專利名稱：大型物件水下施工方法及所使用的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下施工方法及裝置，特別是一種適合用于海上大型結(jié)構(gòu)物或管線施工的大型物件水下施工方法及所使用的裝置。
背景技術(shù)：
在地球的地表上，絕大部分的面積都是被水所覆蓋，隨著人口的大量增加及科技文明的進步，人類的開發(fā)活動逐漸增加，并開始往海洋領(lǐng)域拓展。近數(shù)十年間海運蓬勃發(fā)展，貨運總吞吐量及貨柜數(shù)量每年均大幅成長，因此無論商港及工業(yè)港的建造，均朝擴建港口水深的方向努力，以適應(yīng)日益加大載重量的客貨輪船。因此各項大型海事工程配套的施作方法，也隨之而生，才能滿足如此龐大的工程需求。目前的水下管線安裝方法，大致上是先在陸地上將多節(jié)短管組裝完成，再將組裝完成的管線，每隔一定距離系上浮筒，最后利用拖船將系上浮筒的管線在海上拖行至定位點后再釋放，使其自由沉降至海底，但此方法主要缺點在于:管線在沉降過程中不受控制，如果放管點的海流或海浪過強時，容易偏離預(yù)定著陸點。另外海流產(chǎn)生的推力與作用面積成正比，而大口徑管材或建筑結(jié)構(gòu)物因為側(cè)向的投影面積較大，因此受到海流推動時所受的影響更為顯著，因而更增加了大型的管材或建筑結(jié)構(gòu)物海事施工的困難度。再加上大型管的重量及體積過大，不易在大陸上安裝及海上拖行，因此大口徑管材或建筑結(jié)構(gòu)物的安裝方式，只能利用大型平臺船加裝高承載吊車的方式來吊運。但此工法所需的施工機具規(guī)格較高，且極耗人力和時間，仍屬較不經(jīng)濟的施工方法。所以，現(xiàn)有的施工方法有待進一步改進，并謀求可行解決方案的必要，于是本發(fā)明人乃本著多年從事該項技術(shù)領(lǐng)域設(shè)計開發(fā)的實物經(jīng)驗，以及經(jīng)由無數(shù)次的實際實驗，終于研發(fā)出本發(fā)明技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種大型物件水下施工方法及所使用的裝置，其能夠利用簡單設(shè)備達到在水中自由升降大型管材或建筑結(jié)構(gòu)物等大型施工物件的目的，當運用在大型水底工程時，可減少對大型昂貴施工設(shè)備的需求，并縮短工時節(jié)省人工成本。本發(fā)明的技術(shù)方案:為達上述目的，本發(fā)明的方法主要是利用一浮力裝置將管材、建筑結(jié)構(gòu)物等大型施工物件吊掛懸浮于欲施工水域的水面下，并通過調(diào)整浮力裝置的壓艙重量，控制該大型物件下沉到水中的深度。前述浮力裝置是由一主浮力體，及若干個輔助浮力體所組成。該主浮力體的浮力系大于該浮力裝置連同施工物件的重量總和，而能夠?qū)⒃摯笮褪┕の锛腋〉鯍煊谒嫦?，其施工時，首先將該浮力裝置連同大型施工物件拖運到預(yù)定施工水域，并就定位后，逐漸增加該主浮力體的壓艙重量，使該主浮力體連同施工物件逐漸下沉。前述主浮力體下沉時，帶動該輔助浮力體下沉，當該輔助浮力體沉入水中時產(chǎn)生一輔助浮力，并通過該輔助浮力阻止該浮力裝置連同大型物件繼續(xù)下沉。在增加前述主浮力體的重量時，需注意維持該主浮力體連同施工物件的重量不得超過該主浮力體連同輔助浮力體浮力的范圍內(nèi)，使該浮力裝置于施工物件下降過程中持續(xù)保有浮力，以使該施工物件保持懸浮狀態(tài)，而不至于因下沉的慣性持續(xù)下降而碰觸到水底地面而損壞。因此，在不超過該主浮力體與輔助浮力體的浮力總和的前提下，逐漸增加該主浮力體的壓艙重量，可使該施工物件的高度逐漸下降，而達到預(yù)定的施工高度位置為止，因此達到控制施工物件沉入水中高度位置的目的。