海上风电群桩基础沉桩施工方法及专用导向架与流程

本发明涉及一种海上风电群桩基础沉桩施工方法及专用导向架。

背景技术：

随着国内海上风力发电，尤其是大功率风力发电机和深水海上风场的快速发展，不同海域的地质条件差异巨大，海上风机基础必须能够适应多种复杂地质，因此，对于复杂的海洋地质条件，要将大型风力发电机及其支撑结构固定在海床上尤为重要。

单桩基础导向架结构受力明显，可在船舷处通过临时改造放置导向架，但群桩基础结构较为分散，无法通过直接在船舷处放置导向架来实现。

因而，针对上述要求需要我们设计一种施工方便，以及能够保证钢桩位置、垂直度、高程及高差准确、钢桩结构受力均匀性及科学性的施工方法，以及设计一种该方法中使用的专用导向架。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种海上风电群桩基础沉桩施工方法以及该方法中需用到的专用导向架。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

海上风电群桩基础沉桩施工方法，其特征在于：包括以下步骤：

一、施工准备：各种材料及设备准备到位，并制作好导向架，

二、绞锚gps精确定位：使导向架打桩位置与设计位置基本重合，

三、临时桩插打：通过导向架的临时桩导向管打入临时桩，然后将导向架通过悬挂系统固定悬挂于临时桩上，以便形成固定平台，

四、钢管桩起吊翻转、插桩：吊具将钢管桩起吊按照要求插入导向架的套管内，

五、第一次沉桩：用液压锤依次将四根钢管桩插打至桩顶距导向架上平面一定高度，

六、第二次沉桩：采用送桩器辅助沉桩至水下设计标高，

七、沉桩测量控制：保证钢管桩之间相对距离偏差、高程、高差、垂直度符合工艺要求，

八、拆除平台及临时桩。

所述导向架上设有气泡帷幕。

步骤三的具体过程在于：

1，吊船精确定位，吊装导向架入水并搁于海床，

2，吊机从运输船上直接单点起吊临时桩，将四根临时桩依次竖直插入导向架的套管内，临时桩通过自重入泥支撑，

3，吊机从甲板起吊打桩锤，通过液压夹持器固定安装于临时桩顶部

4，启动打桩锤，观测控制打桩能量及贯入度，完成沉桩，

5，依次完成四根临时桩插打，临时桩标高控制在预定高度，

6，吊机整体提升导向架，

7，利用悬挂系统将导向架挂在临时桩上，

8，通过固定于海中测量平台监控，调平导向架水平，形成打桩固定平台。

海上风电群桩基础沉桩施工专用导向架，其特征在于：包括上导向架及下导向架，所述上导向架包括四个两两对称排布的钢桩上导管，且每两个钢桩上导管间设有临时桩上导管，所述钢桩上导管与临时桩上导管间通过上钢梁连接；所述下导向架包括四个两两对称排布的钢桩下导管，且每两个钢桩下导管间设有临时桩下导管，所述钢桩下导管与临时桩下导管间通过下钢梁连接，所述上导向架与下导向架之间通过螺栓连接为一个整体,且临时桩上导管与相应的临时桩下导管同轴，所述每一钢桩上导管的顶端部设有若干能够校正钢桩垂直度的导向轮组，所述钢桩下导管低端焊有防沉板，所述临时桩顶部设有可以提升导向架的悬挂装置。

所述导向轮组包括固定于上导向架上的油压缸，该油压缸的活塞杆端部连接有滑块，该滑块上设有转轴，该转轴上设有滚轮。

所述导管内设有限位块。

所述钢桩上导管的顶端部环形均布有四组导向轮组。

所述钢桩上导管与临时桩上导管间还设有用于加强连接的上斜钢梁；所述钢桩下导管与临时桩下导管间还设有用于加强连接的下斜钢梁。

所述防沉板上设有若干通孔。

所述临时桩顶部设有可以提升导向架的悬挂装置。

本发明的有益效果是：通过本施工方法打入的钢管桩，不仅施工方便，而且钢管桩位置、垂直度、高程及高差准确，且能保证其钢管桩结构受力的均匀性及科学性。

本发明的导向架底焊有防沉板，导向架通过防沉板搁于海床，如果海床稍有凹凸，因防沉板面积大，因而整体也可保持平整，避免了对船机的改造以用于安装专用导向架。但是由于防沉板陷入海床的淤泥中，增加了提升的困难，因而本导向架采用可拆的上、下两层结构，在打桩完成后可以选择将连接上导向架及下导向架的螺栓拆卸掉，将上下两层导向架分层吊起，也可以选择上下两层导向架一同吊起。防沉板上设有若干通孔，能够减小淤泥对防沉板吸附作用。

