1.本发明属于桩基工程技术领域，尤其涉及一种水下打桩导向装置。


背景技术：

2.超深水域海上基桩施工，具有基桩桩径大，桩长长，工况条件恶劣，施工过程中容易出现桩身倾斜度过大，桩位偏差过大等问题，施工精度难以达到设计要求。基桩在海上进行插桩作业时，需要对其进行导向及打桩时扶正，以满足基桩的安装精度要求。导向架在施工中为插桩作业和沉桩作业起定位导向作用(引导桩身方向沿所要求的方向下沉)，能够限制桩身位置且定位准确。但现有导向架往往只是针对海上风电和石油钻井平台等结构工程中的墩台区域基桩施工，因为机动性和灵活性较差，无法进行高桩码头整个码头面的大面积施工，实际工作效率无法满足施工进度要求。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种水下打桩导向装置，结构简单可靠，适用范围广，能够在水中自由移动，为大面积的沉桩施工提供导向作用，大大提高了工作效率。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.一种水下打桩导向装置，包括：
6.控制系统；
7.用于调节浮力的主舱；
8.行走机构，其设置在主舱上，用于在控制系统的控制下驱动主舱在水中向任意方向移动；
9.摄像机构，其设置在主舱上，用于拍摄主舱周围的图像；
10.沉桩导向架，其设置在主舱上，用于在沉桩过程中对基桩进行定位导向。
11.进一步地，还包括设置在主舱底部的若干吸力锚支腿，吸力锚支腿包括两个套筒、分别与两个套筒顶端连接的两根连接管和分别与两根连接管连接的负压仓，套筒为顶端和底端开口的圆台形结构，套筒顶端开口处设有第一阀门。
12.进一步地，沉桩导向架包括导向臂、两根第一可伸缩杆、两根连接梁和两根第二可伸缩杆，导向臂的一端设置在主舱上，两个第一可伸缩杆分别设置在导向臂远离主舱的一端的两端上，两根连接梁分别垂直设置在两根第一可伸缩杆远离导向臂的一端，两根第二可伸缩杆分别垂直设置在两根连接梁远离第一可伸缩杆的一端，且相对设置。
13.进一步地，导向臂远离主舱的一端上设有红外感应器。
14.进一步地，主舱包括高压空气仓、蓄水仓和连接高压空气仓、蓄水仓的多根第三可伸缩杆，蓄水仓上设有若干第二阀门，高压空气仓与蓄水仓之间设有用于控制高压空气仓向蓄水仓输送高压空气的喷气机构，沉桩导向架的数量至少一对，分别设置在高压空气仓和蓄水仓上，且均位于主舱的同一侧。
15.进一步地，第三可伸缩杆内部中空形成输气管，第三可伸缩杆的两端分别插入高
压空气仓和蓄水仓内，第三可伸缩杆内设有第三阀门；
16.喷气机构包括设置在高压空气仓内的多根高压空气管和与多根高压空气管连接用于驱动各高压空气管竖向移动到第一状态和第二状态的驱动组件，多根高压空气管与多根第三可伸缩杆一一对应，在第一状态中，高压空气管的一端插入对应的第三可伸缩杆内，另一端与高压空气仓内顶部抵接，在第二状态中，高压空气管的一端插入对应的第三可伸缩杆内，另一端与高压空气仓的内部连通。
17.进一步地，多根高压空气管分为两组，一组为第一高压空气管，另一组为第二高压空气管，高压空气仓顶端对应第一高压空气管的位置开设有供第一高压空气管穿过的通孔，驱动组件的数量为两个，其中一个驱动组件与第二高压空气管驱动连接，另外一个驱动组件与第一高压空气管驱动连接，用于驱动第一高压空气管竖向移动到第三状态和第四状态，其中，在第三状态中，第一高压空气管的一端插入通孔内，另一端插入对应的第三可伸缩杆内，在第四状态中，第一高压空气管的一端从通孔穿过并伸出至高压空气仓外侧，另一端与高压空气仓内部连通。
18.进一步地，摄像机构包括摄像头和用于水下照明的探照灯。
19.进一步地，行走机构包括用于实现主舱的前进、后退、转弯、上浮和下潜的多个推进器。
20.进一步地，还包括设置在主舱上的定位传感器。
