专利名称：大型物件水下施工方法及所使用的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水下施工方法及装置，特别是一种适合用于海上大型结构物或管线施工的大型物件水下施工方法及所使用的装置。
背景技术：
在地球的地表上，绝大部分的面积都是被水所覆盖，随着人口的大量增加及科技文明的进步，人类的开发活动逐渐增加，并开始往海洋领域拓展。近数十年间海运蓬勃发展，货运总吞吐量及货柜数量每年均大幅成长，因此无论商港及工业港的建造，均朝扩建港口水深的方向努力，以适应日益加大载重量的客货轮船。因此各项大型海事工程配套的施作方法，也随之而生，才能满足如此庞大的工程需求。目前的水下管线安装方法，大致上是先在陆地上将多节短管组装完成，再将组装完成的管线，每隔一定距离系上浮筒，最后利用拖船将系上浮筒的管线在海上拖行至定位点后再释放，使其自由沉降至海底，但此方法主要缺点在于:管线在沉降过程中不受控制，如果放管点的海流或海浪过强时，容易偏离预定着陆点。另外海流产生的推力与作用面积成正比，而大口径管材或建筑结构物因为侧向的投影面积较大，因此受到海流推动时所受的影响更为显著，因而更增加了大型的管材或建筑结构物海事施工的困难度。再加上大型管的重量及体积过大，不易在大陆上安装及海上拖行，因此大口径管材或建筑结构物的安装方式，只能利用大型平台船加装高承载吊车的方式来吊运。但此工法所需的施工机具规格较高，且极耗人力和时间，仍属较不经济的施工方法。所以，现有的施工方法有待进一步改进，并谋求可行解决方案的必要，于是本发明人乃本著多年从事该项技术领域设计开发的实物经验，以及经由无数次的实际实验，终于研发出本发明技术。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种大型物件水下施工方法及所使用的装置，其能够利用简单设备达到在水中自由升降大型管材或建筑结构物等大型施工物件的目的，当运用在大型水底工程时，可减少对大型昂贵施工设备的需求，并缩短工时节省人工成本。本发明的技术方案:为达上述目的，本发明的方法主要是利用一浮力装置将管材、建筑结构物等大型施工物件吊挂悬浮于欲施工水域的水面下，并通过调整浮力装置的压舱重量，控制该大型物件下沉到水中的深度。前述浮力装置是由一主浮力体，及若干个辅助浮力体所组成。该主浮力体的浮力系大于该浮力装置连同施工物件的重量总和，而能够将该大型施工物件悬浮吊挂于水面下，其施工时，首先将该浮力装置连同大型施工物件拖运到预定施工水域，并就定位后，逐渐增加该主浮力体的压舱重量，使该主浮力体连同施工物件逐渐下沉。前述主浮力体下沉时，带动该辅助浮力体下沉，当该辅助浮力体沉入水中时产生一辅助浮力，并通过该辅助浮力阻止该浮力装置连同大型物件继续下沉。在增加前述主浮力体的重量时，需注意维持该主浮力体连同施工物件的重量不得超过该主浮力体连同辅助浮力体浮力的范围内，使该浮力装置于施工物件下降过程中持续保有浮力，以使该施工物件保持悬浮状态，而不至于因下沉的惯性持续下降而碰触到水底地面而损坏。因此，在不超过该主浮力体与辅助浮力体的浮力总和的前提下，逐渐增加该主浮力体的压舱重量，可使该施工物件的高度逐渐下降，而达到预定的施工高度位置为止，因此达到控制施工物件沉入水中高度位置的目的。此外，前述浮力装置可为一压力舱，其可通过控制其内部压舱水量的方法，达到控制该浮力装置的比重与浮力的目的。此外，当遇到倾斜或崎岖水底地形施工的场合时，该浮力装置可进一步将其内部区隔为多个不同的浮力空间，并使得各个浮力空间的浮力不同，使浮力装置改变于水中的倾斜角度，以使该施工物件能够以倾斜角度被安装在水底的地面上。与现有技术相比，本发明通过利用浮力装置的浮力和重量的相互调节，可在水中方便地调节施工物件下沉的高度。另外，当应用于地形特殊如斜度较大的海床，主浮力体也可因应不同地形需要，分别在各浮力空间中导入不等量的压舱水，使主浮力体于各个浮力空间具有不等的压舱重量，而倾斜至需要的角度，方便安装。
