海上沉箱遠(yuǎn)程控制加水技術(shù)與應(yīng)用

馮甲鑫，王翔，鞠鵬，王明玉

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

常規(guī)沉箱出運(yùn)安裝工藝，沉箱頂部通常要有多位工人作業(yè)，進(jìn)行壓載水位觀測，數(shù)據(jù)記錄，拖運(yùn)纜繩安裝拆除等作業(yè)。沉箱在出運(yùn)安裝過程中處于海上漂浮狀態(tài)，若遇到突發(fā)狀況，比如沉箱漏水、拖曳纜繩斷裂等，工人無法及時(shí)撤離沉箱，嚴(yán)重時(shí)沉箱傾覆極易造成重大人員傷亡[1]。

通過對國內(nèi)外沉箱加水的調(diào)研，目前遠(yuǎn)程遙控加水技術(shù)在船舶壓載和沉管浮運(yùn)安裝壓載等領(lǐng)域應(yīng)用較多[2-7]，但是相比于船舶或者沉管，沉箱具有體量小、加水量少、設(shè)備拆裝頻繁等特點(diǎn)，采用船舶或者沉管使用的壓載方式成本較高，國內(nèi)沉箱出運(yùn)安裝加水普遍采用下面幾種形式：

1）沉箱側(cè)壁上開進(jìn)水孔，開孔處沉箱外側(cè)覆蓋1張鋼板，通過水的壓力密封住開孔，需要加水壓載時(shí)，潛水員水下移開鋼板，加水完成后再用鋼板堵住開孔；

2）沉箱側(cè)壁預(yù)留進(jìn)水孔，在水下安裝深水型電磁閥，采用軟管連接固定在進(jìn)水孔上，電磁閥安裝在特制的籠內(nèi)，沉箱安裝驗(yàn)收合格后可將電磁閥拆除并重復(fù)使用；

3）沉箱側(cè)壁預(yù)埋進(jìn)水鋼管，沉箱內(nèi)部開孔處焊接閥門，閥門手柄處連接閥門桿，作業(yè)人員站在沉箱頂部蓋板上通過擰閥門桿進(jìn)行閥門的開啟和關(guān)閉；

4）沉箱側(cè)壁不開進(jìn)水孔，外部側(cè)壁提前懸掛潛水泵，加水管道從沉箱頂部往沉箱艙格內(nèi)加水實(shí)現(xiàn)加水壓載[1]。

第一種方式潛水員作業(yè)存在較大的安全隱患；第二種方式采用水下電磁閥，安裝拆卸檢修較為繁瑣；第三種方式需人工在沉箱頂部作業(yè)；第四種方式需在沉箱外壁懸掛潛水泵，安裝拆除較為繁瑣，且注水管易受到定位船干擾。

日本對沉箱遠(yuǎn)程控制加水研究較多。日本五洋建設(shè)株式會社2007年設(shè)計(jì)了一種UCIS（沉箱無人化安裝系統(tǒng)）[8]，該系統(tǒng)采用沉箱頂部設(shè)置發(fā)電機(jī)、絞盤、水位計(jì)、傾斜儀等設(shè)備，沉箱側(cè)壁外側(cè)設(shè)置4個(gè)潛水泵往沉箱內(nèi)注水，通過遠(yuǎn)程監(jiān)視和操作實(shí)現(xiàn)沉箱頂部無人作業(yè)。日本AOMI建設(shè)株式會社在2012年設(shè)計(jì)了一種沉箱自動注水控制系統(tǒng)[9]，原理跟方法與日本五洋建設(shè)株式會社的方式基本一致，也是采用沉箱外部懸掛潛水泵實(shí)現(xiàn)注水作業(yè)。兩種設(shè)計(jì)均實(shí)現(xiàn)了沉箱頂部無人作業(yè)，但是需要沉箱側(cè)壁懸掛潛水泵及注水管。缺點(diǎn)為：設(shè)備多，發(fā)電機(jī)配置功率較大，拆裝繁瑣，而且該方式不適用于拖輪頂推沉箱定位作業(yè)方式，拖輪容易對注水管產(chǎn)生剮蹭破壞。