此外，前述浮力裝置可為一壓力艙，其可通過控制其內(nèi)部壓艙水量的方法，達到控制該浮力裝置的比重與浮力的目的。此外，當遇到傾斜或崎嶇水底地形施工的場合時，該浮力裝置可進一步將其內(nèi)部區(qū)隔為多個不同的浮力空間，并使得各個浮力空間的浮力不同，使浮力裝置改變于水中的傾斜角度，以使該施工物件能夠以傾斜角度被安裝在水底的地面上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過利用浮力裝置的浮力和重量的相互調(diào)節(jié)，可在水中方便地調(diào)節(jié)施工物件下沉的高度。另外，當應(yīng)用于地形特殊如斜度較大的海床，主浮力體也可因應(yīng)不同地形需要，分別在各浮力空間中導入不等量的壓艙水，使主浮力體于各個浮力空間具有不等的壓艙重量，而傾斜至需要的角度，方便安裝。


圖1為本發(fā)明在施工初期浮力裝置吊掛施工物件懸浮于水面狀態(tài)的示意圖；圖2為本發(fā)明在施工中期，浮力裝置開始增加壓艙重量，逐漸沉入水中狀態(tài)的示意圖；圖3為本發(fā)明多個輔助浮力體串連在一起，以增加浮力裝置沉降深度的示意圖；圖4為本發(fā)明通過改變主浮力體不同浮力空間的壓艙重量，以改變施工物件傾斜角度的示意圖。附圖中的標記為:10_浮力裝置，11-主浮力體，12-輔助浮力體，13-連接構(gòu)件，14-區(qū)隔構(gòu)件，15-獨立浮力空間，16-法蘭接頭，20-施工物件，21-鋼索。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但并不作為對本發(fā)明做任何限制的依據(jù)。本發(fā)明的實施例:如圖1所示，本發(fā)明的施工方法主要是利用一浮力裝置10將一預(yù)定施工的施工物件20懸浮吊掛于水底，同時通過控制該浮力裝置10及施工物件20的總和重量與該浮力裝置10下沉后產(chǎn)生浮力相調(diào)節(jié)，達到控制升降并持續(xù)維持足夠浮力的目的。下文將詳細說明:前述浮力裝置10是由一主浮力體11，以及若干輔助浮力體12所組成。主浮力體11與輔助浮力體12之間是以連接構(gòu)件13連接。該連接構(gòu)件13為纜繩、鐵鏈等可撓性的構(gòu)件，以使該主浮力體11與輔助浮力體12之間保持可撓性的連接。
如圖1所示，本發(fā)明該實施例中使用的主浮力體11為一空心密閉筒槽，前述施工物件20是以鋼索21吊掛于該主浮力體11下方。主浮力體11初始狀態(tài)所能產(chǎn)生的浮力大于該施工物件20連同該主浮力體11的壓艙重量，而使得該施工物件20可以懸浮在水面下。如圖1及圖2所示，本發(fā)明開始施工時，先將該浮力裝置10連同施工物件20拖運到預(yù)定施工水域的定點。該浮力裝置10在初始狀態(tài)下，是通過主浮力體11的浮力將施工物件20懸浮吊掛于預(yù)定施工水域的水面下，且此時前述輔助浮力體12處于漂浮于水面的狀態(tài)，而尚未開始分擔該施工物件20的重量。如圖2所示，當要控制該施工物件20下沉時，即可開始增加該主浮力體11的壓艙重量，而使得該主浮力體11連同施工物件20開始下沉。該實施例中，本發(fā)明所采用的增加主浮力體11壓艙重量的技術(shù)手段為，往主浮力體11內(nèi)部灌入壓艙水。為使該主浮力體11下沉時能夠維持平衡,主浮力體11內(nèi)利用若干區(qū)隔構(gòu)件14分隔成多個獨立的浮力空間15，獨立的浮力空間15的設(shè)計目的主要是在導入壓艙海水時，使壓艙海水能平均分散在各浮力空間15中，避免壓艙海水集中于主浮力體11內(nèi)部的一側(cè)造成主浮力體11重量分布不均而傾倒。