一种组合环筒式导管架打旋桩基础及其施工方法与流程

本发明属于海上基础技术领域，具体的说，是涉及一种多腿导管架基础及其施工方法。

背景技术：

海上多桩导管架基础结构在设计使用中，桩基起着至关重要的作用，导管架所受到的荷载通过桩基传递到海床中，从而稳定整个导管架平台。目前的多桩导管架基础结构及施工一般是两种形式：先进行钢管桩的打入，再安装导管架(先桩法)；先安装导管架，再将钢管桩打入各导向孔(后桩法)。这两种方法对桩身垂直度、桩顶误差和海底平整度均有一定的要求，同时导管架的水平度较难控制，产生倾斜后整体结构不易调平。同时，随着风电开发逐渐走向深远海，多桩导管架基础的钢管桩直径和深度不断增加，打桩的难度也在不断增大。

技术实现要素：

本发明着力于解决现有多桩导管架基础结构桩基施工难度较大和导管架易倾斜难调平的技术问题，提供一种组合环筒式导管架打旋桩基础及其施工方法，可以增加基础承载能力，实现精准调平，提高施工效率。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种组合环筒式导管架打旋桩基础，包括导管架，所述导管架下部连接有环筒，所述环筒的轴线与所述导管架的中心线共线；

所述环筒包括由外筒、内筒和顶盖构成下部开口的筒形结构，所述外筒和所述内筒之间设置有若干分舱板，所述分舱板将所述外筒和所述内筒之间的环形空间均匀分隔为多个分舱；每个分舱设置有导向筒，所述导向筒固定于所述顶盖；所述顶盖在所述导向筒周围设置有临时固定装置，并且所述顶盖对应于每个分舱设置有给排水阀门；

所述环筒通过所述导向筒灌浆连接有打旋桩，多个所述打旋桩以所述环筒的轴线为中心环向均布；所述打旋桩包括桩身和桩身外侧设置的打旋承载叶片，所述打旋承载叶片用于旋入地基。

进一步地，所述导管架包括多根主腿和若干支撑结构连接构成的桁架结构，所述主腿与所述打旋桩的数量相同；所述导管架的主腿预留有设计水位以下的注水孔。

进一步地，所述导向筒的顶面高出于所述环筒的顶盖。

进一步地，所述基础就位场地存在软弱土层，则基础在位状态下所述打旋桩对应于软弱土层所在位置的高度布置所述打旋承载叶片。

进一步地，基础就位场地存在硬土层，则所述打旋桩底部布置所述打旋承载叶片。

进一步地，所述打旋承载叶片为倾斜状，围绕桩身轴线均匀布置且倾斜方向一致，其倾斜角度为30～150°。

进一步地，所述打旋承载叶片为螺旋状，围绕桩身轴线均匀布置且旋转方向一致，其螺旋角度18～360°。

进一步地，所述打旋桩的桩身顶部设置有锚固叶片，所述锚固叶片用于插入所述导向筒，并与所述导向筒灌浆连接。

一种所述组合环筒式导管架打旋桩基础的施工方法，按照如下步骤进行：

(1)陆上完成所述导管架、所述环筒、所述打旋桩的预制，将所述导管架与所述环筒连接，将所述打旋桩插入所述导向筒，并通过所述临时固定装置环抱约束所述打旋桩；得到陆上拼装整体结构；

(2)将步骤(1)得到的整体结构吊装入水，并将所述整体结构运输到指定安装位置；

(3)定位后，打开各所述环筒各个分舱的给排水阀门放气，使所述整体结构排气下沉；下沉过程中通过控制各个所述给排水阀门调平；

(4)所述整体结构下沉至所述环筒接触泥面后，解除所述临时固定装置；

(5)采用打桩设备对所述打旋桩进行打桩，打桩过程中所述打旋桩在所述打旋承载叶片与土体的相互作用下自动向下旋转入土；

(6)所述打旋桩入泥设定深度后，进行所述环筒抽气/抽水下沉；

(7)重复步骤(5)和步骤(6)，直至所述环筒和所述打旋桩均入泥到指定高程并调平后，利用灌浆料对所述导向筒进行水下灌浆，使所述打旋桩和所述环筒连接。

进一步地，步骤(3)中所述导管架通过位于设计水位以下的注水孔自动注水，以减小所述导管架的浮力。

本发明的有益效果是：

本发明的一种组合环筒式导管架打旋桩基础及其施工方法，采用打旋桩和环筒共同形成的结构体作为导管架的承载结构，一方面利用了筒型基础顶承式的受力特点，增大了基础在泥面处的承载能力，降低了对打旋桩桩长和直径的要求，间接降低了打桩难度；另一方面也利用了单桩基础的承载特点，减小了筒型基础的直径和筒高。并且，将传统的导向架施工转化为吸力下沉调平作业，将传统的打桩施工转化为打旋桩入泥作业，同时利用环筒的分舱进行精准定位和水下调平，环筒自带的导桩筒作为打桩架使用，环筒的可调平特性也使得打桩过程中能够始终保证导桩筒的垂直度实现垂直打桩，并能根据桩身水平度调整导桩架的水平度，实现打桩过程中的动态调平，大大减小了施工难度；打旋桩的打旋承载叶片能够提高打旋桩的承载面积和承载能力，从而降低所需的桩身直径，环筒的锚固法兰和桩身顶部的锚固叶片保证了桩基与导管架的传力，从而实现施工方便，整体结构稳定性强等特点，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明所提供的组合环筒式导管架打旋桩基础的结构示意图；

