水下碎石基床铺设装置的制作方法

本实用新型涉及水下工程施工领域，特别是一种水下碎石基床铺设装置。

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CN 208328938 U记载了一种抛石整平装置，通过设置的框架型平台实现抛石管的X、Y向行走，实现成“Z”字形的抛石。但是，采用该方案在完成一个施工区域后需要整体移动船体，再次定位，在重新定位过程中，需要依赖GPS的定位精度，存在定位速度慢，定位精度差的问题。进一步的，其中还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。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，该方案的整平精度难以控制。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种水下碎石基床铺设装置，能够以较高的精度沿着滑轨实现连续抛石施工，且无需重复定位，减少重复定位误差，提高施工精度；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，本实用新型所采用的技术方案是：一种水下碎石基床铺设装置，包括船体，在船体上设有运送小车，运送小车由驱动装置驱动沿着船体长度方向滑动，在运送小车上设有溜管，溜管的顶端设有送料口，溜管的底端靠近水底；还设有至少一条为运送小车供料的输送带；

在船体船艏和船艉的位置设有浮箱滑轨，浮箱滑轨与船体滑动连接，在两个浮箱滑轨和船体上设有可升降的定位桩；

所述的浮箱滑轨为折叠结构。

优选的方案中，所述的浮箱滑轨靠近两端的位置设有定位桩锁定装置，定位桩可升降的设置在定位桩锁定装置内；

在船体也设有至少两个定位桩锁定装置和定位桩。

优选的方案中，在浮箱滑轨上设有至少一个折叠关节，折叠的浮箱滑轨通过转轴连接，在浮箱滑轨靠近船体的一侧设有齿条和滑轨，在船体上设有由驱动装置驱动旋转的滑移齿轮，滑移齿轮与齿条啮合连接。

优选的方案中，在浮箱滑轨折叠的位置，还设有可升降的升降齿条，在浮箱滑轨张开的状态下，升降齿条落下到折叠的位置，与齿条平齐；升降齿条通过至少一个立轴与转轴轴线平行或同轴安装，通过人工、电动葫芦或液压缸实现升降。

在两段浮箱滑轨折叠的位置背面，固设有两块固定板，当浮箱滑轨展开时，两块固定板接触，并通过螺栓固定连接。

优选的方案中，所述的滑轨为凸出外壁的结构，在船体相应位置设有用于容纳滑轨的滑轨空间，用于和滑轨形成互相扣合的结构，在滑轨与滑轨空间的内壁之间设有导轮；

所述的滑轨与滑轨空间通过调节浮箱滑轨与船体之间的吃水深度连接和脱开。

优选的方案中，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，在第二溜管的底部设有出料口调节装置；

在运送小车上设有多个卷扬装置，卷扬装置的钢丝绳端头与第二溜管连接；通过卷扬装置控制第二溜管的升降。

优选的方案中，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；

出料口套筒上还设有第一倾角传感器；

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；

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，在出料口套筒的外壁设有振动装置；振动装置的结构为：出料口套筒的外壁设有液压马达，液压马达与偏心块连接.

