一种沉桩定位工装的制作方法

本发明涉及海上风电技术领域，特别涉及一种沉桩定位工装。

背景技术：

针对30-60m水深海域海上风电场风机基础选型，先桩法导管架基础型式有较大优势，如何降低海上施工成本成为该基础型式推广应用的关键。目前，先桩法沉桩施工方案有辅助桩+浮式平台、辅助桩+防沉板、分体式(导向筒+负压筒)等三种定位工装型式。

上述三种定位工装中，辅助桩+浮式平台的型式，其施工效率较为低下，而辅助桩+防沉板的型式，则施工成本较高，相对于这两种型式，虽然导向筒+负压筒型式的施工效率和施工成本都有所改善，但仍然不尽理想，并且其还存在结构复杂、工作性能不佳的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种沉桩定位工装，其能够进一步提升沉桩的施工效率，降低施工成本，并且还令自身结构得到了简化，工作性能得到了提升。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种沉桩定位工装，用于在海床上安装钢桩，包括：

能够伸入到海床中，以将所述沉桩定位工装固定在海床上的多个负压筒；

与所述负压筒一对一的同轴连接，并位于所述负压筒顶部的多个导向筒，所述导向筒用于将所述钢桩导向至海床；

与所述导向筒连接，且顶端能够伸出海面的支撑结构；

设置在所述支撑结构上，并位于海面之上的操作平台。

优选的，上述沉桩定位工装中，所述负压筒包括内筒和套设在所述内筒外侧的外筒，所述内筒和所述外筒之间通过连接劲板连接。

优选的，上述沉桩定位工装中，实现所述负压筒内压力变化的系统包括充排水系统和充排气系统。

优选的，上述沉桩定位工装中，所述支撑结构包括：

与全部所述导向筒连接的支架；

连接在所述支架上，并位于全部所述导向筒围成的多边形的中心部位的中心立柱，所述中心立柱的顶端伸出海面并支撑所述操作平台。

优选的，上述沉桩定位工装中，所述导向筒的顶端开口为喇叭口，所述导向筒的底端伸入到所述负压筒中。

优选的，上述沉桩定位工装中，所述喇叭口为开口边缘的高度渐变的倾斜喇叭口，并且所述开口边缘的最靠近所述中心立柱的部位高度最大。

优选的，上述沉桩定位工装中，所述导向筒的内壁上凸出的设置有多层导向结构，每层所述导向结构均包括围绕所述导向筒的轴线均分布的多个导向劲板。

优选的，上述沉桩定位工装中，距离所述喇叭口最近的所述导向结构中，全部所述导向劲板的顶部边缘均为弧形边缘，以使所述导向结构的顶部开口为喇叭口。

优选的，上述沉桩定位工装中，所述中心立柱为中空结构，并且所述中心立柱的底端密封，顶端安装有可拆卸的防雨罩。

优选的，上述沉桩定位工装中，所述中心立柱的内壁上凸出的设置有导向结构和承托结构，所述导向结构能够对进入到所述中心立柱内腔中的部件进行导向，所述承托结构能够对进入到所述中心立柱内腔中的部件进行支撑。

优选的，上述沉桩定位工装中，

所述导向结构靠近所述中心立柱的顶端设置，并包括围绕所述中心立柱的轴线均分布的多个导向劲板，且全部所述导向劲板的顶部边缘均为弧形边缘，以使所述导向结构的顶部开口为喇叭口；

所述承托结构靠近所述中心立柱的底端设置，并包括围绕所述中心立柱的轴线均分布的多个承托劲板。

优选的，上述沉桩定位工装中，所述中心立柱的外周壁上设置有多段刻度，每段所述刻度均沿所述中心立柱的轴向分布，全部所述刻度与全部所述导向筒一一对正设置。

优选的，上述沉桩定位工装中，所述刻度的起始刻度线与所述开口边缘的最高部位平齐，所述刻度的终止刻度线位于海面之上。

优选的，上述沉桩定位工装中，所述操作平台的边缘设置有沿所述中心立柱的径向伸出的多个槽型结构，所述槽型结构与所述导向筒一对一设置，并且进入到所述槽型结构开口中的所述钢桩，在所述槽型结构的限位下与所述导向筒同轴。

优选的，上述沉桩定位工装中，所述充排水系统和所述充排气系统的管道均连通全部所述负压筒，并延伸至所述操作平台，且与设置在所述操作平台上的所述充排水系统和所述充排气系统的动力设备和控制设备连接。

