吸力筒式单桩基础结构及其施工方法与流程

本发明涉及嵌岩桩基施工技术领域，特别涉及一种吸力筒式单桩基础结构及其施工方法。

背景技术：

随着海上风电逐步由近海向外海海域发展，对风电基础结构及配套施工设施也有了越来越高的要求。外海水深较大，受气象、潮流等自然条件的约束，且地质条件复杂，由其是在岩石地基中沉桩难度大、效率低。

目前已公开的技术多在沉桩区域打入一根护筒，后搭设施工平台或通过施工船舶上的嵌岩桩施工设备在护筒中进行成孔。如采用后搭设施工平台，通常需要额外施打若干根基础桩作为平台支撑，不仅成本高且效率低。如通过施工船舶上的嵌岩桩施工设备进行施工，受风、浪等多方面因素影响，可作业时间少，效率低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种解决目前桩基施工易受气候和环境因素影响导致施工效率低等问题的吸力筒式单桩基础结构。

本发明的另一个目的是提供一种采用上述吸力筒式单桩基础结构实现嵌岩桩基施工的施工方法。

本发明的另一个目的是提供一种采用上述吸力筒式单桩基础结构实现非岩石土地质桩基施工的施工方法。

为此，本发明技术方案如下：

一种吸力筒式单桩基础结构，包括自下而上依次连接的中心固定管、中心连接管、钻机平台和钻机吊架，以及沿中心固定管的圆周方向均布设置的至少三个柱形箱筒；其中，钻机平台水平设置在中心连接管上，且其中心处开设有与中心连接管和中心固定管相连通的通孔；钻机吊架固定在钻机平台的中部，其横梁位于通孔的上方；柱形箱筒通过桁架结构、或通过钢筋混凝土平台和钢筋混凝土支撑与中心固定管连接固定为一体，且在每个箱筒上均开设有一个抽气孔。

进一步地，沿中心固定管的圆周方向均布设置的柱形箱筒的数量一般为三个、四个或五个；如图8所示为柱形箱筒的数量为三个时通过桁架与中心固定管连接固定为一体的俯视图；如图9所示为柱形箱筒的数量为四个时通过桁架与中心固定管连接固定为一体的俯视图。

进一步地，箱筒为钢箱筒或钢筋混凝土箱筒，且每个箱筒可以根据需要设置有一个或若干个气体隔舱。

进一步地，中心固定管的顶端外壁上设置有上法兰盘，中心连接管的底端外壁上设有下法兰盘，使中心固定管和中心连接管之间通过设置在上法兰盘和下法兰盘上的多个连接螺栓连接固定为一体。

进一步地，在钻机平台底面且位于通孔的外周固定有抱箍；抱箍包括内径大于中心连接管的外径的环形本体，在环形本体的侧壁上沿圆周方向开设有多个径向螺孔，且在每个径向通孔内自外向内插装有一个螺栓，在每个螺栓的尾端还设置有一个垫块。

进一步地，通孔、中心固定管和中心连接管的内径一致，且略大于钢桩的外径。

进一步地，桁架结构由两端分别固定在箱筒顶面和中心固定管侧壁上、相邻两个箱筒的顶面上的多根主杆，以及两端分别固定在主杆和中心固定管侧壁上多根支杆构成。其中，主杆和支杆可以采用混凝土钢筋与箱筒和中心固定管焊接固定为一体。一种采用上述吸力筒式单桩基础结构实现嵌岩桩基施工的施工方法，具体步骤如下：

s1、根据泥面至水平面的实测距离，选择长度适宜的中心连接管，并将其与连接有多个箱筒的中心固定管连接固定；其中，中心连接管可以由多根若干节标准段中心连接钢管拼接而成，中心连接管的总长度应满足箱筒完全下沉至泥面以下时，中心连接管的顶端仍位于水面以上；当中心固定管的自身长度满足箱筒完全下沉至泥面以下时，其顶端仍位于水面以上，则无需再连接中心连接管；