优选的方案中，在浮箱滑轨的可折叠端头的一侧设有浮箱推进装置；

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；

优选的方案中，在第一溜管上还设有GPS定位装置103；

优选的方案中，在第一溜管的外壁还设有全站仪棱镜。

一种采用上述的水下碎石基床铺设装置的方法，包括以下步骤：

S1、船体移动至设计位置，利用GPS或北斗系统定位溜管在水平面的位置；

浮箱滑轨展开，使船体位于浮箱滑轨的初始位置；将浮箱滑轨上的定位桩打入水底；

S2、通过调节溜管的升降，控制溜管底部的出料口的高程位置；

S3、在溜管的底部设有出料口调节装置，在出料口调节装置中设有倾角调节油缸，调整溜管最下端出料口的水平度；

S4、通过输送带往溜管中灌入石料，当石料达到设定的高度时，驱动运送小车和溜管沿船体长度方向滑动，石料从溜管下方流出，形成碎石垄带，即碎石基床；

S5、一行碎石基床施工完成后，船体通过浮箱滑轨的导向移动到下一行的位置，再进行碎石基床铺设施工；

船体沿浮箱滑轨到达滑动的极限位置后，将船体上的定位桩打入水底，使船体固定，起出浮箱滑轨上的定位桩，将浮箱滑轨沿着船体滑到初始位置；

重复上述步骤S4~S5，实现水下碎石基床的连续精确铺设施工。

本实用新型提供的一种水下碎石基床铺设装置，通过采用两个可折叠的浮箱滑轨与船体交替通过定位桩定位并相对滑动的方案，抛石施工完成一个区域后，能够通过往复的移动定位桩和船体实现有精确导向的连续移动，从而避免每次移动船体都需要重新对船体进行定位，通过溜管实现高精度的连续的“Z”字形抛石摊铺施工。采用独特的可折叠的滑轨结构，能够方便的将浮箱滑轨的端头固定在船体的船舷一侧，便于整体移动。在浮箱滑轨设置的浮箱推进装置，能够方便的在施工现场将浮箱滑轨设备展开。通过采用带有上固定架、下固定架和倾角调节油缸的出料口调节装置结构，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。优选的方案中，能够无需反复重新定位的进行连续高精度抛石施工，提高了碎石基床的铺设速度，同时也提高了碎石基床的铺设精度，铺设的碎石基床的平整度误差能够控制在40mm内。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型实现连续抛石施工的流程示意图。

图2为本实用新型的整体结构俯视示意图。

图3为本实用新型的整体结构主视示意图。

图4为本实用新型的整体结构侧视示意图。

图5为本实用新型中浮箱滑轨折叠时的俯视示意图。

图6为本实用新型中浮箱滑轨展开时的俯视示意图。

图7为图6的B向视图。

图8为本实用新型中船体与浮箱滑轨连接位置的结构示意图。

图9为本实用新型中浮箱滑轨优选方案的俯视示意图。

图10为本实用新型中溜管和出料口调节装置的结构示意图。

图11为本实用新型中出料口调节装置的俯视图。

图12为本实用新型中伸缩固定装置的俯视图。

图13为本实用新型中固定缸的液压驱动结构示意图。

图14为本实用新型中倾角调节油缸的液压驱动结构示意图。

图15为本实用新型中浮箱推进装置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，滑移齿轮32，滑移马达33，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，溜管调节索11，第一输送带12，运送小车13，卷扬装置14，浮箱滑轨15，滑轨151，齿条152，转轴153，固定板154，升降齿条155，齿条156，浮箱推进装置16，推进换向阀161，推进流量阀162，推进溢流阀163，液压泵164，过滤器165，油箱166，推进阀167。

具体实施方式

实施例1：

如图1~4中，一种水下碎石基床铺设装置，包括船体3，在船体3上设有运送小车13，运送小车13由驱动装置驱动沿着船体3长度方向滑动，在运送小车13上设有溜管，溜管的顶端设有送料口8，溜管的底端靠近水底；还设有至少一条为运送小车13供料的输送带；

在船体3船艏和船艉的位置设有浮箱滑轨15，浮箱滑轨15与船体滑动连接，在两个浮箱滑轨15和船体3上设有可升降的定位桩5；

所述的浮箱滑轨15为折叠结构，在移动时浮箱滑轨15的端头折叠在船体3的侧面，在施工时，浮箱滑轨15的端头展开。由此方案，实现如图1中所示的浮箱滑轨15和船体3交替沿施工面前行的施工方式，从而无需每次移动船体就要重复定位，大幅提高了施工效率和精度。

优选的方案如图2中，所述的浮箱滑轨15靠近两端的位置设有定位桩锁定装置51，定位桩5可升降的设置在定位桩锁定装置51内；定位桩锁定装置51横截面为一环形的结构，在环形上设有开口，在开口的位置设有铰接的压紧块，锁紧缸一端与压紧块铰接，另一端与环形结构连接，通过锁紧缸的活塞杆的伸缩将第一溜管1松开或压紧。定位桩5的提起和打入水底的施工方法属于石油和地基施工中常用的技术，此处不再赘述。

