的套管，套管套在伸缩杆上，套管周向设置有通孔，用于将清水流出，冲洗伸缩导管的底端部分，因为底端部分主要与混凝土接触，而上端是与泥浆，泥浆并不会对伸缩导管造成影响，而下端的混凝土一旦凝固清理十分困难。

输出施工记录。

完成清洗工作之后，操控室8里面智能探测系统主机可以将平台工作的各个过程整理成规范要求格式输出纸质文件，同时也上传数据中心备份。施工记录可以包括以下内容：桩号、桩位坐标、成孔时间、设计桩顶深度、沉渣厚度、孔深、泥浆比重、孔壁扫描记录、导管密闭性检测记录、计划灌注需求量、实际灌注量、灌注量与导管提升以及混凝土面上升记录等。

应急处理。

在灌注过程中一旦出现堵管事故，可以通过设置伸缩导管管顶端内部的混凝土识别传感器感知到，操作人员采取应急处理措施。首先关停混凝土输送泵，停顿片刻让混凝土自由下落，如果导管混凝土持续下沉，可以继续开启混凝土输送泵继续灌注；如果伸缩导管内混凝土静止在伸缩导管中，则缓慢提升主绳，主绳在伸缩导管内混凝土的中间位置，提升主绳可以有利于疏通伸缩导管；如果缓慢提升主绳依然不能将混凝土疏通，则向上提升桅杆9上的套管提降器10，使得伸缩导管完全提升于混凝土表面，继续提升主绳来疏通导管。之后再次重复灌注过程，关紧底部活门，向伸缩导管内灌注混凝土，伸缩导管重新插入既有混凝土表面以下，打开底部活门继续灌注水下混凝土灌注。

冬季施工。

在冬季寒冷天气进行水下混凝土灌注，容易出现混凝土泵管、泥浆泵管、桅杆泵管11、伸缩导管等因残留水结冰不能正常运转的情况。因此在温度较低时灌注之前操作人员进行冬季工作模式。气源6-1电加热形成热风流，在准备工作之前分别吹入泥浆泵和混凝土输送泵输水管5-2，从伸缩导管底部的伸缩导管清洗装置5-1吹出，通过热风将管内残留积水和冰层吹干，预热泥浆泵输水管5-3和伸缩导导管。在平台运转时，热风流吹向泥浆泵和混凝土输送泵，加热泵体提高冬季工作效率。在清洗过程中清水冲洗之后，继续向泥浆泵和混凝土输送泵输水管5-2内输入热风流，吹干管道内残留水。

夏季施工。

在夏季高温天气进行水下混凝土灌注，容易出现因混凝土高温初凝发生堵管事故。因此在温度较高时灌注之前平台采用夏季工作模式。利用通风系统6收集气源，经过冷干机6-2处理，形成冷干气流，吹向混凝土输送泵以及混凝土输送泵输水管5-2，用以降温保证正常施工。

实施例3

采用智能化集成控制施工平台，通过智能探测系统控制平台，实现无人化智能操作。

水下混凝土灌注的机械化施工平台可以智能探测识别并切换孔深探测、导管密闭性检测、沉渣清理、孔壁探测扫描、水下混凝土灌注、自动清洗、施工记录输出、应急处理、冬季工作、夏季工作、自动驾驶等工作模式。

智能探测系统通过智能探测系统主机控制智能探测器、自动导线卷轴、机械臂、主卷扬、副卷扬、底部活门、排气阀门、混凝土输送泵、泥浆泵、通风系统6、动力系统。智能探测器、压力传感器、混凝土识别传感器、混凝土流量检测仪将实时数据传送给智能探测系统主机。

在伸缩导管上安放压力传感器和混凝土识别传感器，以及在混凝土泵管上安装混凝土流量监测仪，收集实时数据，并将数据转化为指令实现智能平台的无人化操作。

智能探测器的卷绳缠绕在可自动伸缩摆动的自动导线卷轴的滚轴之上，探测器在孔内升降过程中，可以探测孔深、泥浆比重、查明混凝土深度、扫描孔壁结构等，并将数据传送到智能探测系统主机。智能探测系统主机通过孔壁扫描图形计算出混凝土灌注的需求量。

