一种海上风电大直径单桩沉桩工艺的制作方法

本发明涉及海上风电风机的施工技术，具体涉及海上风电风机基础的施工技术。

背景技术：

目前海上风电发展迅速，大直径单桩基础是海上风电风机基础的主流，由于海上施工船舶在沉桩施工时受波浪、海风等影响，难以控制单桩垂直度，因此，如何将单桩的垂直度控制在3‰以内，是海上风电大直径单桩沉桩的主要技术难题。目前采用工艺辅助桩平台配合沉桩的施工技术，解决超大型单桩基础的沉桩技术。

参见图1，其所示为传统工艺辅助桩平台单桩沉桩施工的流程示例图。由图可知，整个施工过程主要包括工艺辅助桩平台2搭建(如图1a所示)，使用液压冲击锤锤4击沉单桩5(如图1b所示)，单桩5沉桩完成后，将工艺辅助桩平台2拆除(如图1c所示)。

参加图1，传统工艺辅助桩平台2搭建时，先将工艺辅助桩平台放入海底，平台要露出水面以上1-2m，故平台的数量需要根据水深确定，水越深，需要的平台数量越多；工艺辅助桩3需要使用振动锤1沉桩，工艺辅助桩与工艺辅助桩平台之间需使用焊接相连，平台拆除时，需要割除工艺辅助桩与平台之间的焊接钢板，再使用振动锤拔除工艺辅助桩，起吊平台完成工艺辅助桩平台拆除。

由此传统工艺辅助桩平台单桩沉桩施工方式在实际操作过程中普遍存在如下问题：

1)采用传统工艺辅助桩平台配合沉设单桩沉桩的施工技术，需额外配置一艘500t以上的全回转起重船以及振动锤专门用于搭设稳桩平台，增加了船机成本；

2)传统工艺辅助桩平台搭设时间长，单个机位平台搭设需要2天左右，工效较低；

3)传统工艺辅助桩平台含有大量的海上露天焊接和火焰切割作业，施工操作不便利。

技术实现要素：

针对传统工艺辅助桩平台单桩沉桩施工方案所存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种施工效率高且施工成本低的海上风电大直径单桩沉桩工艺。

为了达到上述目的，本发明提供的海上风电大直径单桩沉桩工艺，包括：

自动化移动式稳桩平台根据沉桩工位自动定位，桩腿自动插入海底，抬升平台；

基于稳桩平台对风电大直径单桩进行精确沉桩；

自动化移动式稳桩平台自动完成移动。

进一步的，稳桩平台定位时，首先通过锚艇绑拖至机位附近进行抛锚，接着在抛锚完成后通过绞锚及gps定位至桩中心位置，船舶就位完成后，待高平潮时进行自升式海上稳桩平台插腿顶升。

进一步的，稳桩平台在就位顶升完成后，松开锚缆，主力起重船进点，且起重船船头方向与潮流向一致。

进一步的，基于稳桩平台对风电大直径单桩进行精确沉桩的过程依次包括：

单桩起吊，并立桩；

将单桩送入稳桩平台上的抱桩器；

单桩自重入土，并调直；

套液压冲击锤，并进行压桩；

液压冲击锤沉桩，调直；

高应变检测；

沉桩至设计标高。

进一步的，对单桩进行一字吊抬吊，并在运桩驳退出后，完成竖桩。

进一步的，单桩自重入土后，调整抱桩器将单桩抱紧，并对单桩垂直度控制，调整单桩的垂直度。

进一步的，套液压冲击锤，并进行压桩时，套液压冲击锤与单桩的中轴线相吻合，当单桩与锤接触后，逐步下放吊钩，使压桩重量逐步增加，直至套锤过程桩身无下沉变化。

进一步的，所述高应变检测过程包括：

在稳桩结束后，在单桩上分别安装应变传感器和加速度传感器；

在锤击沉桩过程中，由设置在单桩上的应变传感器和加速度传感器分别测得该单桩在沉桩过程中的应变信号和加速度信号，并将测得的应变信号和加速度信号转换成对应的力信号和速度信号进行显示；

根据试验要求，在现场基于case法进行分析计算。

进一步的，在高应变检测过程中，在单桩上分别安装一对应变传感器和一对加速度传感器。

进一步的，所述高应变检测过程还包括在试验检测前，预先在单桩桩顶以下相应的位置设置用于安置相应传感器的安置孔的步骤。

本发明提供的方案采用稳桩平台即自动化移动式稳桩平台配合相应的操作工序，能够大大提高海上风电大直径单桩沉桩的施工效率，并且能够同时降低船机设备的使用，从而降低施工成本。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为传统工艺辅助桩平台单桩沉桩施工的流程示例图；

