一种海上潮间带风电基础沉桩限位架及其施工方法与流程

技术领域：

本发明涉及水上桩基础施工领域，尤其涉及一种海上潮间带风电基础沉桩限位架及其施工方法。

背景技术：
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我国潮间带海域广阔，适合建设海上风电场的资源比近海深水段区域更为丰富，但由于潮水涨落起伏的影响，潮间带涨潮时平均水深只有1.5米，且一天中高水位持续时间只有两三个小时，对风电基础施工和安装技术提出了新的要求。单桩基础由于其重量大(一般桩径大于4.5m、桩长40~70m、桩重250~600t)，需要大型起重及打桩设备，潮间带水位无法供大型施工船进入，使得单桩基础难以在潮间带风电工程使用。

由于多桩导管架基础钢管桩尺寸及重量小，对施工设备要求低、技术较为成熟等特点，成为潮间带风电工程的常用基础类型。目前较为常用的多桩导管架的施工方法是先进行沉桩，但施工过程中难以保证桩与桩之间的准确位置，因此需要根据沉桩后的实际位置对导管架进行“量身定做”，该工艺需要多次移船驻位，导致施工效率低下、施工周期长。

中国专利授权公告号cn103981867b公布了一种潮间带海上风电多桩导管架基础沉桩施工方法，提出了一种横截面形状为圆形或多边形且带容水仓的打桩限位架，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。但该技术所提的打桩限位架结构复杂、体积及重量大，限位架加工完成后沉桩数量及间距即已固定无法调节、不具有通用性，体内设置多个容水仓其密闭性难以保证，且施工时需事先对沉桩区域滩面进行平整后再将打桩限位架平整的安放在滩面上，增加了额外的施工步骤，施工精度也难以保证。

可见，有必要探讨简单、实用的潮间带海上风电工程多桩施工的精确定位装置与施工方法，促进现有技术的革新与进步。

技术实现要素：
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为了弥补现有技术问题的不足，本发明的目的是提供一种海上潮间带风电基础沉桩限位架及其施工方法，其结构简单、布置灵活、施工方便，为潮间带风电工程的多桩精确定位与施工提供一种新方法。

本发明的技术方案如下：

海上潮间带风电基础沉桩限位架，其特征在于，包括中部的联通管、限位架标准节、限位架非标准节、限位套筒，根据桩的数量及位置关系选择相应的联通管及限位架非标准节，联通管各个管端部均连接有一个沉桩限位单元架；

每个沉桩限位单元架包括多个依次相连接的限位架标准节，最外端的限位架标准节端部依次连接有限位架非标准节、限位套筒；

每个沉桩限位单元架相对应位置的限位架标准节外壁上设有支架，支架上安装有分布于限位架标准节两侧的浮筒。

所述的海上潮间带风电基础沉桩限位架，其特征在于，所述的联通管呈正多边形分布，根据沉桩的数量对应地分为三向联通管、四向联通管、五向联通管、六向联通管等，联通管中部为对称分布的钢管，各钢管的外端焊接有环形法兰盘，且环形法兰盘上对称、均匀地设有螺栓孔。

所述的海上潮间带风电基础沉桩限位架，其特征在于，所述的限位架标准节整体呈轴对称分布的圆柱体状，由两端的环形法兰盘及二者之间对称、均匀地焊接多个小钢管构成。

所述的海上潮间带风电基础沉桩限位架，其特征在于，所述的限位套筒主体为钢套筒，钢套筒侧壁通过钢筒与环形法兰盘焊接相连。

所述的海上潮间带风电基础沉桩限位架，其特征在于，所述的支架由三段半圆弧板构成，三段半圆护板呈对称分布，中段半圆弧形板开口朝上且弧形尺寸与限位架标准节外轮廓尺寸相同，两侧半圆弧形板开口朝下且弧形尺寸与浮筒的外轮廓尺寸相同。

所述的海上潮间带风电基础沉桩限位架，其特征在于，所述的联通管、限位架标准节、限位架非标准节、限位套筒上的环形法兰盘与螺栓孔均相同，通过螺栓连接与固定相应螺栓孔实现各构件的相连。

