CN116163353A - 一种基于海床砂质地层的高压水射流装置及深开挖方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于海底砂质地层的高压水射流装置及深开挖方法，其中挖沟机主体包括轴流泵、吸砂泵、排砂管、气举管、高压水喷嘴、声呐探头、姿态监测仪以及护管器、滑撬、横梁、竖梁等结构。本发明还提供了一种基于海底砂质地层的深开挖方法，利用所述装置，采用“吹扫+排砂+气举”施工工艺，通过挖沟机常规作业、拓沟作业、深开挖作业，可解决海底砂质地层回淤严重、边坡不稳、难以成型等施工难题，实现海底管沟深开挖效果。

Description

一种基于海床砂质地层的高压水射流装置及深开挖方法

技术领域

本发明属于海底管道铺设及配备施工领域，涉及一种基于海底砂质地层的高压水射流装置及深开挖方法。

背景技术

海底管道铺设后为了避免发生船锚剐蹭等事故，需要对海底管道进行掩埋保护。海底管道埋深一般在1.5m-4m左右，但在特殊海域，如在已建管道上规划有其他管道或电缆，则管道埋深将达到8m左右。

目前，常规水力喷射式挖沟机难以克服海底砂质地层回淤严重、边坡不稳、难以成型等施工难题，如申请号为201310062160.4的发明专利，通过双泵H形设计可以实现一般海床的挖沟施工，但在深开挖过程中，设计沟型宽度达到了20m左右，形成的液化海床土不能有效排出沟底，同时在海底水流作用下，砂质地层海沟两侧海床土存在一定坍塌，导致回淤更加严重，难以实现深开挖的效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中海底砂质地层回淤严重、边坡不稳、难以成型等施工难题，从而提供一种基于海床砂质地层的高压水射流装置及深开挖方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于海底砂质地层的高压水射流装置，包括：

吸砂泵启动柜、空压机设备、高压水射流设备、挖沟机，所述挖沟机通过脐带缆分别与所述吸砂泵启动柜、空压机设备、高压水射流设备连接；

所述挖沟机包括：框架、轴流泵、气举管、吸砂泵、排砂管和高压水喷头；

所述轴流泵固定在所述框架上，用于对海床土进行吹扫；

所述气举管与空压机设备连接；所述气举管分为左气举管和右气举管，所述左气举管和右气举管分别安装在所述框架的左、右两侧；所述气举管用于进行气举作业；

所述吸砂泵与吸砂泵启动柜连接；所述吸砂泵分为左吸砂泵和右吸砂泵，所述左吸砂泵和右吸砂泵分别通过若干的链条与所述框架连接，通过所述链条的伸缩能够控制所述左吸砂泵或右吸砂泵的高度和角度；

所述排砂管分为左排砂管和右排砂管，分别与所述左吸砂泵和右吸砂泵连接，用于排出吸砂泵吸取的砂土流；

所述高压水喷头安装在所述框架上，所述高压水喷头通过脐带缆与高压水射流设备连接。

优选地，本发明的基于海底砂质地层的高压水射流装置，所述高压水喷头外部包覆有护管器，所述护管器的外壁上安装有滚轮。

优选地，本发明的基于海底砂质地层的高压水射流装置，还包括声呐监测系统和前声呐探头、后声呐探头；所述前声呐探头安装在所述框架前方，所述后声呐探头安装在所述框架后方，所述前声呐探头、后声呐探头通过脐带缆与声呐监测系统连接。

优选地，本发明的基于海底砂质地层的高压水射流装置，还包括姿态监测系统和姿态监测仪，所述姿态监测仪安装在所述框架中间位置，位于两台轴流泵中间，所述姿态监测仪通过脐带缆与姿态监测系统连接。

优选地，本发明的基于海底砂质地层的高压水射流装置，所述框架包括：横梁、竖梁，所述竖梁固定在所述横梁下方，所述横梁与竖梁通过法兰连接成一体，所述竖梁的底部左侧和右侧分别通过法兰固定有滑撬，所述滑撬用于支撑所述框架而使所述挖沟机能够在海床上滑行。

