大型物件水下施工方法及所使用的裝置的製作方法

2023-06-04 14:23:36 2

專利名稱：大型物件水下施工方法及所使用的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種水下施工方法及裝置，特別是一種適合用於海上大型結構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：
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，人類的開發活動逐漸增加，並開始往海洋領域拓展。近數十年間海運蓬勃發展，貨運總吞吐量及貨櫃數量每年均大幅成長，因此無論商港及工業港的建造，均朝擴建港口水深的方向努力，以適應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，最後利用拖船將系上浮筒的管線在海上拖行至定位點後再釋放，使其自由沉降至海底，但此方法主要缺點在於: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，容易偏離預定著陸點。另外海流產生的推力與作用面積成正比，而大口徑管材或建築結構物因為側向的投影面積較大，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築結構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築結構物的安裝方式，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格較高，且極耗人力和時間，仍屬較不經濟的施工方法。所以，現有的施工方法有待進一步改進，並謀求可行解決方案的必要，於是本發明人乃本著多年從事該項技術領域設計開發的實物經驗，以及經由無數次的實際實驗，終於研發出本發明技術。

發明內容
本發明的目的在於，提供一種大型物件水下施工方法及所使用的裝置，其能夠利用簡單設備達到在水中自由升降大型管材或建築結構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備的需求，並縮短工時節省人工成本。本發明的技術方案:為達上述目的，本發明的方法主要是利用一浮力裝置將管材、建築結構物等大型施工物件吊掛懸浮於欲施工水域的水面下，並通過調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於該浮力裝置連同施工物件的重量總和，而能夠將該大型施工物件懸浮吊掛於水面下，其施工時，首先將該浮力裝置連同大型施工物件拖運到預定施工水域，並就定位後，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生一輔助浮力，並通過該輔助浮力阻止該浮力裝置連同大型物件繼續下沉。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範圍內，使該浮力裝置於施工物件下降過程中持續保有浮力，以使該施工物件保持懸浮狀態，而不至於因下沉的慣性持續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部區隔為多個不同的浮力空間，並使得各個浮力空間的浮力不同，使浮力裝置改變於水中的傾斜角度，以使該施工物件能夠以傾斜角度被安裝在水底的地面上。與現有技術相比，本發明通過利用浮力裝置的浮力和重量的相互調節，可在水中方便地調節施工物件下沉的高度。另外，當應用於地形特殊如斜度較大的海床，主浮力體也可因應不同地形需要，分別在各浮力空間中導入不等量的壓艙水，使主浮力體於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為本發明在施工初期浮力裝置吊掛施工物件懸浮於水面狀態的示意圖；圖2為本發明在施工中期，浮力裝置開始增加壓艙重量，逐漸沉入水中狀態的示意圖；圖3為本發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-連接構件，14-區隔構件，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合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明，但並不作為對本發明做任何限制的依據。本發明的實施例:如圖1所示，本發明的施工方法主要是利用一浮力裝置10將一預定施工的施工物件20懸浮吊掛於水底，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下沉後產生浮力相調節，達到控制升降並持續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之間是以連接構件13連接。該連接構件13為纜繩、鐵鏈等可撓性的構件，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吊掛於該主浮力體11下方。主浮力體11初始狀態所能產生的浮力大於該施工物件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拖運到預定施工水域的定點。該浮力裝置10在初始狀態下，是通過主浮力體11的浮力將施工物件20懸浮吊掛於預定施工水域的水面下，且此時前述輔助浮力體12處於漂浮於水面的狀態，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，本發明所採用的增加主浮力體11壓艙重量的技術手段為，往主浮力體11內部灌入壓艙水。為使該主浮力體11下沉時能夠維持平衡,主浮力體11內利用若干區隔構件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，避免壓艙海水集中於主浮力體11內部的一側造成主浮力體11重量分布不均而傾倒。主浮力體11另一設計要點在於其本身的體積，其設計體積大小需依所吊運的施工物件20的重量而定，關鍵在於施工物件20和主浮力體11所能產生的浮力，須略大於施工物件20和主浮力體11空艙狀態的總重，通過這樣的設計，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。如上述，主浮力體11內部各個浮力空間15分別設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，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，也是可行的技術手段。本發明除前述主浮力體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，並且使該施工物件20隨時保持懸浮狀態，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為採用長形封閉浮筒的構造，利用連接構件13連接於主浮力體11的兩端。此連接方式有助於系統的平衡，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主要設計目的是提供浮力裝置10大於系統自重的浮力，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，能產生相對應的浮力來停止沉降過程，並保護施工物件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整高度及角度的功能。