一种可大幅度旋转的潮间带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，尤其涉及一种可大幅度旋转的潮间带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，使得大型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可大幅度旋转的潮间带沉桩限位架及其施工方法，其结构简单，可通过两臂的旋转来实现各桩的定位，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：

可大幅度旋转的潮间带沉桩限位架，其特征在于，包括中心旋转节、限位架标准节、限位架非标准节、限位套筒，根据待沉桩的直径及位置关系选择相应的限位套筒及限位架非标准节，

所述中心旋转节上旋转安装有两个沉桩限位单元架，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。

所述的可大幅度旋转的潮间带沉桩限位架，其特征在于，所述的中心旋转节包括与中心定位桩外壁相配合的旋转套筒，旋转套筒上交替、间隔套入两对相互独立的旋转钢环，旋转套筒上下端设有顶住旋转钢环的限位凸缘，每对钢环分别通过一根钢管与圆形法兰盘焊接连接固定，圆形法兰盘上对称、均匀地设有螺栓孔。

所述的可大幅度旋转的潮间带沉桩限位架，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；环形法兰盘上对称、均匀地设有螺栓孔；限位架非标准节的外形与限位架标准节相似，其长度小于限位架标准节。

所述的可大幅度旋转的潮间带沉桩限位架，其特征在于，所述的限位套筒主体为钢套筒，钢套筒侧壁通过钢管与环形法兰盘焊接相连。

所述的可大幅度旋转的潮间带沉桩限位架，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。

所述的可大幅度旋转的潮间带沉桩限位架，其特征在于，所述的中心旋转节上的圆形法兰盘与限位架标准节、限位架非标准节、限位套筒上环形法兰盘的螺栓孔位置均相同，通过螺栓连接与固定相应螺栓孔实现各构件的相连。

所述的可大幅度旋转的潮间带沉桩限位架，其特征在于，所述的限位套筒的内径大于待沉桩的外径1~2cm。

一种可大幅度旋转的潮间带沉桩限位架，其特征在于，包括如下步骤：

1）、设计与制作沉桩限位架：

根据拟沉桩的直径及其相互位置关系，选择相应限位套筒与限位架非标准节的尺寸，通过螺栓连接与固定相应螺栓孔实现各构件的相连，构成两个方向的沉桩限位单元架，二者均可绕中心旋转节大幅度旋转，共同构成沉桩限位架；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）、打入中心定位桩：

在潮间带海域设计指定的多桩中心位置处打入中心定位桩，通过船舶把沉桩限位架浮于海面拉至施工现场，并把中心旋转节上的旋转套筒套住中心定位桩；旋转套筒的内径大于中心定位桩的外径1~2cm；

旋转沉桩限位架的两个沉桩限位单元架并辅助使用定位杆，定位杆两端连接有套环，使定位杆上的两个套环分别套住两个沉桩限位单元架上的两个限位套筒上方；套环的内径略大于限位套筒的外径，两个套环的中心距离等于相邻两根桩的中心距离；

3）、打入第一根桩：

在设计指定位置，起吊第一根桩套入第一个沉桩限位单元架的限位套筒中，并打入海床；

4）、打入第二根桩：

起吊第二根桩套入第二个沉桩限位单元架的限位套筒中，并打入海床；

5）、打入第三根桩：

先取下定位杆，再把套在第一根桩上的、第一个沉桩限位单元架的限位套筒取出，然后旋转第一个沉桩限位单元架，使其到达第二根桩一侧的第三根桩待打入区域，再把定位杆的两个套环分别套在两个沉桩限位单元架上的两个限位套筒上方，

起吊第三根桩套入第一个沉桩限位单元架的限位套筒中，并打入海床；

6）、以此类推，依次打入其它各桩：

取下定位杆，再把套在第二根桩上的、第二个沉桩限位单元架的限位套筒取出，然后旋转第二个沉桩限位单元架，使其到达第三根桩一侧第四根桩待打入区域，再把定位杆的两个套环分别两个沉桩限位单元架上的两个限位套筒上方，起吊第四根桩套入第二个沉桩限位单元架的限位套筒中，并打入海床；以次类推，逐个旋转沉桩限位架的沉桩限位单元架并打入各桩，直至完成全部基桩的打入作业；

