潮间带海上风电基础沉桩的打桩限位架及其施工方法
【专利摘要】本发明涉及一种潮间带海上风电多桩导管架基础沉桩施工方法，其特征是通过打桩限位架对钢管桩进行沉桩定位及垂直度控制，使用起重船吊液压冲击锤坐滩吊打沉桩。其具体操作步骤如下：钢管桩加工制作及海上运输、船舶定位、对沉桩区域滩面整平并安放打桩限位架、对打桩限位架内容水仓注水并调节打桩限位架的水平度、竖直吊装钢管桩并插入打桩限位架的抱桩器、打桩锤压桩、打桩锤沉桩。有益效果：通过打桩限位架对钢管桩导向限位，保证了沉桩的垂直度，同时保证了每个基础的各钢管桩之间相对位置的精确性，实现了一次船舶驻位即可完成整台风机基础施工，简化了施工工序，施工效率大大提高。
【专利说明】潮间带海上风电基础沉粧的打粧限位架及其施工方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水上桩基施工方法，尤其涉及一种潮间带海上风电基础沉桩的打桩限位架及其施工方法。
【背景技术】
[0002]风能资源作为一种可再生清洁能源，其开发利用逐渐受到普遍重视，风电场建设逐步由陆上发展到海上。目前国内海上风电规划方面，潮间带风电场占有大量份额。海上风电基础主要有低桩高台柱基础、单桩基础及多桩导管架基础等多种结构。
[0003]潮间带是海水涨至最高潮时淹没，退至低潮时露滩的滩涂，但是由于地基承载力低及潮水淹没的问题，采用低桩高台柱基础需要搭设滩涂通道、采取挡水围堰进行干地施工的方法，受台风及风暴潮等的影响，施工质量及施工安全存在极大隐患，同时需要进行大规模土石方开挖工程，对海岸滩涂环境破坏较为严重；单桩基础结构简单、用料省，施工快，是一种较为理想的结构形式，但是由于单桩基础结构尺寸、重量大(一般桩径4.5-6.1m,桩长40— 70m，桩重250-600t)，需要大型的起重及打桩设备，且垂直度控制较为困难，国内拥有满足该基础施工的装备和施工技术的企业非常少。因此，多桩导管架基础由于钢管桩尺寸、重量小，施工设备、技术较为成熟等原因，在国内潮间带风电场项目中应用较为广泛。但由于潮间带区域受潮水涨落起伏的影响，涨潮时平均水深只有2.0m，且一天中高水位持续时间只有2到3小时，可作业时间极为有限。目前较为常用的多桩导管架的施工方法是先进行沉桩，由于桩与桩之间位置难以保证，因此需要根据沉桩后的实际位置对导管架进行“量身定做”，且该工艺需要多次移船驻位，导致施工效率较为低下，完成一台基础大约需要20天。
[0004]申请号:201310116585.9公开了一种多桩抱桩器及浅海风电场多桩导管架基础施工方法，多桩抱桩器包括转轴、大臂、转动臂及小臂。转轴位于风机机位中心。大臂套设于转轴上。转动臂套设于转轴上。小臂设置于转动臂的一端且具有小臂中心。多桩抱桩器具有若干个桩位中心，与小臂中心位于同一个圆上，且若干个桩位中心均布于圆上。多桩抱桩器的浅海风电场多桩导管架基础施工方法包括:将多桩抱桩器坐标定位于机位中心，并且将运输船定位。将钢管桩固定于多桩抱桩器上进行沉桩。将导管架套于钢管桩上进行灌浆。采用本发明解决了一个船位打多桩的难题，并提高了效率。但是，该项技术的多桩抱桩器对各部件刚度要求极高，沉桩过程中的冲击力极易对抱桩器产生损坏，且该技术仅有效解决了多桩定位的问题，并不能对钢管桩沉桩过程中的垂直度进行有效控制。
[0005]由此可见，寻找一种适合潮间带施工的多桩沉桩方法，对钢管桩沉桩位置、沉桩垂直度进行有效控制，沉桩完成后即可进行导管架吊装施工，实现一次移船驻位即可完成整台风机基础的施工，加快施工效率，成为一个亟待解决的问题，也是推动国内海上风电发展的关键问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种潮间带海上风电基础沉桩的打桩限位架及其施工方法，适用于单桩及多桩导管架基础沉桩施工，采用打桩限位架结构对钢管桩进行限位，保证了沉桩的垂直度及桩与桩之间相对位置的固定，实现了一次移船驻位即可完成整台风机基础施工。
