一种百米级深水沉管大容差对接装置与对接方法

技术领域

本发明涉及沉管隧道安装技术领域，特别涉及一种百米级深水沉管大容差对接装置与对接方法。

背景技术

随着国家对跨海通道基础设施工程建设的需求，沉管隧道已成为当前水下大型隧道工程的首选施工方式。沉管隧道是将隧道管段分段预制，每段两端设置临时止水头部，然后浮运至隧道轴线处，沉放在预先挖好的基槽内，完成管段间的水下连接，移去临时止水头部，回填基槽保护沉管，铺设隧道内部设施，从而形成一个完整的水下通道。

在相关技术中，目前国内外沉管安装基本都采用双测量塔水下测控安装技术，即通过两个测量塔与沉管的三维空间几何关系，依托测量塔塔顶的GPS进行定位，换算得到沉管在水中的三维姿态，进而为沉管的绞锚移位提供决策指导，实现对接。

然而，随着沉管隧道建设向百米深水区域的发展，相比于水深较浅的地区，沉管隧道从结构受力到工程施工都具有显著的区别。尤其是受波浪、水流影响较大的超百米深水海域，传统测量塔已不能适应百米深水沉管安装的要求。对于沉管在水下安装的精准对接时，依然需要依赖潜水员的水下探摸和低能见度下的目视测量，拼接过程中容差偏差较大，导致对接和定位精确度较低。

发明内容

本发明实施例提供了一种百米级深水沉管大容差对接装置与对接方法，能够解决相关技术中深水沉管在水下对接过程中容差偏差较大导致对接和定位精确度低的问题。所述技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种百米级深水沉管大容差对接装置，包括：沉放装置和对接组件；

所述沉放装置包括沉放驳和可拆卸沉管夹，所述沉放驳包括浮体和设置于所述浮体底部的悬吊钢丝绳，所述悬吊钢丝绳的一端可卷绕地连接于所述浮体上，所述可拆卸沉管夹包括横梁和两个夹持臂，所述两个夹持臂垂直连接于所述横梁的两端，所述悬吊钢丝绳的另一端与所述横梁连接，所述横梁上设置有朝向深水沉管对接方向布置的第一液压推进器，所述夹持臂上设置有第二液压推进器，所述第二液压推进器的朝向与所述第一液压推进器垂直；

所述对接组件包括锥形套管和与所述锥形套管相匹配的圆锥台，所述锥形套管用于安装于先安装的深水沉管管节处，所述圆锥台用于安装于所述后安装的深水沉管管节处。

可选地，所述锥形套管的大端内径和所述圆锥台的大端直径为2m，所述锥形套管的内孔高度和所述圆锥台的高度为1m。

可选地，所述沉放装置包括两个所述悬吊钢丝绳，两个所述悬吊钢丝绳相对于所述横梁的中点对称布置。

可选地，两个所述悬吊钢丝绳与所述横梁的连接处均设置有所述第一液压推进器。

可选地，所述百米级深水沉管大容差对接装置包括两个所述沉放装置，两个所述沉放装置沿所述深水沉管的长度方向间隔布置。

可选地，所述锥形套管和所述圆锥台为钢制结构件。

第二方面，本发明实施例还提供了一种对接方法，基于前述第一方面所述的百米级深水沉管大容差对接装置实现，所述对接方法包括：利用所述可拆卸沉管夹对深水沉管进行夹持，并在先安装的所述深水沉管管节处固定安装所述锥形套管，由所述沉放驳进行放线，通过所述悬吊钢丝绳将所述深水沉管沉放至合适深度，并解除夹持；

通过所述沉放驳进行收线，再次利用所述可拆卸沉管夹对后安装的所述深水沉管进行夹持，并在后安装的所述深水沉管管节处固定安装所述圆锥台，由所述沉放驳进行放线，通过所述悬吊钢丝绳将所述深水沉管沉放至合适深度；

