一种用于深水导管架桩柱沉桩的水下稳桩系统及沉桩方法与流程

本发明涉及一种用于深水导管架桩柱沉桩的水下稳桩系统及沉桩方法。

背景技术：

目前，在建造海上风机基础时，需要先将多根工程桩沉桩到海底，这时，要先通过吊装，将工程桩吊至沉桩点，然后再进行沉桩。为了使工程桩能顺利入泥插桩及沉桩过程中确保桩身垂直度在3‰以内，往往要利用稳桩平台对工程桩进行稳桩。目前中国已建成的海上风电场采用的均为近海风场，水深条件一般小于10m，其支承结构型式主要为高桩承台基础、单桩基础。随着海上风电场的开发，风场离岸距离和水深不断增加，近海传统基础结构型式已难以满足深海风能开发的要求。在30m左右水深的海域，导管架基础相对拥有较好的经济优势。由于导管架基础桩的沉桩深度较深，并逐渐向深远海靠近，由于波浪流等原因导致稳桩困难，沉桩精度难以控制，经常出现沉桩失败的情况，施工费用较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种用于深水导管架桩柱沉桩的水下稳桩系统及沉桩方法，它能借助于定位桩和绞车平台上的绞车实现稳桩平台的精确下沉，达到稳桩目的，从而能提高沉桩的精度。

实现本发明目的的一种技术方案是：一种用于深水导管架桩柱沉桩的水下稳桩系统，包括绞车平台、稳桩平台、一根定位桩、四根辅助桩、姿态监测系统和操控系统；

所述绞车平台包括绞车平台框架、一根插桩杆和四台绞车；其中，所述绞车平台框架为呈四方体的空间桁架结构；所述插桩杆安装在绞车平台框架的底面中心；四台绞车一一对应地设在绞车平台框架的顶面的四周边缘中部；

所述稳桩平台包括稳桩平台框架、四个浮桶、一套定位桩抱桩器、四套辅助桩抱桩器和四套工程桩定位机构；其中，

所述稳桩平台框架为呈四方体的空间桁架结构且平面几何尺寸大于绞车平台的平面几何尺寸；该稳桩平台框架的中心的顶面和底面一一对应地设置一块中心顶面板和一块中心底面板，并在中心顶面板和中心底面板的中心同轴地开设一个定位桩穿孔；该稳桩平台框架的四个角部的顶面和底面也一一对应地设置一块角顶面板和一块角底面板，并在每个角部的角顶面板和角底面板上各自同轴地开设一个辅助桩穿孔；稳桩平台框架的四周边缘中部各自设置一个工程桩通道；

四个浮桶均布地设在所述稳桩平台框架内，每个浮桶的下部设有进排水口阀门；

一套定位桩抱桩器包括两组定位桩夹持块；一组定位桩夹持块设在稳桩平台框架的中心顶面板并沿定位桩穿孔一周均布布置，另一组定位桩夹持块设在稳桩平台框架的中心底面板并沿定位桩穿孔一周均布布置；

每套辅助桩抱桩器包括两组辅助桩夹持块；四套辅助桩抱桩器中的一组辅助桩夹持块一一对应地设在四块角顶面板上并沿辅助桩穿孔一周均布布置，四套辅助桩抱桩器中的另一组辅助桩夹持块一一对应地设在四块角底面板上并沿辅助桩穿孔一周均布布置；

四套工程桩定位机构一一对应地设在稳桩平台框架的顶面并沿工程桩通道一周均布布置；

所述姿态监测系统安装在所述稳桩平台上；

所述操控系统通过信号线分别与四台绞车、四个浮桶上的进排水口阀门、一套定位桩抱桩器、四套辅助桩抱桩器、四套工程桩定位机构和姿态监测系统连接；

所述稳桩平台通过四个浮桶位于水面上，该稳桩平台通过一套定位桩抱桩器与固定在海床上的所述定位桩初步限位，并通过四套辅助桩抱桩器与固定在海床上的四根辅助桩初步限位；所述绞车平台通过所述插桩杆安装在定位桩的顶部，该绞车平台通过四台绞车上的缆绳与下方的稳桩平台连接，使稳桩平台沿定位桩和四根辅助桩下放或提升；当稳桩平台提升至设计标高位置时，通过一套定位桩抱桩器抱紧定位桩，通过四套辅助桩抱桩器一一对应地抱紧四根辅助桩，使稳桩平台固定在定位桩和四根辅助桩上。