[0007]本发明为实现上述目的，采用以下技术方案:一种潮间带海上风电基础沉桩的打桩限位架，其特征是:包括中心大钢柱、桁架结构和若干个容水仓，所述中心大钢柱通过桁架结构固接构成整体限位架架构，所述桁架结构包括桩位处小钢柱、横向桁架和纵向桁架，所述中心大钢柱通过横向桁架与桩位处小钢柱固定连接，所述桩位处小钢柱之间连接有纵向桁架，所述桩位小钢柱之间连接有横向桁架，所述整体限位架架构内设有容水仓，所述整体限位架架构设有操作平台，所述操作平台及容水仓上安装有抱桩器。
[0008]所述整体限位架架构的横截面形状为圆形、方形或多边形。
[0009]所述中心大钢柱、桩位处小钢柱采用钢管柱或型钢材料。
[0010]所述桩位处小钢柱之间以及中心大钢柱与桩位处小钢柱之间固接的横向桁架为2-5 层。
[0011]所述容水仓下端设有作为整体限位架架构支腿的钢柱，所述钢柱长度为自整体限位架架构高度延伸lm。
[0012]所述容水仓内设有分舱隔板，将容水仓分隔成多个分舱。
[0013]所述抱桩器同组设置两层，所述抱桩器设置有控制其打开、闭合的液压油缸，所述抱桩器抱紧后的内径大于桩的外径l_2cm。
[0014]一种采用潮间带海上风电基础沉桩的打桩限位架的海上风电基础沉桩施工方法，其特征是:通过打桩限位架对钢管桩进行沉桩定位及垂直度控制，使用起重船坐滩吊液压冲击锤吊打沉桩，具体操作步骤如下:
[0015]第一步:钢管桩及导管架加工制作完成，经检验合格后，在码头吊装到运输船上运至施工现场；
[0016]第二步:为减少起重船吃水，施工采用的打桩限位架及推土机等设备采用一艘平板驳搭载，作为施工辅助船；在潮间带潮位满足起重船、运桩船和辅助船吃水要求时，起重船根据船上配置的GPS定位指示在设计桩位处首先驻位，运桩船和辅助船根据起重船驻位情况进行粗略驻位，在退潮后，起重船、运桩船和辅助船平稳坐滩；
[0017]第三步:船舶坐滩后，通过GPS对沉桩区域再次定位，辅助船上搭载的推土机下到滩面，对沉桩区域滩面进行整平，保证滩面高差不超过IOcm ；
[0018]第四步:起重船上的起重机将打桩限位架吊至沉桩区域，并通过人工转动对限位架位置进行微调，然后将限位架平整的安放在滩面上；
[0019]第五步:涨潮时，通过配备的若干台大型污水泵对限位架内部水仓进行注水，对限位架进行压载，保证其在打桩过程中不会产生位移；注水时，监测限位架顶部水平度，其任意两点间的高差不超过10cm，根据监测结果，调节不同隔舱内的注水量，调整限位架各方位的压载力，从而调节限位架不同方位的入泥深度，来调节限位架水平度；
[0020]第六步:将两套索具上端分别挂在起重机的两个主钩头上，下端挂在钢管桩上下吊耳上，为使桩立直，上端索具加一吊梁。双钩同时起吊，将钢管桩吊离运桩船甲板面一定高度后，转动起重机臂架，将桩吊至空旷滩面上方，然后起升钢管桩上端钩头，下降钢管桩下端钩头，直至将钢管桩竖立，并将钢管桩慢慢吊入限位架的抱桩器内，锁紧抱桩器，钢管桩自沉入泥；待钢管桩自沉入泥稳定后，下降上吊点的主钩头，将主钩头降至限位架顶部位置，将吊索具从主钩头上解除，同时解除下吊点的吊索具，采用该方式依次将单个基础上的若干根钢管桩插入抱桩器内；
[0021]第七步:起重机吊起打桩锤并压桩，待压桩稳定后，启动打桩锤开始沉桩；沉桩初期采用小能量轻击，每入泥IOcm观测一次垂直度，在钢管桩入泥达到一定深度后，每入泥50cm观测一次垂直度；钢管桩上的防腐涂层沉至第一层抱桩器处时，打开第一层抱桩器，并继续沉桩，钢管桩防腐涂层沉至第二层抱桩器处时，打开第二层抱桩器，继续沉桩，直至将桩沉至设计标高；采用该方式依次将该基础上其他钢管桩沉至设计标高；