优选的，上述沉桩定位工装中，所述中心立柱上设置有与所述操作平台连通的爬梯，以及与所述爬梯配合的防坠落装置。

本发明提供的沉桩定位工装，通过多个负压筒实现了整个沉桩定位工装在海床上的固定，由于多个导向筒与多个负压筒一对一的同轴连接，所以在将负压筒定位在海床上的同时，就实现了负压筒的精确定位，进而可以通过导向筒实现对钢桩的精确导向，从而令钢桩的沉桩操作可以更加简单、方便、快捷的实现，相对于现有的负压筒和导向筒错位设置的结构，令施工效率得到了进一步的提升，缩短了施工周期，降低了施工成本，并且还通过使导向筒和负压筒同轴设置的方式，令沉桩定位工装的体积得以减小，结构得到简化，施工精度更高，不仅节省了制造成本，而且还提升了沉桩定位工装的工作性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的沉桩定位工装的轴测图；

图2为沉桩定位工装的主视图。

以上图1和图2中：

1-负压筒，2-导向筒，3-操作平台，4-支架，5-中心立柱，6-喇叭口，7-槽型结构，8-管道，9-爬梯；

101-内筒，102-外筒。

具体实施方式

本发明提供了一种沉桩定位工装，其能够进一步提升沉桩的施工效率，降低施工成本，并且还令自身结构得到了简化，工作性能得到了提升。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种沉桩定位工装，其在海上风电场的施工过程中，适用于三桩、四桩等多桩型式先桩法导管架基础沉桩施工，本实施例中令附图仅示意四桩型式先桩法导管架基础沉桩施工用沉桩定位工装，其余多桩型式与所示附图类似。该沉桩定位工装主要包括负压筒1、导向筒2、支撑结构和操作平台3，其中：负压筒1为多个，并通过多个负压筒1的配合实现对整个沉桩定位工装的支撑和固定，其工作时伸入到海床中，并位于海床的泥面以下，如图2所示，以作为整个沉桩定位工装的基础将上部荷载传递于海床；导向筒2设置在负压筒1的顶部，其位于泥面以上，如图2所示，主要用于钢桩在下沉到海底的过程中，对钢桩进行导向，以使钢桩精确落在预定的固定位置，相对于现有技术中导向筒2和负压筒1错位设置的方式(即现有技术中导向筒2设置在负压筒1的侧部)，本实施例令多个导向筒2一对一的连接在多个负压筒1的正上方，即两者同轴设置，如图1和图2所示，从而能够在将负压筒1精确定位在海床预定位置上的同时，实现了导向筒2在预定位置的精确定位，令钢桩可以在导向筒2的导向下直接到达预定的安装位置；支撑结构连接在导向筒2上，本实施例中也可以将导向筒2看作支撑结构的组成部分，支撑结构通过与导向筒2连接实现与负压筒1的连接，并且支撑结构的顶端还伸出至了海面之上，同时在支撑结构伸出海面的顶端设置了操作平台3，使得操作人员能够上到操作平台3上进行辅助操作，具体的，该操作平台3可集测量、切割、负压筒施工操作、喂桩等多种功能为一体。

上述结构的沉桩定位工装，相对于现有技术中导向筒2和负压筒1错位设置的方式，可以使施工效率得到进一步的提升，缩短了施工周期，降低了施工成本，并且还通过使导向筒2和负压筒1同轴设置的方式，令沉桩定位工装的体积得以减小，结构得到简化，施工精度更高，不仅节省了制造成本，而且还提升了沉桩定位工装的工作性能。

为了进一步优化技术方案，本实施例提供的沉桩定位工装中，如图2所示，优选负压筒1包括内筒101和套设在内筒101外侧的外筒102，内筒101和外筒102之间通过连接劲板连接。内外双层筒的设置结构，相对于单层筒的结构，在令负压筒1与海床具有足够接触面积以保证支撑、固定效果的同时，能够显著降低负压筒1的高度，还可以显著增加负压筒1的承载力，同时增加负压筒1的刚度，减小屈曲风险，而且也可以有效降低负压筒1的壁厚，令负压筒1的工作性能得到大幅提升。具体的，内筒101和外筒102之间通过多道连接劲板连接，并在连接劲板顶部设置水、气连通通道，以方便负压筒1与下面提到的充排水系统和充排气系统配合工作，同时，负压筒1的顶部与导向筒2通过多道t型劲板相连。

