潜水桩机 【技术领域】
本发明涉及一种能在水下施工基础的设备，能在数百米深的水下，连续一次性地完成钢管混凝土桩和基础承台的施工。具体是一种潜水桩机。
背景技术
目前，在水中建桥墩的主要方法是，用钢围堰做围护，桩和基础的施工是在钢围堰的围护下、在无水的情况下进行的。其施工方法是，先将钢围堰下沉到基础承台底标高处，用高压水枪冲击钢围堰内的泥土使其变成泥浆，将泥浆抽出后在水中浇灌封底混凝土，使封底混凝土与钢围堰形成一个相对密封的桶体。然后，将水抽净，再施工桩和基础。施工时钢围堰内外有水位差，施工的水域越深，水位差就越大，也就是说水对钢围堰侧壁的压力和浮力也会随着水深的增加而增加，这样就要求钢围堰具有一定的刚度和重量。而随着钢围堰的刚度和重量的增加，会给钢围堰的安装带越来越多的困难。因此，用这种方法建桥墩只宜在水位相对较浅地水域施工。如果要在宽阔的海峡上建桥墩，当水深为几十米或者数百米时，由于水对钢围堰侧壁的压力和浮力都很大，所以用这种施工方法建桥墩就很困难或者无法施工。
【发明内容】
为了能在水下数百米深的地方建桥墩，本发明提供一种潜水桩机。这种潜水桩机可以潜入到较深的水下，利用水的浮力，完成钢管混凝土桩和基础承台的施工，再将预制的钢筋混凝土桥墩安装在基础承台上，用一种全新的施工方法在深水中建桥墩。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种潜水桩机；包括由食管、潜水器、断水仓、四个液压支腿、若干个压力装置、若干根钢沉管、若干台潜水钻机、若干个紧固件、若干个导向装置构成。
食管是把钢管采用螺栓连接的方法连接而成的管子，它的下端与材料调配仓连通，它的上端与水面的定位方驳或者船只连通，是输送动力、空气、人员及各种材料的通道。
潜水器是用钢材焊接而成的，由控制室、蓄水仓、压力仓、材料调配仓组成。它上与食管连接并通向水面，下与断水仓和液压支腿连接，是潜水桩机中较为重要的部件。
控制室是摆放各种抽水泵和各种阀门的地方，也是操纵潜水桩机下沉或者上浮、调整液压支腿的高低，控制潜水钻机、泥浆泵、抽水泵、各种进水阀门的操作室。在控制室的上面有一个仓门，通过这个仓门与材料调配仓连通。在控制室的底部有一个减压仓，通过这个减压仓与断水仓连通。在控制室的两侧各有一个仓门，通过这个仓门与压力仓连通。控制室的数量与压力仓有关，每两个压力仓之间设置一个控制室，例如有三个压力仓就设置两个控制室。
蓄水仓有两个，在潜水器的两侧，是蓄水、存放沉管、潜水钻机的地方。在蓄水仓的顶板上有一个仓门，通过这个仓门与材料调配仓连通，通过材料调配仓来转运沉管、潜水钻机。在两个蓄水仓之间，用管子连通，在进水或者排水的时候，两蓄水仓中的水面始终能处在一个平面上，以防止潜水桩机的倾斜。通过调整蓄水仓中的蓄水量来改变潜水桩机的重量，从而控制潜水桩机的上浮或者下沉。为了提高了潜水器抗水压的能力，使潜水桩机能下潜的更深，在蓄水仓内设置一些支柱和水平横梁。
压力仓是压钢沉管的地方，在压力仓的底板上设置若干个钢沉管穿孔，并与断水仓中的钢沉管穿孔相对应，每个穿孔都设置一道仓门。在每个穿孔处都设置四个导向装置。在压力仓的顶板上有一个仓门，通过这个仓门与材料调配仓连通。在压力仓的侧壁上有一个仓门与控制室连通，是操作人员的通道。在压力仓的上部设置有轨道梁，供压力装置移动。压力装置像车间内的天车(行车)一样可以在压力仓内来回移动，对压力仓中所有的钢沉管进行施压以及安装和拆卸潜水钻机。压力仓可以有两个或者多个，其数量根据需要来确定，每个压力仓可施工一排桩。