[0022]第八步:将打桩锤从起重机钩头上卸下，将打桩限位架容水仓内的水排净，起重机吊起打桩限位架放置在辅助船上并固定好，或打桩限位架可在满足潮位时浮运拖走。
[0023]有益效果:与现有技术相比，采用打桩限位架沉桩的方式，保证了钢管桩沉桩的垂直度，同时保证了每个基础的各钢管桩之间相对位置的精确性，从而省去了传统工艺中沉桩完毕后根据沉桩实测位置对导管架进行“量身定做”的过程，导管架可作为标准构件提前在工厂加工制造，保证了钢管桩沉桩完毕后即可进行导管架安装，实现了一次船舶驻位即可完成整台风机基础施工，简化了施工工序，大大提高了施工效率。另外，由于该种工艺保证了钢管桩沉桩相互位置的准确性，因此能保证其结构受力的均匀性及科学性，符合设计计算的受力分布，避免了传统的“量身定做”方式导致的受力不均匀现象。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本发明的整体效果图；
[0025]图2是本发明的俯视图；
[0026]图3为A-A截面结构图；
[0027]图4为B-B截面结构图；
[0028]图5为C-C截面结构图；
[0029]图6为抱桩器详图；
[0030]图7是打桩船舶驻位图。
[0031]图中:1-中心大钢柱，2-桩位处小钢柱，3-连接中心大钢柱与小钢柱的横向桁架，4-连接相邻桩位小钢柱的横向桁架，5-桩位处小钢柱间的纵向桁架，6-操作平台，7-容水仓，8-抱桩器，9-基础钢管桩，10-分舱隔板，11-液压油缸，12-打桩限位架，13-推土机，
14、打桩锤，15、运桩船，16、辅助船，17、起重船，18、起重机。
【具体实施方式】
[0032]下面结合较佳实施例详细说明本发明的【具体实施方式】。
[0033]详见附图1-6，一种潮间带海上风电基础沉桩的打桩限位架，包括中心大钢柱1、桁架结构和若干个容水仓7，所述中心大钢柱通过桁架结构固接构成整体限位架架构，所述桁架结构包括连接中心大钢柱与小钢柱的横向桁架3、连接相邻桩位小钢柱的横向桁架4和桩位处小钢柱间的纵向桁架5，所述整体限位架架构内设有容水仓，所述整体限位架架构设有操作平台6，所述操作平台及容水仓上安装有抱桩器8。所述整体限位架架构的横截面形状为圆形、方形或多边形，本实施例为五边形。所述整体限位架架构根据基础钢管桩数量确定为单桩或多桩限位架结构。所述中心大钢柱、桩位处小钢柱采用钢管柱或型钢材料。所述桩位处小钢柱之间以及中心大钢柱与桩位处小钢柱之间固接的横向桁架为2-5层，本实施例为两层。所述抱桩器安装在限位架顶端操作平台及容水仓上，所述抱桩器每组可设置两层，所述抱桩器在抱箍处设置2个30t液压油缸11，对抱桩器开合进行控制。所述抱桩器抱紧后内径较桩外径超出l-2cm，所述抱桩器对基础钢管桩9起导向作用及对基础钢管桩的垂直度进行微调，所述抱桩器在操作平台上设人工打开、闭合开关，或在后台设电动打开、闭合开关。所述容水仓下端设有作为整体限位架架构支腿的钢柱，所述钢柱长度为自整体限位架架构高度延伸lm。坐滩时受自重及容仓水作用插进泥面内，以增强限位架的稳定性。
[0034]本发明的优选方案是:所述容水仓内设有分舱隔板10，将容水仓分隔成多个分舱，容水仓7位于打桩限位架12的中部，容水仓内注水并通过调节不同分舱内的注水量来控制限位架不同方位上压入泥面的深度，以保证限位架的稳定性同时实现限位架水平度的调节。
[0035]采用上述打桩限位架的潮间带海上风电基础沉桩的施工方法，通过打桩限位架九对钢管桩进行沉桩定位及垂直度控制，使用起重船坐滩吊液压冲击锤吊打沉桩，具体操作步骤如下:
