本發(fā)明涉及水下碎石整平領(lǐng)域，特別是一種水下碎石基床整平裝置及其整平方法。

背景技術(shù)：

1、地基處理是整個沉管隧道工程的基礎(chǔ)，是沉管隧道建設(shè)之中最重要也是最復(fù)雜的工序之一。目前常用的沉管隧道的地基處理方法包含先鋪法和后填法兩大類：先鋪法又可分為刮鋪法和樁基法兩種；后填法是將管段先沉放并支承于鋼筋砼的臨時墊塊上，再在管段底面與地基之間填筑地基，主要包括：砂流法、噴砂法、灌囊法和壓注法等。先鋪法隧道外框架施工技術(shù)裝備主要集中于兩類，一類采用自升式平臺作為載體，在平臺甲板上安裝或者水下吊掛鋪設(shè)整平設(shè)備；另一類是拋石整平架技術(shù)，將一個帶有鋪設(shè)整平設(shè)備的大型鋼制框架坐落在海床上作為載體。

2、雖然上述兩類技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但這些技術(shù)目前仍然面臨如下問題：1）作業(yè)水深有限，無法滿足水深50至100m的施工要求，目前作業(yè)最深的自升式整平平臺的經(jīng)濟(jì)作業(yè)水深通常為50m左右。2）自動化程度不高，自動化應(yīng)用不足，目前已有的技術(shù)中，碎石樁外框架整平施工過程高度依賴人工操作，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①?平臺或者駁船的定位全部依賴人工操作；②?精度控制高度依賴水下潛水員；③?鋪設(shè)工藝落后，自動化程度低，施工控制自動化不夠。為此我們提出一種水下碎石基床整平裝置及其整平方法用于解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是解決自升式整平平臺自動化程度不高；外框架整平中平臺或者駁船的定位全部依賴人工操作；精度控制高度依賴水下潛水員；鋪設(shè)工藝落后，自動化程度低，施工控制自動化不夠的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種水下碎石基床整平裝置及其整平方法，包括船體，船體底部設(shè)有整平裝置，整平裝置包括外框架，外框架的四角均設(shè)有外支腿油缸，外框架上設(shè)有滑動的整平機(jī)構(gòu)，整平機(jī)構(gòu)的四角均設(shè)有內(nèi)支腿油缸，整平機(jī)構(gòu)頂部設(shè)有高程調(diào)節(jié)油缸。

3、優(yōu)選方案中，外框架包括兩端的縱梁和兩端的橫梁，四角的外支腿油缸分別為第一外支腿油缸、第二外支腿油缸、第三外支腿油缸和第四外支腿油缸；

4、外框架為雙層的矩形結(jié)構(gòu)，橫梁和縱梁均為上下兩個，兩個縱梁上均設(shè)有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的一端設(shè)有行程開關(guān)；

5、第一外支腿油缸上設(shè)有位移傳感器和壓力傳感器，四個外支腿油缸結(jié)構(gòu)相同。

6、優(yōu)選方案中，整平機(jī)構(gòu)包括支架，支架兩側(cè)的頂部和底部均設(shè)有滾輪，滾輪抵靠在導(dǎo)軌上，高程調(diào)節(jié)油缸底部設(shè)有整平頭，整平頭一側(cè)刮板，支架頂部設(shè)有高程調(diào)節(jié)油缸，支架上設(shè)有雙軸傾角傳感器，支架一端設(shè)有測量油缸；

7、整平頭一側(cè)設(shè)有電機(jī)，高程調(diào)節(jié)油缸上設(shè)有高程位移傳感器和高程壓力傳感器。

8、優(yōu)選方案中，四個內(nèi)支腿油缸包括第一內(nèi)支腿油缸、第二內(nèi)支腿油缸、第三內(nèi)支腿油缸和第四內(nèi)支腿油缸，四個內(nèi)支腿油缸結(jié)構(gòu)與第一外支腿油缸相同。

9、優(yōu)選方案中，整平機(jī)構(gòu)與整平裝置之間設(shè)有推進(jìn)油缸，推進(jìn)油缸兩端分別與整平機(jī)構(gòu)和整平裝置轉(zhuǎn)動連接，外框架通過拋石管與船體連通。

10、一種水下碎石基床整平裝置的整平方法，其方法是：s1?、向拋石管拋石；

11、s2、四個外支腿油缸水底落地；

12、s3?、傾角調(diào)節(jié)建模：計算外支腿油缸的運動距離；

13、s4?、油缸異步調(diào)節(jié)：驅(qū)動四個外支腿油缸，以使整平機(jī)構(gòu)和刮板調(diào)到所需姿態(tài)；

14、s5?、高程調(diào)節(jié)建模：計算得到高程調(diào)節(jié)距離s，驅(qū)動高程調(diào)節(jié)油缸，以使刮刀達(dá)到理論目標(biāo)高程；