图1为本发明在施工初期浮力装置吊挂施工物件悬浮于水面状态的示意图；图2为本发明在施工中期，浮力装置开始增加压舱重量，逐渐沉入水中状态的示意图；图3为本发明多个辅助浮力体串连在一起，以增加浮力装置沉降深度的示意图；图4为本发明通过改变主浮力体不同浮力空间的压舱重量，以改变施工物件倾斜角度的示意图。附图中的标记为:10_浮力装置，11-主浮力体，12-辅助浮力体，13-连接构件，14-区隔构件，15-独立浮力空间，16-法兰接头，20-施工物件，21-钢索。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据。本发明的实施例:如图1所示，本发明的施工方法主要是利用一浮力装置10将一预定施工的施工物件20悬浮吊挂于水底，同时通过控制该浮力装置10及施工物件20的总和重量与该浮力装置10下沉后产生浮力相调节，达到控制升降并持续维持足够浮力的目的。下文将详细说明:前述浮力装置10是由一主浮力体11，以及若干辅助浮力体12所组成。主浮力体11与辅助浮力体12之间是以连接构件13连接。该连接构件13为缆绳、铁链等可挠性的构件，以使该主浮力体11与辅助浮力体12之间保持可挠性的连接。
如图1所示，本发明该实施例中使用的主浮力体11为一空心密闭筒槽，前述施工物件20是以钢索21吊挂于该主浮力体11下方。主浮力体11初始状态所能产生的浮力大于该施工物件20连同该主浮力体11的压舱重量，而使得该施工物件20可以悬浮在水面下。如图1及图2所示，本发明开始施工时，先将该浮力装置10连同施工物件20拖运到预定施工水域的定点。该浮力装置10在初始状态下，是通过主浮力体11的浮力将施工物件20悬浮吊挂于预定施工水域的水面下，且此时前述辅助浮力体12处于漂浮于水面的状态，而尚未开始分担该施工物件20的重量。如图2所示，当要控制该施工物件20下沉时，即可开始增加该主浮力体11的压舱重量，而使得该主浮力体11连同施工物件20开始下沉。该实施例中，本发明所采用的增加主浮力体11压舱重量的技术手段为，往主浮力体11内部灌入压舱水。为使该主浮力体11下沉时能够维持平衡,主浮力体11内利用若干区隔构件14分隔成多个独立的浮力空间15，独立的浮力空间15的设计目的主要是在导入压舱海水时，使压舱海水能平均分散在各浮力空间15中，避免压舱海水集中于主浮力体11内部的一侧造成主浮力体11重量分布不均而倾倒。主浮力体11另一设计要点在于其本身的体积，其设计体积大小需依所吊运的施工物件20的重量而定，关键在于施工物件20和主浮力体11所能产生的浮力，须略大于施工物件20和主浮力体11空舱状态的总重，通过这样的设计，可以让主浮力体11增加少许压舱重量，便可以开始沉降作业。如上述，主浮力体11内部各个浮力空间15分别设有开口供压舱水进出，压舱水本身则是由搭配的压舱水泵将海水打入各浮力空间15中。在此必须强调，除了上述的灌入压舱水以控制主浮力体11与施工物件20沉降的方法外，其他诸如在主浮力体11上挂载配重物，以增加主浮力体11压舱重量的方式，也是可行的技术手段。本发明除前述主浮力体11支撑起施工物件20的重量外，另外辅助浮力体12提供额外浮力，以控制该施工物件20下降的深度，并且使该施工物件20随时保持悬浮状态，避免施工物件下沉时因惯性下沉作用撞击水底的地面而损坏。该实施例中使用的辅助浮力体12为采用长形封闭浮筒的构造，利用连接构件13连接于主浮力体11的两端。此连接方式有助于系统的平衡，两端的浮筒也可视水深及需求通过串连来加长。辅助浮力体12主要设计目的是提供浮力装置10大于系统自重的浮力，确保浮力装置10在主浮力体11引进压舱水增加自重而下沉时，能产生相对应的浮力来停止沉降过程，并保护施工物件20避免与海床碰撞，虽然辅助浮力体12主要功能是提供浮力，但也可视情形需要引入压舱水，使其兼具有浮力舱的调整高度及角度的功能。