所述的海上潮间带风电基础沉桩限位架，其特征在于，所述的沉桩限位架上限位套筒的内径大于待沉桩的外径1~2cm。

一种海上潮间带风电基础沉桩限位架的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）、设计与制作沉桩限位架：

根据拟沉桩的直径、数量及其相互位置关系，选择相应限位套筒、联通管的规格及限位架非标准节的长度，通过螺栓连接与固定相应螺栓孔实现各构件的相连，组装形成沉桩限位架；并通过支架均匀、对称地绑定多个浮筒，使沉桩限位架浮于海面；

2）、打入第一根桩：

在设计指定的潮间带海域预先打入第一根桩，通过船舶把沉桩限位架浮于海面拉至施工现场，并把其中一个限位套筒套住已施工的第一根桩；

3）、打入第二根桩：

根据设计方案转动调整沉桩限位架的位置，并起吊第二根桩套入与第一根桩相对称的限位套筒中并打入海床；

4）、按照类似方法，依次打入其它各桩：

起吊第三根桩套入一个空置的限位套筒中并打入海床，再起吊第四根桩套入与第三根桩相对称的限位套筒中并打入海床，以此类推把所有桩都基于限位架的限位套筒打入海床中；

5）、移除沉桩限位架：

完成各桩的打入施工后，取出沉桩限位架并浮于海面拉走，即完成多桩的准确打入海床施工工作。

本发明的有益效果是：

1、本发明所提沉桩限位架能基于浮筒浮于海面，可通过绳索把沉桩限位架浮于海面拉至施工现场，不需船舶搭载与起吊设备，来去灵活，能很好地适应潮间带的浅水位特征；

2、传统的限位架使用靠液压油缸提供动力的抱桩器，其在海上施工时需电力供应，且同一根桩至少需要两个抱桩器才能保证桩的垂直度，设备复杂，使用过程繁琐，而本发明所提沉桩限位架依靠限位套筒对桩进行固定，无需液压油缸与电力，设备简单，造价低廉；

3、传统的限位架加工完成后沉桩数量及间距即已固定无法调节，不同的工程桩基设计方案需加工不同的限位架与之匹配，不具有通用性；而本发明所提的沉桩限位架，可根据不同的沉桩的直径、数量及其相互位置关系，更换中部联通管、限位套筒即可，结构布置灵活多变。

4、传统的限位架一般呈轴对称状态，结构单一，难以满足不规则情况下的沉桩需要；而本发明所提的沉桩限位架可根据需要组装成不规则形状，能适应非对称情况下的沉桩需要，甚至能满足多桩中桩径不同的需要。

附图说明：

图1为本发明的限位架标准节结构示意图。

图2为本发明的四向联通管结构示意图。

图3为本发明的限位套筒结构示意图。

图4为本发明的三向联通管结构示意图。

图5为本发明的五向联通管结构示意图。

图6为本发明的六向联通管结构示意图。

图7为本发明的支架结构示意图。

图8为本发明的支架与浮筒连接示意图。

图9为本发明的支架与限位架连接示意图。

图10为本发明的浮筒组装后结构示意图。

图11为本发明的各构件组装示意图。

图12为本发明的等距四桩限位架轴测图。

图13为本发明的等距四桩限位架俯视图。

图14为本发明的不等距四桩限位架俯视图。

图15为本发明的等距三桩限位架轴测图。

图16为本发明的等距五桩限位架轴测图。

图17本发明的等距六桩限位架轴测图。

图18为本发明沉桩限位架与第一根桩连接示意图。

图19为本发明施工第二根桩示意图。

图20为本发明施工第三根桩示意图。

图21为本发明施工第四根桩示意图。

图22为本发明四根桩施工完毕后结构示意图。

附图标记说明：1、限位架标准节；2、环形法兰盘；3、螺栓孔；4、四向联通管；5、限位套筒；6、三向联通管；7、五向联通管；8、六向联通管；9、支架；10、浮筒；11、限位架非标准节；12、螺栓；13、第一根桩；14、第二根桩；15、第三根桩；16、第四根桩；a、海平面；b、海床面。

具体实施方式：

参见附图：

海上潮间带风电基础沉桩限位架，包括中部的联通管、限位架标准节1、限位架非标准节11、限位套筒5，根据桩的数量及位置关系选择相应的联通管及限位架非标准节，联通管各个管端部均连接由一个沉桩限位单元架；

