水上平台结构水底固定用空心筒墩及其安装施工方法
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及水上平台结构、尤其水上建筑、海上风机座、海上桥梁等海上平台海底固定用空心筒墩及其安装施工方法。根据本发明安装施工的空心筒墩结合了大直径摩擦桩安装施工方法与沉埋海床的沉箱安装施工方法二者的优势，本发明的施工过程与钻孔桩施工类似，但是采用的是大直径预制空心筒墩，然后在用加压混凝土填充所述空心筒墩与作为临时围堰的钢筒之间的空隙，完成施工安装；根据本发明，避免了水下作业，对软土层厚的海床本发明甚具优势，这在海底为厚软土层的施工情况中大大降低了水上平台基础的制造成本；此外，根据本发明，筒墩作为桩基，不设水下承台，而是直接与平台固接，大大降低了海洋平台的制造成本；此外，根据本发明，空心筒墩可分段在陆地预制好，再在水上拼接成整体的空心筒墩，这些空心筒墩分段体积和重量因分散而减小，显著降低了大型钢筋混凝土构件的运输与吊装成本；此外，根据本发明，筒墩的空心结构提供浮力同时降低了对海底土层的负荷要求；此外，根据本发明，空心筒墩内的空间可以充分利用，例如存储雨水供海上平台工作人员饮用，解决了海上平台淡水供应的问题，采用此类海上平台对开发海洋资源很有帮助。此外，本申请文件中的任何涉及海上平台的思路可以拓展到水上平台，同时术语“海底”与“水底”含义共通。
【背景技术】
[0002]在开发水上资源、尤其海洋资源的过程中，需要依托基地构筑水上结构，例如开发海上风能、海洋能或构建海上城市等都需要依托基地。这种基地可以是浮式基地，也可以是固定于水底或海床的基地。浮式基地在近岸浅水区不易锚固，且一旦锚链断裂，基地会无目的地漂浮，对其他海上使用者构成危险。近岸依托基地宜采用固定式基地。
[0003]近岸海域多有沉积软土层，厚度不一。本申请人的申请号201210034805.9的题为“支撑海上风机，桥梁，海洋建筑物的浮力支撑固定平台”的在先申请以及本申请人的申请号为201210104898.8的题为“海上风电，桥梁和海洋建筑物局部浮力海洋平台及施工方法”的在先申请主要针对软土层浅及软土层可以挖走的海域，优选适用于软土层薄而基岩很浅的海域。
[0004]地某某础
[0005]现有跨海大桥结构地基基础一般分为重力式基础和桩基式基础，大型结构的重力式基础分为沉箱式(封底)基础和沉井式(不封底)基础。沉箱式基础的采用要求持力层接近海床面，其施工过程主要是清淤，下沙石层作为调平层，然后下沉沉箱坐于沙石层上。在沉井式基础中，沉井可以看作是不封底的沉箱，放置在海床上，在沉井内向海底挖淤泥或软土，令沉井下沉至持力层，然后下封底混凝土止水，施工人员下井施工造基础。对于沉井式基础而言，由于封底混凝土不能承受太大的水压，所以持力层也不能太深。
[0006]桩基式基础主要有二种，一种为嵌岩桩，一种为摩擦桩。嵌岩桩承载力由两部分组成，即端部承力和嵌入岩段的桩侧面握裹力。摩擦桩是依靠桩侧与沙土的摩擦力作为承载力。摩擦桩的应用是当持力层在很深的位置时使用，一般嵌岩桩是应用于基岩可达的情况。在基岩深不可达时，只能用摩擦桩。
[0007]海上平台地基基础与跨海大桥地基基础的差别
[0008]上述的各种地基基础，多是由跨海大桥的建设发展而得来。与要求有上部建筑物的对比海上平台相比，桥梁基础的重力荷载比海上平台的重力荷载要小得多。但是，桥梁的基础因侧向荷载(例如风、海浪)对桥墩产生的弯矩则比海上平台的基础大得多。在厚软土层中桥梁的基础因弯矩为主导，桩基式基础则较有效。海上平台因重力荷载为主导，重力沉箱式或沉井式基础较有效，但亦不排除桩基式基础。
[0009]地质环境的考虑
[0010]在基岩不是太接近海床面及不是太深至桩基不可达的情况下可考虑桩基式基础。
[0011]在持力层靠近海床面则可考虑使用前述本申请人的申请号201210034805.9和201210104898.8的施工方法。