通过声呐测量系统进行先安装的所述深水沉管上所述锥形套管和后安装的所述深水沉管上所述圆锥台的大容差定位，并通过所述第一液压推进器和所述第二液压推进器对后安装的所述深水沉管进行水下位置调整，并依托所述锥形套管和所述圆锥台的限位配合导向，完成两个所述深水沉管管节处的对接；

采用水下拉合千斤顶对两个所述深水沉管管节处进行密封处理，再进行水力压接，对所述深水沉管内部进行贯通测量，完成对接。

可选地，所述锥形套管、所述圆锥台与所述深水沉管的固定安装在沉管预制场进行，所述可拆卸沉管夹与所述深水沉管的夹持安装在所述深水沉管被浮运至二次舾装区域后进行。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

采用本发明实施例所提供的百米级深水沉管大容差对接装置以及上述对接方法进行百米级深水沉管的水下对接施工，针对百米深水沉管安装测量塔无法应用的问题，提出由对接组件与水面水下双动力沉放装置配合，利用沉放驳控制悬吊钢丝绳和可拆卸沉管夹控制深水沉管在水下的上下移位，利用第一液压推进器和第二液压推进器控制深水沉管的前后左右移位，通过锥形套管和圆锥台组成的大容差导向结构，实现百米深水沉管隧道的快速、可靠对接。该方法可为百米深水沉管管节安装提供技术指导，初始定位容许偏差降至厘米级，可大幅节省工程成本，降低安全风险，为实际工程应用提供技术保障。能够解决相关技术中深水沉管在水下对接过程中容差偏差较大导致对接和定位精确度低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的百米级深水沉管大容差对接装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的对接组件的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的待测干式套管的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的锥形套管与深水沉管的装配示意图；

图5是本发明实施例提供的百米级深水沉管大容差对接装置处于浮运状态的三维示意图；

图6是本发明实施例提供的百米级深水沉管大容差对接装置处于对接状态的三维示意图；

图7是本发明实施例提供的对接方法的流程图。

图中：

1-沉放装置；2-对接组件；11-沉放驳；12-可拆卸沉管夹；13-第一液压推进器；14-第二液压推进器；21-锥形套管；22-圆锥台；111-浮体；112-悬吊钢丝绳；121-横梁；122-夹持臂；m-深水沉管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在相关技术中，目前国内外沉管安装基本都采用双测量塔水下测控安装技术，即通过两个测量塔与沉管的三维空间几何关系，依托测量塔塔顶的GPS进行定位，换算得到沉管在水中的三维姿态，进而为沉管的绞锚移位提供决策指导，实现对接。

然而，随着沉管隧道建设向百米深水区域的发展，相比于水深较浅的地区，沉管隧道从结构受力到工程施工都具有显著的区别。尤其是受波浪、水流影响较大的超百米深水海域，传统测量塔已不能适应百米深水沉管安装的要求。对于沉管在水下安装的精准对接时，依然需要依赖潜水员的水下探摸和低能见度下的目视测量，拼接过程中容差偏差较大，导致对接和定位精确度较低。

图1是本发明实施例提供的百米级深水沉管大容差对接装置的结构示意图；图2是本发明实施例提供的对接组件的结构示意图；图3是本发明实施例提供的待测干式套管的结构示意图；图4是本发明实施例提供的锥形套管与深水沉管的装配示意图；图5是本发明实施例提供的百米级深水沉管大容差对接装置处于浮运状态的三维示意图；图6是本发明实施例提供的百米级深水沉管大容差对接装置处于对接状态的三维示意图如图1至6所示，通过实践，本发明实施例提供了一种百米级深水沉管大容差对接装置，包括沉放装置1和对接组件2。

其中，沉放装置1包括沉放驳11和可拆卸沉管夹12。沉放驳11包括浮体111和设置于浮体111底部的悬吊钢丝绳112，悬吊钢丝绳112的一端可卷绕地连接于浮体111上。可拆卸沉管夹12包括横梁121和两个夹持臂122，两个夹持臂122垂直连接于横梁121的两端，悬吊钢丝绳112的另一端与横梁121连接。横梁121上设置有朝向深水沉管m对接方向布置的第一液压推进器13，夹持臂122上设置有第二液压推进器14，第二液压推进器14的朝向与第一液压推进器13垂直。