上述的用于深水导管架桩柱沉桩的水下稳桩系统，其中，所述绞车平台还包括四个缆绳导轮，该四个缆绳导轮一一对应地安装在绞车平台框架的四周侧面中部。

上述的用于深水导管架桩柱沉桩的水下稳桩系统，其中，四块角顶面板上还各自设置一个吊耳。

上述的用于深水导管架桩柱沉桩的水下稳桩系统，其中，每套定位桩抱桩器还包括两组定位桩夹桩滚轮，该两组定位桩夹桩滚轮一一对应地安装在中心顶面板上和中心底面板上并各自沿定位桩穿孔与两组定位桩夹持块交错布置。

上述的用于深水导管架桩柱沉桩的水下稳桩系统，其中，每套辅助桩抱桩器还包括两组辅助桩夹桩滚轮；四套辅助桩抱桩器中的一组辅助桩夹桩滚轮一一对应地设在四块角顶面板上并沿辅助桩穿孔与一组辅助桩夹持块交错布置，四套辅助桩抱桩器中的一组辅助桩夹桩滚轮一一对应地设在四块角底面板上并沿辅助桩穿孔与一组辅助桩夹持块交错布置。

实现本发明目的的另一种技术方案是：一种用于深水导管架桩柱的沉桩方法，采用上述本发明的用于深水导管架桩柱沉桩的水下稳桩系统实现，并包括以下步骤：

步骤一，先利用施工船打设一根定位桩，接着通过打施工船上的吊装设备将所述稳桩平台吊到定位桩的上方，再将稳桩平台下放使定位桩穿孔套在定位桩上后松钩，此时四个浮桶由于无水而使稳桩平台浮于水面上；

步骤二，稳桩平台先通过一套定位桩抱桩器与定位桩抱紧固定，再利用稳桩平台的四个辅助桩穿孔打设四根辅助桩，四根辅助桩打设完毕后，一套定位桩抱桩器松开；

步骤三，先利用施工船上的吊装设备将所述绞车平台安装在定位桩的顶部，再将绞车平台上的四台铰车上的缆绳一一对应地与稳桩平台上的四个吊耳进行连接；

步骤四，开动绞车平台上的四台铰车，通过四台铰车上的缆绳提升稳桩平台脱离水面，当稳桩平台提升到位后，稳桩平台上的一套定位桩抱桩器和四套辅助桩抱桩器开启，使稳桩平台与定位桩和四根辅助桩之间固定，四台铰车停车；

步骤五，先利用施工船上的吊装设备将第一根工程桩吊入一个工程桩通道中，再利用施工船上的打桩设备对第一根工程桩进行锤击沉桩，稳桩平台上对应该工程桩通道的工程桩定位机构在锤击沉桩过程中随时对第一根工程桩的垂直度进行调节；

步骤六，当第一根工程桩顶部的替打到达稳桩平台时，打桩设备暂停锤击，准备下降稳桩平台；

步骤七，先解除稳桩平台上的一套定位桩抱桩器和四套辅助桩抱桩器，使稳桩平台与定位桩和辅助桩之间松开，同时，开启四台铰车，下降稳桩平台，同时打开稳桩平台内的四个浮桶的进排水阀门，使四个浮桶进水，以解除四个浮桶的浮力，使稳桩平台入水，当稳桩平台下降到位后，稳桩平台上的一套定位桩抱桩器和四套辅助桩抱桩器重新开启，使稳桩平台与定位桩和四根辅助桩之间固定；

步骤八，在稳桩平台的辅助下，施工船上的打桩设备继续第一根工程桩的沉桩作业，直至第一根工程桩锤击至设计标高；

步骤九，重复步骤四至步骤八，依次完成其它三根工程桩的沉桩作业；

步骤十，解除稳桩平台上的一套定位桩抱桩器和四套辅助桩抱桩器，使稳桩平台与定位桩和四根辅助桩之间松开，同时，开启四台铰车，提升稳桩平台至离开水面；排完四个浮桶内的海水后，关闭四个浮桶的进排水阀门；