21.相比于现有技术，本发明的有益效果为：将传统笨重的沉桩导向架精简化，能够灵活移动操作，并能在水中自由移动，能为大面积的沉桩施工提供定位导向作用，同时不仅有助于插桩和沉桩时了解水下情况，而且能为码头结构施工工作面提供更大空间，不因水下导向架占用空间，导致船只工作领域相互交叉，大大提高施工效率。
附图说明
22.图1为本发明水下打桩导向装置的结构示意图；
23.图2为本发明水下打桩导向装置沉桩施工时的示意图；
24.图3为本发明水下打桩导向装置中吸力锚支腿支撑在海床面上的示意图；
25.图4为本发明水下打桩导向装置中高压空气仓的内部示意图；
26.图5为本发明水下打桩导向装置中高压空气管与驱动组件的连接示意图。
27.图中，1-主舱，11-高压空气仓，12-蓄水仓，121-第二阀门，13-第三可伸缩杆，14-高压空气管，15-驱动组件，2-行走机构，3-摄像机构，31-摄像头，32-探照灯，4-沉桩导向架，41-导向臂，42-第一可伸缩杆，43-连接梁，44-第二可伸缩杆，45-红外感应器，5-吸力锚支腿，51-套筒，52-连接杆，53-负压仓，6-基桩。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
29.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护
的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.请参阅图1，图1为本发明水下打桩导向装置的结构示意图。一种水下打桩导向装置，包括控制系统、主舱1、行走机构2、摄像机构3和沉桩导向架4，主舱1用于调节浮力；行走机构2设置在主舱1上，用于在控制系统的控制下驱动主舱1在水中向任意方向移动；摄像机构3设置在主舱1上，用于拍摄主舱1周围的图像；沉桩导向架4设置在主舱1上，用于在沉桩过程中对基桩进行定位导向。
34.请结合参阅图2，图2为本发明水下打桩导向装置沉桩施工时的示意图。本发明水下打桩导向装置在实际实用时，在沉桩施工邻近位置，通过控制系统控制主舱1调节浮力，实现本发明水下打桩装置下潜入海，然后根据摄像机构3拍摄的图像，通过控制系统控制行走机构2，精确控制主舱1在水下移动，加快移动至指定位置，使得沉桩导向架4的中心与施打桩位基本重合，实现定位。定位完成后，基桩插入沉桩导向架4内，通过沉桩导向架4固定基桩的桩身，为下桩沉桩提供导向作用。沉桩完成后，通过控制系统控制浮力调整机构调节浮力大小，使得主舱1慢慢上浮，同时控制行走机构2驱动主舱1移动，使得沉桩导向架4脱离基桩，然后执行下一个定位导向任务。
35.请结合参阅图3，图3为本发明水下打桩导向装置中吸力锚支腿支撑在海床面上的示意图。在一实施例中，为了使本发明水下打桩导向装置能够稳定的支撑在海床面上，本发明水下打桩导向装置还包括设置在主舱1底部的若干吸力锚支腿5，吸力锚支腿5包括两个套筒51、分别与两个套筒51顶端连接的两根连接管和分别与两根连接管连接的负压仓53，套筒51为顶端和底端开口的圆台形结构，套筒51顶端开口处设有第一阀门。套筒51顶端的面积小于其底端的面积，主舱1下潜直到套筒51底端与海床面接触，然后打开第一阀门，负压仓53内的低压使得套筒51内的海水向低压的负压仓53内流入，从而使得套筒51内部形成真空，由此利用套筒51内的内压和套筒51外的外部气压或水压力的压力差将套筒51稳固地固定在海床面上，使得主舱1、导向臂41也稳固地固定在海床面上，进而在基桩沉桩时，导向
臂41上的沉桩导向架4能够对基桩起到固定基桩桩身，为下桩沉桩提供导向的作用。
36.在一实施例中，连接管为可伸缩杆。能够根据海床面的地形，控制各连接杆52伸长或收缩，使得各吸力锚支腿5的底端均与海床面接触，并保持主舱1的水平状态，实现自动调平功能。在一实施例中，为便于负压仓53设置，负压仓53设置在主舱1内。