对接组件2包括锥形套管21和与锥形套管21相匹配的圆锥台22，锥形套管21用于安装于先安装的深水沉管m管节处，圆锥台22用于安装于后安装的深水沉管m管节处。

在本发明实施例中，该百米级深水沉管大容差对接装置用于百米级深水沉管的大容差对接，且配合以下步骤进行。在进行深水沉管对接之前首先要经过沉管预制阶段和沉管浮运阶段。在沉管预制阶段，其首先在干坞，也即是深水沉管的预制场内完成深水沉管m各段落的预制，针对后续需要对接的多个深水沉管m，在后安装的需要对接深水沉管m管节端部中隔墙的位置安装圆锥台22结构，在先安装的深水沉管m管节的末端中隔墙位置安装锥形套管21。具体地，圆锥台与锥形套管呈圆锥状，锥形套管21的大端内径和圆锥台22的大端直径为2m，锥形套管21的内孔高度和圆锥台22的高度为1m。圆锥台22为实心结构，锥形套管21为空心结构，两者的配合结构严丝合缝、具有导向作用。在完成上述对接组件2的预制后，在深水沉管m的管廊、中隔墙等处安装沉管端封门，并焊接密封止水，使结构满足抗压及抗渗性。最后在干坞内安装系缆柱、吊耳等一次舾装件，方便后续进行浮运和装夹，然后向干坞内注水使深水沉管m起浮。

在沉管浮运阶段，在干坞坞门完成拆除或打开后，利用工程船或拖轮将深水沉管m拖运至二次舾装区域。在二次舾装区域，进行水面水下双动力定位装置的安装，具体包括：通过可拆卸沉管夹12的两个夹持臂122由深水沉管m的两侧进行夹持固定，利用悬吊钢丝绳112将深水沉管m吊于沉放驳11的浮体111下方水体中，通过沉放驳11上的收放线装置可以实现深水沉管m的沉放。在可拆卸沉管夹12的横梁121上设置有第一液压推进器13，可以利用其推进力在水体中对深水沉管m在延伸方向上进行位置微调。在两个夹持臂122上设置有第二液压推进器14，其朝向与第一液压推进器13垂直，可以利用其推进力在水体中对深水沉管m提供动力以控制进行左右移位。

在沉管对接阶段，通过悬吊钢丝绳112将需要先安装的深水沉管m沉放至合适深度，并解除夹持。通过沉放驳11进行收线，再次利用可拆卸沉管夹12对后安装的深水沉管m进行夹持，由沉放驳11进行放线，通过悬吊钢丝绳112将深水沉管m沉放相匹配的深度。通过声呐测量系统进行先安装的深水沉管m上锥形套管21和后安装的深水沉管m上圆锥台22的大容差定位，也即是以锥形套管21和圆锥台22同轴为基准，使前后两端深水沉管m管节的中轴线上下、左右容差偏差为1m以内。管节大容差定位完成后，通过第一液压推进器13和第二液压推进器14对后安装的深水沉管m进行水下位置的进一步调整，利用第一液压推进器13提供动力使两段深水沉管m的管节处逐步靠近，并依托锥形套管21和圆锥台22的限位配合导向，即在逐步靠近的过程中利用锥形套管21和圆锥台22的锥面配合实现限位导向，完成两个深水沉管m管节处的精确对接。深水沉管m对接后，通过在水下安装拉合千斤顶，采用拉合千斤顶拉合两个深水沉管m的管节端部使GINA止水带初步压缩，水力压接完成后，在沉管内部采用全站仪进行贯通测量，校核安装偏差，完成整体对接工序。

可选地，锥形套管21的大端内径和圆锥台22的大端直径为2m，锥形套管21的内孔高度和圆锥台22的高度为1m。示例性地，在本发明实施例中，该百米级深水沉管大容差对接装置与对接方法主要针对规格为长度25m，宽度12m，高度10m的深水沉管m管节，利用上述尺寸的锥形套管21和圆锥台22所组成的对接组件2实现水下对接过程中的管节大容差定位导向，相比现有技术，初始定位容许偏差降至厘米级，可大幅节省工程成本，降低人员水下定位对接过程中的安全风险，有效提高对接精确度。