本发明可以坐底成为临时固定式平台，也可以悬挂在临时桩上成为临时浮式平台，具有定位快，精度高等特点，并具有快速施工的作用，极大提高了我国海上风电施工技术水平大大

降低了施工成本，促进我国海上风电市场的发展。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的正视结构示意图；

图2是本发明的俯视结构示意图；

图3是图1的a处局部放大图；

图4是施工方法的流程简图。

具体实施方式

参照图1至图3，本发明公开了公开了一种海上风电群桩基础沉桩施工专用导向架，包括上导向架1及下导向架2，所述上导向架1包括四个两两对称排布的钢桩上导管11，且每两个钢桩上导管11间设有临时桩上导管12，所述钢桩上导管11与临时桩上导管12间通过上钢梁13连接；所述下导向架2包括四个两两对称排布的钢桩下导管21，且每两个钢桩下导管21间设有临时桩下导管22，所述钢桩下导管21与临时桩下导管22间通过下钢梁23连接，所述钢桩上导管11与对应的钢桩下导管21通过螺栓连接为一个套管，从而也使上导向架1与下导向架2连接为一个整体，且临时桩上导管12与相应的临时桩下导管22同轴，为了增加连接强度钢桩上导管11与临时桩上导管12间还设有用于加强连接的上斜钢梁14；所述钢桩下导管21与临时桩下导管22间还设有用于加强连接的下斜钢梁24。上述结构中，临时桩通过临时桩上导管12及相应的临时桩下导管22导入，当临时桩打入后再将导向架挂起，通过悬挂装置将导向架挂在临时桩上，该悬挂装置为一放置于临时桩顶端的悬挂座15，该悬挂座15的边沿设有悬挂杆16，该悬挂杆16端部通过螺栓与上导向架1锁紧，从而将导向架悬挂于临时桩上，悬挂的同时将导向架调平，形成临时浮式打桩平台，从而将钢管桩从钢桩上导管11及相应的钢桩下导管21导入并锤到预定标高，所述导向架套管上设置有水平刻度线。

当然上述只是我们根据施工要求及环境对导向架1使用的一种具体选择；在不同的施工要求及环境下，我们也可将导向架整体放置在海床上，插入临时桩固定位置，测量导向架水平度，通过局部压重微调使其达到设计水平，形成临时固定式打桩平台。

如图所示，为了在打入钢管桩的过程中保证钢管桩的垂直度，所述每一钢桩上导管11的顶端部设有四组能够校正钢桩垂直度的导向轮组3，所述导向轮组3包括固定于上导向架1上的油压缸31，该油压缸31的活塞杆端部连接有滑块32，该滑块32上设有转轴33，该转轴33上设有滚轮34，且上导向架1上设有引导滑块32滑动的导管35，因而通过控制各油压缸31就能够控制相应滚轮34的位置，通过滚轮34推挤钢管桩就能使钢管桩保持垂直，而且导管35内设有限位块36，用于控制滑块32的移动位置。

参照图4，本发明还公开了一种海上风电群桩基础沉桩施工方法，包括以下步骤：

一、施工准备：各种材料及设备准备到位，并制作好导向架，

二、抛锚定位：使导向架打桩位置与设计位置基本重合，具

体过程为：利用固定于驾驶台的2台gps测站和倾斜仪作为打桩定位系统，通过电脑实时测量显示桩位坐标和方位差值。然后通过绞锚系统调整船体位置，使导向架打桩位置与设计位置基本重合，使中心偏差小于30cm，转角偏差要小于1°。导向架起吊下放过程中，通过控制船体轴线和导向架轴线平行或正交，控制导向架的方位角。导向架整体下放到海床后，观察套管刻度线，判断导向架是否基本水平。全回转吊船及临时桩运输驳船就位于导向架侧面施工位置，准备吊临时桩。正式桩运输船驻泊于吊船前方。

三、临时桩插打：以便形成固定平台，具体流程在于：临时桩

采用直径为2.0m，壁厚20mm钢管桩四根，单桩长约50m。临时桩采用振动打桩锤插打；临时桩单桩极限承载力范围按200～250t复核计算，施工前根据深度范围进行每个机位的桩长计算，以承载力控制入泥深度。临时桩桩顶标高控制在+5cm左右，四根临时桩桩顶标高大致相同。

临时桩及固定平台施工步骤为：全回转吊船精确定位，吊装导向架入水并搁于海床→全回转吊机从运输船上直接单点起吊临时桩→将四根临时桩依次竖直插入导向架套管内，自重入泥支撑→全回转吊机从甲板起吊液压振动打桩锤，通过液压夹持器固定安装于临时桩顶部→启动振动打桩锤，观测控制打桩能量及贯入度，完成沉桩（沉桩过程中，对定位桩垂直度进行监控）→依次完成四根临时桩插打，标高控制在+5cm左右→全回转吊机尝试整体提升导向架（如不成功，则只吊上层导向架），顶标高控制在+4cm以下→利用悬挂系统将导向架挂在临时桩上→通过固定于海中测量平台监控，调平导向架，形成打桩固定平台。