本实施例中，优选实现负压筒1内压力变化的系统包括充排水系统和充排气系统。在现有技术中，实现负压筒1内压力变化的系统为充排水系统，其工作过程为：当负压筒1与海床接触并需要进入到海床内部时，令充排水系统将负压筒1内部的海水抽走，以使负压筒1内部为负压状态，并通过负压令负压筒1进入到海床中(此过程称为贯入)；当沉桩操作完成后，需要拆除沉桩定位工装时，令充排水系统向负压筒1的内部充水，以使负压筒1内部为高压状态，并通过高压使得负压筒1从海床中移出(此过程称为顶出)。但是，在实际施工过程中，有时会遇到海床导水性较好的情况，即在顶出过程中，充入到负压筒1内部的水会很快的渗透到海床中而流走，导致通过充水无法令负压筒1内部具有足够的高压，无法实现负压筒1的顺利顶出。所以为了解决该问题，本实施例优选在设置充排水系统的同时，还增设充排气系统，当充水无法实现负压筒1的顶出时，则可以通过向负压筒1内充气或者水、气同时充入的方式来增大负压筒1内部的压力，从而保证负压筒1的顺利顶出。在设置充排水系统和充排气系统的基础之上，负压筒1内部不仅需要设置前面提到的水、气连通通道，还需要在负压筒1的顶盖上开设充排水接口和充排气接口，以实现负压筒1与充排水系统和充排气系统的管道8的正常连通。

如图1和图2所示，支撑结构包括：与全部导向筒2连接的支架4；连接在支架4上，并位于全部导向筒2围成的多边形的中心部位的中心立柱5，中心立柱5的顶端伸出海面并支撑操作平台3。支架4包括上弦杆、下弦杆、竖腹杆、斜腹杆等，其通过相互连接以及与导向筒2连接，将各个导向筒2连为整体，本实施例中优选各个导向筒2位于支架4的边角处，支架4和各个导向筒2配合连接成规则的几何形状，例如图1和图2所示的长方体形，从而令导向筒2成为支撑结构的主要受力杆件。中心立柱5位于规则几何形状的中心，其通过水平和竖向支撑与导向筒2相连接，从而实现负压筒1、导向筒2、支撑结构的一体连接，并且还令操作平台3也与中心立柱5一体连接，进而令整个沉桩定位工装成为一体结构。

上述支撑结构中，通过设置中心立柱5和操作平台3，并使操作人员在操作平台3上辅助进行吊索具挂扣、存放、摘扣等操作，能够显著提升施工效率。并且，中心立柱5的顶部外侧对称设置轴式吊装用吊耳，通过该吊耳能够实现对整个沉桩定位工装的吊装。此外，本实施例提供的沉桩定位工装，仅在支架4中心位置设置一根中心立柱5，相对于现有技术中在支架4的四周设置多根立柱的结构，能够令沉桩定位工装的结构得到大幅简化，不仅令沉桩定位工装的运输、安装更为便捷，而且也显著的降低了制造成本。

如图1和图2所示，本实施例还优选导向筒2的顶端开口为喇叭口6，并且导向筒2的底端伸入到负压筒1中。在沉桩过程中，由于需要使下沉的钢桩进入到导向筒2中，所以为了使承受水流冲击而经常晃动的钢桩更容易的进入到导向筒2中，令导向筒2的顶端开口为喇叭口6。因为喇叭口6为渐扩口，其开口面积更大，更加方便钢桩的找准、进入。而令导向筒2的底端伸入到负压筒1中，具体的是，令导向筒2的底端进入到负压筒1的顶盖下方，并与负压筒1的底标高平齐。同时，喇叭口6外侧设置多道劲板、导向筒2的顶部内侧设置多个备用提升吊耳。

如图1和图2所示，喇叭口6为开口边缘的高度渐变的倾斜喇叭口，并且开口边缘的最靠近中心立柱5的部位高度最大。因为在设置喇叭口6的基础之上，如果令喇叭口6的开口边缘在四周360度的方向上均为等高的水平边缘，则晃动的钢桩仍然具有较大的几率与喇叭口6碰撞，所以为了进一步降低碰撞几率，使得钢桩更加容易的进入到导向筒2中，优选令喇叭口6为开口边缘的高度渐变的倾斜喇叭口(为了方便理解，可以认为倾斜喇叭口是通过常规喇叭口倾斜切割而成)，在具体操作时，当钢桩下降到喇叭口6所在高度时(钢桩与导向筒2之间的距离可以依据后续提到的刻度确定)，具体是钢桩的底端下降到开口边缘最高的部位与最低的部位之间时，使钢桩停止下降，然后令钢桩发生小幅度的水平位移，直至使得钢桩与喇叭口6的倾斜内壁接触(此倾斜内壁一般为位于开口边缘最高部位下方的内壁)，然后令钢桩继续下降就可以将钢桩导向至导向筒2的内部。在上述过程中，钢桩与喇叭口6可能发生碰撞的情况，仅仅是钢桩在停止下降之前可能与开口边缘的最高部位发生碰撞，此碰撞发生的几率，相对于与水平开口的喇叭口碰撞的几率要小很多，显著提升了喂桩工序的效率。