材料调配仓是在潜水器上部的中间位置，它与蓄水仓、压力仓、控制室、食管连通。在材料调配仓的顶部安装有一台单轨吊，用它来转运钢沉管及其它各种材料。
断水仓是预制的无盖薄壁钢筋混凝土箱体，在箱体内用钢筋混凝土隔断作隔断墙，把断水仓隔成一个个小的无盖箱体，隔断墙的作用是提高断水仓抵抗海水压力的能力，隔断墙的顶面距断水仓的顶面之间的距离，为2至3米(这是为安装桥墩而特别设置的)。在有桩位的小箱体的底板上设置一个穿孔，用于穿插钢沉管，并与压力仓底板处的穿孔相对应。断水仓的位置是在潜水器的底部，在压力仓和控制室的正下方，与潜水器用螺栓连接的方式连接在一起，是潜水桩机的一部分。在断水仓与潜水器的连接处有一道密封垫，在密封垫的作用下阻止水进入潜水桩机内。
为防止水顺着钢沉管的外壁进到断水仓，在断水仓钢沉管的穿孔处，设置一道密封装置，在密封装置的作用下，可阻止水顺着钢沉管的外壁进到断水仓。密封装置密封钢沉管的原理与液压千斤顶中用密封装置密封活塞杆的原理一样，所不同的是，因钢沉管外壁没有进行精密加工，其外壁的光洁度比活塞杆外壁的光洁度低的多。但是，钢沉管只出不进为单向运动，而密封圈只能用一次，在这根钢沉管压到设计标高后，密封圈将永久留在断水仓的底版上，所以用Yx密封圈可以满足对钢沉管的密封要求。在压钢沉管时断水仓是灌满水的，只是控制水面的高度，不能让水进入压力仓和沉管内，控制水面的高度可用抽水泵来调节，在断水仓中灌水是增加桩机的重量。
断水仓的作用有三个，一是断水：用密封装置来密封钢沉管，不让水进到断水仓中内，人员在成桩作业时不与水接触而完成桩的施工。二是配重：在压钢沉管时，需要很大的重量，为了得到较多的重量，在断水仓与潜水器连接后，潜水桩机下沉前，在断水仓中将没有桩位的小箱体内全部灌满混凝土，在潜水桩机沉到水底后，压钢沉管前，用水把断水仓灌满，可获得一定的重量。三是：断水仓本身就是基础承台的外壳，在所有的钢沉管沉到设计标高后，把钢沉管与断水仓焊接在一起，将桩中的钢筋笼或者钢龙骨与断水仓上的钢龙骨焊接在一起，然后用混凝土把钢沉管和断水仓都灌满，桩和断水仓就形成一个刚性体，这样潜水桩机就一次性地完成了钢管混疑土桩和基础承台的施工。
液压支腿由液压千斤顶(支架)和底座组成，共有四个，它们分布在潜水器下面的四个角处。通过液压千斤来调整支腿的长短，从而调整潜水桩机的水平。
钢沉管是用钢材焊接而成的管子，标准节钢沉管的长度为3米，其外径为2米，钢沉管两端设置内法兰，连接时先用螺栓连接，然后焊接，为密封连接。钢沉管是桩的一部分，成孔时钢沉管是护筒，成桩时钢沉管是钢管混凝土桩的外壁。第一节钢沉管安装在压力仓和断水仓底板的穿孔中，安装好的钢沉管，其顶面的标高与压力仓地板上平面的标高相同；其底面的标高与断水仓地板底面的标高相同。