本文結(jié)合青島港董家口港區(qū)大唐碼頭二期工程沉箱出運(yùn)安裝流程，研究了一種新沉箱出運(yùn)安裝遠(yuǎn)程控制加水技術(shù)。兼顧經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和可靠性等因素，實(shí)現(xiàn)加水過程遠(yuǎn)程控制操作，測量精度高，拆卸快速方便。

1 沉箱遠(yuǎn)程控制加水方案

1.1 原理

本方案設(shè)計(jì)原理為：通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)控制閥門電動裝置進(jìn)行閥門開閉，使用投入式液位計(jì)進(jìn)行水位實(shí)時(shí)監(jiān)測，傾角儀實(shí)時(shí)監(jiān)測沉箱姿態(tài)，GPS實(shí)時(shí)解算沉箱位置及姿態(tài)，同時(shí)具備遠(yuǎn)程啟閉功能供電系統(tǒng)，沉箱遠(yuǎn)程控制加水設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

圖1 沉箱遠(yuǎn)程控制加水設(shè)計(jì)原理圖Fig.1 Design schematic of remote control for caisson water filling

沉箱遠(yuǎn)程控制加水技術(shù)分為沉箱頂部加水模塊和遠(yuǎn)程控制管理系統(tǒng)，加水模塊是在沉箱頂部布置控制箱，該控制箱具備供電、數(shù)據(jù)采集、無線傳輸?shù)墓δ埽杉疓PS定位、高頻液位雷達(dá)、投入式液位計(jì)、傾角傳感器數(shù)據(jù)，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸至沉箱遠(yuǎn)程控制加水管理系統(tǒng)。

沉箱遠(yuǎn)程控制加水管理系統(tǒng)是船載管理系統(tǒng)，通過無線信號接收與傳輸信息和指令，作業(yè)人員通過系統(tǒng)界面實(shí)時(shí)觀測沉箱姿態(tài)、加水深度、沉箱位置等信息，并通過手動控制箱進(jìn)行指令控制。

1.2 管理系統(tǒng)

海上沉箱遠(yuǎn)程控制加水管理系統(tǒng)是船載系統(tǒng)，具備遠(yuǎn)程觀測和控制功能，通過界面集中顯示沉箱出運(yùn)安裝過程中艙格加水深度、沉箱姿態(tài)、設(shè)備狀態(tài)等信息，同時(shí)具備遠(yuǎn)程控制供電系統(tǒng)、閥門電動裝置開啟和關(guān)閉功能，見圖2。

圖2 沉箱加水遠(yuǎn)程控制管理系統(tǒng)界面Fig.2 Management system interface of remote control for caisson water filling

2 沉箱遠(yuǎn)程控制加水工藝研究

2.1 流程

沉箱遠(yuǎn)程加水工藝流程見圖3。

圖3 沉箱遠(yuǎn)程加水工藝流程圖Fig.3 Flow chart of caisson remote water filling process

2.2 步驟

遠(yuǎn)程控制加水工藝分為預(yù)制場內(nèi)設(shè)備安裝調(diào)試和海上加水作業(yè)兩大步驟。沉箱遠(yuǎn)程控制加水系統(tǒng)的設(shè)備安裝是在預(yù)制場內(nèi)完成，包括：閥門桿安裝、蓋板安裝、閥門電動裝置安裝、控制系統(tǒng)安裝、調(diào)試等過程，海上實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制加水作業(yè)，沉箱安裝完成后蓋板拆除運(yùn)回預(yù)制場進(jìn)行下一沉箱出運(yùn)施工，具體實(shí)施步驟如下：

1）在地面上將閥門電動裝置、發(fā)電機(jī)、控制柜、電纜等設(shè)備配件安裝在蓋板的設(shè)計(jì)位置，并調(diào)平固定。

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2）設(shè)備安裝完成后將蓋板吊裝到位后通過插銷將過渡段閥門桿與閥門電動裝置連接，然后手動轉(zhuǎn)動閥門電動裝置手柄，觀察閥門桿轉(zhuǎn)動是否正常。

3）安裝GPS、投入式液位計(jì)、傾角傳感器和攝像頭。將投入式液位計(jì)從蓋板上預(yù)設(shè)的小孔投入至沉箱底部，攝像頭安裝在設(shè)定位置，觀察閥門加水情況。

