一种带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置及施工方法与流程

本发明涉及海上风电导管架基础施工技术领域，具体涉及一种带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置及施工方法。

背景技术：

随着海上风电向深远海发展，风机基础选用的形式也随之变化。目前，国内正在施工的大多数为浅水区(10－35m)海上风电项目。沉桩定位架多为水上坐底式结构，随着海上风电向深远海的发展，水上式坐底式定位架重量很重，对船机设备要求高，将不再适用。因此，需要设计一种结构强度高、稳定性高、重量较轻、对船机设备要点低的可适用于深海风机基础施工的水下沉桩定位架装置。

导管架基础将是深远海主流风机基础形式，而先桩法导管架是最经济的选择。例如公开号为cn107700453a的中国发明专利公开了一种导管架及导管架的安装方法，在利用起重设备将导管架沉放到位前，需要先将导管架桩基础的三根管桩先打入海底，然后将导管架的三个桩套管套设对应的管桩上，利用桩套管上的调平装置对导管架进行调平，最后在桩套管与管桩之间形成的环形空间内灌注浆液，使导管架固定。

但是，这种导管架基础的三根管桩之间的相对间距难以控制，将导管架的三根桩套管准确套设在对应的管桩上的施工难度较高；而且，三根桩套管上的调平装置各自独立对桩套管进行调平，导致导管架整体的调平不太稳定。因此，需要设计一种施工难度低、调平系统稳定性好且自重轻、对船机设置要求较低的可适用于深海风机基础施工的水下沉桩定位架装置及施工方法。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中水下沉桩定位架存在施工难度高、调平系统稳定性差且自重较大、对船机设置要求高的缺陷，从而提供一种带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置及施工方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置，包括：

中间套管，为直立的中空筒体结构，用于和辅助桩套接；

定位架，连接在所述中间套管底端的外周，其重心位于所述中间套管的轴线上；

工程桩套管，至少具有三根且连接在所述定位架上；至少三根所述工程桩套管的几何中心位于所述中间套管的轴线上；所述工程桩套管内具有供工程桩插设的柱形空间；

调平装置，沿所述中间套管轴向设置有多组，每组所述调平装置均包括沿所述辅助桩的周向均匀设置在所述中间套管周壁的多个调平油缸；多个所述调平油缸的固定端固定于所述中间套管、伸缩端作用于所述中间套管内的辅助桩以调整所述中间套管的垂直度。

进一步地，所述定位架包括连接在所述工程桩套管和所述中间套管之间的水平支架、以及斜撑在所述水平支架靠近所述工程桩套管一端和所述中间套管位于所述水平支架上的部分之间斜撑支架。

进一步地，所述水平支架的下端面固定有防沉板，所述防沉板的板面封盖所述水平支架的下底面。

进一步地，所述水平支架包括相互平行且水平设置的上端框架和下端框架，以及支撑在所述工程桩套管和所述中间套管之间、所述上端框架和中间套管之间、所述下端框架和所述中间套管之间、所述上端框架和所述下端框架之间的支撑梁。

进一步地，所述中间套管上端的外周连接有支撑桁架；所述调平装置包括沿所述中间套管的轴线至上而下依次设置的调平装置组合一、调平装置组合二、调平装置组合三、调平装置组合四；所述调平装置组合一位于所述中间套管与所述支撑桁架的连接点处；所述调平装置组合二位于所述中间套管与所述斜撑支架的连接点处；所述调平装置组合三位于所述中间套管与所述上端框架的连接点处；所述调平装置组合四位于所述中间套管与所述下端框架的连接点处。

进一步地，至少三根所述工程桩套管的轴线均平行于所述中间套管的轴线。

进一步地，所述工程桩套管的上端设有井口导向结构。

进一步地，所述工程桩套管靠近井口导向结构的上端外周壁设有导向筋板。

进一步地，所述工程桩套管设有四个，四个所述工程桩套管呈正方形排布且所述中间套管位于四个所述工程桩套管围成的正方形的中心位置。

另一方面，本发明还提供了一种带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置的施工方法，用于将如上所述的带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置打入水底，包括以下步骤：

