2018-03-12 15:37:39
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外海深水碎石基床高精度铺设整平装备研究与应用

完成单位:中交第一航务工程局有限公司

登记编号:ZSCX-D4-J-T-5      登记年份:2020      登记日期:2020-09-21

项目概况

1、立项背景

近年来,国内外一直进行针对离岸深水抛石基床整平技术的研究与应用。国际上,日本和欧美各国进行了大量研究工作,并采用了不同思路和工作原理,制造了多种形式的深水碎石基床整平的船舶和机械。

我国从七十年代中后期,对深水抛石基床整平技术开展了深入研究和应用,并取得了一定成果,目前的深水基床整平设备主要应用于重力式码头的沉箱基床整平。由于沉箱基床细平石料粒径一般为≤20cm,且现有测量仪器设备的精度误差受限,一般整平精度可满足《水运工程质量检验标准》(JTS257-2008)中水下基床细平±50mm的质量标准,与沉管隧道刮铺基础的高精度要求还有一定的差距。

本项目受国家科技支撑计划资助,研究目的是在综合分析国内外先进施工技术和施工设备的基础上,充分认识到港珠澳大桥沉管隧道基础整平具有环境恶劣、施工难度大、施工条件差等特点,通过研究攻克离岸深水条件下抛石整平船抬升系统,锁紧系统、基床整平管理系统、铺设整平质量检测等一体化施工作业过程中一系列关键技术,研制开发高精度深水碎石基床整平船,为港珠澳大桥沉管隧道碎石基床铺设与整平提供关键船机装备。

2、技术方案

本项目主要研究内容是创新研发设计建造具有自主知识产权,集定位测量、水下抛石、深水整平、质量检测为一体的具有国际先进水平的自升平台式高精度碎石铺设整平船。围绕“深水碎石铺设整平关键技术及装备的研究与应用”,规划了以下几个专题:

(1)整平船桩腿升降与锁紧系统研究

桩腿升降与锁紧系统是碎石铺设整平船的关键设备之一,针对隧道基础复杂的地基条件和作业工况,研发设计可抬升载荷大、自重轻、安全系数高的桩腿升降系统,实现整平平台的升降。针对整平船锁紧系统的调整效率和可靠性都要比其它平台上采用的要求要高的特点,创新研发适合本项目要求的调整速度快,适应性强,可靠性高的桩腿锁紧系统。

(2)整平船施工管理系统研究

开发研制碎石整平船施工作业的一体化管理控制软件,实现对整平船定位、碎石输送系统的控制、下料管升降的控制、整平刮刀的高程调节、整平台车纵向和横向移动的控制、下料管料石高位和低位的控制、碎石整平的同步质量检测等自动化控制。

(3)碎石铺设整平精度测控系统研究

港珠澳大桥沉管隧道碎石基床铺设整平船的整平精度是一项关键的技术指标,针对基础整平要达到±35mm的高精度要求,通过试验验证碎石基床铺设整平船所能达到的精度,满足港珠澳大桥沉管隧道碎石基床铺设整平精度要求。

(4)高精度碎石铺设整平船设计与建造

研发设计、建造具有自主知识产权的自升平台式高精度碎石铺设整平船,实现7个船位、8个有效工作日完成一个180m长标准沉管管节的碎石基床铺设整平施工,达到提高施工效率,缩短施工周期,高效优质地完成沉管隧道碎石基床铺设整平施工。

3、主要创新点

(1)研制了外海深水基床高精度高效率铺设整平装备。设计建造具有自主知识产权,集定位测量、水下抛石、深水整平、质量检测为一体的自升平台式高精度碎石铺设整平船,实现了作业最大水深50m、基床铺设整平精度±30mm。                                                                                                                

(2)开发了高精度外海深水基床铺设整平测控系统。采用GPS快速静态+全站仪联合测量高差方法,从深水基床整平高程和水平度测控方式、整平料下料方式、整平船水上和水下的通讯检测形式等方面创新了精确测量深水基床水下标高及质量检测新方法, 开发了能适应外海深水水下精度校准技术。

(3)研制了具有自主知识产权的外海深水基床高精度铺设施工管理控制系统,实现了碎石基床铺设与质量检测的自动化控制。

(4)形成了外海深水碎石基床高精度铺设成套技术。研发出外海深水环境条件下的高精度碎石铺设整平施工工艺,实现7个船位、8个有效工作日完成一个180m长标准沉管管节的碎石基床铺设整平的高效率。

4、实施效果

(1)研发建造了具有自主知识产权的,集定位测量、水下抛石、深水整平、质量检测为一体的自升平台式高精度碎石铺设整平船;形成了科学先进的高精度碎石铺设整平施工工艺,具备作业最大水深达50m,实现7个船位、8个有效工作日完成一个长180m标准沉管管节的碎石基床铺设,整平的碎石基床基床精度达(30mm,为港珠澳大桥的建设提供了关键技术支撑。

(2)通过大速比人字齿行星齿轮及大模数齿轮齿条的材料研究和高精度加工技术的创新,提升了大速比人字齿行星齿轮的设计和制造能力,在同类海洋工程装备的机械制造和加工方面达到了国际先进的工艺水平和加工精度。

(3)通过研发具有自主知识产权的自升平台式高精度碎石铺设整平船大载荷抬升和锁紧机构,实现了自升平台式整平船升降锁紧转换调整速度快、适应能力强、安全可靠性高,确保了整平船在整个施工过程中能够“站得住、拔得出、高效率”;设计制造的具有自主知识产权的整平船桩腿升降和锁紧系统,单套机构正常抬升载荷200t,预压载荷300t,暴风载荷454t,速度0.457m/min;桩腿锁紧能力达2600t。

(4)开发研制碎石整平船施工作业的一体化管理控制管理软件,实现对整平船定位、碎石输送系统的控制、下料管升降的控制、整平刮刀的高程调节、整平台车纵向和横向移动的控制、下料管石料高位和低位的控制、碎石整平的同步质量检测等自动化控制。

(5)研究开发了精确测量深水基床水下标高及质量检测新方法,实现了恶劣工况下碎石铺设整平基床的高精度控制。

5、促进行业科技进步作用及应用推广

经中国水运建设行业协会鉴定,该成果总体上达到了国际领先水平。该成果已成功应用于港珠澳大桥沉管隧道基础整平工程,保证了沉管安装的质量和安全,推动了行业技术进步,经济和社会效益显著,推广应用前景广阔。