如图1所示状态，辅助浮力体12与主浮力体11之间是以可挠性的连接构件13加以连接，因此当主浮力体11还没开始下沉时，辅助浮力体12漂浮于水面上，且没有承受施工物件20及主浮力体11的压舱重量。如图2所示，当主浮力体11的压舱重量增加到使其与施工物件20总和重量大于该主浮力体11的浮力时，该主浮力体11会完全地沉入到水中，此时该辅助浮力体12可受该主浮力体11牵引，而开始沉入水中。该辅助浮力体12下沉后，所产生的辅助浮力会随着辅助浮力体12沉入水中体积增加而逐渐增加，亦即当主浮力体11的压舱重量逐渐增加时，该辅助浮力体12受主浮力体11带动沉入水中的深度也会随之增加，此时该辅助浮力体12因为沉入水中体积增加，因此也会产生相对应的辅助浮力，而使得浮力装置10的浮力维持平衡。在此必须注意本发明的浮力装置10在沉降过程中，需保持辅助浮力体12不完全沉入水中，如此便可维持该主浮力体11与施工物件20的重量总和小于该主浮力体11与辅助浮力体12浮力总和的状态，而使得该浮力装置10及施工物件20在沉降过程中始终保持可悬浮于水中的状态。因此，本发明的方法在沉降施工物件20时，操作者可在维持辅助浮力体12不完全沉入水中的前提下，逐渐增加该主浮力体11的压舱重量，而控制该施工物件20沉降的高度，且使得施工物件20在沉降过程保持悬浮于水中状态。如图2所示，本发明该实施例使用的辅助浮力体12采用长形封闭筒状的构造，且其是由长端的一端与主浮力体11连接，因此其沉入水中时，会因为浮力作用而呈直立状态，而且使得各该辅助浮力体12产生的辅助浮力与其沉入水中的深度呈现线性的关系。因此通过控制该浮力装置10所灌入的压舱水量，最后也会和沉降深度呈线性关系。通过这样的设计，在实际操作时，欲沉降深度以及所需要的压舱水量间的关系，就可以以简单的常数来换算，大大地提高了操作便利性。若假设施工水域的水比重为1，辅助浮力体12产生辅助浮力与其沉入水中的等体积水的重量相等，此一关联性可以下列函数呈现出来:W0+W1=F0+F1— W0+ffl=F0+ Σ (Α1*Η1)上述函数各个符号代表意义如下:WO:施工物件+浮力装置原始重量总和Wl:压舱重量FO:施工物件及主浮力体浮力Al:辅助浮力体截面积Hl:辅助浮力体沉入水中深度。由上述函数，可以简易推算出浮力装置10增加压舱重量时，整个浮力装置10与施工物件下降深度的关连性，因此在施工时，操作者只需要依照施工物件20在初始状态下的深度，再加上浮力装置10增加压舱重量后，辅助浮力体12沉入水中的深度Η1，便可计算出施工物件20沉入水中的深度，以及施工物件欲沉降到所需施工深度时，所需增加的压舱重量W1。 此外，如图3所示，当施工物件20所需的沉降深度较深，而超过辅助浮力体12可沉降的深度时，可以将多数个辅助浮力体12串连在一起，增加该辅助浮力体12的可沉降深度。如图3所示，辅助浮力体12的两端分别具有法兰接头16，因此使得各辅助浮力体12可以利用法兰接头16相互连接，而增加该辅助浮力体12的整体长度。如图4所示，当本发明方法应用于地形特殊如斜度较大的海床，主浮力体11也可因应不同地形需要，分别在各浮力空间15中导入不等量的压舱水，使主浮力体11于各个浮力空间15具有不等的压舱重量，而倾斜至需要的角度，方便安装。综合以上所述，通过本发明方法和装置，可利用浮力装置的浮力和重量的相互调节，可在水中方便地调节施工物件下沉的高度，且对于施工机具的要求低于已知的传统工法，其已具备产业上利用的价值，诚属一新颖的发明创造，于是依法提出专利申请。
权利要求
1.一种大型物件水下施工方法，用于将一大型的施工物件吊运安装于预定施工水域的水底，其特征在于:该方法是利用一浮力装置将前述施工物件吊挂悬浮于预定施工位置上方的水面下；然后逐渐增加该浮力装置的压舱重量，使该浮力装置连同施工物件逐渐沉降，使该施工物件下降至预定施工的高度位置。