主浮力體11另一設(shè)計要點在于其本身的體積，其設(shè)計體積大小需依所吊運的施工物件20的重量而定，關(guān)鍵在于施工物件20和主浮力體11所能產(chǎn)生的浮力，須略大于施工物件20和主浮力體11空艙狀態(tài)的總重，通過這樣的設(shè)計，可以讓主浮力體11增加少許壓艙重量，便可以開始沉降作業(yè)。如上述，主浮力體11內(nèi)部各個浮力空間15分別設(shè)有開口供壓艙水進出，壓艙水本身則是由搭配的壓艙水泵將海水打入各浮力空間15中。在此必須強調(diào)，除了上述的灌入壓艙水以控制主浮力體11與施工物件20沉降的方法外，其他諸如在主浮力體11上掛載配重物，以增加主浮力體11壓艙重量的方式，也是可行的技術(shù)手段。本發(fā)明除前述主浮力體11支撐起施工物件20的重量外，另外輔助浮力體12提供額外浮力，以控制該施工物件20下降的深度，并且使該施工物件20隨時保持懸浮狀態(tài)，避免施工物件下沉時因慣性下沉作用撞擊水底的地面而損壞。該實施例中使用的輔助浮力體12為采用長形封閉浮筒的構(gòu)造，利用連接構(gòu)件13連接于主浮力體11的兩端。此連接方式有助于系統(tǒng)的平衡，兩端的浮筒也可視水深及需求通過串連來加長。輔助浮力體12主要設(shè)計目的是提供浮力裝置10大于系統(tǒng)自重的浮力，確保浮力裝置10在主浮力體11引進壓艙水增加自重而下沉時，能產(chǎn)生相對應(yīng)的浮力來停止沉降過程，并保護施工物件20避免與海床碰撞，雖然輔助浮力體12主要功能是提供浮力，但也可視情形需要引入壓艙水，使其兼具有浮力艙的調(diào)整高度及角度的功能。如圖1所示狀態(tài)，輔助浮力體12與主浮力體11之間是以可撓性的連接構(gòu)件13加以連接，因此當主浮力體11還沒開始下沉時，輔助浮力體12漂浮于水面上，且沒有承受施工物件20及主浮力體11的壓艙重量。如圖2所示，當主浮力體11的壓艙重量增加到使其與施工物件20總和重量大于該主浮力體11的浮力時，該主浮力體11會完全地沉入到水中，此時該輔助浮力體12可受該主浮力體11牽引，而開始沉入水中。該輔助浮力體12下沉后，所產(chǎn)生的輔助浮力會隨著輔助浮力體12沉入水中體積增加而逐漸增加，亦即當主浮力體11的壓艙重量逐漸增加時，該輔助浮力體12受主浮力體11帶動沉入水中的深度也會隨之增加，此時該輔助浮力體12因為沉入水中體積增加，因此也會產(chǎn)生相對應(yīng)的輔助浮力，而使得浮力裝置10的浮力維持平衡。在此必須注意本發(fā)明的浮力裝置10在沉降過程中，需保持輔助浮力體12不完全沉入水中，如此便可維持該主浮力體11與施工物件20的重量總和小于該主浮力體11與輔助浮力體12浮力總和的狀態(tài)，而使得該浮力裝置10及施工物件20在沉降過程中始終保持可懸浮于水中的狀態(tài)。因此，本發(fā)明的方法在沉降施工物件20時，操作者可在維持輔助浮力體12不完全沉入水中的前提下，逐漸增加該主浮力體11的壓艙重量，而控制該施工物件20沉降的高度，且使得施工物件20在沉降過程保持懸浮于水中狀態(tài)。如圖2所示，本發(fā)明該實施例使用的輔助浮力體12采用長形封閉筒狀的構(gòu)造，且其是由長端的一端與主浮力體11連接，因此其沉入水中時，會因為浮力作用而呈直立狀態(tài)，而且使得各該輔助浮力體12產(chǎn)生的輔助浮力與其沉入水中的深度呈現(xiàn)線性的關(guān)系。因此通過控制該浮力裝置10所灌入的壓艙水量，最后也會和沉降深度呈線性關(guān)系。通過這樣的設(shè)計，在實際操作時，欲沉降深度以及所需要的壓艙水量間的關(guān)系，就可以以簡單的常數(shù)來換算，大大地提高了操作便利性。