一種水中懸浮隧道水下對接裝置及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水下隧道對接裝置，特別涉及一種水中懸浮隧道水下對接安裝裝置及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]水中懸浮隧道，又稱阿基米德橋，其通過結(jié)構(gòu)的自重、浮力和錨固系統(tǒng)的共同作用維持在水中的平衡和穩(wěn)定。水中懸浮隧道相比跨海大橋、沉管隧道等傳統(tǒng)交通形式，是近幾年來提出的一種新型交通概念。由于其自身所具有的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、抗震性和便捷性，注定水中懸浮隧道在未來將擁有十分廣闊的應(yīng)用前景。但是水中懸浮隧道這一交通概念涉及領(lǐng)域廣泛，需要解決的技術(shù)難題尚多，因此目前世界上還未建成一座實用的水中懸浮隧道。而水下隧道管體對接這一難題，也是阻礙懸浮隧道實施的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。
[0003]目前水下隧道管體對接技術(shù)主要運用于沉管隧道。雖然沉管隧道建設(shè)于海床之上，受到水流、波浪的影響較小，但要在海洋氣候、海洋流體環(huán)境、海底地形地貌等各種復(fù)雜因素的影響下進(jìn)行管段之間的精確對接也是非常困難的。
[0004]當(dāng)前并沒有一種針對水中懸浮隧道水下精準(zhǔn)對接的施工技術(shù)。不同于沉管隧道，水中懸浮隧道通常位于水下十幾米到三十米之間，除了受沉管隧道水下對接安裝影響因素夕卜，水流、波浪會導(dǎo)致懸浮隧道管體和安裝起吊船舶的擺動，極大地增加了懸浮隧道管體水中對接的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種水中懸浮隧道水下對接裝置及其應(yīng)用，以期能夠以半自動化的形式實現(xiàn)水中懸浮隧道水下準(zhǔn)確對接裝置。
[0006]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明水中懸浮隧道水下對接裝置的結(jié)構(gòu)特點是:令對接管為上節(jié)管和下節(jié)管，對接裝置是在上節(jié)管和下節(jié)管之間進(jìn)行對接操作；所述對接裝置包括:
[0008]—呈圓筒狀的鋼架，所述鋼架以其后半段套裝在上節(jié)管的外周，并利用設(shè)置在后半段上的輥輪支撐在所述上節(jié)管的外周；在所述鋼架的前半段的內(nèi)側(cè)壁上、處在不同的軸向位置上設(shè)置各道環(huán)繞鋼軌，所述各道環(huán)繞鋼軌是以鋼架的中軸線為中心并具有相同的圓環(huán)半徑Rl ;在所有環(huán)繞鋼軌之間有軸向鋼軌相貫通，所述軸向鋼軌為以鋼架軸線為對稱中心的對稱設(shè)置的兩道；
[0009]多個可伸縮機(jī)械臂利用可旋轉(zhuǎn)的滾輪支撐在所述軸向鋼軌上，并能夠利用滾輪在所述軸向鋼軌及環(huán)繞鋼軌中移動，所述可伸縮機(jī)械臂在以鋼架軸線為對稱中心的位置上成對設(shè)置，利用成對設(shè)置的可伸縮機(jī)械臂對于下節(jié)管形成夾持；
[0010]在所述對接管的外側(cè)壁上沿軸向設(shè)置臨時軌道，所述臨時軌道貫通在所述上節(jié)管和下節(jié)管之間，所述輥輪是支撐在所述臨時軌道中，并能夠沿所述臨時軌道進(jìn)行軸向移動，使對接管與鋼架處在同軸位置上并能夠相對軸向移動。
[0011]本發(fā)明水中懸浮隧道水下對接裝置的結(jié)構(gòu)特點也在于:在所述下節(jié)管的外側(cè)壁上，處在完成對接后的鋼架的前端所在位置上設(shè)置有一臨時定位彈性體，對應(yīng)位置的鋼架上設(shè)置定位槽，使完成對接后的鋼架利用所述臨時定位彈性體上獲得定位；所述鋼架的前端是指鋼架的前半段所在的一端。
[0012]本發(fā)明水中懸浮隧道水下對接裝置的結(jié)構(gòu)特點也在于:所述環(huán)繞鋼軌在軸向等距分布O
[0013]本發(fā)明水中懸浮隧道水下對接裝置的結(jié)構(gòu)特點也在于:所述可伸縮機(jī)械臂在前端為一能夠與所述下節(jié)管的外側(cè)壁相貼合的弧形壓板，弧形壓板的表面設(shè)置為防滑彈性墊層，所述弧形壓板的支撐桿設(shè)置為液壓可伸縮桿，滾輪與所述支撐桿可相對轉(zhuǎn)動。