潜水钻机主要由钻头、转盘、潜水电机、钻杆、水龙头、接头、四个支撑杆、隔水板、泥浆管、进水管、泥浆泵等组成。转盘与隔水板通过四个支撑杆连接在一起，组成潜水钻机的支架，把这个支架安装在钢沉管内的底部。潜水钻机的钻头在沉管的下端(沉管的外部)，为了能方便地从钢沉管中取出钻头，钻头的直径是可以调整的。潜水钻机的转盘连接在沉管的端口处，用螺栓连接，转盘与钢沉管的连接为固定连接。隔水板与钢沉管用螺栓连接，其连接为密封连接，由隔水板来阻止水从钢沉管内进入潜水桩机。钻杆通过水龙头和接头与泥浆管连接，而泥浆管需要穿过隔水板，泥浆会随着钻头的运动而运动，这就需要解决泥浆管与隔水板之间的防水问题。把穿过隔水板的那段泥浆管的外壁进行特殊处理，经过处理后的泥浆管的光洁度与液压千斤顶中活塞杆的光洁度相同，在隔水板上泥浆管的穿孔处设置一道密封圈，在这节泥浆管的上方挂上一定的配重，这样既可防止水的通过，又不影响泥浆管的移动，钻杆的移动长度为3.3米～3.5米。在钢沉管进入土层后，由于有钢沉管的保护，海水不能直接进到桩孔内，海水只能以渗透的方式进到桩孔内，海水的渗透量将随着钢沉管的下沉而逐渐减少，直到无海水渗透。钻机在成孔时是需要有水的，所以在隔水板上还设置一个进水管，以保证钻机在成孔时的用水。为了能方便地安装、拆卸钻机和成孔后的检查，在隔水板上设置一个小闸门供人员出入。
压力装置是由压力架、多个压力液压千斤顶、传力座、多个支撑液压千斤顶、两个支撑墩、两个卷扬机、行走装置等部件组成。压力架上所有的压力液压千斤顶的活塞杆都与传力座连在一起，由压力液压千斤顶产生的压力都集中在传力座上，再由传力座将压力传到要施压的钢沉管上。压力装置类似车间内的天车(行车)，能在铺设好的轨道上移动，可逐个对压力仓中所有的钢沉管施压。并利用压力架上的卷扬机来吊运、安装钢沉管和潜水钻机。压力装置在压钢沉管前，用支撑液压千斤顶将两个支撑墩顶起，并与压力仓的顶板接触后，再用压力液压千斤顶压钢沉管，压钢沉管的反作用力通过两个支撑墩传递到压力仓的顶板上。
紧固件由顶板、肋板、环形肋板、底板组成，是将钢沉管与压力仓的底板上连接在一起的装置。潜水桩机的体积很大，沉入水中后，水对它的浮力也很大，潜水桩机在压钢沉管时需要一定的重量，如重量不足，压钢沉管时会将潜水桩机顶起而无法施工。用紧固件把钢沉管与压力仓连接在一起后，这些钢沉管相对潜水桩机而言就是一个个锚杆，潜水桩机通过钢沉管的锚拉力可获得足够的拉力来满足压钢沉管时所需要的重量。
导向装置是安装在压力仓底板穿孔的孔壁处，每个穿孔内设置四个导向装置，用于控制钢沉管的位移，保证钢沉管在受压时，钢沉管处在铅垂状态。
潜水桩机的工作原理是：在断水仓的底板上钢沉管的穿孔处设置一道密装置，用液压千斤顶中密封活塞杆的原理，在密封圈装置的作用下阻止水从钢沉管的外壁进到断水仓中，在钢沉管内设置隔水板，在隔水板的作用下阻止水从钢沉管内进到断水仓中。利用潜水艇的原理，通过向蓄水仓内灌水或者排水来完成其下沉或者上浮。由液压支腿调整潜水器的水平，当潜水器沉到海底，通过调整每个支腿的高低，使潜水装置处在水平状态。成桩时，先由潜水钻机钻出一节孔后，再用压力装置压下一节钢沉管，这样钻一节孔压一节钢沉管，直到将钢沉管压到设计标高，同理逐节逐根地将所有钢沉管都压到设计标高。卸下潜水钻机，将钻机从钢沉管中取出。然后，在钢沉管内安放钢筋笼或者钢龙骨，把钢龙骨与断水仓上的钢龙骨焊接在一起，再分别向钢沉管内和断水仓内浇灌混凝土，使桩与断水仓形成一个整体。最后，卸下断水仓与潜水器连接的螺栓，使断水仓与潜水器脱离，完成桩与基础承台的施工。
本发明的有益效果是，改变了传统的建桥墩的方法，利用水的浮力，能在数百米的水下完成桩和基础丞台的施工，再将预制的桥墩安装到基础丞台上，扩大了建海峡大桥的水域。