37.在一实施例中，沉桩导向架4包括导向臂41、两根第一可伸缩杆42、两根连接梁43和两根第二可伸缩杆44，导向臂41的一端设置在主舱1上，两个第一可伸缩杆42分别设置在导向臂41远离主舱1的一端的两端上，两根连接梁43分别垂直设置在两根第一可伸缩杆42远离导向臂41的一端，两根第二可伸缩杆44分别垂直设置在两根连接梁43远离第一可伸缩杆42的一端，且相对设置。依次连接的第一可伸缩杆42、连接梁43和第二可伸缩杆44在导向臂41的一端上形成u型结构，使得导向臂41、两根第二可伸缩杆44、两根连接梁43和两根第二可伸缩杆44之间形成一个凹槽状的容纳空间，根据基桩桩身的大小，可以通过调节第一可伸缩杆42的长度，使得基桩可以插入沉桩导向架4的容纳空间内，在实际使用时，可以先将第二可伸缩杆44收缩到最短状态，使得沉桩导向架4在两根第二可伸缩杆44之间形成一个缺口，基桩可以从缺口进入到沉桩导向架4的容纳空间内，然后可通过两根第二可伸缩杆44伸长并相互抵接，将基桩限制在导向臂41、两根第一可伸缩杆42、两根连接梁43和两根第二可伸缩杆44所围成的矩形框内，并且基桩分别与导向臂41、两根连接梁43和两根第二可伸缩杆44接触，实现对基桩桩身的固定，为基桩下沉提供定位导向作用。
38.在一实施例中，导向臂41远离主舱1的一端上设有红外感应器45。红外感应器45用于基桩插入沉桩导向架4时的位置信息反馈，以监测基桩的位置，若红外感应器45感应到物体，则说明基桩移动到位，沉桩导向架4能够将基桩固定；若红外感应器45没有感应到物体，则说明基桩没有移动到位，需要继续调整基桩的位置。在一实施例中，导向臂41包括第一轴承杆、第二轴承杆和第三轴承杆，第二轴承杆垂直设置在第一轴承杆的中部，第三轴承杆一端垂直设置在第二轴承杆远离第一轴承杆的一端，另一端设置在主舱1上，红外感应器45设置在第一轴承杆远离第二轴承杆的一侧的中部，两根第一可伸缩杆42分别设置在第一轴承杆的两端。
39.请结合参阅图4和图5，图4为本发明水下打桩导向装置中高压空气仓的内部示意图，图5为本发明水下打桩导向装置中高压空气管与驱动组件的连接示意图。在一实施例中，主舱1包括高压空气仓11、蓄水仓12和连接高压空气仓11、蓄水仓12的多根第三可伸缩杆13，蓄水仓12上设有若干第二阀门121，高压空气仓11与蓄水仓12之间设有用于控制高压空气仓11向蓄水仓12输送高压空气的喷气机构，沉桩导向架4的数量至少一对，分别设置在高压空气仓11和蓄水仓12上，且均位于主舱1的同一侧。高压空气仓11和蓄水仓12内部中空，高压空气仓11内填充有高压空气，蓄水仓12用于蓄水，通过蓄水仓12和高压空气仓11的调配实现主舱1浮力的调节，从而实现主舱1的下潜和上浮。在主舱1同一侧上有一对沉桩导向架4，在基桩下桩沉桩时，将基桩插入一对沉桩导向架4内，各沉桩导向架4通过各第一可伸缩杆42和第二可伸缩杆44的伸缩，将基桩固定在沉桩导向架4的矩形框内，通过两个沉桩导向架4共同固定基桩，使得基桩沉桩时更加平稳。并且在基桩插入一对沉桩导向架4内时，可通过第三可伸缩杆13伸长，使得上箱体与下箱体之间的距离变大，进而使得同一对的两个沉桩导向架4的距离变大，进一步使得基桩沉桩时更加平稳。优选地，第三可伸缩杆13的数量为四个。在一实施例中，沉桩导向架4的数量为两对，两对沉桩导向架4分别设置在所述
主舱1的两侧，且每一对的两个沉桩导向架4分别设置在上箱体和下箱体上。采用两对沉桩导向架4，每对沉桩导向架4可对一根基桩进行定位导向，从而达到一次定位导向两根基桩的作用，经济、快速、高效。