切换到水下混凝土灌注模式时，可以根据自动探测系统所识别的混凝土液面上升位置，操控主卷扬提升伸缩导管，实现水下混凝土与伸缩导管底部以固定间距同步上升。

在平台切换到水下混凝土灌注模式时，可以根据智能探测系器所识别的混凝土液面上升位置，操控主卷扬提升伸缩导管，实现水下混凝土与伸缩导管底部以固定间距同步上升。

除了上述描述之外，具体结构与实施例2的施工平台相同。

具体的施工方法步骤：

步骤一：灌注前准备：在孔内钢筋笼安放完成后，平整灌注作业场地；将灌注桩孔的地面标高、孔位坐标、孔底标高、设计桩顶标高、泥浆比重要求等基本信息输入给智能探测系统的智能探测系统主机中。

步骤二：测试工作：施工平台移位至桩孔旁边，切换至自动探测模式。平台依靠自身的定位系统将伸缩导管中心调整到设计孔位坐标处，然后自动调平平台垂直桅杆9。智能探测仪的机械臂将卷绳的滚轴伸长至孔位中心处，下放智能探测仪并记录导线长度及孔深。

智能探测仪落至孔底后，对比实测孔深与钻进孔深，计算孔底沉渣厚度。如沉渣厚度不满足相关要求则需要进行清孔工作。提出智能探测仪，智能探测仪在上升过程中，实时检测泥浆比重，如泥浆比重不满足相关要求则需要进行换浆工作。

步骤三：密闭测试和清孔工作：当沉渣厚度高于要求量时，进行清孔工作；待孔底沉渣厚度合格后，通过主绳2-4调节伸缩导管2向下运动至孔底沉渣表面，提升泥浆泵4输出压力，进行密闭性测试；再进行清孔工作；

在伸缩导管底部下落至沉渣面表面时，关闭伸缩导管顶部的排气阀门，开启压力传感器。提高泥浆泵输出泥浆压力，待伸缩导管顶部压力传感器压力达到设计密闭性检测试验要求后，关闭泥浆泵，持续记录压力传感器数据。如果压力值和衰减值及其他数据满足相关要求后，结束密闭性检测工作，平台切换至清孔模式。如果密闭性检测试验不满要求，则需要对伸缩导管进行检查，更换不合格零件。

切换至清孔模式之后，打开导管底部活门，排出导管内部压力泥浆，同时开启泥浆泵，持续向孔底泵入泥浆，将孔底沉渣冲起，正循环泥浆形式清孔。在泵入泥浆清孔的同时，逐渐下沉导管将孔底沉渣完全冲洗至规范要求厚度，完成沉渣清理工作后，提起伸缩导管。

步骤四：二次测试工作：将智能探测器1-1下放至孔内，再次测量孔深和沉渣高度；并且在智能探测器1-1提升过程中，扫描孔壁，探测孔壁的具体轮廓，进而实现对孔壁的全深度范围扫描；

也就是说，将平台切换至探测扫描模式，在孔内沉放探测器，测量孔深，沉渣高度和孔深满足要求后，提升智能探测器。智能探测器提升过程中，扫描孔壁，探测孔壁的具体轮廓，进而实现对孔壁的全深度范围扫描。

步骤五：水下混凝土灌注：在伸缩导管密闭性检测试验、泥浆比重、孔底沉渣、孔壁扫描等测试指标全部合格之后，将平台切换到混凝土灌注模式。

将泥浆泵的泥浆泵管切换至排浆口，将混凝土输送泵管切换至桅杆泵管11，打开混凝土泵管的混凝土流量监测仪，关闭伸缩导管底部活门，打开伸缩导管顶部排气阀门。然后开启混凝土输送泵，向伸缩导管内灌注混凝土，再向伸缩导管内灌注混凝土的同时缓慢放松主绳，在伸缩导管内混凝土和伸缩导管自重作用下，伸缩导管逐渐伸长直至设计孔底标高位置。放入智能探测器，智能探测器底标高位于伸缩导管底标高以上2-6m。利用伸缩导管内混凝土作为水下混凝土灌注初灌量，打开底部活门同时开启混凝土输送泵并加大输出量，完成首灌封底。