[0036]第一步:基础钢管桩10及导管架加工制作完成，经检验合格后，在码头吊装到运桩船14上运至施工现场；
[0037]第二步:为减少起重船16吃水，施工采用的打桩限位架9及推土机11等设备采用一艘平板驳搭载，作为施工辅助船15。在潮间带潮位满足起重船16、运桩船14和辅助船15吃水要求时，起重船根据船上配置的GPS定位指示在设计桩位处首先驻位，抛锚粗略定位，运桩船和辅助船根据起重船驻位情况进行粗略驻位，只要满足起重船上起重机吊重性能要求即可。在退潮后，起重船、运桩船和辅助船平稳坐滩；
[0038]第三步:船舶坐滩后，通过GPS对沉桩区域重新定位，辅助船上搭载的推土机下到滩面，对沉桩区域滩面进行整平，保证滩面高差不超过IOcm ；
[0039]第四步:起重船上的起重机17将打桩限位架吊至沉桩区域，并通过人工转动对限位架位置进行微调，然后将打桩限位架平整的安放在滩面上；
[0040]第五步:涨潮时，通过配备的若干台大型污水泵等抽水设备对打桩限位架内部容水仓进行注水，对打桩限位架进行压载，提高打桩限位架在打桩过程中的稳定性，保证打桩过程中不会产生位移，保证了钢管桩沉桩完毕后其相对位置保持固定。注水时，测量人员对打桩限位架顶部水平度进行监测，任意两点之间高差不超过10cm，施工人员根据监测结果，调节不同隔舱内的注水量，调整打桩限位架各方位的压载力，从而调节打桩限位架不同方位的入泥深度，来调节打桩限位架水平度；
[0041]第六步:将两套索具上端分别挂在起重机的两个主钩头上，双钩同时起吊，将基础钢管桩吊离运桩船甲板面一定高度后，转动起重机臂架，将桩吊至空旷滩面上方，然后起升钢管桩上端钩头，下降钢管桩下端钩头，直至将钢管桩竖立，并将钢管桩慢慢吊入限位架的抱桩器内，锁紧抱桩器，钢管桩自沉入泥。待钢管桩自沉入泥稳定后，下降上吊点的主钩头，将主钩头降至限位架顶部位置，将吊索具从主钩头上解除，同时解除下吊点的吊索具，采用该方式依次将单个基础上的若干根钢管桩插入抱桩器内；
[0042]第七步:起重机吊起打桩锤13并压桩，待压桩稳定后，启动打桩锤开始沉桩。沉桩初期采用小能量轻击，每入泥IOcm观测一次垂直度，在钢管桩入泥达到一定深度后，如果每打击一锤贯入度合理，垂直度变化不大，则逐渐加大能量，每入泥50cm观测一次垂直度。沉桩初期，必须间断轻打，避免过度溜桩，并防止产生偏心锤击，确保沉桩安全和施工质量。钢管桩上的防腐涂层沉至第一层抱桩器处时，打开第一层抱桩器8，并继续沉桩，钢管桩防腐涂层沉至第二层抱桩器处时，打开第二层抱桩器，继续沉桩，直至将桩沉至设计标高。采用该方式依次将该基础上其他钢管桩沉至设计标高；
[0043]第八步:将打桩锤13从起重机钩头上卸下，将打桩限位架容水仓内的水排净，起重机吊起打桩限位架放置在辅助船上并固定好。
[0044]沉桩完毕后，起重机可直接起吊导管架进行导管架安装。
[0045]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种潮间带海上风电基础沉桩的打桩限位架，其特征是:包括中心大钢柱、桁架结构和若干个容水仓，所述中心大钢柱通过桁架结构固接构成整体限位架架构，所述桁架结构包括桩位处小钢柱、横向桁架和纵向桁架，所述中心大钢柱通过横向桁架与桩位处小钢柱固定连接，所述桩位处小钢柱之间连接有纵向桁架，所述桩位小钢柱之间连接有横向桁架，所述整体限位架架构内设有容水仓，所述整体限位架架构设有操作平台，所述操作平台及容水仓上安装有抱桩器。
2.根据权利要求1所述的潮间带海上风电基础沉桩的打桩限位架，其特征是:所述整体限位架架构的横截面形状为圆形、方形或多边形。
3.根据权利要求1所述的潮间带海上风电基础沉桩的打桩限位架，其特征是:所述中心大钢柱、桩位处小钢柱采用钢管柱或型钢材料。