40.在一实施例中，第三可伸缩杆13内部中空形成输气管，第三可伸缩杆13的两端分别插入高压空气仓11和蓄水仓12内，第三可伸缩杆13内设有第三阀门；喷气机构包括设置在高压空气仓11内的多根高压空气管14和与多根高压空气管14连接用于驱动各高压空气管14竖向移动到第一状态和第二状态的驱动组件15，多根高压空气管14与多根第三可伸缩杆13一一对应，在第一状态中，高压空气管14的一端插入对应的第三可伸缩杆13内，另一端与高压空气仓11内顶部抵接，在第二状态中，高压空气管14的一端插入对应的第三可伸缩杆13内，另一端与高压空气仓11的内部连通。通过蓄水仓12和高压空气仓11的调配实现主舱1的下潜和上浮。下潜时，高压空气管14处于第一状态，高压空气管14的一端在第三可伸缩杆13内，另一端与高压空气仓11内顶部抵接，使得高压空气管14与高压空气仓11并不相通，从而高压空气仓11与蓄水仓12之间也不相通。此时打开蓄水仓12的第二阀门121，使得海水涌入蓄水仓12内，进而减小主舱1的浮力，使得主舱1缓慢下潜。上浮时，通过驱动组件15将高压空气管14竖向移动到第二状态，此时高压空气管14的顶端脱离与高压空气仓11内顶部抵接，从而高压空气管14的顶端与高压空气仓11相通，然后打开第三可伸缩杆13内的第三阀门，通过高压空气管14与第三可伸缩杆13喷射高压气体，吹排蓄水仓12内的海水，进而增加主舱1的浮力，实现主舱1的上浮。高压空气管14与第三可伸缩杆13之间的密封性，可采用高压空气管14的外径与第三可伸缩杆13的内径相同，在高压空气管14插入第三可伸缩杆13内时，高压空气管14的外侧壁与第三可伸缩杆13的内侧壁接触，实现高压空气管14与第三可伸缩杆13之间的密封，或者在高压空气管14与第三可伸缩杆13之间设置密封圈等现有手段来实现，在此不再赘述。
41.在一实施例中，多根高压空气管14分为两组，一组为第一高压空气管，另一组为第二高压空气管，高压空气仓11顶端对应第一高压空气管的位置开设有供第一高压空气管穿过的通孔，驱动组件15的数量为两个，其中一个驱动组件15与第二高压空气管驱动连接，另外一个驱动组件15与第一高压空气管驱动连接，用于驱动第一高压空气管竖向移动到第三状态和第四状态，其中，在第三状态中，第一高压空气管的一端插入通孔内，另一端插入对应的第三可伸缩杆13内，在第四状态中，第一高压空气管的一端从通孔穿过并伸出至高压空气仓11外侧，另一端与高压空气仓11内部连通。在下潜时，通过两个驱动组件15分别将第一高压空气管移动至第四状态和将第二高压空气管移动至第一状态，打开蓄水仓12的第二阀门121，使得海水涌入蓄水仓12内，同时，第一高压空气管伸出至高压空气仓11外侧，并且第一高压空气管底端脱离第三可伸缩杆13，使得第一高压空气管底端与高压空气仓11连通，通过第一高压空气管向上喷射高压气体，为主舱1下潜提供推力。在上浮时，通过两个驱动组件15分别将第一高压空气管移动至第三状态和将第二高压空气管移动至第二状态，第一高压空气管的一端插入第三可伸缩杆13内，另一端插入通孔内，使得第一高压空气管与高压空气仓并不连通，然后打开第三可伸缩杆13内的第三阀门，通过第二高压空气管与相应的第三可伸缩杆13喷射高压气体，吹排蓄水仓12内的海水。第一高压空气管与通孔之间的密封性，可采用第一高压空气管的外径与通孔的直径相同，在第一高压空气管插通孔内时，第一高压空气管的外侧壁与通孔的内侧壁接触，实现第一高压空气管与通孔之间的密
封，或者在第一高压空气管与通孔之间设置密封圈等现有手段来实现，在此不再赘述。
42.在一实施例中，第三可伸缩杆13的数量为四根，第一高压空气管和第二高压空气管的数量为两根，两个驱动组件15分别为第一驱动组件和第二驱动组件，第一驱动组件包括两个第一齿轮以及驱动两个第一齿轮转动的第一轮机，第一齿轮内开设有第一螺纹孔，第一高压空气管与第一螺纹孔螺纹连接，第一高压空气上设有第一滑块，第一滑块上贯穿设有第一导杆，第一导杆竖直设置；第二驱动组件包括两个第二齿轮以及驱动两个第二齿轮转动的第二轮机，第二齿轮内开设有第二螺纹孔，第二高压空气管与第二螺纹孔螺纹连接，第二高压空气管上设有第二滑块，第二滑块上贯穿设有第二导杆，第二导杆竖直设置。通过第一轮机带动两个第一齿轮转动，从而带动第一高压空气管竖向移动，通过第二轮机带动第二齿轮转动，从而带动第二高压空气管竖向移动。当然，也可通过其他方式实现高压空气管的竖向移动，如将第一齿轮和第二齿轮固定设置，通过第一轮机带动第一高压空气管转动，以及通过第二轮机带动第二高压空气管转动，以实现第一高压空气管和第二高压空气管的竖向移动，该设置可以减小第一导杆和第二导杆，也可以通过其他现有升降装置驱动高压空气管竖向移动，如升降气缸，在此不再赘述。