图2为本实例中海上风电大直径打桩沉桩施工的流程实例图；

图3为本实例中自动化移动式稳桩平台的结构示例图；

图4为本实例中进行海上风电大直径打桩沉桩施工的工序流程图；

图5为本实例中单桩沉桩船的船位布置示意图；

图6为本实例中对单桩进行一字吊抬吊的示意图；

图7为本实例中单桩送入自动化移动式稳桩平台抱桩器的示意图；

图8为本实例中液压锤沉桩的示意图；

图9为本实例中进行高应变动测的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

针对传统工艺辅助桩平台单桩沉桩施工方案所存在的问题，本方案基于自动化移动式稳桩平台提供一种海上风电大直径单桩沉桩方案。

参见图2，其所示为本海上风电大直径单桩沉桩方案进行施工的基本流程示例图。

由图可知，本沉桩方案在进行施工时，主要包括如下三个步骤：

自动化移动式稳桩平台11根据沉桩工位进行定位，并在定位后桩腿12自动插入海底，平台11自动抬升(如图2a所示)；

基于自动化移动式稳桩平台11对风电单桩基础14进行稳桩，并使用液压冲击锤锤13击沉单桩(如图2b所示)；

自动化移动式稳桩平台11在单桩沉桩完成后，自动拔、收桩腿，自动完成移位(如图2c所示)。

本方案采用稳桩平台即自动化移动式稳桩平台取代传统工艺辅助桩稳桩平台由此来实现单桩的稳桩工序，并在此基础上配合相应的沉桩操作工序，从而大大提高海上风电大直径单桩沉桩的施工效率。

据此以下通过一应用实例来进一步说明本方案的实施过程。

本实例采用自动化移动式稳桩平台和相应的单桩沉桩船相互配合来完成整个风电大直径单桩沉桩的操作。

参见图3，其所示为本实例中采用到的自动化移动式稳桩平台的结构示例图。

由图可知，该自动化移动式稳桩平台20主要由平台主体24、抱桩稳桩系统21、升降系统22、控制系统23、锚机系统25、舵桨系统26和桩腿27相互配合组成。

其中，平台主体24用于承载其他组成部件，并在海上提供一个静止的工作平台；抱桩稳桩系统21安置在平台主体24船艏的中间部位，利用相应的液压体系顶推单桩调节单桩垂直度。升降系统22设置在平台主体24的四个边角处，用于与桩腿27配合，将平台主体24形成一个静止的工作平台；控制系统23用于配合升降系统22完成插拔腿顶升工作；锚机系统25主要用于实现平台主体24的定位；舵桨系统26设置在平台主体24的船尾，用于场内移船

由此构成的稳桩平台20适用直径5～7米管桩的沉桩前稳桩、调节，能够承受的侧向力500kn，可实现平台自动抬升、自动移动与gps定位及自动调整单桩垂直度。

本实例中涉及到单桩沉桩船可采用现有常规的单桩沉桩船，对于其具体的构成方案，此处不加以赘述。

据此，本实例进行海上风电大直径打桩沉桩施工的流程如下(参见图4)：

(1)自动化移动式稳桩平台进点就位。

首先，自动化移动式稳桩平台通过两条锚艇绑拖至机位附近进行抛锚，这里总共抛4个锚，抛锚完成后通过绞锚及gps定位至桩中心位置，使得自动化移动式稳桩平台上的抱桩器中心与桩中心重合，在船舶就位完成后，待高平潮时进行自升式海上稳桩平台插腿顶升。

(2)沉桩主力起重船就位。

自动化移动式稳桩平台就位顶升完成后，松开锚缆；随后主力起重船30进点(如图5所示)，起重船船头方向与潮流向一致，船舶进场后抛6个锚，控制船位到达设定的坐标附近，通过gps机位坐标显示，调整锚缆长度，对起重船位进行精确定位。

(3)自动化移动式稳桩平台精定位、顶升。

自动化移动式稳桩平台顶抬升目的是在海上为大直径单桩提供一个高出海平面静止的施工平台，用于控制单桩垂直度。

(4)运桩驳靠驳

参见图5，起重船(即单桩沉桩船)30完成抛锚后，运桩驳40进点抛锚就位。单桩沉桩船作为主力起重船，用于起吊液压冲击锤，沉设单桩，且主起重船船头方向与潮流向一致，由此可以减少船舶所受到的水流力，防止船舶走锚。

(5)单桩沉桩。

(51)起吊；

船舶进场驻位完成后待现场人员检查确认无误后，开始对单桩一字吊抬吊，如图6所示，主力起重船30上的主钩32与副钩31相互配合开始同步起吊，当单桩50完全离开运桩驳甲板大约0.5m时，暂停起吊，再次检查钢丝绳受力情况，无异常后继续起吊，当单桩距离运桩驳甲板6～7m时运桩驳退出施工区域，由此只需一条起重船即可完成起吊，可以大大降低施工成本。。

(52)立桩；

运桩驳退出后，主力起重船主副钩相互配合完成竖桩。竖桩完成后副钩船继续下放吊钩，使钢丝绳不受力，安排交通船将单桩翻身卸扣抽出。

(53)单桩送入自动化移动式稳桩平台抱桩器；

解扣完成后，主力起重船继续起吊单桩，旋转主力起重船30的起重机大臂完成将单桩50送入自动化移动式稳桩平台20上的抱桩器21操作，随后关闭抱桩器21(参见图7)。通过主力起重船主吊机调整桩身至抱桩器21正中间后开始下放单桩50。