封底之后继续正常泵入混凝土，随着混凝土灌注，孔内泥浆液面逐渐上升，开启泥浆泵，将孔内溢出泥浆泵入泥浆池内。当孔底混凝土面升至智能探测器位置，智能探测器识别确认混凝土液面，智能探测器设置为接触到混凝土立即上升，形成智能探测器与混凝土表面同步升起的状态。智能探测系统主机根据设置智能探测器与伸缩导管底口的相对固定高差2-6m，给主卷扬发出指令，使得伸缩导管底口跟随智能探测器以固定高差同步升起。进而实现随着水下混凝土灌注逐步提升伸缩导管的目的。在孔内混凝土与智能探测器、伸缩导管2同步上升至设计桩顶停灰面以后，关闭混凝土输送泵，完成水下混凝土灌注，将伸缩导管提出；完成水下混凝土灌注。

清洗设备。

完成混凝土灌注之后平台切换至清洗模式，利用回转平台内水箱，向混凝土输送泵内注入清水，开启混凝土输送泵输水管5-2和伸缩导管。同样将泥浆泵吸浆口切换至水箱，开启泥浆泵利用清水完成清洗。在桅杆9上设置伸缩导管清洗装置5-1，向输水导管外侧喷出清水清洗。

输出施工记录。

完成清洗工作之后，平台切换至输出施工记录模式。操控室8里面智能探测系统主机可以将平台工作的各个过程整理成规范要求格式输出纸质文件，同时也上传数据中心备份。施工记录可以包括以下内容：桩号、桩位坐标、成孔时间、设计桩顶深度、沉渣厚度、孔深、泥浆比重、孔壁扫描记录、导管密闭性检测记录、计划灌注需求量、实际灌注量、灌注量与导管提升以及混凝土面上升记录等。

应急处理。

在灌注过程中一旦出现堵管事故，混凝土会顺着伸缩导管顶部向上涌出，平台可以通过设置伸缩导管管顶端内部的混凝土识别传感器感知到，自动切换到应急处理模式。

冬季施工和夏季施工同实施例2相同。

Claims (10)

1.水下混凝土灌注的机械化施工方法，其特征在于：该机械化施工方法包括：

步骤一：测试工作：利用智能探测器（1-1）测试孔径、孔深和孔底沉渣的厚度；

步骤二：密闭测试和清孔工作：当沉渣厚度高于要求量时，进行清孔工作；待孔底沉渣厚度合格后，通过主绳（2-4）调节伸缩导管（2）向下运动至孔底沉渣表面，提升泥浆泵（4）输出压力，进行密闭性测试；再次进行清孔工作；

步骤三：二次测试工作：再次测量孔深和沉渣高度；并且在智能探测器（1-1）提升过程中，扫描孔壁，探测孔壁的具体轮廓；

步骤四：水下混凝土灌注：向伸缩导管（2）内灌注混凝土的同时缓慢放松主绳（2-4），在伸缩导管（2）内混凝土和伸缩导管（2）自重作用下，伸缩导管（2）向下直至孔底的标高位置；同时将智能探测器（1-1）下放置孔底标高上方，利用伸缩导管（2）内混凝土作为水下混凝土灌注初灌量，打开底部可闭合活门（2-1）同时开启混凝土输送泵（3）并加大输出量，完成首灌封底；

封底之后继续泵入混凝土，随着混凝土灌注，孔内泥浆液面逐渐上升，开启泥浆泵（4），将孔内溢出泥浆泵入泥浆池内；智能探测器（1-1）与混凝土液面保持水平并随着孔底混凝土面的上升而上升；

当孔内混凝土与智能探测器（1-1）、伸缩导管（2）同步上升至设计桩顶停灰面以后，关闭混凝土输送泵（3），完成水下混凝土灌注，将伸缩导管（2）提出；完成水下混凝土灌注。

2.根据权利要求1所述的水下混凝土灌注的机械化施工方法，其特征在于：步骤一中的灌注桩孔的信息，包括灌注桩孔或槽的地面标高、孔位坐标、孔底标高、允许沉渣厚度、设计桩顶标高、桩号、桩径、理论混凝土灌注量、混凝土信息、施工时间、温度、湿度、允许泥浆比重、允许泥浆粘稠度、允许泥浆含沙量。

3.根据权利要求1所述的水下混凝土灌注的机械化施工方法，其特征在于：步骤三中的密闭性测试是将伸缩导管（2）底部下落至孔底沉渣面表面时，关闭底部可闭合活门（2-1），关闭伸缩导管（2）顶部的排气阀门（2-3），开启压力传感器（2-2），提高泥浆泵（4）的输出泥浆压力，待伸缩导管（2）顶部压力传感器压力达到设计密闭性检测试验要求后，关闭泥浆泵（4），持续记录压力传感器数据；