4）通過防水插頭連接電纜及控制線。

5）設(shè)備調(diào)試。

6）半潛船拖運(yùn)沉箱至潛塢坑后實(shí)施下潛作業(yè)，下潛至水面沒過沉箱進(jìn)水口0.5 m后，遠(yuǎn)程開啟閥門電動裝置開啟閥門。

7）沉箱水位艙格加水至設(shè)計(jì)水位，遠(yuǎn)程關(guān)閉閥門，等待沉箱完全自浮脫離半潛船后，通過拖輪拖帶出塢。出塢后，繼續(xù)開啟閥門加水至設(shè)計(jì)吃水，加水過程中通過傾角儀實(shí)時(shí)觀測沉箱姿態(tài)，通過調(diào)節(jié)閥門開度保證沉箱平衡。

8）拖輪拖帶沉箱至安裝現(xiàn)場，待潮位合適時(shí)進(jìn)行定位，定位后遠(yuǎn)程開啟閥門加水至沉箱坐底。

9）沉箱安裝驗(yàn)收合格，斷開閥門電動裝置和閥門桿的連接，設(shè)備隨蓋板吊至運(yùn)輸駁運(yùn)回預(yù)制場，準(zhǔn)備下一沉箱的出運(yùn)。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

青島港董家口港區(qū)大唐碼頭二期工程位于青島市南翼黃島區(qū)的瑯琊臺灣，建設(shè)規(guī)模為5萬噸級和10萬噸級通用泊位各1個(gè)（水工結(jié)構(gòu)按照15萬噸級散貨船設(shè)計(jì)）。主體采用鋼筋混凝土沉箱結(jié)構(gòu)。沉箱內(nèi)回填10～100 kg塊石，填料至沉箱頂部，并采用0.3 m厚二片石和0.1 m厚素混凝土墊層封艙，上部設(shè)置混凝土現(xiàn)澆胸墻。

3.2 沉箱尺寸

沉箱尺寸為（長×寬×高）：24.08 m×14.49 m×21.0 m，前趾寬度為1.0 m，由于沉箱后壁頂部需支撐門機(jī)后軌，端部設(shè)置0.36 m寬牛腿，單個(gè)沉箱重量約為3 250 t。

沉箱出運(yùn)時(shí)，沉箱劃分區(qū)域及傳感器布置如圖4所示。

圖4 傳感器布置圖Fig.4 Sensor layout

3.3 沉箱加水模塊布置

本項(xiàng)目沉箱艙格較多，共劃分4個(gè)加水區(qū)域，在每個(gè)加水區(qū)布置1套電動閥門及傳動裝置（圖5），在加水艙格布置攝像頭直觀觀測閥門開啟和閉合狀況，每個(gè)加水區(qū)的加水艙格和最遠(yuǎn)的艙格布置投入式液位計(jì)。為便于拆裝方便，傾角儀、控制柜和電瓶柜布置在同一蓋板上，并隨蓋板一并拆裝，方便快捷。

圖5 沉箱閥門驅(qū)動裝置布置圖Fig.5 Layout of caisson valve driving device

3.4 應(yīng)用效果

本次試驗(yàn)驗(yàn)證了遠(yuǎn)程控制加水系統(tǒng)的適用性及可靠性，應(yīng)用效果如下：

1）通過沉箱遠(yuǎn)程控制加水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制沉箱閥門開啟和關(guān)閉，并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)閥門開度控制閥門進(jìn)水速度，保證沉箱加水均勻，使沉箱平衡穩(wěn)定。

2）沉箱頂部供電系統(tǒng)采用發(fā)電機(jī)和電瓶柜雙供電系統(tǒng)，確保供電安全可靠。

3）無線傳輸系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)1 km范圍內(nèi)信號穩(wěn)定傳輸。

4）船載沉箱加水遠(yuǎn)程控制管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測艙格水位、沉箱位置及姿態(tài)、設(shè)備狀態(tài)等重要參數(shù)，并具備超限報(bào)警功能，為沉箱安全出運(yùn)安裝提供保障。

4 結(jié)語

本文通過對沉箱出運(yùn)遠(yuǎn)程控制加水技術(shù)與應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)沉箱在出運(yùn)和沉放安裝過程中的加水作業(yè)遠(yuǎn)程控制，測控系統(tǒng)精確測量水位及沉箱姿態(tài)，確保沉箱加水安全，為下一步實(shí)現(xiàn)沉箱無人化出運(yùn)安裝奠定基礎(chǔ)。