若假設(shè)施工水域的水比重為1，輔助浮力體12產(chǎn)生輔助浮力與其沉入水中的等體積水的重量相等，此一關(guān)聯(lián)性可以下列函數(shù)呈現(xiàn)出來:W0+W1=F0+F1— W0+ffl=F0+ Σ (Α1*Η1)上述函數(shù)各個符號代表意義如下:WO:施工物件+浮力裝置原始重量總和Wl:壓艙重量FO:施工物件及主浮力體浮力Al:輔助浮力體截面積Hl:輔助浮力體沉入水中深度。由上述函數(shù)，可以簡易推算出浮力裝置10增加壓艙重量時，整個浮力裝置10與施工物件下降深度的關(guān)連性，因此在施工時，操作者只需要依照施工物件20在初始狀態(tài)下的深度，再加上浮力裝置10增加壓艙重量后，輔助浮力體12沉入水中的深度Η1，便可計算出施工物件20沉入水中的深度，以及施工物件欲沉降到所需施工深度時，所需增加的壓艙重量W1。 此外，如圖3所示，當施工物件20所需的沉降深度較深，而超過輔助浮力體12可沉降的深度時，可以將多數(shù)個輔助浮力體12串連在一起，增加該輔助浮力體12的可沉降深度。如圖3所示，輔助浮力體12的兩端分別具有法蘭接頭16，因此使得各輔助浮力體12可以利用法蘭接頭16相互連接，而增加該輔助浮力體12的整體長度。如圖4所示，當本發(fā)明方法應(yīng)用于地形特殊如斜度較大的海床，主浮力體11也可因應(yīng)不同地形需要，分別在各浮力空間15中導入不等量的壓艙水，使主浮力體11于各個浮力空間15具有不等的壓艙重量，而傾斜至需要的角度，方便安裝。綜合以上所述，通過本發(fā)明方法和裝置，可利用浮力裝置的浮力和重量的相互調(diào)節(jié)，可在水中方便地調(diào)節(jié)施工物件下沉的高度，且對于施工機具的要求低于已知的傳統(tǒng)工法，其已具備產(chǎn)業(yè)上利用的價值，誠屬一新穎的發(fā)明創(chuàng)造，于是依法提出專利申請。
權(quán)利要求
1.一種大型物件水下施工方法，用于將一大型的施工物件吊運安裝于預(yù)定施工水域的水底，其特征在于:該方法是利用一浮力裝置將前述施工物件吊掛懸浮于預(yù)定施工位置上方的水面下；然后逐漸增加該浮力裝置的壓艙重量，使該浮力裝置連同施工物件逐漸沉降，使該施工物件下降至預(yù)定施工的高度位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型物件水下施工方法，其特征在于:其中該浮力裝置由一主浮力體及若干個輔助浮力體所組成；該主浮力體的浮力大于該浮力裝置連同施工物件的重量總和，而能夠?qū)⒃撌┕の锛鯍鞈腋∮谒嫦?；前述輔助浮力體與該主浮力體連接，且可于該主浮力體下沉時受帶動而沉入水中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大型物件水下施工方法，其特征在于:其中該輔助浮力體維持在不完全沉入水中的狀態(tài)下，逐漸增加該浮力裝置的壓艙重量，使該浮力裝置下沉過程中始終維持該浮力裝置連同施工物件的重量總和不得超過該主浮力體連同輔助浮力體的浮力總和的范圍內(nèi)，使該浮力裝置于施工物件下降過程中持續(xù)保有浮力，以使該施工物件保持懸浮狀態(tài)，而不至于因下沉的慣性持續(xù)下降而碰觸到水底地面而損壞。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大型物件水下施工方法，其特征在于:各個輔助浮力體之間相互串接，以增加該浮力裝置可下沉的深度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大型物件水下施工方法，其特征在于:其中該浮力裝置下沉深度可由下列方法推算:W0+W1=F0+ Σ (A1*H1) 上述函數(shù)各個符號代表意義如下: WO:施工物件+浮力裝置原始重量總和 Wl:壓艙重量 FO:施工物件及主浮力體浮力 Al:輔助浮力體截面積 Hl:輔助浮力體沉入水中深度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的大型物件水下施工方法，其特征在于:其中該浮力裝置增加壓艙重量的方法為向該主浮力體內(nèi)部灌入壓艙水。