最主要的是，由于能在较深的水下建造桥墩，再将预制的钢筋混凝土隧道安装再桥墩上，让桥墩和隧道完全处在水中，建成水中隧道。隧道处在水下25米左右的地方，既能满足船只通航的需要，又能降低风浪对隧道的影响。用这种方法建海峡通道，可充分利用海水的浮力，变不利为有利，让隧道、桥墩的自重和车辆通行时的活荷载与海水所产生的浮力相抵消，可最大限度地发挥钢筋混凝土材料的性能，降低工程造价，缩短工期。建水中隧道的投资为建海底隧道投资的四分之一或者是五分之一，并且施工简单、方便。详见附加文件“水中隧道”一文。
【附图说明】
图1为本发明潜水桩机的俯视图：
图2为本发明潜水桩机的横向侧视图：
图3为本发明潜水桩机的纵向侧视图：
图4为图1的A-A剖面图：
图5为图1的B-B剖面图：
图6为图2的C-C剖面图：
图7为本发明潜水桩机断水仓的俯视图：
图8为图7的D-D剖面图：
图9为本发明潜水桩机中潜水钻机在钢沉管内的位置示意图：
图10为图9的E-E剖面图：
图11为图9的F-F剖面图：
图12为图1O的1-1剖面图，是潜水钻机的隔水板与钢沉管密封连接的大样图：
图13为本发明潜水桩机压力装置的俯视图：
图14为本发明潜水桩机压力装置的横向侧视图：
图15为本发明潜水桩机压力装置的纵向侧视图：
图16为本发明潜水桩机潜水器与断水仓连接的大样图：
图17为本发明潜水桩机紧固件示意图，图的右侧显示紧固件的外观、图的左侧显示紧固件的结构：
图18为本发明潜水桩机紧固件与钢沉管连接的大样图：
图中1.食管，2.潜水器，3.材料调配仓，4.断水仓，5.液压支腿，6.控制室，7.蓄水仓，8.压力仓，9.钢沉管，10.压力装置，11.潜水钻机，12.控制钢沉管位移的导向装置，13.压力仓底板上的钢沉管穿孔，14.断水仓底板上的钢沉管穿孔，15.密封装置，16.无桩位箱体，17.隔断墙，18.有桩位箱体 19.泥浆管，20.密封装置，21.隔水板，22.接头，23.水龙头，24.支架，25.钻杆，26.钻盘，27.钻头，28.进水管，29.进人孔闸门，30.潜水电机，31.钢沉管水平连接板，32.密封压板，33.螺栓，34.螺帽，35.密封垫，36.钢沉管外壁，37.钢沉管竖向加劲肋，38.压力架，39.液压千斤顶，40.支撑墩41.传力座，42.压力装置行走轮，43.螺帽，44.垫片，45.螺栓，46.密封垫，47.顶板，48.肋板，49.环形肋板，50.底板 51.螺栓孔，52.钢沉管的内法兰，53.钢沉管水平加劲肋，54.压力仓的底板，55.螺栓，56.螺帽。
【具体实施方式】
下面结合附图及实例详述本发明。
如图1-6所示，一种潜水桩机，包括由食管(1)、潜水器(2)、断水仓(4)、四个液压支腿(5)、若干个钢沉管(9)、两个压力装置(10)、若干个潜水钻机(11)、若干个紧固件组成。其潜水器(2)由材料调配仓(3)、控制室(6)、蓄水仓(7)、压力仓(8)组成。压力仓(8)的底板上有若干个钢沉管(9)的穿孔(13)，每个穿孔(13)的孔壁上有四个导向装置(12)。钢沉管(9)穿插在压力仓(8)底板上的穿孔(13)中和断水仓(4)底板上的穿孔(14)中，潜水钻机(11)安装在钢沉管(9)的内部。
如图7-8所示，其断水仓(4)被隔断墙(17)隔成一个个小的箱体，分为无桩位箱体(16)和有桩位箱体(18)两种，在有桩位箱体(18)的底板上有钢沉管(9)的穿孔(14)，在穿孔(14)的上面有一密封装置(15)。