步骤十一，下放稳桩平台至水面上，稳桩平台在四个浮桶的作用下漂浮于水面，解开四台铰车上与稳桩平台连接的缆绳；

步骤十二，依次拆除铰车平台、稳桩平台、定位桩及辅助桩，施工完毕。

上述的用于深水导管架桩柱的沉桩方法，其中，进行所述步骤一和步骤十一时，所述操控系统根据姿态监测系统检测稳桩平台的姿态信息，控制稳桩平台平稳提升和下放以及在水中的稳定性。

本发明的用于深水导管架桩柱沉桩的水下稳桩系统和沉桩方法具有以下特点：

1)本发明的水下稳桩系统可实现脱离自升式平台船进行沉桩作业并稳桩，达到简化施工，提高施工质量，减少施工费用的目的；

2)本发明的水下稳桩系统中的稳桩平台具有极易实现的自浮性，在吊装设备的辅助下能完成与定位桩的抱桩作业，且能与定位桩和辅助桩实现固定；

3)本发明的水下稳桩系统中的稳桩平台能借助固定在定位桩上的绞车平台上的绞车实现精确下沉和提升，达到稳桩目的，从而能提高沉桩精度；

4)本发明的水下稳桩系统中的稳桩平台一次下沉即可打设四根工程桩，既能打单桩也能打导管架基础的四根桩柱，并能精确定位桩位；

5)本发明的水下稳桩系统中的稳桩平台和绞车平台结构简单，且回收方便，有利于提高沉桩作业效率。

6)本发明的用于深水导管架桩柱的沉桩方法，能提高效率和沉桩的精度。

附图说明

图1是本发明的用于深水导管架桩柱沉桩的水下稳桩系统的结构示意图；

图2是本发明的用于深水导管架桩柱沉桩的水下稳桩系统中的绞车平台的结构示意图；

图3是本发明的用于深水导管架桩柱沉桩的水下稳桩系统中的稳桩平台的结构示意图；

图4是本发明的用于深水导管架桩柱的沉桩方法进行步骤一的状态图；

图5是本发明的用于深水导管架桩柱的沉桩方法进行步骤二的状态图；

图6是本发明的用于深水导管架桩柱的沉桩方法进行步骤三的状态图；

图7是本发明的用于深水导管架桩柱的沉桩方法进行步骤四的状态图；

图8是本发明的用于深水导管架桩柱的沉桩方法进行步骤五的状态图；

图9是本发明的用于深水导管架桩柱的沉桩方法进行步骤六的状态图；

图10是本发明的用于深水导管架桩柱的沉桩方法进行步骤七的状态图；

图11是本发明的用于深水导管架桩柱的沉桩方法进行步骤八的状态图；

图12是本发明的用于深水导管架桩柱的沉桩方法进行步骤九的状态图；

图13是本发明的用于深水导管架桩柱的沉桩方法进行步骤十的状态图；

图14是本发明的用于深水导管架桩柱的沉桩方法进行步骤十一的状态图；

图15是本发明的用于深水导管架桩柱的沉桩方法进行步骤十二的状态图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1至图3，本发明的用于深水导管架桩柱沉桩的水下稳桩系统，包括绞车平台10稳桩平台20、定位桩30、四根辅助桩40、姿态监测系统和操控系统。

绞车平台10包括绞车平台框架11、一根插桩杆12、四台绞车13和四个缆绳导轮14；其中，绞车平台框架11为呈四方体的空间桁架结构；插桩杆12安装在绞车平台框架11的底面中心；四台绞车13一一对应地设在绞车平台框架11的顶面的四周边缘中部；四个缆绳导轮14一一对应地设在绞车平台框架11的四周侧面中部。

稳桩平台20包括稳桩平台框架21、四个浮桶22、一套定位桩抱桩器、四套辅助桩抱桩器和四套工程桩定位机构27；其中，

稳桩平台框架21为呈四方体的空间桁架结构且平面几何尺寸大于绞车平台11的平面几何尺寸；该稳桩平台框架21的中心的顶面和底面一一对应地设置一块中心顶面板和一块中心底面板，并在中心顶面板和中心底面板的中心同轴地开设一个定位桩穿孔211；该稳桩平台框架21的四个角部的顶面和底面也一一对应地设置一块角顶面板和一块角底面板，并在每个角部的角顶面板和角底面板上各自同轴地开设一个辅助桩穿孔212；稳桩平台框架21的四周边缘中部各自设置一个工程桩通道213；四块角顶面板上还各自设置一个吊耳214；