[0014]本發(fā)明水中懸浮隧道水下對接裝置的結(jié)構(gòu)特點也在于:在所述鋼架的兩端分別焊接有用于牽引的鋼拉環(huán)。
[0015]本發(fā)明水中懸浮隧道水下對接裝置的結(jié)構(gòu)特點也在于:設(shè)置位置傳感器，用于實時檢測處在對接過程中的上節(jié)管和下節(jié)管之間的相對距離。
[0016]本發(fā)明水中懸浮隧道水下對接裝置的結(jié)構(gòu)特點也在于:所述位置傳感器是由發(fā)射端和接收端構(gòu)成，所述發(fā)射端和接收端分處在所述上節(jié)管和下節(jié)管的對接端。
[0017]利用本發(fā)明水中懸浮隧道水下對接裝置實現(xiàn)水中懸浮隧道水下對接的方法是:
[0018]令:
[0019]鋼架中前半段所在一端為前端，鋼架中后半段所在一端為后端；
[0020]處在鋼架中的各道環(huán)繞鋼軌，其自鋼架后端所在一側(cè)朝向鋼架的前段所在一側(cè)依次為第一道環(huán)繞鋼軌、第二道環(huán)繞鋼軌…第η道第一道環(huán)繞鋼軌，η為環(huán)繞鋼軌的道數(shù)；[0021 ] 支撐在軸向鋼軌中的可伸縮機(jī)械臂，其自鋼架后端所在一側(cè)朝向鋼架的前段所在一側(cè)的各成對的可伸縮機(jī)械臂依次為第一對可伸縮機(jī)械臂、第二對可伸縮機(jī)械臂…第η對可伸縮機(jī)械臂；
[0022]所述對接的方法的特點是按如下步驟進(jìn)行:
[0023]步驟1:將鋼架利用其后半段中的輥輪支撐在上節(jié)管上，并使鋼架的前半段在上節(jié)管的對接端呈懸伸；
[0024]步驟2:將下節(jié)管的對接端自鋼架的前端導(dǎo)入，第一對可伸縮機(jī)械臂伸長并夾持下節(jié)管，利用外力向鋼架后端方向推進(jìn)下節(jié)管以及第一對可伸縮機(jī)械臂；
[0025]步驟3:當(dāng)?shù)谝粚缮炜s機(jī)械臂沿軸向鋼軌達(dá)到第η-1道環(huán)繞鋼軌時，第二對可伸縮機(jī)械臂伸長并夾持下節(jié)管，利用外力繼續(xù)向鋼架后端方向推進(jìn)下節(jié)管、第一對可伸縮機(jī)械臂以及第二對可伸縮機(jī)械臂；直至第一對可伸縮機(jī)械臂達(dá)到第一道環(huán)繞鋼軌所在位置、第二對可伸縮機(jī)械臂達(dá)到第二道環(huán)繞鋼軌…當(dāng)?shù)讦菍缮炜s機(jī)械臂達(dá)到第η道環(huán)繞鋼軌時，完成下節(jié)管的軸向移動；使第一對可伸縮機(jī)械臂對應(yīng)處在第一道環(huán)繞鋼軌中、第二對可伸縮機(jī)械臂對應(yīng)處在第二道環(huán)繞鋼軌中…第η對可伸縮機(jī)械臂對應(yīng)處在第η道環(huán)繞鋼軌中；
[0026]步驟4:利用外力轉(zhuǎn)動下節(jié)管，調(diào)整下節(jié)管與上節(jié)管處在相同的圓心角上，在下節(jié)管與上節(jié)管的對接端完成對接；
[0027]步驟5:收回各可伸縮機(jī)械臂，利用臨時軌道和輥輪將鋼架移動至下節(jié)管上，繼續(xù)后續(xù)各管段的對接安裝。
[0028]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
[0029]1、本發(fā)明運用機(jī)械化方法固定和傳送隧道管段，克服了天氣、水流、波浪等不利因素對于水下懸浮隧道對接作業(yè)的影響，防止懸浮隧道管體和安裝起吊船舶的擺動，保證對接施工的順利進(jìn)行。
[0030]2、本發(fā)明中對接裝置采用輕質(zhì)、易安裝的鋼架結(jié)構(gòu)，其與水中懸浮隧道外壁布設(shè)的軌道相結(jié)合，通過船舶力、機(jī)械力等外加動力向前、向后牽引，實現(xiàn)雙向運動，解決了一次對接失敗后調(diào)整困難的問題。
[0031]3、本發(fā)明可實現(xiàn)在懸浮隧道外壁上連續(xù)推進(jìn)、重復(fù)利用，極大地提升施工進(jìn)度，降低施工成本。