2.根据权利要求1所述的大型物件水下施工方法，其特征在于:其中该浮力装置由一主浮力体及若干个辅助浮力体所组成；该主浮力体的浮力大于该浮力装置连同施工物件的重量总和，而能够将该施工物件吊挂悬浮于水面下；前述辅助浮力体与该主浮力体连接，且可于该主浮力体下沉时受带动而沉入水中。
3.根据权利要求2所述的大型物件水下施工方法，其特征在于:其中该辅助浮力体维持在不完全沉入水中的状态下，逐渐增加该浮力装置的压舱重量，使该浮力装置下沉过程中始终维持该浮力装置连同施工物件的重量总和不得超过该主浮力体连同辅助浮力体的浮力总和的范围内，使该浮力装置于施工物件下降过程中持续保有浮力，以使该施工物件保持悬浮状态，而不至于因下沉的惯性持续下降而碰触到水底地面而损坏。
4.根据权利要求3所述的大型物件水下施工方法，其特征在于:各个辅助浮力体之间相互串接，以增加该浮力装置可下沉的深度。
5.根据权利要求3所述的大型物件水下施工方法，其特征在于:其中该浮力装置下沉深度可由下列方法推算:W0+W1=F0+ Σ (A1*H1) 上述函数各个符号代表意义如下: WO:施工物件+浮力装置原始重量总和 Wl:压舱重量 FO:施工物件及主浮力体浮力 Al:辅助浮力体截面积 Hl:辅助浮力体沉入水中深度。
6.根据权利要求1或3所述的大型物件水下施工方法，其特征在于:其中该浮力装置增加压舱重量的方法为向该主浮力体内部灌入压舱水。
7.根据权利要求6所述的大型物件水下施工方法，其特征在于:其中该主浮力体内部被分隔为多个不同的浮力空间，各个浮力空间分别具有独立的压舱水进口与出口。
8.根据权利要求7所述的大型物件水下施工方法，其特征在于:其中该主浮力体内部各个不同浮力空间 内灌入不等量的压舱水，使该浮力装置产生倾斜，以调整该施工物件于水中的倾斜角度。
9.一种实现权利要求1 8中任意一项所述方法所使用的大型物件水下施工装置，用于将一大型施工物件(20)吊运安装于预定施工水域的水底，其特征在于:包括一浮力装置(10)，该浮力装置(10)是由一主浮力体(11)，及若干个辅助浮力体(12)所组成；该主浮力体(11)的浮力大于该浮力装置(10)连同施工物件(20)的重量总和；前述辅助浮力体(12)与主浮力体(11)连接。
10.根据权利要求9所述的大型物件水下施工装置，其特征在于:其中主浮力体(11)内部区隔为多个不同的浮力空间(15)，各个浮力空间(15)分别具有独立的压舱水进口与出□。
11.根据权利要求9所述的大型物件水下施工装置，其特征在于:其中该辅助浮力体(12)为长形浮筒；主浮力体(11)为一空心密闭筒槽。
12.根据权利要求9所述的大型物件水下施工装置，其特征在于:主浮力体(11)与辅助浮力体(12)通过连接构件(13)连接；施工物件(20)通过钢索(21)吊挂于主浮力体(11)下方。
13.根据权利要求11所述的大型物件水下施工装置，其特征在于:该浮力装置(10)中的多个辅助浮力体(12)相互串接。
14.根据权利要求9或13所述的大型物件水下施工装置，其特征在于:所述辅助浮力体(12)的两端分别设有法兰接头(16)，多个辅助浮力体(12)之间通过法兰接头(16)连接。
15.根据权利要求12所述的大型物件水下施工装置，其特征在于:所述连接构件(13)为缆绳或铁链。
全文摘要
本发明公开了一种大型物件水下施工方法及所使用的装置，是利用浮力装置将施工物件吊挂拖运至预定施工水域的预定位置，然后增加浮力装置的压舱重量，使浮力装置连同施工物件开始下沉；浮力装置进一步连接有若干辅助浮力体，可于浮力装置连同施工物件下沉至一定深度时，通过辅助浮力体的浮力控制浮力装置及施工物件停止下沉，因此达到控制施工物件沉降深度的目的。
文档编号E02D15/08GK103215957SQ20131007308
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月7日 优先权日2012年3月15日
发明者葉清正 申请人:厦门国新世纪科技股份有限公司