图2是本发明所提供的组合环筒式导管架打旋桩基础中环筒的结构示意图；

图3是本发明所提供的组合环筒式导管架打旋桩基础中打旋桩的结构示意图；

图4是倾斜状打旋承载叶片的结构示意图；

图5是螺旋状打旋承载叶片的结构示意图；

图6是本发明所提供的组合环筒式导管架打旋桩基础的运输状态示意图。

上述图中：1、导管架；11、主腿；12、支撑结构；2、环筒；21、外筒；22、内筒；23、导向筒；24、分舱板；25、锚固法兰；26、临时固定装置；27、给排水阀门；3、打旋桩；31、桩身；32、打旋承载叶片；33、锚固叶片。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本实施例公开了一种可用于海上风电的组合环筒式导管架打旋桩基础，包括导管架1、大直径的环筒2和多个相同的打旋桩3。环筒2的轴线与导管架1的中心线共线，环筒2上部连接导管架1，环筒2下部连接打旋桩3，多个打旋桩3以环筒2的轴线为中心环向均布。

本实施例中，导管架1为三根相同的主腿11和若干支撑结构12连接构成的桁架结构，主腿11和支撑结构12均由圆形钢管构成，主腿11直径通常大于支撑结构12直径。主腿11的数量与打旋桩3相同，通常为3-6个。主腿11预留有注水孔，注水孔的位置设置在设计水位以下，保证导管架1在下沉就位后可以自动注水，以减小导管架1本身的浮力。

如图2所示，环筒2主要由外筒21、内筒22、导向筒23、分舱板24和环形顶盖构成下部开口的筒中筒结构。内筒22和外筒21顶部分别与顶盖的内外缘焊接，外筒21和内筒22之间焊接有若干径向均布的分舱板24，分舱板24将外筒21和内筒22之间的环形空间分隔为多个分舱，分舱的数量一般也与打旋桩3的数量相同。每个分舱内设置有一个导向筒23，导向筒23插入顶盖中并与顶盖焊接，导向筒23顶面略高出顶盖，一方面便于安装打旋桩3和锚固叶片33时定位，另一方面也便于与灌浆设备连接固定，同时增大灌浆接触面积。导向筒23的内径大于打旋桩3的整体外延直径(即桩身31直径与打旋承载叶片32或锚固叶片33宽度之和)，保证打旋桩3能够顺利插入导向筒23内。环筒2的顶盖上设置有带加强结构的锚固法兰25，用于通过高强螺栓与导管架1的主腿11相连。每个导向筒23周围设置有临时固定装置26，临时固定装置26安装在顶盖上。临时固定装置26可选用电动环形抱紧装置，用于在基础制作及运输过程中将打旋桩3提起，保证打旋桩3底部始终嵌入环筒2内部，不仅在陆上施工及海上运输过程中能够较好的保护承载螺栓叶片32，避免意外碰撞，而且在下沉阶段可保证环筒2先接触泥面，从而形成打旋桩3的导桩界面。环筒2的顶盖上对应于每个分舱设置有给排水阀门27，用于通过外部连接高压抽排水泵实现各个分舱的打水和抽水操作。

如图3所示，打旋桩3包括桩身31和打旋承载叶片32，打旋承载叶片32可采用倾斜状或螺旋状，用于旋入地基中。桩身31为钢制材料，入泥深度10～100m。根据不同基础就位场地土质条件，打旋承载叶片32布置在桩身31外侧的不同高度，打旋承载叶片32可设置一层或多层。打旋承载叶片32的叶片组件宽度可根据不同土层的土体强度和桩身受力沿高度方向变化，土体较弱处叶片组件宽度较宽，土体较强处叶片组件宽度较窄。

若基础就位场地存在软弱土层，一般情况下，基础在位状态下桩身31对应于软弱土层所在位置的高度布置打旋承载叶片32，打旋承载叶片32旋入地基后提供主要的承载力，可使桩身31长度减小，施工方便。本发明所指的软弱土层包括但不限于处于软塑/流塑状态的黏性土层、处于松散状态的砂土层、未经处理的填土和其他高压缩性土层。若基础就位场地存在难以打桩的强度较大硬土层，一般情况下，桩身31底部布置打旋承载叶片32，基础就位后桩身31底部落于硬土层顶部，打旋承载叶片32供主要的承载力，可使桩身31不用插入硬土层，无需开挖施工，同时桩身31长度减小，施工方便。本发明所指的硬土层包括但不限于岩石层、粗砾石层、碎石层。