7）、移除沉桩限位架：

完成各桩的打入施工后，取下定位杆，取出沉桩限位架并浮于海面拉走，并移除中心定位桩。

本发明的有益效果是：

1、本发明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，造价较低；

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；而本发明可根据不同的沉桩的直径及相互位置关系，选择相应限位套筒与限位架非标准节的尺寸，结构布置灵活多变；

4、本发明所提沉桩限位架的两臂能绕中心旋转节大幅度旋转，能适应常见的三桩、四桩、五桩及更多数量桩的组合基础，适用性强，使用简便。

附图说明

图1为本发明的限位架标准节结构示意图。

图2为本发明的中心旋转节结构示意图。

图3为本发明的中心旋转节变换角度结构示意图。

图4为本发明的中心旋转节内部结构示意图。

图5为本发明的中心旋转节转动示意图。

图6为本发明的限位套筒结构示意图。

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为本发明的限位架组装示意图。

图12为本发明的定位杆结构示意图。

图13为本发明施工中心定位桩示意图。

图14为本发明施工第一根桩示意图。

图15为本发明施工第二根桩示意图。

图16为本发明施工第三根桩示意图。

图17为本发明施工第四根桩示意图。

图18为本发明施工第五根桩示意图。

图19为本发明五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、圆形法兰盘；5、旋转套筒；6、中心旋转节；7、旋转范围；8、限位套筒；9、支架；10、浮筒；11、限位架非标准节；12、定位杆；13、套环；14、中心定位桩；15、第一根桩；16、第二根桩；17、第三根桩；18、第四根桩；19、第五根桩；a、海平面；b、海床面。

具体实施方式：

参见附图：

一种可大幅度旋转的潮间带沉桩限位架，包括中心旋转节6、限位架标准节1、限位架非标准节11、限位套筒8，根据待沉桩的直径及位置关系选择相应的限位套筒8及限位架非标准节11的尺寸，组装成中心旋转节6在中央、两个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8相连的沉桩限位架，两个方向的组装结构可绕着中心旋转节6相互大幅度旋转，且沉桩限位架上限位套筒8的中心到中心旋转节6的中心距离与待沉桩的设计位置尺寸完全相同。

中心旋转节6为旋转套筒5上交替、间隔套入两对相互独立的旋转钢环，钢环通过中空钢管与圆形法兰盘4焊接连接，圆形法兰盘4上对称、均匀地设有螺栓孔3，如图2~图4所示。两个绕旋转套筒5能够旋转的半肢，实际上尺寸完全相同，呈上下颠倒的对称状态。圆形法兰盘4与空钢管之间焊接连接，且周边焊接多个三角形加筋肋。

中心旋转节6上两个独立圆形法兰盘4的相互旋转角度、活动幅度大于180º。即固定其中的一个圆形法兰盘4，而使另一个圆形法兰盘4绕轴旋转，其最大的旋转范围7如图5所示，该角度一般大于180º，甚至最大可以达到270º。该活动机构可使沉桩限位架的两臂能够相互大幅度旋转，从而能够达到各个位置的沉桩点，具有通用性与灵活性。

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。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。基桩中心到中心旋转节6中点之间的距离，可分解为一个中心旋转节6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8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8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6所示。限位套筒8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8与之匹配。限位套筒8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。

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。中心旋转节6上的圆形法兰盘4与环形法兰盘2两者的尺寸完全相同，两者上留设螺栓孔3的位置与数量也完全相同。圆形法兰盘4与环形法兰盘2的区别仅在于，一个是实心圆盘，而另一个是环形圆盘。通过螺栓连接与固定相应螺栓孔3，可实现各构件的相互相连，如图11所示。

