海上沉箱远程控制加水技术与应用

2022-06-10冯甲鑫王翔鞠鹏王明玉

中国港湾建设 2022年5期

冯甲鑫，王翔，鞠鹏，王明玉

（中交一航局第二工程有限公司，山东青岛 266071）

0 引言

常规沉箱出运安装工艺，沉箱顶部通常要有多位工人作业，进行压载水位观测，数据记录，拖运缆绳安装拆除等作业。沉箱在出运安装过程中处于海上漂浮状态，若遇到突发状况，比如沉箱漏水、拖曳缆绳断裂等，工人无法及时撤离沉箱，严重时沉箱倾覆极易造成重大人员伤亡[1]。

通过对国内外沉箱加水的调研，目前远程遥控加水技术在船舶压载和沉管浮运安装压载等领域应用较多[2-7]，但是相比于船舶或者沉管，沉箱具有体量小、加水量少、设备拆装频繁等特点，采用船舶或者沉管使用的压载方式成本较高，国内沉箱出运安装加水普遍采用下面几种形式：

1）沉箱侧壁上开进水孔，开孔处沉箱外侧覆盖1张钢板，通过水的压力密封住开孔，需要加水压载时，潜水员水下移开钢板，加水完成后再用钢板堵住开孔；

2）沉箱侧壁预留进水孔，在水下安装深水型电磁阀，采用软管连接固定在进水孔上，电磁阀安装在特制的笼内，沉箱安装验收合格后可将电磁阀拆除并重复使用；

3）沉箱侧壁预埋进水钢管，沉箱内部开孔处焊接阀门，阀门手柄处连接阀门杆，作业人员站在沉箱顶部盖板上通过拧阀门杆进行阀门的开启和关闭；

4）沉箱侧壁不开进水孔，外部侧壁提前悬挂潜水泵，加水管道从沉箱顶部往沉箱舱格内加水实现加水压载[1]。

第一种方式潜水员作业存在较大的安全隐患；第二种方式采用水下电磁阀，安装拆卸检修较为繁琐；第三种方式需人工在沉箱顶部作业；第四种方式需在沉箱外壁悬挂潜水泵，安装拆除较为繁琐，且注水管易受到定位船干扰。

日本对沉箱远程控制加水研究较多。日本五洋建设株式会社2007年设计了一种UCIS（沉箱无人化安装系统）[8]，该系统采用沉箱顶部设置发电机、绞盘、水位计、倾斜仪等设备，沉箱侧壁外侧设置4个潜水泵往沉箱内注水，通过远程监视和操作实现沉箱顶部无人作业。日本AOMI建设株式会社在2012年设计了一种沉箱自动注水控制系统[9]，原理跟方法与日本五洋建设株式会社的方式基本一致，也是采用沉箱外部悬挂潜水泵实现注水作业。两种设计均实现了沉箱顶部无人作业，但是需要沉箱侧壁悬挂潜水泵及注水管。缺点为：设备多，发电机配置功率较大，拆装繁琐，而且该方式不适用于拖轮顶推沉箱定位作业方式，拖轮容易对注水管产生剐蹭破坏。

本文结合青岛港董家口港区大唐码头二期工程沉箱出运安装流程，研究了一种新沉箱出运安装远程控制加水技术。兼顾经济性、实用性和可靠性等因素，实现加水过程远程控制操作，测量精度高，拆卸快速方便。

1 沉箱远程控制加水方案

1.1 原理

本方案设计原理为：通过远程控制系统控制阀门电动装置进行阀门开闭，使用投入式液位计进行水位实时监测，倾角仪实时监测沉箱姿态，GPS实时解算沉箱位置及姿态，同时具备远程启闭功能供电系统，沉箱远程控制加水设计原理图如图1所示。

图1 沉箱远程控制加水设计原理图Fig.1 Design schematic of remote control for caisson water filling

沉箱远程控制加水技术分为沉箱顶部加水模块和远程控制管理系统，加水模块是在沉箱顶部布置控制箱，该控制箱具备供电、数据采集、无线传输的功能，采集GPS定位、高频液位雷达、投入式液位计、倾角传感器数据，并通过无线数据传输至沉箱远程控制加水管理系统。

沉箱远程控制加水管理系统是船载管理系统，通过无线信号接收与传输信息和指令，作业人员通过系统界面实时观测沉箱姿态、加水深度、沉箱位置等信息，并通过手动控制箱进行指令控制。

1.2 管理系统

海上沉箱远程控制加水管理系统是船载系统，具备远程观测和控制功能，通过界面集中显示沉箱出运安装过程中舱格加水深度、沉箱姿态、设备状态等信息，同时具备远程控制供电系统、阀门电动装置开启和关闭功能，见图2。

图2 沉箱加水远程控制管理系统界面Fig.2 Management system interface of remote control for caisson water filling

2 沉箱远程控制加水工艺研究

2.1 流程

沉箱远程加水工艺流程见图3。

图3 沉箱远程加水工艺流程图Fig.3 Flow chart of caisson remote water filling process

2.2 步骤

远程控制加水工艺分为预制场内设备安装调试和海上加水作业两大步骤。沉箱远程控制加水系统的设备安装是在预制场内完成，包括：阀门杆安装、盖板安装、阀门电动装置安装、控制系统安装、调试等过程，海上实时远程控制加水作业，沉箱安装完成后盖板拆除运回预制场进行下一沉箱出运施工，具体实施步骤如下：

1）在地面上将阀门电动装置、发电机、控制柜、电缆等设备配件安装在盖板的设计位置，并调平固定。

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2）设备安装完成后将盖板吊装到位后通过插销将过渡段阀门杆与阀门电动装置连接，然后手动转动阀门电动装置手柄，观察阀门杆转动是否正常。

3）安装GPS、投入式液位计、倾角传感器和摄像头。将投入式液位计从盖板上预设的小孔投入至沉箱底部，摄像头安装在设定位置，观察阀门加水情况。

4）通过防水插头连接电缆及控制线。

5）设备调试。

6）半潜船拖运沉箱至潜坞坑后实施下潜作业，下潜至水面没过沉箱进水口0.5 m后，远程开启阀门电动装置开启阀门。

7）沉箱水位舱格加水至设计水位，远程关闭阀门，等待沉箱完全自浮脱离半潜船后，通过拖轮拖带出坞。出坞后，继续开启阀门加水至设计吃水，加水过程中通过倾角仪实时观测沉箱姿态，通过调节阀门开度保证沉箱平衡。

8）拖轮拖带沉箱至安装现场，待潮位合适时进行定位，定位后远程开启阀门加水至沉箱坐底。

9）沉箱安装验收合格，断开阀门电动装置和阀门杆的连接，设备随盖板吊至运输驳运回预制场，准备下一沉箱的出运。

3 工程应用

3.1 工程概况

青岛港董家口港区大唐码头二期工程位于青岛市南翼黄岛区的琅琊台湾，建设规模为5万吨级和10万吨级通用泊位各1个（水工结构按照15万吨级散货船设计）。主体采用钢筋混凝土沉箱结构。沉箱内回填10～100 kg块石，填料至沉箱顶部，并采用0.3 m厚二片石和0.1 m厚素混凝土垫层封舱，上部设置混凝土现浇胸墙。