优选地，本发明的基于海底砂质地层的高压水射流装置，所述左吸砂泵和右吸砂泵分别通过左前方、左后方、右前方、右后方的四根链条与所述框架连接，每根链条都能单独牵引。

优选地，本发明的基于海底砂质地层的高压水射流装置，所述排砂管采用内嵌钢丝的胶管，并通过法兰或快速插头连接所述吸砂泵。

优选地，本发明的基于海底砂质地层的高压水射流装置，所述气举管采用直斜管。

一种深开挖方法，使用上述的基于海底砂质地层的高压水射流装置，包括以下工作模式，

挖沟机拓沟作业：使用左侧或右侧轴流泵、气举管、吸砂泵、排砂管作业，将管沟两侧依次进行拓展，形成阶梯状沟型；

挖沟机深开挖作业：使用挖沟机沿管道正上方施工，使用轴流泵吹扫海床土，使用气举管进行气举作业，使用吸砂泵进行排砂作业。

优选地，本发明的深开挖方法，所述左吸砂泵和右吸砂泵分别通过左前方、左后方、右前方、右后方的四根链条与所述框架连接，每根链条都能单独牵引，在挖沟机拓沟作业中对左侧拓沟时，牵引所述左吸砂泵的左前方、左后方两根链条使左吸砂泵朝向偏左方向进行吸砂；在挖沟机拓沟作业中对右侧拓沟时，牵引所述右吸砂泵的右前方、右后方两根链条使右吸砂泵朝向偏右方向进行吸砂。

本发明的有益效果是：

（1）在常规挖沟机基础上，增加了吸砂泵和气举设备，可有效增加管沟内液化土向外排放量，解决了砂质地层施工过程中的回淤严重问题。

（2）本发明的排砂管和气举管均分为左右两部分，可实现左右两侧的分别控制，保证了拓沟过程中排砂效果和施工效率。

（3）本发明所述的深开挖方法，利用改良后的高压水射流挖沟机装置，采用“吹扫+排砂+气举”施工工艺，通过挖沟机常规作业、拓沟作业、深开挖作业，可实现海底管沟深开挖的效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1为本实施例的基于海底砂质地层的高压水射流装置示意图；

图2为本实施例的基于海底砂质地层的高压水射流装置的挖沟机俯视图；

图3为本实施例的基于海底砂质地层的高压水射流装置的挖沟机主视图；

图4为本实施例的基于海底砂质地层的高压水射流装置的挖沟机后视图；

图5为本实施例的基于海底砂质地层的高压水射流装置的挖沟机侧视图；

图6为本实施例的基于海底砂质地层的高压水射流装置的吸砂泵示意图；

图7为本实施例的基于海底砂质地层的高压水射流装置的气举管示意图；

图8为本实施例的基于海底砂质地层的深开挖方法的理论效果图；

图9为本实施例的基于海底砂质地层的深开挖方法的常规作业示意图；

图10为本实施例的基于海底砂质地层的深开挖方法的右侧拓沟示意图；

图11为本实施例的基于海底砂质地层的深开挖方法的左侧拓沟示意图；

图12为本实施例的基于海底砂质地层的深开挖方法的深开挖示意图。

图中的附图标记为：

1、轴流泵；2-1、右吸砂泵；2-2、左吸砂泵；3-1、右排砂管；3-2、左排砂管；4-1、右气举管；4-2、左气举管；5、横梁；6、链条；7、竖梁；8、护管器；9、滑撬；10、高压水喷头；11、滚轮；12、前声呐探头；13、后声呐探头；14、姿态监测仪；15、声呐监测系统；16、姿态监测系统；17、高压水射流设备；18、吸砂泵启动柜；19、空压机设备；20、发电机设备；21、脐带缆；22、挖沟机；23、海底管道；24、海底管道沟型。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。