由于中心旋转节6、限位架标准节1、限位架非标准节11、限位套筒8均呈对称性，各构件的连接无方位性要求，故用螺栓连接各构件的过程非常方便。一般情况下所提沉桩限位架的两臂长度完全相同，呈对称状态。但也可根据需要组装成两臂不等长的特殊限位架。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，仅需更换相应的限位架非标准节11、限位套筒8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。

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。

一种可大幅度旋转的潮间带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：

根据拟沉桩的直径及其相互位置关系，选择相应限位套筒8与限位架非标准节11的尺寸，通过螺栓连接与固定相应螺栓孔3实现各构件的相连，形成两个方向的组装结构可绕着中心旋转节6相互大幅度旋转的沉桩限位架。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，如图11所示。

通过各构件的组装，确保沉桩限位架上限位套筒8的中心到中心旋转节6的中心距离与待沉桩的设计位置尺寸完全相同。

2）、打入中心定位桩14：

在潮间带海域设计指定的多桩中心位置处打入中心定位桩14，通过船舶把沉桩限位架浮于海面拉至施工现场，并把中心旋转节6上的旋转套筒5套住中心定位桩14，如图13所示。旋转套筒5的中空内径大于中心定位桩14的外径1~2cm。

中心定位桩14的铅锤度应满足要求，否则影响后续沉桩的精度。沉桩限位架上中心旋转节6套住中心定位桩14，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；为了旋转方便，可在旋转套筒5的内壁涂抹润滑剂。

旋转沉桩限位架的两臂，使定位杆12上的两个套环13分别套住沉桩限位架上的两个限位套筒8；套环13的内径略大于限位套筒8上刚套筒中的外径，两个套环13的中心距离等于相邻两根桩的中心距离。为了反复拆卸的方便，可在套环13的内壁涂抹润滑剂；根据不同的桩中心距离，制作不同尺寸的定位杆12即可；定位杆12能把沉桩限位架的两臂有效进行固定与限位，确保位置准确。

3）、打入第一根桩15：

在设计指定位置，起吊第一根桩15套入沉桩限位架上一个限位套筒8的刚套筒中中，并打入海床，如图14所示：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。

施工第一根桩15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；故第一根桩应选择在风浪较小的时候进行施工；但完成第一根桩施工后，沉桩限位架已与两根桩固定连接，后续施工受风浪的影响较小。

4）、打入第二根桩16：

起吊第二根桩16套入沉桩限位架上另一个限位套筒8的刚套筒中中，并打入海床，如图15所示。

打设第二根桩16时，沉桩限位架已被中心定位桩14与第一根桩15完全约束与固定，其形成稳定的三角形分布，故能确保第二根桩16的位置及铅锤度的准确性。

5）、打入第三根桩17：

先取下套在限位套筒8上的定位杆12，再把套在第一根桩15上的限位套筒8取出，然后旋转已取出限位套筒8一侧的限位架，使其到达第二根桩16的一侧，再把定位杆12的两个套环13分别套住沉桩限位架上的两个限位套筒8，起吊第三根桩17套入沉桩限位架上空置的限位套筒8的刚套筒中中，并打入海床，如图16所示。

打设第三根桩17时，沉桩限位架已被中心定位桩14与第二根桩16完全约束与固定，故其位置与铅锤度有保障。可见，在后续沉桩过程中，始终有中心定位桩14与相邻桩对沉桩限位架进行固定与限位。

6）、以此类推，依次打入其它各桩：

取下套在限位套筒8上的定位杆12，再把套在第二根桩16上的限位套筒8取出，然后旋转已取出限位套筒8一侧的限位架，使其到达第三根桩17的一侧，再把定位杆12的两个套环13分别套住沉桩限位架上的两个限位套筒8，起吊第四根桩18套入沉桩限位架上空置的限位套筒8的刚套筒中中，并打入海床；以次类推，逐个旋转沉桩限位架的并打入各桩，直至完成全部基桩的打入作业，如图17~图19所示。

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。

7）、移除沉桩限位架：

完成各桩的打入施工后，取下定位杆12，取出沉桩限位架并浮于海面拉走，并移除中心定位桩14。

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8与限位架连接处的螺栓，逐个把限位套筒8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。