可选地，沉放装置1包括两个悬吊钢丝绳112，两个悬吊钢丝绳112相对于横梁121的中点对称布置。示例性地，在本发明实施例中，通过设置复数悬吊钢丝绳112对横梁121进行吊运，其多点连接方式能够避免在深水沉管m的浮运和沉放过程中发生旋转，提高对接过程中的施工稳定性。同时多点吊运也能降低单个悬吊钢丝绳112所收到的应力，提高施工安全性。

进一步地，两个悬吊钢丝绳112与横梁121的连接处均设置有第一液压推进器13。通过在复数悬吊钢丝绳112与横梁121的连接处均设置第一液压推进器13，在利用第一液压推进器13对待对接的深水沉管m管节进行推进过程中，能够保证深水沉管m整体所受到的推进力稳定，避免出现大幅度的对接路径偏离，进一步提高了对接过程中的施工稳定性。

可选地，百米级深水沉管大容差对接装置包括两个沉放装置1，两个沉放装置1沿深水沉管m的长度方向间隔布置。示例性地，在本发明实施例中，针对长度为25m的深水沉管m，采用两个沉放装置1进行配合装夹和沉放，保证深水沉管m在沉放和对接过程中的水平姿态稳定性，降低水下复杂水流环境对深水沉管m的影响，进一步提高了对接过程中的施工稳定性。

可选地，锥形套管21和圆锥台22为钢制结构件。示例性地，在本发明实施例中，采用钢制的锥形套管21和圆锥台22，利用其高机械强度和耐腐蚀抗氧化性质适应复杂的水下环境，避免在对接过程中出现损坏，进一步提高了对接过程中的施工稳定性。

图7是本发明实施例提供的对接方法的流程图。如图7所示，本发明实施例还提供了一种对接方法，基于如图1至图6所示的百米级深水沉管大容差对接装置实现，包括：

S1、利用可拆卸沉管夹12对深水沉管m进行夹持，并在先安装的深水沉管m管节处固定安装锥形套管21，由沉放驳11进行放线，通过悬吊钢丝绳112将深水沉管m沉放至合适深度，并解除夹持。

S2、通过沉放驳11进行收线，再次利用可拆卸沉管夹12对后安装的深水沉管m进行夹持，并在后安装的深水沉管m管节处固定安装圆锥台22，由沉放驳11进行放线，通过悬吊钢丝绳112将深水沉管m沉放至合适深度。

S3、通过声呐测量系统进行先安装的深水沉管m上锥形套管和后安装的深水沉管m上圆锥台22的大容差定位，并通过第一液压推进器13和第二液压推进器14对后安装的深水沉管m进行水下位置调整，并依托锥形套管21和圆锥台22的限位配合导向，完成两个深水沉管m管节处的对接。

S4、采用水下拉合千斤顶对两个深水沉管m管节处进行密封处理，再进行水力压接，对深水沉管m内部进行贯通测量，完成对接。

采用本发明实施例所提供的百米级深水沉管大容差对接装置以及上述对接方法进行百米级深水沉管的水下对接施工，针对百米深水沉管安装测量塔无法应用的问题，提出由对接组件2与水面水下双动力沉放装置1配合，利用沉放驳11控制悬吊钢丝绳112和可拆卸沉管夹12控制深水沉管m在水下的上下移位，利用第一液压推进器13和第二液压推进器14控制深水沉管m的前后左右移位，通过锥形套管21和圆锥台22组成的大容差导向结构，实现百米深水沉管隧道的快速、可靠对接。该方法可为百米深水沉管管节安装提供技术指导，初始定位容许偏差降至厘米级，可大幅节省工程成本，降低安全风险，为实际工程应用提供技术保障。能够解决相关技术中深水沉管在水下对接过程中容差偏差较大导致对接和定位精确度低的问题。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。