实施例

本实施例提供一种基于海底砂质地层的高压水射流装置，如图1-5所示，包括：

吸砂泵启动柜18、空压机设备19、高压水射流设备17、挖沟机22，所述挖沟机22通过脐带缆21分别与所述吸砂泵启动柜18、空压机设备19、高压水射流设备17连接；

所述挖沟机22包括：框架、轴流泵1、气举管、吸砂泵、排砂管和高压水喷头10；

所述轴流泵1固定在所述框架上，用于对海床土进行吹扫；

所述气举管与空压机设备19连接；所述气举管分为左气举管4-2和右气举管4-1，所述左气举管4-2和右气举管4-1分别安装在所述框架的左、右两侧；所述气举管用于进行气举作业；

所述吸砂泵与吸砂泵启动柜18连接；所述吸砂泵分为左吸砂泵2-2和右吸砂泵2-1，所述左吸砂泵2-2和右吸砂泵2-1分别通过若干的链条6与所述框架连接，通过所述链条6的伸缩能够控制所述左吸砂泵2-2或右吸砂泵2-1的高度和角度；

所述排砂管分为左排砂管3-2和右排砂管3-1，分别与所述左吸砂泵2-2和右吸砂泵2-1连接，用于排出吸砂泵吸取的砂土流；

所述高压水喷头10安装在所述框架上，所述高压水喷头10通过脐带缆21与高压水射流设备17连接。

本实施例的基于海底砂质地层的高压水射流装置，高压水喷头10可对海床土进行辅助切割；轴流泵1、吸砂泵分别用于海床土的吹扫作业和排砂作业，链条6可调节吸砂泵2的高度和角度，有利于吸砂泵2与液化土的充分接触；排砂管3-1与吸砂泵2-1连接，排砂管3-2与吸砂泵2-2连接，可实现挖沟机22两侧的分别排砂作业；所述气举管4包括气举管4-1和气举管4-2，可实现挖沟机两侧的分别气举作业。在常规挖沟机基础上，增加了吸砂泵和气举设备，可有效增加管沟内液化土向外排放量，解决了砂质地层施工过程中的回淤严重问题。排砂管和气举管均分为左右两部分，可实现左右两侧的分别控制，保证了拓沟过程中排砂效果和施工效率。

优选地，本实施例的基于海底砂质地层的高压水射流装置，如图3、4所示，所述高压水喷头10外部包覆有护管器8，所述护管器8的外壁上安装有滚轮11。护管器8对高压水喷头10起保护作用，如图12所示，滚轮11可减少护管器8和海底管道23之间的摩擦。

优选地，本实施例的基于海底砂质地层的高压水射流装置，如图1、2所示，还包括声呐监测系统15和前声呐探头12、后声呐探头13；所述前声呐探头12安装在所述框架前方，所述后声呐探头13安装在所述框架后方，所述前声呐探头12、后声呐探头13通过脐带缆21与声呐监测系统15连接。具体的，如图2所示，前声呐探头12、后声呐探头13分别安装在挖沟机22的前后横梁5，可用于海底管道23的水下位置辨别和海底管道沟型24的实时监测。

优选地，本实施例的基于海底砂质地层的高压水射流装置，如图1、2所示，还包括姿态监测系统16和姿态监测仪14，所述姿态监测仪14安装在所述框架中间位置，位于两台轴流泵1中间，所述姿态监测仪14通过脐带缆21与姿态监测系统16连接。可用于监测挖沟机22的水下姿态。

优选地，本实施例的基于海底砂质地层的高压水射流装置，如图2-4所示，所述框架包括：横梁5、竖梁7，所述竖梁7固定在所述横梁5下方，所述横梁5与竖梁7通过法兰连接成一体，所述竖梁7的底部左侧和右侧分别通过法兰固定有滑撬9，如图10、11所示，在主作业船的牵引下，所述滑撬9用于支撑所述框架而使所述挖沟机22能够在海床上滑行。