如图9-12所示，其潜水钻机(11)由泥浆管(19)、密封装置(20)、隔水板(21)、接头(22)、水龙头(23)、四个支架(24)、钻杆(25)、钻盘(26)、钻头(27)、进水管(28)、潜水电机(30)等构成。潜水钻机(11)是安装在铜沉管(9)的内部的下端，隔水板(21)与钢沉管(9)用螺栓(33)和密封压板(32)连接，由密封垫(35)形成密封连接。钻盘(26)与钢沉管(9)的连接用螺栓连接，形成固定连接。
如图13-15所示，其压力装置(10)由压力架(38)、若干个压力液压千斤顶(39)、两个支撑墩(40)、传力座(41)、四个移动轮(42)、若干个支撑液压千斤顶、两个卷扬机组成。
如图16所示，是潜水器(2)与断水仓(4)连接的大样图，在其连接处有一密封垫(46)，通过螺栓(45)和螺帽(43)把潜水器(2)与断水仓(4)连接在一起。
如图17-18所示，其压力装置由顶板(47)、肋板(48)、环形肋板(49)、底板(50)、螺栓孔(51)组成，紧固件通过螺栓(55)和螺帽(56)与钢沉管(9)连接。
本发明具体操作过程如下：首先将断水仓(4)预制好，在下水前把底版上的穿孔(14)进行临时密封，使断水仓(4)能在水中漂浮，并把与潜水器连接时所需的防水垫(46)安装好。下水后，在拖轮的拖拽下，将断水仓(4)运到桥墩基础的施工现场与潜水器(2)连接。在水中把桶帽(安装潜水钻机的特制配件)安装在穿孔(14)的下面，卸下临时密封。断水仓(4)与潜水器(2)连接是桥墩基础施工的关键环节，其安装也是比较复杂的，断水仓(4)的安装步骤如下：首先向浮箱内灌水使其沉到水下，把浮箱安装到断水仓(4)的下面。再向断水仓(4)内灌水，同时逐步将浮箱内的水抽出，使断水仓与浮箱在水中的重量等于海水对它们的浮力，并让断水仓(4)沉到水下。通过临时安装在潜水器(2)上面的四台卷扬机，将断水仓(4)拖拽到潜水器(2)下面，并用这四台卷扬机和调整浮箱内的水来安装断水仓(4)。在断水仓(4)安装到位后，由潜水人员在水中，用螺栓(45)将潜水器(2)与断水仓(4)连接在一起。抽出断水仓(4)内的水，卸下浮箱，完成断水仓(4)的安装。
钢沉管(9)与潜水钻机(11)的安装：把钢沉管(9)穿过压力仓(8)的穿孔(13)和断水仓(4)的穿孔(14)，让钢沉管(9)的下端与断水仓(4)底板的底面齐，让钢沉管(9)的上端与压力仓(8)底板的顶面齐。待钢沉管(9)安装好后，先调整压力仓(8)底板上的导向装置(12)，使钢沉管(9)处在铅垂状态，再调整断水仓(4)底板上的密封装置(15)。然后把潜水钻机(11)安装到钢沉管(9)内，先用密封压板(32)和螺栓(33)把隔水板(21)固定在沉管(9)的水平连接板(31)上，用螺栓把钻盘(26)固定在沉管(9)下面的底部，再调整钻头(27)的直径，使钻头(27)的直径与沉管(9)的外径相同，连接进水管(28)和泥浆管(19)，最后调试潜水钻机(11)，如无问题，关闭隔水板(21)上的人孔闸门(29)，卸下桶帽，检查密封装置(15)、密封装置(20)和隔水板(21)的密封效果。经过检查无异常情况后，向断水仓(4)中所有无桩位箱体(16)内灌注素混凝土，直到把它们灌满为止。在灌混凝土的同时，把所需的钢沉管(9)装到蓄水仓(7)内备用。待所有的准备工作做完后，潜水桩机就可以下沉了。
