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(cè)，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(guò)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(wú)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(guò)對(duì)國(guó)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(guó)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(kāi)進(jìn)水孔，開(kāi)孔處沉箱外側(cè)覆蓋1張鋼板，通過(guò)水的壓力密封住開(kāi)孔，需要加水壓載時(shí)，潛水員水下移開(kāi)鋼板，加水完成后再用鋼板堵住開(kāi)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(kāi)孔處焊接閥門(mén)，閥門(mén)手柄處連接閥門(mén)桿，作業(yè)人員站在沉箱頂部蓋板上通過(guò)擰閥門(mén)桿進(jìn)行閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉；

4）沉箱側(cè)壁不開(kāi)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(duì)沉箱遠(yuǎn)程控制加水研究較多。日本五洋建設(shè)株式會(huì)社2007年設(shè)計(jì)了一種UCIS（沉箱無(wú)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(pán)、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(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)視和操作實(shí)現(xiàn)沉箱頂部無(wú)人作業(yè)。日本AOMI建設(shè)株式會(huì)社在2012年設(shè)計(jì)了一種沉箱自動(dòng)注水控制系統(tǒng)[9]，原理跟方法與日本五洋建設(shè)株式會(huì)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(wú)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(duì)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(guò)程遠(yuǎn)程控制操作，測(cè)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(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)控制閥門(mén)電動(dòng)裝置進(jìn)行閥門(mén)開(kāi)閉，使用投入式液位計(jì)進(jìn)行水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，傾角儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(wú)線傳輸?shù)墓δ?，采集GPS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(guò)無(wú)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(guò)無(wú)線信號(hào)接收與傳輸信息和指令，作業(yè)人員通過(guò)系統(tǒng)界面實(shí)時(shí)觀測(cè)沉箱姿態(tài)、加水深度、沉箱位置等信息，并通過(guò)手動(dòng)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(cè)和控制功能，通過(guò)界面集中顯示沉箱出運(yùn)安裝過(guò)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(mén)電動(dòng)裝置開(kāi)啟和關(guān)閉功能，見(jiàn)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(jiàn)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(chǎng)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(chǎng)內(nèi)完成，包括：閥門(mén)桿安裝、蓋板安裝、閥門(mén)電動(dòng)裝置安裝、控制系統(tǒng)安裝、調(diào)試等過(guò)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(chǎng)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(mén)電動(dòng)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。

常州紡織學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)留學(xué)生人才培養(yǎng)的目標(biāo)是：面向外貿(mào)經(jīng)營(yíng)企業(yè)外貿(mào)工作第一線，培養(yǎng)熟悉中華傳統(tǒng)文化，具有良好的職業(yè)道德、創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識(shí)、創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)能力，掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、網(wǎng)站設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)組建等方面的知識(shí)，具有網(wǎng)絡(luò)工程的設(shè)計(jì)與施工、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的售前與售后技術(shù)支持能力，從事網(wǎng)站開(kāi)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)組建、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品營(yíng)銷及售后服務(wù)等主要工作的高素質(zhì)技術(shù)技能人才。

2）設(shè)備安裝完成后將蓋板吊裝到位后通過(guò)插銷將過(guò)渡段閥門(mén)桿與閥門(mén)電動(dòng)裝置連接，然后手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)閥門(mén)電動(dòng)裝置手柄，觀察閥門(mén)桿轉(zhuǎn)動(dòng)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(mén)加水情況。

4）通過(guò)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(méi)過(guò)沉箱進(jìn)水口0.5 m后，遠(yuǎn)程開(kāi)啟閥門(mén)電動(dòng)裝置開(kāi)啟閥門(mén)。

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

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

9）沉箱安裝驗(yàn)收合格，斷開(kāi)閥門(mén)電動(dòng)裝置和閥門(mén)桿的連接，設(shè)備隨蓋板吊至運(yùn)輸駁運(yùn)回預(yù)制場(chǎng)，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(tái)灣，建設(shè)規(guī)模為5萬(wàn)噸級(jí)和10萬(wàn)噸級(jí)通用泊位各1個(gè)（水工結(jié)構(gòu)按照15萬(wàn)噸級(jí)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(zhǎng)×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(mén)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(dòng)閥門(mén)及傳動(dòng)裝置（圖5），在加水艙格布置攝像頭直觀觀測(cè)閥門(mén)開(kāi)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(mén)驅(qū)動(dòng)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(guò)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(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉，并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度控制閥門(mén)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(wú)線傳輸系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)1 km范圍內(nèi)信號(hào)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(cè)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(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)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(guò)程中的加水作業(yè)遠(yuǎn)程控制，測(cè)控系統(tǒng)精確測(cè)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(wú)人化出運(yùn)安裝奠定基礎(chǔ)。