优选地，本实施例的基于海底砂质地层的高压水射流装置，如图6所示，所述左吸砂泵2-2和右吸砂泵2-1分别通过左前方、左后方、右前方、右后方的四根链条6与所述框架连接，每根链条6都能单独牵引，以调整左吸砂泵2-2和右吸砂泵2-1的角度或高度，吸砂泵通过链条与挖沟机实现软连接，还可有效防止挖沟机施工过程中海床对吸砂泵的磕碰，同时又保障了吸砂泵与液化土的充分接触。

优选地，本实施例的基于海底砂质地层的高压水射流装置，所述排砂管采用内嵌钢丝的胶管，并通过法兰或快速插头连接所述吸砂泵。其中内嵌钢丝可有效防止胶管变形，法兰或快速插头连接形式可方便调节软管的长度，便于现场施工。

优选地，本实施例的基于海底砂质地层的高压水射流装置，如图7所示，所述气举管采用直斜管。采用没有弯曲角度的直斜管，如遇到砂石、渔网、垃圾的堵塞问题，可方便管道的疏通清理。

优选地，本实施例的基于海底砂质地层的高压水射流装置，如图1所示，还包括用于发电供电的发电机设备20。

本实施例提供一种深开挖方法，使用上述的基于海底砂质地层的高压水射流装置，包括以下工作模式，

（1）挖沟机常规作业，此过程在管沟顶宽一定范围内，开启轴流泵1、高压水射流设备17、空压机设备19进行吹扫作业和气举作业，沟深可达到常规挖沟机施工深度，如图9所示。

（2）挖沟机拓沟作业，此过程将管沟两侧进行拓展，可形成阶梯状沟型（如图8所示），有效防止边坡塌陷。如图10所示，管沟右侧施工期间，打开右吸砂泵2-1和空压机设备19右气举管4-1控制开关，保证右排砂管3-1和右气举管4-1将液化土更好的排出沟外，同时避免左排砂管3-2和左气举管4-2重新将液化土吹扫到管沟内，进而造成大量回淤导致管道被掩埋；同理，如图11所示，管沟左侧施工期间，打开左吸砂泵2-2和空压机设备19的左气举管4-2控制开关，进行左侧的拓沟。

（3）挖沟机深开挖作业，此过程中沿管道正上方施工，同时开启两侧的轴流泵1、吸砂泵2、高压水射流设备17、空压机设备19，如图12所示，实现“吹扫+排砂+气举”作业，通过增加施工遍数，最终达到深开挖的目的。

优选地，本实施例的深开挖方法，所述左吸砂泵2-2和右吸砂泵2-1分别通过左前方、左后方、右前方、右后方的四根链条6与所述框架连接，每根链条6都能单独牵引，在挖沟机拓沟作业中对左侧拓沟时，牵引所述左吸砂泵2-2的左前方、左后方两根链条6使左吸砂泵2-2朝向偏左方向进行吸砂；在挖沟机拓沟作业中对右侧拓沟时，牵引所述右吸砂泵2-1的右前方、右后方两根链条6使右吸砂泵2-1朝向偏右方向进行吸砂。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种基于海底砂质地层的高压水射流装置，其特征在于，包括：

吸砂泵启动柜（18）、空压机设备（19）、高压水射流设备（17）、挖沟机（22），所述挖沟机（22）通过脐带缆（21）分别与所述吸砂泵启动柜（18）、空压机设备（19）、高压水射流设备（17）连接；

所述挖沟机（22）包括：框架、轴流泵（1）、气举管、吸砂泵、排砂管和高压水喷头（10）；

所述轴流泵（1）固定在所述框架上，用于对海床土进行吹扫；

所述气举管与空压机设备（19）连接；所述气举管分为左气举管（4-2）和右气举管（4-1），所述左气举管（4-2）和右气举管（4-1）分别安装在所述框架的左、右两侧；所述气举管用于进行气举作业；