15、s6?、驅(qū)動油缸伸縮，直到達(dá)到目標(biāo)高程；

16、s7?、驅(qū)動整平機(jī)構(gòu)和推進(jìn)油缸整平，完成階段整平；

17、s8?、下降四個外支腿油缸，抬升四個內(nèi)支腿油缸，對四個內(nèi)支腿油缸調(diào)平，驅(qū)動推進(jìn)油缸，以使整平裝置在水底移動，移動到位后，下降四個內(nèi)支腿油缸，抬升四個外支腿油缸，重復(fù)s1?~s6，對基床再次進(jìn)行整平；

18、s9?、重復(fù)s1?~s8，以使整平裝置在水底移動，對水底目標(biāo)位置全部整平。

19、優(yōu)選方案中，s2中，計算得到高程調(diào)節(jié)距離s的步驟是：

20、a1：傾角調(diào)節(jié)完成后，通過gps或超短基線測量得到高程調(diào)節(jié)油缸在整平架頂部位置的高程h；

21、a2：高程調(diào)節(jié)距離s為：h-lsin(α1)sin(β1)-h;

22、l為高程調(diào)節(jié)油缸在整平架頂部位置與刮刀底部的距離，h為目標(biāo)高程。

23、優(yōu)選方案中，s4中計算外支腿油缸的運動距離的步驟為：

24、b1：需要將目前刮板橫傾角變化α1-α，縱傾角變化β1，

25、坐標(biāo)系與傾角變換公式為：

26、=；

27、b2：刮板（4021）坐標(biāo)系與目標(biāo)坐標(biāo)系之間的變換矩陣t為：

28、；

29、b3：則刮板（4021）在當(dāng)前位置的油缸四點坐標(biāo)分別為：a1=（-a/2,-b/2,0）；b1=（a/2,-b/2,0）；c1=（a/2,b/2,0）；d1=（-a/2,b/2,0）；

30、b4：四個外支腿油缸的運動距離為：

31、；

32、上式中i=a、b、c、d；ei為外支腿油缸的運動距離，α為基床的傾角。

33、優(yōu)選方案中，s4中油缸異步調(diào)節(jié)方式為傾角誤差調(diào)法，傾角誤差調(diào)法步驟為：

34、c1：第一外支腿油缸不動，先檢測刮板的傾角α1和β1,比較|α1-α|和|β1|；

35、c2：當(dāng)|α1-α|>|β1|,先調(diào)節(jié)刮板的橫傾，同步調(diào)節(jié)第二外支腿油缸和第三外支腿油缸伸縮，直至使刮板的橫傾α1=α；檢測刮板縱傾β1，同步調(diào)節(jié)第三外支腿油缸和第四外支腿油缸伸縮，直至刮板的縱傾β1=0；

36、c3：當(dāng)|α1-α|<|β1|,先調(diào)節(jié)刮板的縱傾，同步調(diào)節(jié)第三外支腿油缸和第四外支腿油缸伸縮，直至使刮板的縱傾β1=0；檢測當(dāng)刮板橫傾α1，同步調(diào)節(jié)第二外支腿油缸和第三外支腿油缸伸縮，直至刮板的橫傾α1=α。

37、優(yōu)選方案中，s4中油缸異步調(diào)節(jié)方式為目標(biāo)追逐式調(diào)節(jié)法，目標(biāo)追逐式調(diào)節(jié)法步驟為：根據(jù)拋石管的傾角φ和τ，以及拋石管上gps的高程，算出達(dá)到理論每壟高程時整平機(jī)構(gòu)上各油缸的長度，然后將算出各油缸的長度與當(dāng)前油缸長度進(jìn)行比較，最后控制各油缸進(jìn)行伸縮，直到達(dá)到計算的長度值。

38、本發(fā)明提供了一種水下碎石基床整平裝置及其整平方法，根據(jù)整平機(jī)構(gòu)上的雙軸傾角傳感器，基于調(diào)節(jié)法使整平裝置自動調(diào)節(jié)為水平狀態(tài)，然后利用測量油缸測量外框架高度，并根據(jù)設(shè)定的整平厚度，自動調(diào)節(jié)高程油缸運動，使整平頭調(diào)節(jié)至所需高度，接著，控制推進(jìn)油缸運動，實現(xiàn)整平頭在支架的框架一個站位的整平，最后，通過四個外支腿油缸和四個內(nèi)支腿油缸交互支撐實現(xiàn)整平機(jī)器人的步履式前進(jìn)，從而使機(jī)器人到達(dá)下一個站位。整體裝置利用多傳感器的融合協(xié)調(diào)，能實現(xiàn)水下碎石外框架的自動化整平，整體裝置能夠滿足水深要求，下降到較為深的水底，平臺或者船體的定位自動化，不需要依賴人工操作，整體裝置自動化調(diào)平，精度控制不需要依賴潛水員，省時省力，節(jié)省大量人工，克服傳統(tǒng)方式難以適應(yīng)深水、施工效率低的問題，適合推廣使用。