一种水下桩基多桩施工系统的制作方法

本发明涉及海上基础桩基施工系统的技术领域，尤其是一种海上风电施工平台的水下桩基的施工过程中，能够根据海底地貌及海水的运动（如潮汐等）情况自动保持施工平台水平、桩基垂直的水下桩基多桩施工系统。

背景技术：

在目前海上多桩桩基的施工过程中，通常都需要先将多根辅助基础桩打入海底一定深度并进行固定，然后再将多桩桩基的导管架等固定安装在辅助基础桩上，最后完成多桩桩基的打桩施工等后续工作，主要存在施工的难度大、周期长、成本高的难题。

在海洋水下复杂地貌和海水流动的情况下，沉入到海床上的一般桩基施工桁架的防沉板与海床泥面的接触不可能处于完全的贴合状态（海底的地貌不是完全水平，防沉板所承受的载荷处于不均匀分布的状态），因没有完善的、系统的、科学的智能控制和监视测量总成，不能对水下桩基施工的位置、方位、基础桩的位置及垂直精度等特征进行全面监视、测量、预警和留档，无法保证海下桩基在水下施工精度对系统的要求，而且传统的施工工装，只能针对单一规格的桩间间距及基础桩直径进行施工，不具备施工桩基数目、桩基间距和桩基规格进行调节的能力。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种水下桩基多桩施工系统，自动对施工平台调平、可适应不同的桩基直径、桩基间距可调、桩基数量可调、操作及监视测量系统操作智能简单等显著优势。

本发明的目的是这样实现的：一种水下桩基多桩施工系统，包括至少三根基础桩、与基础桩数量相等的桁架框架，所述施工系统还包括与基础桩数量相等的抱桩装置总成、与基础桩数量相等的调平装置总成、一组操作及监视测量总成；所述抱桩装置总成包括导向架、抱桩安装架和夹紧防撞机构，所述抱桩安装架竖向布置，基础桩设置在抱桩安装架内，相邻两个抱桩安装架之间通过桁架框架连接，导向架的下端与抱桩安装架的上端固定连接，在导向架上连接成像声呐；所述夹紧防撞机构包括多个连杆组件，多个连杆组件沿基础桩的外周布置，每个连杆组件均包括滚轮安装架、滚轮、连杆驱动液压缸和防撞板；滚轮安装架的中部连接第一连杆，第一连杆与抱桩安装架相铰接，滚轮连接在滚轮安装架靠近基础桩的一端，滚轮安装架远离基础桩的一端与连杆驱动液压缸的一端相铰接，连杆驱动液压缸的另一端与抱桩安装架相铰接，防撞板设置在滚轮的上方并且设置在连杆驱动液压缸与基础桩之间，防撞板的一端与抱桩安装架相铰接，防撞板的另一端铰接第二连杆，第二连杆的另一端与滚轮安装架相铰接；每组调平装置总成分别一一对应连接在抱桩装置总成的下方，调平装置总成包括由上至下依次布置的螺栓连接板、调平装置升降液压缸和防沉板；调平装置升降液压缸有多个，螺栓连接板与防沉板通过多个调平装置升降液压缸连接，调平装置升降液压缸竖向布置，调平装置升降液压缸内设有位移传感器，在螺栓连接板和防沉板上均设置中心孔；所述基础桩设置在导向架、夹紧防撞机构、螺栓连接板的中心孔、防沉板的中心孔内；所述操作及监视测量总成包括水下密封箱和数据分析处理系统，水下密封箱连接在所述桁架框架内，在水下密封箱内连接电控器件安装板，在电控器件安装板上连接电子检测元件；所述操作及监视测量总成还包括水平液位标定装置，水平液位标定装置包括多根立管，每根立管的上端均连接第一液位传感器并且密封，相邻两根立管的下端通过连接管连接并连通；所述电子检测元件、多个第一液位传感器、多个位移传感器和多个成像声呐的信号输出端均与数据分析处理系统连接。

本发明在施工的工程中，利用操作及监视测量总成和调平装置总成实时的保证施工平台（施工平台包括桁架框架、抱桩装置总成、调平装置总成）一直处于水平状态，利用抱桩装置总成的夹紧防撞机构保证基础桩始终保持竖直状态，保证了水下桩基施工的效果，同时，本发明还具有可适用不同的桩基直径可调、桩基间距可调、桩基数量可调、操作及监视测量系统操作智能简单等显著优势。