四个浮桶22均布地设在稳桩平台框架21内，每个浮桶22的下部设有进排水口阀门；

一套定位桩抱桩器23包括两组定位桩夹持块231和两组定位桩夹持滚轮232；一组定位桩夹持块231设在稳桩平台框架21的中心顶面板并沿定位桩穿孔211一周均布布置，另一组定位桩夹持块231设在稳桩平台框架21的中心底面板并沿定位桩穿孔一周均布布置；两组定位桩夹持滚轮232一一对应地安装在中心顶面板上和中心底面板上并各自沿定位桩穿孔211与两组定位桩夹持块231交错布置；定位桩夹持块231和定位桩夹持滚轮232均带有水平向调节机构；每组定位桩夹持块231用于夹紧定位桩30；每组定位桩夹持滚轮232用于稳桩平台20与定位桩30定位。

每套辅助桩抱桩器24包括两组辅助桩夹持块241和两组辅助桩夹桩滚轮242；四套辅助桩抱桩器24中的一组辅助桩夹持块241一一对应地设在四块角顶面板上并沿辅助桩穿孔212一周均布布置，四套辅助桩抱桩器24中的另一组辅助桩夹持块241一一对应地设在四块角底面板上并沿辅助桩穿孔212一周均布布置；四套辅助桩抱桩器24中的一组辅助桩夹桩滚轮242一一对应地设在四块角顶面板上并沿辅助桩穿孔212与一组辅助桩夹持块241交错布置，四套辅助桩抱桩器24中的一组辅助桩夹桩滚轮242一一对应地设在四块角底面板上并沿辅助桩穿孔212与一组辅助桩夹持块241交错布置；辅助桩夹持块241和辅助桩夹桩滚轮242均带有水平向调节机构；每组辅助桩夹持块241用于夹紧辅助桩40；每组辅助桩夹持滚轮242用于稳桩平台20与辅助桩40定位；

四套工程桩定位机构25一一对应地设在稳桩平台框架21的顶面并沿工程桩通道213一周均布布置；每套工程桩定位机构25由四个夹持滚轮构成；四个夹持滚轮各自带有水平向调节机构；每套工程桩定位机构25用于调节每根工程桩50在沉桩时的垂直度；

姿态监测系统安装在稳桩平台20上，并由多个姿态传感器构成，用于检测稳桩平台20在整个沉桩过程中的姿态；

操控系统通过信号线分别与四台绞车、四个浮桶上的进排水口阀门、一套定位桩抱桩器23、四套辅助桩抱桩器24、四套工程桩定位机构25和姿态监测系统连接；操控系统根据姿态监测系统检测稳桩平台20的姿态信息，控制稳桩平台20平稳提升和下放以及在水中的稳定性。

稳桩平台20通过四个浮桶22位于水面上，该稳桩平台20通过一套定位桩抱桩器与固定在海床上的定位桩30初步限位，并通过四套辅助桩抱桩器与固定在海床上的四根辅助桩40初步限位；绞车平台10通过插桩杆12安装在定位桩30的顶部，该绞车平台10通过四台绞车13上的缆绳与下方的稳桩平台20上的四个吊耳214连接，使稳桩平台20沿定位桩30和四根辅助桩40下放或提升；当稳桩平台20提升至设计标高位置时，通过一套定位桩抱桩器抱紧定位桩30，通过四套辅助桩抱桩器一一对应地抱紧四根辅助桩40，使稳桩平台20固定在定位桩30和四根辅助桩40上。

本发明的用于深水导管架桩柱沉桩的水下稳桩系统，其中的稳桩平台具有自浮性能，通过辅助船舶能方便地到达水面上的指定位置，通过一套定位桩抱桩器与定位桩限位，通过四套辅助桩抱桩器与四根辅助桩限位，再通过固定在定位桩上的绞车平台上的四台绞车沿定位桩和四根辅助桩进行升降运动，能方便快捷地实现抱桩或脱桩，实现稳桩的作用。稳桩平台和绞车平台均具有体积小、重量轻、灵活性高的特点。稳桩平台通过浮桶能方便和快速地实现漂浮和稳定下沉。