所述吸砂泵与吸砂泵启动柜（18）连接；所述吸砂泵分为左吸砂泵（2-2）和右吸砂泵（2-1），所述左吸砂泵（2-2）和右吸砂泵（2-1）分别通过若干的链条（6）与所述框架连接，通过所述链条（6）的伸缩能够控制所述左吸砂泵（2-2）或右吸砂泵（2-1）的高度和角度；

所述排砂管分为左排砂管（3-2）和右排砂管（3-1），分别与所述左吸砂泵（2-2）和右吸砂泵（2-1）连接，用于排出吸砂泵吸取的砂土流；

所述高压水喷头（10）安装在所述框架上，所述高压水喷头（10）通过脐带缆（21）与高压水射流设备（17）连接。

2.根据权利要求1所述的基于海底砂质地层的高压水射流装置，其特征在于，所述高压水喷头（10）外部包覆有护管器（8），所述护管器（8）的外壁上安装有滚轮（11）。

3.根据权利要求1或2所述的基于海底砂质地层的高压水射流装置，其特征在于，还包括声呐监测系统（15）和前声呐探头（12）、后声呐探头（13）；所述前声呐探头（12）安装在所述框架前方，所述后声呐探头（13）安装在所述框架后方，所述前声呐探头（12）、后声呐探头（13）通过脐带缆（21）与声呐监测系统（15）连接。

4.根据权利要求1或2所述的基于海底砂质地层的高压水射流装置，其特征在于，还包括姿态监测系统（16）和姿态监测仪（14），所述姿态监测仪（14）安装在所述框架中间位置，位于两台轴流泵（1）中间，所述姿态监测仪（14）通过脐带缆（21）与姿态监测系统（16）连接。

5.根据权利要求1或2所述的基于海底砂质地层的高压水射流装置，其特征在于，所述框架包括：横梁（5）、竖梁（7），所述竖梁（7）固定在所述横梁（5）下方，所述横梁（5）与竖梁（7）通过法兰连接成一体，所述竖梁（7）的底部左侧和右侧分别通过法兰固定有滑撬（9），所述滑撬（9）用于支撑所述框架而使所述挖沟机（22）能够在海床上滑行。

6.根据权利要求1或2所述的基于海底砂质地层的高压水射流装置，其特征在于，所述左吸砂泵（2-2）和右吸砂泵（2-1）分别通过左前方、左后方、右前方、右后方的四根链条（6）与所述框架连接，每根链条（6）都能单独牵引。

7.根据权利要求1或2所述的基于海底砂质地层的高压水射流装置，其特征在于，所述排砂管采用内嵌钢丝的胶管，并通过法兰或快速插头连接所述吸砂泵。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于海底砂质地层的高压水射流装置，其特征在于，所述气举管采用直斜管。

9.一种深开挖方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的基于海底砂质地层的高压水射流装置，包括以下工作模式，

挖沟机拓沟作业：使用左侧或右侧轴流泵、气举管、吸砂泵、排砂管作业，将管沟两侧依次进行拓展，形成阶梯状沟型；

挖沟机深开挖作业：使用挖沟机沿管道正上方施工，使用轴流泵吹扫海床土，使用气举管进行气举作业，使用吸砂泵进行排砂作业。

10.根据权利要求9所述的深开挖方法，其特征在于，所述左吸砂泵（2-2）和右吸砂泵（2-1）分别通过左前方、左后方、右前方、右后方的四根链条（6）与所述框架连接，每根链条（6）都能单独牵引，在挖沟机拓沟作业中对左侧拓沟时，牵引所述左吸砂泵（2-2）的左前方、左后方两根链条（6）使左吸砂泵（2-2）朝向偏左方向进行吸砂；在挖沟机拓沟作业中对右侧拓沟时，牵引所述右吸砂泵（2-1）的右前方、右后方两根链条（6）使右吸砂泵（2-1）朝向偏右方向进行吸砂。

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