潜水桩机的下沉：首先打开控制室(6)内的进水阀门，向蓄水仓(7)内灌水，潜水桩机随着蓄水仓(7)内水量的增加而下沉，在潜水桩机下沉的同时，及时连接食管(1)、检查各密封处的密封情况。在潜水桩机将要沉到水底前，先把液压支腿(5)伸长一些，让其支腿底面低于钻头(27)，保证在潜水桩机沉到水底时钻头(27)不直接与地面接触。控制潜水桩机使其沉到预定位置，通过调整四个液压支腿(5)的长短，将潜水桩机调整到水平位置。并继续向蓄水仓(7)内灌水，还要向断水仓(4)内灌水，直到把蓄水仓(7)和断水仓(4)都灌满水为止。
钢管混凝土桩及基础承台的施工：待潜水桩机沉到预定位置并调整到水平状态，经过核查潜水桩机的位置无误后，启动所有的潜水钻机(11)开始钻孔，待所有的潜水钻机(11)都钻出一节孔后，停止钻孔，调整液压支腿(5)，使得断水仓(4)的底部接触到地面后，再继续钻孔。待潜水钻机(11)钻出一节钢沉管(9)长的距离后，停止钻孔，抽净孔内的泥浆，关闭泥浆管(19)和进水管(28)的阀门，提起钻头(27)到初始位置，拆开泥浆管(19)和进水管(28)，安装一节钢沉管(9)，再把进水管接(28)好，用压力装置(10)将这节钢沉管(9)压下，使钢沉管(9)的顶面仍然与压力仓(8)底板的顶面相平，用螺栓(55)把紧固件与钢沉管(9)连接在一起，使紧固件扣在压力仓(8)的底板上，再把泥浆管(19)接好，启动潜水钻机(11)再钻下一节孔。移动压力装置(10)到下一个桩孔处，用同样的方法完成钢沉管(9)的连接和压钢沉管(9)的工作，这样逐节逐根地将所有的钢沉管(9)都压到预定位置为止。潜水钻机(11)在钻孔时，泥浆通过泥浆管(19)由泥浆泵抽到潜水桩机的外面。待钢沉管(9)沉到设计位置后，把进水管(28)的进水功能改为进气，抽净钢沉管(9)内的泥浆和水，打开隔水板(21)上的人孔闸门(29)，人员下到钢沉管(9)的底部，查看孔底的土层或者岩层，如无异常，拆卸潜水钻机(11)，把潜水钻机(11)从钢沉管(9)内取出，经过材料调配仓(2)的转运，把潜水钻机(11)摆放在蓄水仓(7)中。在拆卸潜水钻机(11)的同时，将钢沉管(9)与断水仓(4)的底板焊接在一起，并把焊接部位以上的钢沉管(9)全部截去，将它们转运到蓄水仓(7)中。在钢沉管(9)内安装钢筋笼或者钢龙骨，并将钢筋笼或者钢龙骨与断水仓(4)上的钢龙骨焊接在一起，然后向钢沉管(9)内灌混凝土，直到把断水仓(4)的小箱体(18)也灌满混凝土为止，待所有桩位的混凝土灌满后，钢管混凝土桩与基础承台就连在一起，并形成刚性连接。
潜水桩机的浮起：在完成混凝土的浇灌后，不能立刻将潜水桩机浮向水面，应在所浇灌的混凝土达到一定的强度后再浮起潜水桩机。潜水桩机浮起前，先将压力仓(8)底板上的穿孔(13)用闸门密封，再向压力仓(8)内和断水仓(4)内灌水，尽可能多的灌水以增加潜水桩机的重量，使桩机的重量大于海水对桩机的浮力。然后由潜水人员在水中将连接潜水器(2)和断水仓(4)的螺栓(45)卸下，使得潜水器(2)和断水仓(4)脱离[注意，在潜水器(2)与断水仓(4)脱离时要保护好密封垫(46)，不要损坏它，在桥墩与基础承台连接时，要再次用到这个密封垫(46)]。在所有的螺栓(45)卸下后，潜水人员经减压仓回到控制室(6)内，关闭所有的仓门，启动抽水装置，将蓄水仓(7)和压力仓(8)中的水抽到潜水桩机外面，随着桩机内水的减少，潜水器(2)就慢慢地与基础承台分高，浮向水面。