每个沉桩限位单元架包括多个依次相连接的限位架标准节1，最外端的限位架标准节端部依次连接有限位架非标准节11、限位套筒5；

每个沉桩限位单元架相对应位置的限位架标准节外壁上设有支架9，支架9上安装有分布于限位架标准节1两侧的浮筒。

根据桩的数量及位置关系选择相应的联通管及限位架非标准节11的长度，组装成联通管在中央、各桩位方向由多个限位架标准节1、一个限位架非标准节11与一个限位套筒5相连的沉桩限位架，且沉桩限位架上限位套筒5的数量和位置关系与待沉桩的数量和位置关系完全相同；沉桩限位架上通过支架9均匀、对称地绑定多个浮筒10后能浮于海面，可通过船舶把浮于海面的沉桩限位架拉至施工现场。

一般中部的联通管呈正多边形分布，根据沉桩的数量对应地选择不同构型的联通管。如是四桩轴对称分布，则选择图2所示的四向联通管4；如是三桩轴对称分布，则选择图4所示的三向联通管6；如是五桩轴对称分布，则选择图5所示的五向联通管7；如是六桩轴对称分布，则选择图6所示的六向联通管8。当然，也可根据需要加工非轴对称分布的特殊联通管，以满足特殊情况下的需要。联通管中部为中空钢管，各钢管的外端焊接有环形法兰盘2，且环形法兰盘2上对称、均匀地设有螺栓孔3。

限位架标准节1整体呈轴对称分布的圆柱体状，为两个环形法兰盘2之间对称、均匀地焊接多个圆形空心小钢管而成，如图1所示。限位架标准节1的长度可取标准模数，如取80cm、100cm、120cm都可以。限位架标准节1可进行标准化、规格化制作。

限位架非标准节11与限位架标准节1的形状完全相同，两者仅长度不同。基桩到中部联通管中点之间的中心距离，可分解为一个中心联通管的一半、整数倍个限位架标准节1、一个限位架非标准节11与一个限位套筒5的长度之和。故限位架非标准节11是为了对基桩准确定位而设置的机动性配件，其长度根据需要而定，不同工程的限位架非标准节11一般不相同，故需进行针对性加工与设计。通常，限位架非标准节11的长度小于限位架标准节1的长度。

限位套筒5主体为具有一定长度的中空钢套筒，其侧面中部通过钢筒与环形法兰盘2焊接相连，如图3所示。限位套筒5上中空钢套筒的内径大于待沉桩的外径1~2cm。针对不同工程的不同桩径，应设计与加工不同尺寸的限位套筒5与之匹配。限位套筒5的中空钢套筒具有一定的长度，其对拟沉桩具有约束、定位作用，能保证拟沉桩的铅锤度。中空钢套筒的内径大于待沉桩的外径1~2cm，能保证拟沉桩的顺利插入与贯入。为了减少中空钢套筒与拟沉桩之间的摩擦，可在中空钢套筒的内壁及拟沉桩的外壁上涂抹润滑油。

支架9呈对称分布，中部的弧形尺寸与限位架标准节的外轮廓尺寸相同，两侧的弧形尺寸与浮筒10的外轮廓尺寸相同，如图7所示。图8~图10给出了支架9、浮筒10与限位架之间的连接关系。浮筒10为中空的钢桶或塑料桶，为了节省造价，甚至可以采用废旧但完好的大尺寸汽油桶。沉桩限位架上通过支架9均匀、对称地绑定多个浮筒10后能浮于海面，可通过船舶把浮于海面的沉桩限位架拉至施工现场，不需船舶搭载与起吊设备，来去灵活，能很好地适应潮间带的浅水位特征。

联通管、限位架标准节1、限位架非标准节11、限位套筒5上的环形法兰盘2与螺栓孔3完全相同，通过螺栓12连接与固定相应螺栓孔3实现各构件的相连，如图12与图13所示。