如圖1所示狀態，輔助浮力體12與主浮力體11之間是以可撓性的連接構件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漂浮於水面上，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總和重量大於該主浮力體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下沉後，所產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，因此也會產生相對應的輔助浮力，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的重量總和小於該主浮力體11與輔助浮力體12浮力總和的狀態，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於水中的狀態。因此，本發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於水中狀態。如圖2所示，本發明該實施例使用的輔助浮力體12採用長形封閉筒狀的構造，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，而且使得各該輔助浮力體12產生的輔助浮力與其沉入水中的深度呈現線性的關係。因此通過控制該浮力裝置10所灌入的壓艙水量，最後也會和沉降深度呈線性關係。通過這樣的設計，在實際操作時，欲沉降深度以及所需要的壓艙水量間的關係，就可以以簡單的常數來換算，大大地提高了操作便利性。若假設施工水域的水比重為1，輔助浮力體12產生輔助浮力與其沉入水中的等體積水的重量相等，此一關聯性可以下列函數呈現出來:W0+W1=F0+F1— W0+ffl=F0+ Σ (Α1*Η1)上述函數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，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在初始狀態下的深度，再加上浮力裝置10增加壓艙重量後，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，當本發明方法應用於地形特殊如斜度較大的海床，主浮力體11也可因應不同地形需要，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於各個浮力空間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，通過本發明方法和裝置，可利用浮力裝置的浮力和重量的相互調節，可在水中方便地調節施工物件下沉的高度，且對於施工機具的要求低於已知的傳統工法，其已具備產業上利用的價值，誠屬一新穎的發明創造，於是依法提出專利申請。
權利要求
1.一種大型物件水下施工方法，用於將一大型的施工物件吊運安裝於預定施工水域的水底，其特徵在於:該方法是利用一浮力裝置將前述施工物件吊掛懸浮於預定施工位置上方的水面下；然後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定施工的高度位置。
2.根據權利要求1所述的大型物件水下施工方法，其特徵在於: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於該浮力裝置連同施工物件的重量總和，而能夠將該施工物件吊掛懸浮於水面下；前述輔助浮力體與該主浮力體連接，且可於該主浮力體下沉時受帶動而沉入水中。
3.根據權利要求2所述的大型物件水下施工方法，其特徵在於:其中該輔助浮力體維持在不完全沉入水中的狀態下，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範圍內，使該浮力裝置於施工物件下降過程中持續保有浮力，以使該施工物件保持懸浮狀態，而不至於因下沉的慣性持續下降而碰觸到水底地面而損壞。
4.根據權利要求3所述的大型物件水下施工方法，其特徵在於: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.根據權利要求3所述的大型物件水下施工方法，其特徵在於: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.根據權利要求1或3所述的大型物件水下施工方法，其特徵在於:其中該浮力裝置增加壓艙重量的方法為向該主浮力體內部灌入壓艙水。
7.根據權利要求6所述的大型物件水下施工方法，其特徵在於:其中該主浮力體內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.根據權利要求7所述的大型物件水下施工方法，其特徵在於:其中該主浮力體內部各個不同浮力空間 內灌入不等量的壓艙水，使該浮力裝置產生傾斜，以調整該施工物件於水中的傾斜角度。
9.一種實現權利要求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，用於將一大型施工物件(20)吊運安裝於預定施工水域的水底，其特徵在於: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)的浮力大於該浮力裝置(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.根據權利要求9所述的大型物件水下施工裝置，其特徵在於:其中主浮力體(11)內部區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.根據權利要求9所述的大型物件水下施工裝置，其特徵在於: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.根據權利要求9所述的大型物件水下施工裝置，其特徵在於:主浮力體(11)與輔助浮力體(12)通過連接構件(13)連接；施工物件(20)通過鋼索(21)吊掛於主浮力體(11)下方。
13.根據權利要求11所述的大型物件水下施工裝置，其特徵在於:該浮力裝置(10)中的多個輔助浮力體(12)相互串接。
14.根據權利要求9或13所述的大型物件水下施工裝置，其特徵在於:所述輔助浮力體(12)的兩端分別設有法蘭接頭(16)，多個輔助浮力體(12)之間通過法蘭接頭(16)連接。
15.根據權利要求12所述的大型物件水下施工裝置，其特徵在於:所述連接構件(13)為纜繩或鐵鏈。
全文摘要
本發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定施工水域的預定位置，然後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，可於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 優先權日2012年3月15日
發明者葉清正 申請人:廈門國新世紀科技股份有限公司