本发明在每个桁架框架的两端与相应的抱桩安装架之间均连接拓展机构，形成多边形施工系统。为了根据需要，改变拓展机构的角度可形成五边形、六边形等，便于施工基础桩数量（四根及以上）的变化。

本发明的拓展机构为三棱柱。

为了更好地起到导向的作用，所述抱桩装置总成的导向架呈上大下小的锥台形。

本发明的夹紧防撞机构有两组，其中一组夹紧防撞机构布置在抱桩安装架内的上部，另外一组夹紧防撞机构布置在抱桩安装架内的中下部。上层夹紧防撞机构主要控制基础桩的垂直精度，下层夹紧防撞机构主要控制基础桩互相之间的中心位置精度，每层夹紧防撞机构的各个连杆可以在液压缸带动下均可单个动作或同时动作。

本发明在水下密封箱与桁架框架之间设置减震垫，在所述电控器件安装板与水下密封箱之间连接多个减震弹簧。减小基础桩打桩作业时的冲击对检测仪器与仪表的影响，解决了精密仪器与仪表因振动而造成的破坏或精度下降问题。

本发明的电子检测元件包括海拔深度测量仪、摄像头、罗经仪、陀螺仪。

本发明的滚轮采用高分子材料制成，高分子耐磨，延长使用寿命。

本发明的水下密封箱内还连接压力气囊和压力传感器，压力传感器的信号输出端连接数据分析处理系统；当水下密封箱出现泄漏时，压力气体向外泄漏（非海水向密封箱内泄漏），同时水下密封箱内的气压慢慢下降，当气压下降到压力传感器的设定气压时，操作及监视测量总成发出水下密封箱泄漏警报，保证施工系统水下密封箱内电控器件的安全。

本发明的水下密封箱的箱壁为双层结构，在水下密封箱的夹层内连接第二液位传感器，第二液位传感器的信号输出端连接数据分析处理系统；当水下密封箱的外层出现泄漏时，夹层的水位会不断的升高，当夹层的水位达到第二液位传感器的设定值时，操作及监视测量总成发出水下密封箱泄漏警报，保证施工系统水下密封箱内电控器件的安全。

附图说明

图1为本发明的第一种结构示意图。

图2为图1的立体图。

图3为图2中a部放大图。

图4为抱桩装置总成的结构示意图。

图5为图4中b部放大图。

图6为图4的立体图。

图7为图6中c部放大图。

图8为调平装置总成的结构示意图。

图9为操作及监视测量总成的第一种结构示意图。

图10为水平液位标定装置的结构示意图。

图11为本发明的第一种控制原理框图。

图12为本发明的第二种结构示意图。

图13为图12中的三棱柱的结构示意图。

图14为操作及监视测量总成的第二种结构示意图。

图15为本发明的第二种控制原理框图。

具体实施方式

实施例1

如图1－11所示，为第一种水下桩基多桩施工系统，包括四根基础桩2、四组桁架框架3、四组抱桩装置总成1、四组调平装置总成4、一组操作及监视测量总成5。

抱桩装置总成1包括导向架1-2、抱桩安装架1-1、上层夹紧防撞机构1-10和下层夹紧防撞机构1-11。抱桩安装架1-1竖向布置，抱桩安装架1-1呈长方体，基础桩2设置在抱桩安装架1-1内，相邻两个抱桩安装架1-1之间通过桁架框架3连接。导向架1-2呈上大下小的锥台形，导向架1-2的下端与抱桩安装架1-1的上端固定连接，在导向架1-2上连接成像声呐1-7。

上层夹紧防撞机构1-10布置在抱桩安装架1-1内的上部，下层夹紧防撞机构1-11布置在抱桩安装架1-1内的中下部。上层夹紧防撞机构1-10的结构与下层夹紧防撞机构1-11的结构相同，均包括四组连杆组件，四组连杆组件沿基础桩2的外周布置，每个连杆组件均包括滚轮安装架1-9、滚轮1-8、连杆驱动液压缸1-3和防撞板1-5。