[0032]4、本發(fā)明利用位置傳感器進(jìn)行位置檢測，配合設(shè)置控制系統(tǒng)，對于伸縮臂的伸縮動作和支撐桿的旋轉(zhuǎn)動作實現(xiàn)自動控制，實現(xiàn)對接過程的半自動化操作模式，較大地減少了人工水下作業(yè)，保證了安全施工，并大大縮短工期。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明中鋼架結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2為本發(fā)明中隧道初始沉放示意圖；
[0035]圖3為本發(fā)明中上管節(jié)及其外周鋼架結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖4為本發(fā)明中下管節(jié)及其外周鋼架結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖5a為本發(fā)明中下管節(jié)未進(jìn)行旋轉(zhuǎn)定位時的橫截面示意圖；
[0038]圖5b為本發(fā)明中下管節(jié)完成定位后的橫截面示意圖；
[0039]圖6a為本發(fā)明中機(jī)械臂位于軸向鋼軌時的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖6b為本發(fā)明中機(jī)械臂位于環(huán)繞鋼軌上的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖中標(biāo)號:1a下管節(jié)，Ib上管節(jié)，2鋼架，3臨時軌道，4鋼拉環(huán)，5機(jī)械臂，5a滾輪，5b支撐桿，5c弧形壓板，5d彈性墊層，6軸向鋼軌，7環(huán)繞鋼軌，8輥輪，9卡槽，10臨時定位彈性體，11定位槽。
【具體實施方式】
[0042]如圖3和圖4所示，本實施例中，對接管為上節(jié)管Ib和下節(jié)管la，對接裝置是在上節(jié)管Ib和下節(jié)管Ia之間進(jìn)行對接操作，水中懸浮隧道水下對接裝置是包括:
[0043]—呈圓筒狀的鋼架2，如圖1所示，為了防止海洋環(huán)境腐蝕結(jié)構(gòu)，鋼架2所有暴露表面均涂覆有聚氨酯防腐涂層；所述鋼架2內(nèi)徑大于管節(jié)外徑I?2米，軸向長度為20?30米，以其后半段套裝在上節(jié)管Ib的外周，并利用設(shè)置在后半段上的輥輪8支撐在所述上節(jié)管Ib的外周；在所述鋼架2的前半段的內(nèi)側(cè)壁上、處在不同的軸向位置上設(shè)置各道環(huán)繞鋼軌7，所述各道環(huán)繞鋼軌7是以鋼架2的中軸線為中心并具有相同的圓環(huán)半徑Rl ;在所有環(huán)繞鋼軌7之間有軸向鋼軌6相貫通，所述軸向鋼軌6為以鋼架軸線為對稱中心的對稱設(shè)置的兩道，首尾各縮進(jìn)0.3?0.5米；
[0044]如圖4所示，多個可伸縮機(jī)械臂5利用可旋轉(zhuǎn)的滾輪5a支撐在所述軸向鋼軌6上，并能夠利用滾輪5a在所述軸向鋼軌6及環(huán)繞鋼軌7中移動，所述可伸縮機(jī)械臂5在以鋼架軸線為對稱中心的位置上成對設(shè)置，利用成對設(shè)置的可伸縮機(jī)械臂5對于下節(jié)管Ia形成夾持。
[0045]如圖2和圖3所示，在所述對接管的外側(cè)壁上沿軸向設(shè)置臨時軌道3，所述臨時軌道3采用玻璃纖維和陶瓷增韌的環(huán)氧樹脂材料并貫通在所述上節(jié)管Ib和下節(jié)管Ia之間，所述輥輪8是支撐在所述臨時軌道3上，并能夠沿所述臨時軌道進(jìn)行軸向移動，使對接管與鋼架2處在同軸位置上并能夠相對軸向移動。本實施例中，在臨時軌道3上的固定位置設(shè)置有卡槽9，在鋼架2到達(dá)指定位置時，由潛水員于輥輪8前后卡槽9內(nèi)插入臨時檔板，阻止輥輪8的滑動，實現(xiàn)定位。所述輥輪8在鋼架2后半段至少設(shè)置為相互平行的兩組，每組至少設(shè)置兩個，以實現(xiàn)相互約束，防止鋼架2在較大流速下發(fā)生移動和傾覆。本實施例中，輥輪8設(shè)置為兩組，每組三個輥輪8之間夾角為120°。
[0046]如圖5a和圖5b所示，本實施例中在所述下節(jié)管Ia的外側(cè)壁上，處在完成對接后的鋼架2的前端所在位置上設(shè)置有一天然橡膠的臨時定位彈性體10，對應(yīng)位置的鋼架2上設(shè)置一邊長為0.3?0.5米的立方體定位槽11，使完成對接后的鋼架2利用所述臨時定位彈性體10上獲得定位；所述鋼