密闭性测试时的压力值、衰减值及持续时长满足要求，则结束密闭性测试工作；密闭性测试不满足要求，则需要对伸缩导管进行检查；

进行清孔工作具体步骤是：下沉伸缩导管（2）至孔底，打开伸缩导管（2）的底部可闭合活门（2-1），排出伸缩导管（2）内部压力泥浆，同时开启泥浆泵（4），持续向孔底泵入泥浆，将孔底沉渣冲起，正循环泥浆形式清孔；完成沉渣清理工作后，提起伸缩导管（2）；或者利用泥浆泵（4）和伸缩导管（2）将孔底沉渣吸出，以反循环形式进行清孔。

4.根据权利要求1所述的水下混凝土灌注的机械化施工方法，其特征在于：完成水下混凝土灌注之后需要清洗设备，清洗的具体步骤：

通过回转平台上的水箱（5）向混凝土输送泵（3）内注入清水，开启混凝土输送泵（3）清洗混凝土泵管（3-1）和伸缩导管（2）内侧；将水箱（5）中的清水注入泥浆泵（4）进行清洗；在桅杆（9）上设置伸缩导管清洗装置（5-1），向伸缩导管（2）外侧喷出清水清洗。

5.水下混凝土灌注的机械化施工平台，回转平台上设有操控室（8）、通风系统（6）和动力系统（7），操作室（8）内安装有智能探测系统主机（1-4）；其特征在于：回转平台与桅杆（9）连接，桅杆（9）上的主绳（2-4）与伸缩导管（2）连接，套管提降器（10）套在伸缩导管（2）上，伸缩导管（2）分别与设置在回转平台上的混凝土输送泵（3）和泥浆泵（4）连通，设置在回转平台侧面的自动导线卷轴（1-2）连接智能探测器（1-1）。

6.根据权利要求5所述的水下混凝土灌注的机械化施工平台，其特征在于：回转平台前端安装有可转动的桅杆（9），桅杆（9）的一侧固定主卷扬（2-5）和副卷扬（10-2）；桅杆（9）的另一侧与套管提降器（10）通过滑道连接；主绳（2-4）一端与主卷扬（2-5）连接，另一端与伸缩导管（2）连接；副绳（10-1）一端与副卷扬（10-2）连接，另一端与套管提降器（10）连接；桅杆通过三角轴（9-1）及辅助油缸（9-2）与回转平台转动连接。

7.根据权利要求6所述的水下混凝土灌注的机械化施工平台，其特征在于：伸缩导管（2）与主绳（2-4）连接，伸缩导杆（2）顶端设有压力传感器（2-2）和排气阀门（2-3），伸缩导管（2）顶端侧面设有混凝土识别传感器（2-7），混凝土识别传感器（2-7）下方设有与桅杆泵管（11）连通的接口；伸缩导管（2）底端设有可开关的底部可闭合活门（2-1）；

主绳（2-4）与设置在桅杆（9）上的滑轮连接，副绳（10-1）与设置在桅杆（9）上的副绳滑轮连接。

8.根据权利要求5所述的水下混凝土灌注的机械化施工平台，其特征在于：回转平台前端侧面设有自动导线卷轴（1-2），自动导线卷轴（1-2）通过机械臂（1-3）与回转平台连接，自动导线卷轴（1-2）缠绕的卷绳与智能探测器（1-1）连接。

9.根据权利要求5所述的水下混凝土灌注的机械化施工平台，其特征在于：机械化施工平台还包括水箱（5），水箱通过混凝土输送泵输水管（5-2）、泥浆泵输水管（5-3）分别与混凝土输送泵（3）、泥浆泵（4）连接。

10.根据权利要求9所述的水下混凝土灌注的机械化施工平台，其特征在于：水箱（5）的出水口分别与混凝土输送泵（3）、泥浆泵（4）和伸缩导管清洗装置（5-1）连接；水箱（5）的通风口与通风系统（6）连接；水箱（5）的伸缩导管清洗装置（5-1）一端套在伸缩导管（2）上，伸缩导管清洗装置（5-1）的另一端与水箱（5）连通；混凝土输送泵输水管（5-2）一端与混凝土输送泵（3）连接，混凝土输送泵输水管（5-2）另一端与水箱（5）连通；泥浆泵输水管（5-3）一端与泥浆泵（4）连接，泥浆泵输水管（5-3）另一端与水箱（5）连通。