如图4所示，倾斜状打旋承载叶片32包括多个，围绕桩身31轴线均匀布置且倾斜方向一致；倾斜状打旋承载叶片32加工下料简单，加工速度快，制作周期短。优选地，每个倾斜状打旋承载叶片32为平面片体结构，其内侧贴合于桩身31表面焊接，其外侧平行于内侧与桩身31的相贯线，保证打旋承载叶片32沿程宽度一致。优选地，倾斜状打旋承载叶片32的数量为2～20个，倾斜角度30～150°，宽度0.1～10m，厚度1～200mm。更为优选地，倾斜状打旋承载叶片32的倾斜角度为45～135°，该范围内的倾斜角度可以更好的形成与土体相互作用模式，保证打旋承载叶片32更有利于剪切土体。

如图5所示，螺旋状打旋承载叶片32包括至少一个，围绕桩身31轴线均匀布置且旋向一致；螺旋状打旋承载叶片32可以有效减少打旋桩3的下沉阻力，减少打旋过程的锤击能量和次数。优选地，螺旋状打旋承载叶片32的数量为1～20个，螺旋角度18～360°，宽度0.1～10m，厚度1～200mm。更为优选地，螺旋状打旋承载叶片32的螺旋角度为45～135°，该范围内的倾斜角度可以更好的形成与土体相互作用模式，保证打旋承载叶片32更有利于剪切土体。

打旋桩3选用通用打桩设备进行打桩，打旋桩3在打旋承载叶片32与土体的相互作用下自动向下旋转进入泥面，到位后断面面积较大的打旋承载叶片32为基础提供主要承载能力。

桩身31顶部的外侧还可以布置有锚固叶片33，用于加强打旋桩3与环形筒2的连接。锚固叶片33采用钢结构，同样可采用倾斜状或螺旋状，宽度0.1-10m，厚度5-50mm，锚固叶片33高度小于环筒2的导向筒23，通过注浆与导向筒23相连。

导管架1的导管架主腿11与环筒2各个分舱顶部的锚固法兰23一一对应相连。打旋桩3顶部的打旋承载叶片32与环形筒2的导向筒23顶部采用灌浆方式连接，灌浆材料为普通水泥浆、环氧胶泥或高强灌浆料。采用与打旋承载叶片32同一倾斜或旋转方向的锚固叶片33，可以使得锚固叶片33能够在桩身31旋转时顺势旋转入泥，并减小对导向筒23内部土体的扰动，优于传统的直板型加劲板。同时，打旋承载叶片32增大了与土体及混凝土的接触面积，优于传统的肋条型加劲板，在灌浆后能够使得导向筒23、土体和桩身31紧密的锚固连接，保证导管架1、环筒2及打旋桩3的荷载传递。

上述组合环筒式导管架打旋桩基础的施工方法，具体按照如下步骤进行：

(1)陆上完成导管架1、环筒2、打旋桩3的预制，将导管架1的主腿11与环筒2的锚固法兰25一一对应连接，将打旋桩3插入环筒2的导向筒23，并且通过临时固定装置26环抱约束打旋桩3；得到陆上拼装整体结构，如图6所示。

(2)将步骤(1)得到的整体结构吊装入水，通过向环筒2的各个分舱打气可实现整体结构的自由漂浮，检查气密性后，将整体结构浮运到指定安装位置。除浮运外，还可使用浮吊、驳船等，将整体结构运输至安装地点，并利用锚泊系统实现精准定位。

(3)定位后，打开环筒2各个分舱的给排水阀门27放气，使整体结构排气下沉，下沉过程中通过控制给排水阀门27的放气量实现整体结构的下沉和调平；同步，可向导管架1内部注水，以减小导管架1的浮力。

(4)整体结构下沉至环筒2接触泥面后，解除环筒2各个分舱顶部与打旋桩3的临时固定装置26；

(5)打旋桩3通用打桩锤设备进行打桩；打桩过程中，桩身31在打旋承载叶片32与土体的相互作用下自动向下旋转进入地基中。打旋承载叶片32对地基有一定的剪切作用，打旋承载叶片32随锤击转动，对打旋桩3基础周围土体产生一定的扰动作用，使周围土体强度减弱，打旋桩3在打桩锤锤击作用及打旋承载叶片32的扭力逐渐转入地基中。在打桩过程中，环筒2充当导桩架的作用，限制桩身31仅能在环筒2的每个导向筒23中移动，通过调整导向筒23的入泥方向实现动态调平，无需另外安装导桩架。

(6)打旋桩3入泥设定深度后(该设定深度根据土质影响设计)，控制各个分舱的排水阀门27进行环筒2抽气/抽水下沉，通过利用环筒2各个分舱的内外压力差，实现环筒2的缓慢均匀下沉。操作过程中通过控制抽气/抽水量，保证各个环形筒2下沉过程中的调平，保证导向筒23的垂直度，有利于打旋桩3的垂直入泥，并保证上部导管架1的水平度。

(7)重复步骤(5)和步骤(6)直至环筒2和打旋桩3均入泥到指定高程并调平后，利用灌浆料对导向筒23进行水下灌浆，灌浆材料为普通水泥浆、环氧胶泥或高强灌浆料，使打旋桩3和环筒2紧密连接，最终完成施工。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。