在船体3也设有至少两个定位桩锁定装置51和定位桩5。由此方案，在浮箱滑轨15和船体3被固定时，能够获得更稳固的支撑，避免出现因定位不准产生的定位偏差。

一行碎石基床7施工完成后，船体3通过浮箱滑轨15的导向移动到下一行的位置，再进行碎石基床铺设施工；可选的，通过绞车实现船体3与浮箱滑轨15之间的相对滑动。

船体3沿浮箱滑轨15到达滑动的极限位置后，将船体3上的定位桩5打入水底，使船体3固定，起出浮箱滑轨15上的定位桩5，将浮箱滑轨15沿着船体3滑到初始位置；初始位置是指图1中，船体3位于浮箱滑轨15上端时的位置，极限位置是船体3滑动到浮箱滑轨15下端时的位置。

优选的方案如图2、5~7中，在浮箱滑轨15上设有至少一个折叠关节，优选的采用两个折叠关节，如图2中，折叠时，将浮箱滑轨15可折叠端头固定在船体3的两侧，此时运送小车13和溜管运行到船体3中间的位置。折叠的浮箱滑轨通过转轴153连接，在浮箱滑轨15靠近船体3的一侧设有齿条152和滑轨151，在船体3上设有由驱动装置驱动旋转的滑移齿轮32，滑移齿轮32与齿条152啮合连接。本例中采用滑移马达33驱动滑移齿轮32旋转，液压控制结构与图15中的结构相同。

优选的方案如图5~7中，在浮箱滑轨15折叠的位置，还设有可升降的升降齿条155，在浮箱滑轨15张开的状态下，升降齿条155落下到折叠的位置，与齿条152平齐；升降齿条155用于补齐折叠位置的齿条空缺。

重复上述步骤，实现水下碎石基床的连续精确铺设施工。由此方案，实现如图1中所示的浮箱滑轨15和船体3交替沿施工面前行的施工方式，从而无需每次移动船体就要重复定位，大幅提高了施工效率和精度。

优选的如图5、6中，在两段浮箱滑轨折叠的位置背面，固设有两块固定板154，当浮箱滑轨展开时，两块固定板154接触，并通过螺栓固定连接。由此结构，用于在浮箱滑轨15展开时，使浮箱滑轨15的折叠位置被固定。

优选的方案如图8中，所述的滑轨151为凸出外壁的结构，在船体3相应位置设有用于容纳滑轨151的滑轨空间，用于和滑轨151形成互相扣合的结构，在滑轨151与滑轨空间的内壁之间设有导轮；

所述的滑轨151与滑轨空间通过调节浮箱滑轨15与船体3之间的吃水深度连接和脱开。浮箱滑轨15设有吃水水位调节结构；吃水水位调节结构包括重物压载舱或者水压舱。通过增减重物或者调解舱室内的水位从而调节整个浮箱滑轨15的水位。浮箱滑轨15通过吃水水位调节结构增加吃水水位，移动浮箱滑轨15，使滑轨151进入到滑轨空间下方，减少浮箱滑轨15的吃水水位，即取出压载舱的压载重物，直到滑轨151上的导轮156与滑轨空间可靠接触，滑移齿轮32与齿条152啮合；浮箱滑轨15与船体3脱开时，通过吃水水位调节结构增加吃水水位，即增加压载舱的压载重物，浮箱滑轨15整体落下，滑轨151即离开滑轨空间下方。通过以上结构，使浮箱滑轨15能够较为便利的与船体分离。

优选的方案中，在浮箱滑轨15的可折叠端头的一侧设有浮箱推进装置16；浮箱推进装置16采用液压马达驱动，通过浮箱推进装置16推动浮箱滑轨15的折叠端头展开。液压马达的液压控制如图13所示，液压马达的油口与推进换向阀161连接实现正反转控制，在进油管上依次设有推进流量阀162、推进阀167、推进溢流阀163、液压泵164、过滤器165，进油管和回油管均接到油箱166中。通过设置的浮箱推进装置16，能够推动浮箱滑轨15的自运动，从而便于将浮箱滑轨15固定在船体3的船舷，而在施工过程中，将浮箱滑轨15安装在船体3的船艏和船艉。