滚轮安装架1-9的中部连接第一连杆1-4，第一连杆1-4竖向布置，第一连杆1-4与抱桩安装架1-1相铰接。滚轮1-8采用高分子材料制成，滚轮1-8连接在滚轮安装架1-9靠近基础桩2的一端，滚轮安装架1-9远离基础桩2的一端与连杆驱动液压缸1-3的下端相铰接，连杆驱动液压缸1-3的上端与抱桩安装架1-1相铰接，防撞板1-5设置在滚轮1-8的上方并且设置在连杆驱动液压缸1-3与基础桩2之间，防撞板1-5斜向布置，防撞板1-8的上端远离基础桩2、下端靠近基础桩2，防撞板1-5的上端与抱桩安装架1-1相铰接，防撞板1-5的下端铰接第二连杆1-6，第二连杆1-6的下端与滚轮安装架1-9相铰接。滚轮1-8、第一连杆1-4、第二连杆1-6形成弹性机构，允许基础桩2在一定的范围内进行旋转；在连杆驱动液压缸1-3的驱动下，通过滚轮1-8夹紧基础桩2，保证了基础桩2的表面不会受到损伤。可以适应不同直径的基础桩2施工，还能保证打桩锤头可以顺利通过抱桩装置总成。

每组调平装置总成4分别一一对应连接在抱桩装置总成1的下方，调平装置总成4包括螺栓连接板4-1、调平装置升降液压缸4-2和防沉板4-3。螺栓连接板4-1连接在抱桩安装架1-1的下方，防沉板4-3设置在螺栓连接板4-1的下方，防沉板4-3与螺栓连接板4-3之间通过四个调平装置升降液压缸4-2连接，调平装置升降液压缸4-2竖向布置，调平装置升降液压缸4-2内设有位移传感器4-4，在螺栓连接板4-1和防沉板4-3上均设置中心孔。基础桩2设置在导向架1-2、上层夹紧防撞机构1-10、下层夹紧防撞机构1-11、螺栓连接板4-1的中心孔、防沉板4-3的中心孔内。

每组调平装置总成4的调平装置升降液压缸4-2可以是一个或者多个（多个时适合对防沉板的载荷均布状况进行调节），可以单个动作，也可多个同时动作；通过各组调平装置总成4的调平装置升降液压缸4-2的伸缩，调平整个桁架框架的水平姿态；通过单组调平装置总成4的各个点上的调平装置升降液压缸4-2的伸缩，保证防沉板的受力均匀分布。

操作及监视测量总成5包括水下密封箱5-1，水下密封箱5-1连接在桁架框架3内，水下密封箱5-1具有防水功能，通过预先充入到箱内压缩气体（氮气），保持水下密封箱5-1内外压力基本平衡（箱内气压略高于海水压力），阻止海水的渗漏，水下密封箱5-1与桁架框架3之间设置减震垫5-4，在水下密封箱5-1内连接电控器件安装板5-5，在电控器件安装板5-5与水下密封箱5-1之间连接多个减震弹簧5-6，减震垫5-4和多个减震弹簧5-6的设计，减小基础桩打桩作业时的冲击对检测仪器与仪表的影响，解决了精密仪器与仪表因振动而造成的破坏或精度下降问题。在电控器件安装板5-5上连接电子检测元件5-7，电子检测元件5-1包括海拔深度测量仪5-7-1、摄像头5-7-2、罗经仪5-7-3、陀螺仪5-7-4。操作及监视测量总成5还包括水平液位标定装置，水平液位标定装置包括四根立管5-8，每根立管5-8的上端均连接第一液位传感器5-9并且密封，相邻两根立管5-8的下端通过连接管5-12连接并连通，连接管5-12与立管5-8之间通过三通接头连接，四根连接管5-12将四根立管5-8连通，在立管5-8和连接管5-12内有液体，第一液位传感器5-9检测立管5-8内液体的液面高度。水平液位标定装置提供水下施工平台的水平姿态，为调平装置总成提供调平基准。

在水下密封箱5-1内还连接压力气囊5-3和压力传感器5-13，压力气囊5-3保证在施工期间水下密封箱5-1内的气体始终维持在略高于海水压力有效范围内。压力传感器5-13的信号输出端连接数据分析处理系统5-2。当水下密封箱出现泄漏时，压力气体向外泄漏（非海水向密封箱内泄漏），同时水下密封箱内的气压慢慢下降，当气压下降到压力传感器的设定气压时，操作及监视测量总成发出水下密封箱泄漏警报，保证施工系统水下密封箱内电控器件的安全。