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大型物件水下施工方法，其特征在于:其中該主浮力體內(nèi)部被分隔為多個不同的浮力空間，各個浮力空間分別具有獨立的壓艙水進口與出口。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的大型物件水下施工方法，其特征在于:其中該主浮力體內(nèi)部各個不同浮力空間 內(nèi)灌入不等量的壓艙水，使該浮力裝置產(chǎn)生傾斜，以調(diào)整該施工物件于水中的傾斜角度。
9.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1 8中任意一項所述方法所使用的大型物件水下施工裝置，用于將一大型施工物件(20)吊運安裝于預(yù)定施工水域的水底，其特征在于:包括一浮力裝置(10)，該浮力裝置(10)是由一主浮力體(11)，及若干個輔助浮力體(12)所組成；該主浮力體(11)的浮力大于該浮力裝置(10)連同施工物件(20)的重量總和；前述輔助浮力體(12)與主浮力體(11)連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的大型物件水下施工裝置，其特征在于:其中主浮力體(11)內(nèi)部區(qū)隔為多個不同的浮力空間(15)，各個浮力空間(15)分別具有獨立的壓艙水進口與出□。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的大型物件水下施工裝置，其特征在于:其中該輔助浮力體(12)為長形浮筒；主浮力體(11)為一空心密閉筒槽。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的大型物件水下施工裝置，其特征在于:主浮力體(11)與輔助浮力體(12)通過連接構(gòu)件(13)連接；施工物件(20)通過鋼索(21)吊掛于主浮力體(11)下方。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的大型物件水下施工裝置，其特征在于:該浮力裝置(10)中的多個輔助浮力體(12)相互串接。
14.根據(jù)權(quán)利要求9或13所述的大型物件水下施工裝置，其特征在于:所述輔助浮力體(12)的兩端分別設(shè)有法蘭接頭(16)，多個輔助浮力體(12)之間通過法蘭接頭(16)連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的大型物件水下施工裝置，其特征在于:所述連接構(gòu)件(13)為纜繩或鐵鏈。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大型物件水下施工方法及所使用的裝置，是利用浮力裝置將施工物件吊掛拖運至預(yù)定施工水域的預(yù)定位置，然后增加浮力裝置的壓艙重量，使浮力裝置連同施工物件開始下沉；浮力裝置進一步連接有若干輔助浮力體，可于浮力裝置連同施工物件下沉至一定深度時，通過輔助浮力體的浮力控制浮力裝置及施工物件停止下沉，因此達到控制施工物件沉降深度的目的。
文檔編號E02D15/08GK103215957SQ20131007308
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者葉清正 申請人:廈門國新世紀科技股份有限公司