优选的方案如图3、10中，溜管为互相套接的第一溜管1和第二溜管2；优选的，第二溜管2套在第一溜管1之外。

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

在运送小车13上设有多个卷扬装置14，卷扬装置14的钢丝绳端头与第二溜管2连接；通过卷扬装置14控制第二溜管2的升降。通过卷扬装置14控制第二溜管2的升降，控制第二溜管2底部的出料口的高程位置，该高程位置即为碎石基床7的厚度。即出料口至泥地的高度为碎石基床7的厚度。

优选的方案如图3、12、13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；

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。由此结构，避免卷扬装置14持续持力，尤其是在深水工况中，避免了钢丝绳的弹性伸缩对第二溜管2高度位置的影响。

优选的方案如图10、11中，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；

出料口套筒46上还设有第一倾角传感器45；

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；

根据第一倾角传感器45的反馈，控制相关的倾角调节油缸42伸缩，从而调节出料口套筒46底部的倾斜角度，使调节出料口套筒46的底部与基床底部平行。

优选的方案中，距离传感器44用于检测出料口套筒46到基床底部的距离；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，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；

在摊铺了至少一行碎石基床7后，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，则对碎石基床7的表面进行整平。

优选的方案如图10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。需要将碎石基床7整平时，启动液压马达，溜管沿着需要整平的位置运动，通过振动方式，更好的将碎石基床7整平。进一步优选的如图8中，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，采用振动装置47的方案具有更大的优势。

优选的方案如图14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；

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。

根据需要调节的数据，得到对应的需要调节的倾角调节油缸42的编号和调节参数，分配电磁阀424依次切换到相应的倾角调节油缸42的油路，通过倾角换向阀421对倾角调节油缸42的伸缩进行调节。调节过程中，通过第一倾角传感器45进行反馈。或者通过距离传感器44进行反馈，距离传感器44采用超声或声呐传感器，检测精度在2mm内。满足本例中的精度控制要求。

优选的，如图10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；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。

在第一溜管的外壁还设有全站仪棱镜。

实施例2：

一种采用上述的水下碎石基床铺设装置的方法，包括以下步骤：

S1、船体3移动至设计位置，利用GPS或北斗系统定位溜管在水平面的位置；

浮箱滑轨15展开，使船体3位于浮箱滑轨15的初始位置；将浮箱滑轨15上的定位桩5打入水底；

S2、通过调节溜管的升降，控制溜管底部的出料口的高程位置；

S3、在溜管的底部设有出料口调节装置4，在出料口调节装置4中设有倾角调节油缸42，调整溜管最下端出料口的水平度；

S4、通过输送带往溜管中灌入石料，当石料达到设定的高度时，驱动运送小车13和溜管沿船体3长度方向滑动，石料从溜管下方流出，形成碎石垄带，即碎石基床7；

优选的方案如图2中，沿着船体3的长度或宽度方向设置有轨道31，运送小车13滑动安装在轨道31上，在轨道31两端的位置设有绞车10，用于驱动运送小车13沿着轨道31滑动；

与轨道31平行的设有第一输送带12，在运送小车13上设有第二输送带9，第二输送带9的入口端位于第一输送带12的下方，第二输送带9的出口端位于送料口8的上方。在第一输送带12上设有随着第二输送带9移动出料斗，为第二输送带9供料。由此结构，实现石料到送料口8的连续供应。

S5、一行碎石基床7施工完成后，船体3通过浮箱滑轨15的导向移动到下一行的位置，再进行碎石基床铺设施工；

船体3沿浮箱滑轨15到达滑动的极限位置后，将船体3上的定位桩5打入水底，使船体3固定，起出浮箱滑轨15上的定位桩5，将浮箱滑轨15沿着船体3滑到初始位置；初始位置是指图1中，船体3位于浮箱滑轨15上端时的位置，极限位置是船体3滑动到浮箱滑轨15下端时的位置。

重复上述步骤S4~S5，实现水下碎石基床的连续精确铺设施工。

上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，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。本实用新型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，也在本实用新型的保护范围之内。