s2、将步骤s1连接好的设备吊至施工位置并下放搁置在泥面上；

s3、利用箱筒上的抽气孔以相同的速度同时抽取每个箱筒内的气体，使内部形成真空的箱筒在负压作用下下沉至泥面以下，直至达到稳定状态；

s4、将钻机平台安装在中心连接管上；

s5、在钻机平台上安装钻机动力站和钻机操控台，将底端安装有嵌岩桩机钻头的嵌岩桩机钻杆固定在钻机吊架上；

s6、将嵌岩桩机钻头通过中心连接管和中心固定管之间形成的通道逐渐下放，并驱动嵌岩桩机钻头向岩基中钻进形成岩基孔道；

s7、钻孔完成后，依次移走嵌岩桩机钻杆、嵌岩桩机钻头、钻机动力站、钻机操控台和钻机平台；

s8、将钢桩通过中心连接管、中心固定管和岩基孔道之间形成的通道逐渐下放，将钢桩沉桩至要求标高位置；

s9、通过中心连接管向中心固定钢管与钢桩之间、岩基孔道与钢桩之间形成的环空缝隙内灌注水泥浆，连接有箱筒的中心固定钢管与钢桩一体固定形成复合桩基；

s10、水泥浆强度满足要求后，拆除中心连接管，嵌岩桩基的箱筒式基础结构施工。

一种采用上述吸力筒式单桩基础结构实现非岩石土地质桩施工的施工方法，具体步骤如下：

s1、将连接有箱筒的中心固定管吊至施工位置并下放搁置在泥面上；

s2、利用箱筒上的抽气孔以相同的速度同时抽取每个箱筒内的气体，使内部形成真空的箱筒在负压作用下下沉至泥面以下，直至达到稳定状态；

s3、将钢桩通过中心固定管逐渐下放，通过打桩锤或静压设备将桩沉至要求标高位置；

s4、通过中心固定管向中心固定管与钢桩之间形成的环空缝隙内灌注水泥浆，使连接有箱筒的中心固定钢管与钢桩一体固定形成复合桩基。

进一步地，在对嵌岩桩或软基进行钢管桩复合基础施工中，利用箱筒上的抽气孔以相同的速度同时抽取每个箱筒内的气体，使所有箱筒同步下沉。

该吸力筒式单桩基础结构简单、操作方便，其吸力筒式基础结构既能能够作为嵌岩桩机施工操作平台的支撑结构，又能够作为钢桩沉桩的限位结构，并进一步成为钢桩基础结构的一部分；与现有技术相比，该吸力筒式单桩基础结构及相应的施工方法极大提高钢桩基础的竖向及水平承载力，既保证了施工质量，又提高了施工效率。

附图说明

图1为本发明的吸力筒式单桩基础结构的结构示意图；

图2为本发明的吸力筒式单桩基础结构的抱箍的结构示意图；

图3为本发明的吸力筒式单桩基础结构内设置有钢桩的结构示意图

图4为采用本发明的吸力筒式单桩基础结构进行嵌岩桩施工时箱筒在负压作用下沉入泥面以下的结构示意图；

图5为采用本发明的吸力筒式单桩基础结构进行嵌岩桩施工时嵌岩桩机向岩基中钻进形成岩基孔道的结构示意图；

图6为采用本发明的吸力筒式单桩基础结构进行嵌岩桩施工时沉入钢桩至标高的结构示意图；

图7为采用本发明的吸力筒式单桩基础结构进行嵌岩桩施工后钢桩完成复合桩基施工的结构示意图；

图8为本发明的吸力筒式单桩基础结构的中心固定管外通过桁架结构连接有三个均布的箱筒的结构示意图；

图9为本发明的吸力筒式单桩基础结构的中心固定管外通过桁架结构连接有四个均布的箱筒的结构示意图；

图10为本发明进行软基施工时的吸力筒式单桩基础结构的结构示意图；

图11为采用本发明的吸力筒式单桩基础结构进行软基施工时沉入钢桩至标高的结构示意图；

图12为采用本发明的吸力筒式单桩基础结构进行软基施工后钢桩完成复合桩基施工的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

实施例1

如图1所示，该吸力筒式单桩基础结构包括自下而上依次连接的中心固定管3、中心连接管5、钻机平台6和钻机吊架7，以及沿中心固定管3的圆周方向均布设置的三个柱形箱筒1；其中，

中心固定管3的顶端外壁上设置有上法兰盘16，中心连接管5的底端外壁上设有下法兰盘17，使中心固定管3和中心连接管5之间通过设置在上法兰盘16和下法兰盘17上的多个连接螺栓18水平连接固定为一体；

如图8所示，三个柱形箱筒1通过桁架结构4与中心固定管3形成连接固定；具体地，桁架结构4呈正四面体结果，其由两端分别固定在箱筒1顶面和中心固定管3侧壁上的三根主杆，两端分别固定在相邻两个箱筒1的顶面上的三根主杆，以及两端分别固定在主杆和中心固定管3侧壁上多根支杆构成；

钻机平台6水平设置在中心连接管5上，具体地，钻机平台6中心处开设有与中心连接管5和中心固定管3相连通的通孔，且通孔、中心固定管3和中心连接管5的内径一致，并略大于钢桩12的外径；

在钻机平台6的底面且位于通孔的外周固定有一个抱箍13；如图2所示，抱箍13包括内径大于中心连接管5的外径的环形本体，在环形本体的侧壁上沿圆周方向开设有六个径向螺孔，且在每个径向通孔内自外向内插装有一个螺栓14，每个螺栓14的尾端还设置有一个垫块15；当需要将钻机平台6与中心连接管5连接时，将钻机平台6吊装至中心连接管5的正上方，然后逐渐下方至中心连接管5的套装在抱箍13内，然后调节设置在抱箍13上的六个螺栓14，直至位于螺栓14的尾端的螺栓14的尾端紧紧顶在中心连接管5的外壁上；