再请参阅图4至图15，本发明的用于深水导管架桩柱的沉桩方法采用上述本发明的用于深水导管架桩柱沉桩的水下稳桩系统实现，并包括以下步骤：

步骤一，先利用施工船打设一根定位桩，接着通过施工船上的吊装设备将稳桩平台20吊到定位桩30的上方，再将稳桩平台20下放，使稳桩平台20的定位桩穿孔211套在定位桩30上后松钩，利用定位桩30对稳桩平台20进行定位，此时稳桩平台20内的四个浮桶22由于无水而使稳桩平台20浮于水面上；

步骤二，稳桩平台20先通过一套定位桩抱桩器23与定位桩30抱紧固定，再利用稳桩平台20的四个辅助桩穿孔212打设四根辅助桩40，四根辅助桩40打设完毕后，定位桩抱桩器23松开；

步骤三，先利用施工船上的吊装设备将绞车平台10安装在定位桩30的顶部，再将绞车平台10上的四台铰车13上的缆绳130一一对应地与稳桩平台20上的四个吊耳214进行连接；

步骤四，开动绞车平台10上的四台铰车13，通过四台铰车13上的缆绳提升稳桩平台20脱离水面，可避免沉桩过程中稳桩平台20受到波浪流的影响；操控系统根据姿态监测系统检测稳桩平台20的姿态信息控制各台铰车13下放缆绳的速度，以保证稳桩平台20平稳提升；当稳桩平台20提升到位后，稳桩平台20上的一套定位桩抱桩器23和四套辅助桩抱桩器24开启，使稳桩平台20与定位桩30和四根辅助桩40之间固定，四台铰车13停车；

步骤五，先利用施工船上的吊装设备将第一根工程桩50吊入一个工程桩通道213中，再利用施工船上的打桩设备对第一根工程桩50进行锤击沉桩，稳桩平台20上对应该工程桩通道213的工程桩定位机构27在锤击沉桩过程中对第一根工程桩50的垂直度进行调节；

步骤六，当第一根工程桩50上的替打5a到达稳桩平台20时，打桩设备暂停锤击，准备下降稳桩平台20；

步骤七，先解除稳桩平台20上的一套定位桩抱桩器23和四套辅助桩抱桩器24，使稳桩平台20与定位桩30和四根辅助桩40之间松开，同时，开启四台铰车13下降稳桩平台20，操控系统根据姿态监测系统检测稳桩平台20的姿态信息，控制各台铰车13下放缆绳130的速度，以保证稳桩平台20平稳下降；同时打开稳桩平台20内的四个浮桶22的进排水阀门，使四个浮桶22进水，以解除四个浮桶22的浮力，使稳桩平台20入水，当稳桩平台20下降到位后，稳桩平台20上的一套定位桩抱桩器23和四套辅助桩抱桩器24重新开启，使稳桩平台20与定位桩30和四根辅助桩40之间固定；

步骤八，在稳桩平台20的辅助下，施工船上的打桩设备继续第一根工程桩50的沉桩作业，直至第一根工程桩50锤击至设计标高；

步骤九，重复步骤四至步骤八，依次完成其余三根工程桩的沉桩作业；

步骤十，解除稳桩平台20上的一套定位桩抱桩器23和四套辅助桩抱桩器24，使稳桩平台20与定位桩30和四根辅助桩40之间松开，同时，开启四台铰车13，提升稳桩平台20至离开水面；排完四个浮桶22内的海水后，关闭四个浮桶22的进排水阀门；

步骤十一，下放稳桩平台20至水面上，稳桩平台20在四个浮桶22的作用下漂浮于水面，解开四台铰车13上与稳桩平台20连接的缆绳130；

步骤十二，依次拆除铰车平台10、稳桩平台20、定位桩30及辅助桩40，施工完毕。

进行步骤一和步骤十一时，操控系统根据姿态监测系统检测稳桩平台20的姿态信息，控制稳桩平台20平稳提升和下放以及在水中的稳定性。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。