4.根据权利要求1所述的潮间带海上风电基础沉桩的打桩限位架，其特征是:所述桩位处小钢柱之间以及中心大钢柱与桩位处小钢柱之间固接的横向祐1架为2-5层。
5.根据权利要求1所述的潮间带海上风电基础沉桩的打桩限位架，其特征是:所述容水仓下端设有作为整体限位架架构支腿的钢柱，所述钢柱长度为自整体限位架架构高度延伸lm。
6.根据权利要求1所述的潮间带海上风电基础沉桩的打桩限位架，其特征是:所述容水仓内设有分舱隔板，将容水仓分隔成多个分舱。
7.根据权利要求1所述的潮间带海上风电基础沉桩的打桩限位架，其特征是:所述抱桩器同组设置两层 ，所述抱桩器设置有控制其打开、闭合的液压油缸，所述抱桩器抱紧后的内径大于桩的外径l_2cm。
8.一种采用潮间带海上风电基础沉桩的打桩限位架的海上风电基础沉桩施工方法，其特征是:通过打桩限位架对钢管桩进行沉桩定位及垂直度控制，使用起重船坐滩吊液压冲击锤吊打沉桩，具体操作步骤如下: 第一步:钢管桩及导管架加工制作完成，经检验合格后，在码头吊装到运输船上运至施工现场； 第二步:为减少起重船吃水，施工采用的打桩限位架及推土机等设备采用一艘平板驳搭载，作为施工辅助船；在潮间带潮位满足起重船、运桩船和辅助船吃水要求时，起重船根据船上配置的GPS定位指示在设计桩位处首先驻位，运桩船和辅助船根据起重船驻位情况进行粗略驻位，在退潮后，起重船、运桩船和辅助船平稳坐滩； 第三步:船舶坐滩后，通过GPS对沉桩区域再次定位，辅助船上搭载的推土机下到滩面，对沉桩区域滩面进行整平，保证滩面高差不超过IOcm ； 第四步:起重船上的起重机将打桩限位架吊至沉桩区域，并通过人工转动对限位架位置进行微调，然后将限位架平整的安放在滩面上； 第五步:涨潮时，通过配备的若干台大型污水泵对限位架内部水仓进行注水，对限位架进行压载，保证其在打桩过程中不会产生位移；注水时，监测限位架顶部水平度，其任意两点间的高差不超过10cm，根据监测结果，调节不同隔舱内的注水量，调整限位架各方位的压载力，从而调节限位架不同方位的入泥深度，来调节限位架水平度； 第六步:将两套索具上端分别挂在起重机的两个主钩头上，下端挂在钢管桩上下吊耳上，为使桩立直，上端索具加一吊梁；双钩同时起吊，将钢管桩吊离运桩船甲板面一定高度后，转动起重机臂架，将桩吊至空旷滩面上方，然后起升钢管桩上端钩头，下降钢管桩下端钩头，直至将钢管桩竖立，并将钢管桩慢慢吊入限位架的抱桩器内，锁紧抱桩器，钢管桩自沉入泥；待钢管桩自沉入泥稳定后，下降上吊点的主钩头，将主钩头降至限位架顶部位置，将吊索具从主钩头上解除，同时解除下吊点的吊索具，采用该方式依次将单个基础上的若干根钢管桩插入抱桩器内； 第七步:起重机吊起打桩锤并压桩，待压桩稳定后，启动打桩锤开始沉桩；沉桩初期采用小能量轻击，每入泥IOcm观测一次垂直度，在钢管桩入泥达到一定深度后，每入泥50cm观测一次垂直度；钢管桩上的防腐涂层沉至第一层抱桩器处时，打开第一层抱桩器，并继续沉桩，钢管桩防腐涂层沉至第二层抱桩器处时，打开第二层抱桩器，继续沉桩，直至将桩沉至设计标高；采用该方式依次将该基础上其他钢管桩沉至设计标高；第八步:将打桩锤从起重机钩头上卸下，将打桩限位架容水仓内的水排净，起重机吊起打桩限位架放置在辅助船上并固定好，或在满足潮位时将打桩限位架浮运拖走。
【文档编号】E02D7/06GK103981867SQ201410224639
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月26日 优先权日:2014年5月26日
【发明者】陈强, 张佩良, 刘凤松, 何福渤, 李德刚, 冯玉海, 陈桂义, 李伟, 易振, 费文源 申请人:天津港航工程有限公司