而之所以优选开口边缘的最靠近中心立柱5的部位高度最大，则在后续内容中说明。

更加优选的，导向筒2的内壁上凸出的设置有多层导向结构，每层导向结构均包括围绕导向筒2的轴线均分布的多个导向劲板。本实施例中，根据送桩器所能到达的标高，在导向筒2的内侧设置了两侧导向结构，而之所以在导向筒2内侧的不同标高设置两层导向结构，是为了进一步缩小钢桩通行通道的直径，即通过设置导向结构，能够在导向筒2内部形成直径更小的通道，当钢桩在此通道内通过时，可以更加精确的对钢桩起到导向作用，令导向效果更加突出。而优选直径更小的通道由围绕导向筒2的轴线均分布的多个导向劲板围成，是因为该结构较为简单，易于加工制造，且成本较低，所以将其作为本实施例中的优选结构。

进一步的，还优选距离喇叭口6最近的导向结构中，全部导向劲板的顶部边缘均为弧形边缘，以使导向结构的顶部开口也为喇叭口。如此设置，能够使得导向结构的开口也为喇叭口，使得钢桩能够从导向筒2内更容易的进入到直径更小的通道中，以使施工效率可以更进一步的提升。本实施例优选导向结构的喇叭口也为倾斜喇叭口，且斜率与导向筒2顶端的倾斜喇叭口的斜率相同。

具体的，优选中心立柱5为中空结构，并且中心立柱5的底端密封，顶端安装有可拆卸的防雨罩。本实施例中，中心立柱5不但可以作为主受力构件，还可以令其为底部密封的中空结构，从而使得中心立柱5可以受到更大的浮力作用，进而可以借助海水的浮力，显著降低负压筒1的负载受力，增强负压筒1对不同地质条件的适用性。而在中心立柱5的顶端设置防雨罩(防雨罩既可以连接在中心立柱5上，也可以连接在操作平台3上)，能够可靠防止沉桩定位工装在操作和避风等在位工况下，雨水等进入中心立柱5的内腔中而引起中心立柱5浮力减小的情况发生。

此外，令中心立柱5为中空结构，还可以为部件提供存放空间，例如中心立柱5的内腔可以为送桩器的竖直存放提供合理空间。通过拆装防雨罩就能够实现中心立柱5的内腔的开启和关闭。

另外，中心立柱5的内壁上凸出的设置有导向结构和承托结构，导向结构能够对进入到中心立柱5内腔中的部件进行导向，承托结构能够对进入到中心立柱5内腔中的部件进行支撑。当中心立柱5的内腔用于存放送桩器时，中心立柱5内腔中的导向结构能够对放入的送桩器起到导向作用，而承托结构则能够将送桩器支撑、定位在中心立柱5的内腔中，以提升中心立柱5的存放效果。本实施例还优选，位于中心立柱5内腔中并靠近中心立柱5顶端设置的导向结构与导向筒2内部的导向结构相同，即导向结构包括围绕中心立柱5的轴线均分布的多个导向劲板，且全部导向劲板的顶部边缘均为弧形边缘，以使导向结构的顶部开口为喇叭口；同样的，令承托结构也采用类似结构，即靠近中心立柱5的底端设置的承托结构包括：围绕中心立柱5的轴线均分布的多个承托劲板。

本实施例中，为了进一步提升沉桩定位工装的工作效果，令中心立柱5的外周壁上设置有多段刻度，每段刻度均沿中心立柱5的轴向分布，全部刻度所在的位置均匀分布在中心立柱5的周向上，以使全部刻度与全部导向筒2一一对正设置，即每段刻度与每个导向筒2对正设置，并且还优选刻度的起始刻度线与开口边缘的最高部位平齐，刻度的终止刻度线位于海面之上。在中心立柱5的四周方向绘制刻度，可以为喂桩工序提供竖向参考，即：由于刻度的0点与喇叭口6的开口边缘的最高部位平齐，所以通过观察海面所对应的刻度数值，就可以直接得出喇叭口6与海面之间的距离，再通过在钢桩上设置刻度，使其能够标示钢桩的入水深度，就能够通过计算实时得出钢桩与倾斜喇叭口6之间的距离，令沉桩操作可以更加精确、方便的进行，又进一步的提升了施工效率。