(54)单桩自重入土

单桩入土后调整抱桩器上下两层的液压油缸，将钢管桩抱紧，并采用2台全站仪进行钢管桩垂直度观测，同时利用自升式平台上抱桩稳桩系统上的液压设备顶推单桩对其垂直度进行控制，调整钢管桩的垂直度，使其偏差不超过1‰。

单桩在自重作用下，下沉至泥面下一定深度后停滞下沉后计算单桩实际自重入土深度并与理论计算自重入土深度并进行对比分析，如有明显差别应及时进行分析，如实际自重入土深度与理论计算自重入土深度相差5m以上则需进行分析，以确定是否需要重新勘探；在确认单桩稳定后，起重船继续下放钢丝绳，使钢丝绳处于不受力且不脱钩状态；观察15分钟，桩身无变化后(如有变化继续观察)，再进行下一道工序施工，由此可以预防突然溜桩现象，保证施工安全。

(6)压桩、套液压冲击锤；

单桩自重入土完成后开始起吊液压冲击锤33(如图8所示)进行套锤操作，套锤过程必须保证锤、桩的中轴线相吻合，当桩与锤接触后，逐步下放吊钩，使压桩重量逐步增加，直至套锤过程桩身无下沉变化后再进行下一道工序施工。

(7)液压冲击锤沉桩

在保证单桩垂直度的情况下(本实例中开锤前单桩垂直度按0.5～1‰控制)，开启液压冲击锤，先以小能量锤击沉桩，点动2～3锤，暂停一段时间，无异常后继续点动2～3锤，再次暂停一段时间，如此3～4次，并安排测量观测桩身数据，调整桩身姿态，由此可以预防突然溜桩现象，保证施工安全；

完成桩身调整后观测15分钟，无变化后继续沉桩，每隔1～2m观测、调整一次，当桩继续入土10m时，改为每隔3～4m观测、调整一次，当桩继续入土10m时，此时桩入土深度约30m，调整措施已无法起到调整作用，改为连续液压沉桩(连续沉桩单桩垂直度按1～1.5‰控制)，由此便于沉桩对单桩垂直度的调整。

(8)高应变检测；

参见图9，其所示为本实例中进行高应变检测的示例图。由图可知，该高应变检测主要基于相应的高应变动测系统60进行，该高应变动测系统60主要一对应变传感器61、一对加速度传感器62、打桩分析仪63、分析计算机64等配合构成。

其中，一对应变传感器61和一对加速度传感器62对应的设置相应的试验桩70上，而打桩分析仪63通过电缆65连接应变传感器61和加速度传感器62，而分析计算机64则连接打桩分析仪63和相应的打印机66。

据此，本实例进行高应变检测的过程如下：

在试验开始前，预先于驳船上在选定的试验桩70的桩顶以下适当位置处开设有相应安装孔，用于固定传感器。

由此，待稳桩结束后，将一对应变传感器和一对加速度传感器分别对称于桩轴线安装在桩的两侧，这样既可以减少偏心锤击对测试数据产生的误差，又可以测出单个方向偏心锤击的程度。

接着，在锤击沉桩时，一对应变传感器和一对加速度传感器分别将测得的应变信号和加速度信号通过低噪声屏蔽电缆输入到打桩分析仪主机内，并分别被转换成力和速度信号显示在监视屏上。

此时，操作人员可根据不同的试验要求，在现场通过分析计算机获取打桩分析仪中产生的数据，并基于case法分析计算，并将试验桩的各组计算结果显示在屏幕上，也通过打印机及时打印出来。同时将实测波形存储到磁盘中，待回到工作间作进一步的分析计算。

(9)沉桩至设计标高；

参见图8，当单桩上的主吊耳51接近平台时，单桩入泥深度超过30m，抱桩器21的扶正、导向装置失去作用，此时收回抱桩器的扶正、导向装置，让主吊耳51穿过平台20，完成沉桩。

(10)自动化移动式稳桩平台降腿、拔腿、撤离

内平台安装完成后主力起重船撤点，自动化移动式稳桩平台通过自身液压系统下降到水面，随后拔腿起锚撤离。

将上述实例方案与传统工艺辅助桩平台单桩沉桩施工方案进行对比可知，本实例方案具有如下的优点：

第一，减少了一艘大型起重船和一台振动锤的使用，降低了施工成本；

第二，本方案利用自动化移动式稳桩平台，实现单桩的稳桩作业工序，不需要大量的焊接和切割作业，施工操作简便；

第三，本方案在平台搭设方面耗时较短，仅需6个小时，大大提高了施工效率。

由此可见，本发明提供的方案相对于现有方案具有非常优异的实施效果，达到了意想不到的效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。