[0012]在持力层(不是基岩)不靠近海床面但不是太深的情况下可使用本发明的结构和施工方法。本发明是将水上平台的筒墩作为沉箱植于海床一定埋深的持力层上，它既是摩擦桩又是沉箱，可共同承受荷载，而空心筒墩更可提供浮力抵消部分重力。
【发明内容】
[0013]本发明的目的之一在于针对软土水域、尤其近海软土海底提出水上或海上平台结构水底或海底固定用空心筒墩、采用这种空心筒墩的水上或海上平台结构及其安装施工方法。由于空心筒墩有颇长一段埋在软土中及其底座截面比一般桩基截面大，所以空心筒墩既是摩擦桩，又是沉箱，可共同承担荷载，可以结合大直径摩擦桩安装施工方法与沉埋海床的沉箱安装施工方法二者的优势。此外，空心筒墩还可利用浮力抵消部分重力荷载，还可利用筒墩内部空间作储存用途。筒墩可采取分段预制现场拼装的方式，显著地降低了运输吊装成本；另外，无需水下作业，减少了水下施工的风险，提高了筒墩的建造质量以及施工安全性。
[0014]根据本发明的一个方面，提出了一种水上平台结构、尤其海上平台结构水底固定用空心筒墩安装施工方法，所述方法包括:
[0015]a)在预定水域处将内径大于空心筒墩的钢筒插振打到水底中至少达到持力层确保固定；
[0016]b)挖去钢筒内部的水底沉积物直至钢筒底端；
[0017]c)将底端封闭的第一空心筒墩分段从水面竖直向下朝向所述钢筒吊装，在此过程中，叠加的空心筒墩分段经由在所述空心筒墩分段上预设的剪力键结构经张拉预应力后与前一个空心筒墩分段固定相连，竖直向下先后依次朝向所述钢筒吊装，使得待所述第一空心筒墩分段的封闭底端到达所述钢筒的底端附近后，最后一个吊装的叠加的空心筒墩分段的至少一部分露出水面；
[0018]d)向所述钢筒与所述空心筒墩之间的间隙灌注水下混凝土，直至从所述空心筒墩的底端开始填满所有间隙，所述混凝土固化后位于所述钢筒内的空心筒墩与其结为一体；以及
[0019]e)在水底附近截断所述钢筒；
[0020]其中，上述步骤e)可以在上述步骤b)之后且上述步骤c)之前实施或者上述步骤e)可以在上述步骤d)之后实施。
[0021]根据本发明的技术方案，有待相连的空心筒墩分段组合都可以设置成能够浮于水上，从而减少了吊装设备的要求，同时相连后的空心筒墩分段可以加压重(例如通过灌水加载的方式加压重)，使得相连后的空心筒墩分段下沉。
[0022]此外，根据本发明的另一个方面，提出了一种水上平台结构、尤其海上平台结构水底固定用空心筒墩安装施工方法，所述方法包括:
[0023]a)在预定水域处将内径大于空心筒墩的钢筒插振打到水底中至少达到持力层确保固定；
[0024]b)挖去钢筒内部的水底沉积物直至钢筒底端；
[0025]c)将底端封闭的整体空心筒墩从水面竖直向下吊装到所述钢筒中，使得所述空心筒墩的封闭底端到达所述钢筒的底端附近且所述空心筒墩的至少一部分露出水面；
[0026]d)向所述钢筒与所述空心筒墩之间的间隙灌注水下混凝土，直至从所述空心筒墩的底端开始填满所有间隙，所述混凝土固化后位于所述钢筒内的空心筒墩与其结为一体；以及
[0027]e)在水底附近截断所述钢筒；
[0028]其中，上述步骤e)可以在上述步骤b)之后且上述步骤c)之前实施或者上述步骤e)可以在上述步骤d)之后实施。
[0029]采用本发明的上述技术手段，钢筒本身具有充作临时围堰以及固定空心筒墩的作用，施工程序简单、容易操控，提高了施工效率及人员的安全性。另外，根据本发明的空心筒墩可视作一大直径的钢筒摩擦桩。该空心筒墩的底部面积大，可视作沉箱，沉箱坐于深埋的一层有更高承载力的持力层，利用灌注水下混凝土与钢筒结合而成摩擦桩可共同承担重力荷载，比单独的沉箱或单独桩基更高效，同时空心筒墩本身的内部空间大，可储水、储物。再者，采用空心筒墩分段预制现场拼装的方式，适应不同的施工环境。还有重要的是，本发明不需要水下作业。
[0030]在本发明提出的上述方法中，在步骤e)于步骤d)之后实施的情况中，钢筒可以在整个空心筒墩施工完成后并且水下混凝土灌注、固化之后才将水中露出水底的一段截断，