43.在一实施例中，行走机构2包括用于实现主舱1的前进、后退、转弯、上浮和下潜的多个推进器。通过多个推进器提供推进力，实现主舱1的前进、后退、转弯、上浮和下潜。具体地，推进器的数量设置为四个，其中两个可转动地设置在上箱体的顶部，其余两个分别可转动地设置在上箱体和下箱体的一侧。上箱体顶部的两个推进器可在水平面内360度自由转动，设置在上箱体和下箱体一侧的推进器可在竖平面360度自由转动，从而实现主舱1的前进、后退、转弯、上浮和下潜。
44.在一实施例中，摄像机构3包括摄像头31和用于水下照明的探照灯32。摄像头31用于视野内物体捕捉，探照灯32用于水下照明，摄像头31可安装在上箱体的顶部，并可转动，以获取主舱1周围的图像，或者摄像头31采用360度摄像头31，以获取主舱1周围的图像。探照灯32的数量为两个，两个探照灯32分别设置在上箱体和下箱体的一侧。控制系统设有显示器，摄像头31获取的图像传回控制系统，由控制系统的显示器显示，从而施工人员可以全程监控。
45.在一实施例中，本发明水下打桩导向装置还包括设置在主舱1上的定位传感器。该设置可获取基桩的位置信息，实现了实时位置监测，可用于基桩施工定位。优选地，定位传感器为gps传感器或北斗定位传感器。
46.以下简单说明使用本发明水下打桩导向装置的沉桩施工方法：
47.在沉桩施工邻近位置，通过控制系统打开下蓄水仓12的第二阀门121，控制驱动组件15将第一高压空气管驱动至第四状态，通过第一高压空气管喷射高压空气的推力以及涌入的海水增加蓄水仓12内水量实现主舱1下潜入海，下潜完成后控制驱动组件15将第一高压空气管驱动至第三状态；
48.通过控制系统打开推进器、探照灯32和摄像头31，利用摄像头31传回的主舱1四周画面，通过推进器驱动主舱1移动至指定位置，实现粗定位；
49.通过控制系统打开定位传感器，根据定位传感器的位置信息，通过推进器精确控制主舱1移动，直至沉桩导向架4的容纳空间的中心与施打桩位基本重合；
50.通过控制系统控制吸力锚支腿5的连接杆52伸长，将套筒51下放至海床面，打开套
筒51顶端的第一阀门将套筒51内部的海水吸入负压仓53内，通过水压力将套筒51稳定支撑于海床面上，定位完成；
51.定位完成后，将基桩插入或移入沉桩导向架4的容纳空间内，红外感应器45用于监测基桩位置，使得基桩精确插入沉桩导向架4的容纳空间内，控制沉桩导向架4的两根第二可伸缩杆44伸长并相互抵接，使得基桩固定在沉桩导向架4的容纳空间内，然后控制第三可伸缩杆13伸长，使得同一对的两个沉桩导向架4的距离增大，形成更稳定的沉桩导向架4；
52.沉桩施工完成后，将沉桩导向架4的两根第二可伸缩杆44缩短，控制驱动组件15将第二高压空气管驱动至第二状态，打开第三可伸缩杆13内的第三阀门，第二高压空气管喷射高压空气吹排蓄水仓12内的海水，使得主舱1慢慢上浮，同时通过推进器控制主舱1移动，使得沉桩导向架4脱桩，控制驱动组件15将第二高压空气管驱动至第一状态，执行下一个定位导向任务。
53.相比于现有技术，本发明的有益效果为：将传统笨重的导向架精简化，移动操作更灵活，能在水中自由移动，能为大面积的沉桩施工提供导向作用，不仅有助于插桩和沉桩时了解水下情况，而且能为码头结构施工工作面提供更大空间，不因水下导向架占用空间，导致船只工作领域相互交叉，大大提高施工效率。
54.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。