由于中部联通管、限位架标准节1、限位架非标准节11、限位套筒5均呈对称性，各构件的连接无方位性要求，故用螺栓12连接各构件的过程非常简单。可根据需要组装成对称性限位架，也可组装成非对称性的特殊限位架。如图13给出了四桩轴对称分布的限位架，图14给出了四桩非轴对称、不等距分布的限位架。不管何种情况，均需保证沉桩限位架上限位套筒5的数量和位置关系与待沉桩的数量和位置关系完全相同。可见，本发明所提的限位架组装灵活，形式多变，能够满足不同情况下的沉桩需要，甚至能满足多桩中桩径不同的需要。

不同工程、不同桩基分布方式，仅需更换相应的中部联通管、限位架非标准节11、限位套筒5即可，而其它构件具有通用性。故本发明所提的限位架可以反复利用，结构布置灵活多变，能适应不同工程的需要。图12给出了等距四桩限位架的轴测图，图15给出了等距三桩限位架的轴测图，图16给出了等距五桩限位架的轴测图，图17给出了等距六桩限位架的轴测图。

传统的限位架使用靠液压油缸提供动力的抱桩器，其在海上施工时需电力供应，且同一根桩至少需要两个抱桩器才能保证桩的垂直度，设备复杂，使用过程繁琐。而本发明所提沉桩限位架依靠限位套筒对桩进行固定，无需液压油缸与电力，设备简单，造价低廉。

一种海上潮间带风电基础沉桩限位架的施工方法，详细描述如下：

1）、设计与制作沉桩限位架：

根据拟沉桩的直径、数量及其相互位置关系，选择相应限位套筒5、联通管的规格及限位架非标准节11的长度，通过螺栓12连接与固定相应螺栓孔3实现各构件的相连，组装形成沉桩限位架。并通过支架9均匀、对称地绑定多个浮筒10，使沉桩限位架浮于海面。

等距三桩限位架如图15所示，等距四桩限位架如图11所示，等距五桩限位架如图16所示，等距六桩限位架如图17所示，不等距四桩限位架如图14所示。通过各构件的组装，确保沉桩限位架上限位套筒5的数量和位置关系与待沉桩的数量和位置关系完全相同。

2）、打入第一根桩13：

在设计指定的潮间带海域预先打入第一根桩13，通过船舶把沉桩限位架浮于海面拉至施工现场，并把其中一个限位套筒5套住已施工的第一根桩13，如图18所示。

第一根桩13的铅锤度应满足要求，否则影响后续沉桩的精度。沉桩限位架套住第一根桩13，两者共同形成整体，对后续沉桩形成固定与约束，确保后续沉桩的铅锤度与位置准确。

3）、打入第二根桩14：

根据设计方案转动调整沉桩限位架的位置，并起吊第二根桩14套入与第一根桩13相对称的限位套筒5中并打入海床，如图19所示。

打桩之前，应在待沉桩的外表涂抹润滑油，减少桩与限位套筒5之间的摩擦，方便沉桩作业。选择与第一根桩13相对称的限位套筒5套入第二根桩14，是因为该方位沉桩限位架的约束刚度最大，有利于提高后续沉桩的精度。

施工第二根桩14时，沉桩限位架可能受到波浪的影响而发生浮动，进而影响沉桩作业。故第二根桩应选择在风浪较小的时候进行施工。但完成多根桩施工后，沉桩限位架已与多根桩固定连接，后续施工受风浪的影响较小。

4）、按照类似方法，依次打入其它各桩：

起吊第三根桩15套入一个空置的限位套筒5中并打入海床，再起吊第四根桩16套入与第三根桩15相对称的限位套筒5中并打入海床，以此类推把所有桩都基于限位架的限位套筒打入海床中，如图20、图21所示。

随着沉桩数量的增多，沉桩限位架把更多的桩连接在一起，整体刚度更大，对后续施工的控制更有效。施工过程中应保持沉桩限位架的水平性，即不能发生倾斜与扭曲。

5）、移除沉桩限位架：

完成各桩的打入施工后，取出沉桩限位架并浮于海面拉走，即完成多桩的准确打入海床施工工作，如图22所示。

由于施工过程中的变形与应力集中，若使沉桩限位架整体从各桩上方取出存在困难，可卸下各限位套筒5与限位架连接处的螺栓，逐个把限位套筒5取出，实现沉桩限位架的移除。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之内。