四、钢管桩起吊翻转、插桩：吊具将钢管桩起吊按

照要求插入导向架的套管内，钢管桩采用专用吊具起吊，钢管桩设两端吊点，利用全回转主吊钩起吊上端，副钩起吊下端，钢管桩通过两个吊钩起落动作，完成翻转呈竖直状态，解除下端吊具，钢管桩由全回转主吊钩吊挂呈竖直状态。

单桩起吊时下部吊具采用一根软吊带，“♂”字形捆绑在钢管桩下端；上端采用两根钢丝绳及扁担梁平行起吊。

全回转吊船逐一将四根桩插入整体定位导向架套管内，钢管桩入泥前，测量人员于导向架顶面就位观测，调整套管上油顶，使钢管桩竖直，并尽量让钢管桩居中。全回转吊船主钩缓缓下放，让钢管桩在自重作用下定位下沉。每下沉2米左右观测一次，下沉完毕，观测桩位偏差，若偏差超限，可提升钢管桩，重新调整定位。

五、第一次沉桩：沉桩至桩顶距导向架上平面一定高度，并

依次将四根钢管桩插打至同一高度，具体在于：钢管桩完成插桩后，随即进行第一次沉桩。采用全回转起吊安装液压打桩锤，将锤筒套在钢管桩桩头上，利用导向架调整好钢管桩平面位置及垂直度后，液压锤打桩，吊耳距导向架顶约1米时，割除吊耳；沉桩至桩顶距导向架上平面4.5m左右（因液压锤不能通过导向架，且锤筒高度约2.5m），完成第一次沉桩作业，依次将四根钢管桩插打至同一高度。

上述过程的锤击控制具体如下：液压打桩锤锤击能量的“档位”可调，为防止打桩能量过大、钢管桩内应力超标致钢管桩损坏，实际最大打桩能量预控在合理范围内。刚开始沉桩时，用低档位启动，小冲程锤击沉桩；下沉变缓后逐步切换到高档位或较大冲程锤击沉桩；当发现贯入度自小变大时再切换至低档小冲程沉桩，该锤采用控制柜内计算机控制，能够通过打桩进程自动调整控制规避异常风险，同时自动记录各项打桩参数。

停锤的标准具体以设计标高为准，贯入度作为校核。

锤击处理要求：

（1）、在浅层时，当锤击数突然增大，大于125击/0.25m时；

（2）、在第一次沉桩过程中，连续锤击五阵，平均每阵大于125击/0.25m或者锤击1阵大于250击/0.25m；停锤超过1h，大于500击/0.25m时。

达到设计标高终锤前采用单击沉桩，以便实时测量控制桩顶标高，使四根桩桩顶标高基本一致。操作人员确认达到要求后，实测记录打桩垂直度、桩顶标高及桩位实际坐标。

六、第二次沉桩：采用送桩器辅助沉桩至设计标高，

七、沉桩测量控制：保证钢管桩之间相对距离偏差、高程、高差、垂直度符合工艺要求，

导向架水平度测量时，测量人员在导向架顶面用水准仪取点测量。

正式桩沉桩测量时，测量人员可在导向架顶面固定位置架设仪器监控。平面控制：通过gps及全站仪对钢管桩平面位置进行监控、控制；同时，保证钢管桩之间相对距离距离偏差要求。

高程及高差控制：采用导向架固定平台作为基准，基准点高程由gps高程测量获得。平台上安装水准仪，以基准点作为后视，观测送桩器标识点，从而推算出钢管桩桩顶标高进行控制。重点观测及记录四根钢管桩桩顶标高和桩心平面位置，为后续桩头处理定位提供原始数据支持。

垂直度控制：垂直度采用两台经纬仪呈90°布置扫边，使钢管桩垂直度在1/250以内。

八、拆除平台及临时桩。具体在于：钢管桩沉桩结束后，利用全回转吊船整体提起导向架置于吊船甲板。振动锤进行临时桩拔除，平台拆除后，相关船只转移至下一基础位施工。

所述导向架上设有气泡帷幕。为避免沉桩噪音对海洋生物造成损伤，对四根钢管桩分别做气泡帷幕，减低噪音。风机基础桩直径2.2m，气泡帷幕直径为5m，通气管为4层直径5.0cm钢管，钢管外侧壁钻2排梅花形布置的2mm圆孔，孔距5cm。每根桩插打时，在导向架上，将空压机出气管与该桩气泡帷幕进气软管连接即可。沉桩时启动空压机，使桁架上四层通气钢管喷出压缩空气，从而形成连绵不绝的气泡帷幕。

以上对本发明实施例所提供的一种海上风电群桩基础沉桩施工方法及专用导向架，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。