海拔深度测量仪5-7-1、摄像头5-7-2、罗经仪5-7-3、陀螺仪5-7-4、四个第一液位传感器5-9、四个位移传感器4-4和四个成像声呐1-7由电源管理系统5-10供电，海拔深度测量仪5-7-1、摄像头5-7-2、罗经仪5-7-3、四个第一液位传感器5-9、四个位移传感器4-4和四个成像声呐1-7的信号输出端均连接数据分析处理系统5-2，数据分析处理系统5-2连接数据显示系统5-11。实地的对施工过程中水下施工平台的水平姿态、基础桩的位置、基础桩的垂直度进行实时测量、监视和录像留存，保证了桩基施工过程中的精度。

本发明的工作流程主要分为1、施工平台的定位及调平；2、基础桩竖直定位两个过程。

施工平台定位及调平过程：当水下桩基多桩施工系统通过起吊系统慢慢放入水下时，由于海底/水底地貌的复杂性，水下桩基的施工对施工平台的摆放位置和方向有直接的要求，在起吊系统下放的过程中，安装在施工平台上的成像装置、激光测距仪等仪器，实时的向控制系统反馈施工平台在水下的定位和姿态摆放情况，控制系统可以根据水下的定位和摆放姿态调节起吊系统，使施工平台按照预设的位置摆放，此时的桩基施工平台几乎不可能处于完全水平的状态，此时水平液位标定装置中的第一液位传感器5-9检测到不同的液位数据传到控制系统（数据分析处理系统5-2），控制系统根据第一液位传感器5-9的液位数据反馈，控制各个调平装置升降液压缸4-2的活塞杆运动，地势高的地方调平装置升降液压缸4-2回程，地势低的地方调平装置升降液压缸4-2活塞杆伸出，直至液位标定装置各第一液位传感器5-9的数据反馈相同，各调平装置升降液压缸4-2不再动作，此时水下桩基施工平台就处于完全水平的状态。

基础桩竖直定位过程：基础桩2同样通过起吊系统放入水下，当基础桩2下放至水面下时，安装在导向架上的成像声呐开启，并通过控制系统实时的将成像画面传输到施工船上的图像显示器上，起吊系统的操作人员就可以将基础桩2根据成像显示的相对位置准确的放入抱桩装置总成1，当基础桩2的下端下放到与导向架1-2相接触时，导向架1-2起到导向作用，使基础桩2准确的下放到抱桩装置中，防撞板1-5可以防止基础桩2在下放的过程中撞到连杆驱动液压缸1-3或者滚轮1-8对其造成破坏，同理，下层夹紧防撞机构1-11也具有上述的作用，当基础桩2与海床相接触时，卸掉起吊系统，此时各个连杆驱动液压缸1-3活塞杆同步伸出，控制系统实时采集连杆驱动液压缸1-3内部位移传感器的反馈数据，根据位移传感器的反馈数据偏差调节对应连杆驱动液压缸1-3的伸出行程，直到上层的夹紧防撞机构的连杆驱动液压缸1-3和下层的夹紧防撞机构的连杆驱动液压缸1-3的位移传感器反馈误差分别为零时，此时基础桩2处于竖直状态，可以进行打桩作业。当基础桩2被打入海床的深度使得基础桩2的上端面与抱桩安装架1-1的下表面平齐时，此时位于下表面的激光束照射到打桩机锤头上，此时，打桩机停止工作，直到再次放入一根基础桩2，重复上述过程。

实施例2

如图12、13所示，为第二种水下桩基多桩施工系统，包括六根基础桩2、六组桁架框架3、六组抱桩装置总成1、六组调平装置总成4、一组操作及监视测量总成5。在每个桁架框架3的两端与相应的抱桩安装架1-1之间均连接三棱柱6，形成六边形，来满足桩基不同距离的要求。其余结构同实施例1。

实施例3

如图14、15所示，本发明的水下密封箱5-1的箱壁为双层结构，在水下密封箱5-1的夹层5-14内连接第二液位传感器5-15，第二液位传感器5-15的信号输出端连接数据分析处理系统5-2。当水下密封箱的外层出现泄漏时，夹层的水位会不断的升高，当夹层的水位达到第二液位传感器的设定值时，操作及监视测量总成发出水下密封箱泄漏警报，保证施工系统水下密封箱内电控器件的安全。其余结构同实施例1。