此外，通过上述刻度得出倾斜喇叭口6与海面之间距离的情况下，在得知作业船机吃水深度的前提下，就能够判断出作业船机在靠近沉桩定位工装时是否会与海面下的导向筒2发生碰撞，从而方便施工的进行。

如图1和图2所示，本实施例进一步优选操作平台3的边缘设置有沿中心立柱5的径向伸出的多个槽型结构7，该槽型结构7与导向筒2一对一设置，并且进入到槽型结构7开口中的钢桩，在槽型结构7的限位下与导向筒2同轴。即，在施工时，由于导向筒2沉入到海面以下，所以从海面之上无法直接确定导向筒2的位置，给施工带来了不便，而本实施例为了提高施工的便捷性以及施工的效率，优选在位于海面之上的操作平台3上设置槽型结构7，并使槽型结构7与导向筒2一一对正设置，从而通孔识别槽型结构7的位置就能够直接判定出位于水下的导向筒2的位置。而槽型结构7在起到标示导向筒2位置的同时，还令其具有开口，当钢桩进入到开口中而与槽型结构7的内壁接触时，则能够对未下降或者处于下降过程中的钢桩起到找准、限位的作用，以使钢桩在下降前或者下降的过程中就与导向筒2同轴，令钢桩可以更容易的进入到导向筒2中，以提高施工精确度和效率。上述的槽型结构7优选其开口为u型开口，其悬挑于操作平台3之外，并通过双斜撑支撑。

在设置此槽型结构7的基础之上，之所以令前述的倾斜喇叭口的开口边缘中最靠近中心立柱5的部位高度最大，是因为通过槽型结构7对钢桩进行限位时，需要令钢桩与u型开口的弧形底壁接触，而该底壁相对于u型开口的其他部位更靠近中心立柱5，所以在钢桩被槽型结构7限位的情况下，钢桩下降过程中也会先与倾斜喇叭口6的开口边缘上靠近中心立柱5的部位接触，所以优选该部位设置高度最高，能够使其更早的与钢桩接触，从而对其进行更加精确的导向，可以使钢桩发生水平位移的幅度更小，甚至能够使钢桩不进行水平位移，令施工精确度和效率更高。

进一步的，优选充排水系统和充排气系统的管道8均连通全部负压筒1，并延伸至操作平台3，如图2所示，且与设置在操作平台3上的充排水系统和充排气系统的动力设备和控制设备连接。具体的是：通过管道8将多个负压筒1进行连通，并集成于导向筒2的顶部底座以形成充排水管系；通过管道8将预留于负压筒1顶部的接口引至操作平台3，并在操作平台3设置阀组、分气包、动力设备、电控箱等必要部件形成充排水系统和充排气系统。此种集成式的充排水系统和充排气系统更易操作，能够提高施工过程中负压筒1的贯入、顶出工况的施工质量和效率。此外，将充排水系统和充排气系统引至位于海面上的操作平台3，不但可以取消潜水作业，而且可以增加由潜水作业作为限制条件的可作业窗口期。

如图2所示，中心立柱5上设置有与操作平台3连通的爬梯9，以及与爬梯9配合的防坠落装置。本实施例中，优选爬梯9的踏步由方钢弯制成c型并焊接至中心立柱5而形成；爬梯9的水平段和操作平台3采用格栅板并焊接至中心立柱5上；中心立柱5中部和操作平台3处分别设置生根件，并分别配备防坠落装置，该防坠落装置可以为现有装置。

综上，本实施例提供的沉桩定位工装，能够提高海上风电先桩法导管架基础施工效率20-35％，降低先桩法导管架基础施工船机成本15-40％，并且可以为海上风电30-60m水深级先桩法导管架基础型式的推广应用提供施工阶段技术支持，降低了建设单位投资造价。

本说明书中对各部分结构采用递进的方式描述，每个部分的结构重点说明的都是与现有结构的不同之处，沉桩定位工装的整体及部分结构可通过组合上述多个部分的结构而得到。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。