钻机吊架7固定在钻机平台6的中部，其由位于通孔的正上方的横梁和设置在横梁两端的两根纵梁构成，两根纵梁固定在通孔的两侧；钻机吊架7用于固定钻杆；在钻机平台6上还设有钻机动力站8和钻机控制台9的安装座。

采用本实施例的吸力筒式单桩基础结构实现嵌岩桩基施工的施工方法的具体步骤如下：

s1、根据泥面21至水平面20的实测距离，选择具有适宜长度的中心连接管5，并将其与中心固定管3在船体上连接固定；

s2、利用吊机将该施工设备吊至施工位置并下放搁置在泥面21上；

s3、如图4所示，通过箱筒1顶面上开设的抽气孔2同时以相同的速度抽取每个箱筒1内的空气，使箱筒1内部形成真空，并在负压作用下下沉至泥面21以下，直至达到稳定状态；具体地，所述稳定状态是指下沉至泥面21以下的多个箱筒底面处于同一水平位置上，且不再下沉，中心固定管和中心连接管垂直设置在水下预设位置处；

s4、利用吊机将钻机平台6吊至中心连接管5的正上方并缓慢下放至抱箍13套入中心连接钢管5的顶端并与中心连接钢管5连接固定；

s5、利用吊机将钻机动力站8、钻机操控台9、嵌岩桩机钻杆10和嵌岩桩机钻头11吊至钻机平台6上，其中，钻机动力站8和钻机操控台9固定在钻机平台6上；嵌岩桩机钻头11设置在嵌岩桩机钻杆10的底端，嵌岩桩机钻杆10的顶端设置在钻机吊架7上；

s6、如图5所示，将嵌岩桩机钻杆10和嵌岩桩机钻头11依次下入中心连接管5和中心固定管3内，驱动嵌岩桩机钻头11向岩基23中钻进形成孔道；其中，岩基孔道的深度满足钢桩能够沉桩至标高位置；

s7、钻孔完成后，依次移走嵌岩桩机钻杆10、嵌岩桩机钻头11、钻机动力站8、钻机操控台9和钻机平台6；

s8、如图3所示，利用吊机将钢桩12吊至中心连接管5的正上方，下放使其依次穿过中心连接管5、中心固定管3及岩基孔道进行沉桩，将钢桩12沉至要求标高位置；

s9、如图6所示，通过中心连接管5向中心固定钢管3与钢桩12之间、岩基孔道与钢桩12之间的环空缝隙内灌注水泥浆19，使中心固定钢管3、全部箱筒1与钢桩12一体固定形成复合桩基；具体地，灌注水泥浆的方法为：将灌浆管下入至环空缝隙的底部，通过灌浆管向环空缝隙注入水泥浆19，随水泥浆19注入量的增加，不断上提灌浆管，直至水泥浆19灌注至水泥浆上表面与中心固定钢管3的顶面齐平，水泥浆灌注工序完成；

s10、水泥浆强度满足要求后，由潜水员水下作业拆除中心固定管3与中心连接管5之间的法兰盘连接螺栓，并利用吊机将中心连接管5移走，完成嵌岩桩基的箱筒式基础施工完成，如图7所示。

实施例2

本实施例的吸力筒式单桩基础结构与实施例1的施工设备结构相同，不同之处在于，由于本实施例为对非岩石土地质桩的施工，因此无需针对嵌岩桩的中心连接管5、钻机平台6和钻机吊架7，即如图10所示，该箱筒式海上风电钢管桩复合基础施工设备包括中心固定管3及沿中心固定管3的圆周方向均布设置的三个柱形箱筒1。

采用本实施例的箱筒式海上风电钢管桩复合基础施工设备实现非岩石土地质桩施工的施工方法的具体步骤如下：

s1、利用吊机将连接有箱筒的中心固定管3吊至施工位置，并下放搁置在泥面上；

s2、通过箱筒1顶面上开设的抽气孔2同时以相同的速度抽取每个箱筒1内的空气，使箱筒1内部形成真空，并在负压作用下下沉至泥面以下，直至达到稳定状态；

s3、如图11所示，利用吊机将钢桩12吊至中心固定管3上方，并下放至穿过中心固定管3，通过打桩锤或静压设备将将钢桩12沉桩至要求标高位置；

s4、如图12所示，向中心固定管3与钢桩12之间的环空缝隙内灌注水泥浆19，使中心固定钢管3、全部箱筒1与钢桩12一体固定形成复合桩基；其中，水泥浆的具体灌注方法与实施例中的相同。

其中，在所述钢桩12顶部设置有钢桩法兰盘22，用于在所述钢桩12顶端外接其他设施，如塔筒等。