步骤s10，辅助桩沉桩作业：利用振动锤将辅助桩打在水底预设位置上，并在打桩过程中利用振动锤调整辅助桩的垂直度；

步骤s20，插设沉桩定位架：将沉桩定位架从其中间套筒处套进辅助桩，使沉桩定位架沿着辅助桩的导向进入水底，并使沉桩定位架底部的防沉板沉入泥面；

步骤s30，沉桩定位架的调平：利用沿中间套管轴向设置的多组调平装置调整中间套管轴向各处与辅助桩之间的间隙大小，使中间套管上端的支撑桁架的水平度控制在设定范围内；

步骤s40，工程桩的插设：工程桩的插设：向沉桩定位架外周的工程桩套管内插设工程桩，工程桩套管上设置的导向筋板保证工程桩垂直下沉，工程桩沉桩到位即完成施工。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置，与现有技术中的坐底式定位架相比，结构重量轻，对船机设备要求低，可以应用于35m以上水深的导管架基础桩的沉桩施工；先打一根直立的辅助桩，然后将沉桩定位架的中间套管套装辅助桩上，竖直方向上通过沉桩定位架自重支撑在海床上，水平方向利用沿中间套管径向设置的多组调平油缸调节中间套管周向各处和辅助桩之间的间隙，实现定位架平整度的调节，然后在四根工程桩套管内插设工程桩，从而可以很好地控制四根工程桩之间的间距；具有施工难度低、四根工程桩之间的相对位置精度高的优点。

2.本发明提供的带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置，由水平支架和斜撑支架组成的框架式结构的定位架，可以在保证沉桩定位架整体强度满足支撑要求的情况下，降低整个沉桩定位架的整体自重。

3.本发明提供的带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置，防沉板可以沉入海床底部，从而保证沉桩定位架在海床上的平整度。

4.本发明提供的带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置，由上端框架、下端框架和支撑架组成的框架式结构的水平支架，和实体结构的水下沉桩定位架的坐底结构相比，结构自重更轻，对船机设备的要求低，降低了施工成本。

5.本发明提供的带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置，四组调平装置分别设置在中间套管与支撑桁架的连接节点、中间套管与斜撑支架的连接节点、中间套管与上端框架的连接节点、中间套管与下端框架的连接节点，在中间套管的四个主要受力点处均设置一组独立的调平装置，每组调平装置的多个调平油缸可以调节中间套管周向各处和辅助桩之间的间隙，从而可以更好地实现沉桩定位架垂直度的调平。

6.本发明提供的带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置，工程桩套管的上端设有井口导向结构的设置，便于下放工程桩。

7.本发明提供的带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置，工程桩套管上导向筋板的设置，可以确保工程桩在下放过程中的垂直度要求。

8.本发明提供的带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置的施工方法，利用振动锤在海床上打进一根辅助桩，并在打桩过程中利用振动锤调整辅助桩的垂直度；然后将沉桩定位架从其中间套管处套装辅助桩上，在竖直方向上，沉桩定位架通过自重逐渐下沉并支撑在海床上，在水平方向上，利用沿中间套管轴向设置的多组调平装置调节中间套管周向和轴向各处和辅助桩之间的间隙，实现沉桩定位架垂直度的精确调节；然后在沉桩定位架外周的工程桩套管内插设工程桩，从而可以实现多根工程桩之间相对间距精确控制；具有施工难度低、沉桩定位架调平精度高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的水下沉桩定位架装置的正视图；

图2为本发明实施例提供的水下沉桩定位架装置的俯视图。

附图标记说明：1、中间套管；2、辅助桩；3、定位架；31、水平支架；311、上端框架；312、下端框架；313、支撑梁；32、斜撑支架；4、工程桩套管；41、井口导向结构；42、导向筋板；5、调平油缸；6、防沉板；7、支撑桁架。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例一

如图1和图2所示的一种带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置，包括中间套管1、定位架3、工程桩套管4和调平装置。其中，中间套管1为直立的中空筒体结构，用于和辅助桩2套接。定位架3呈正方形且焊接在中间套管1底端的外周，定位架3的重心位于中间套管1的轴线上。工程桩套管4有四根且分别位于定位架3的四个顶角上，四根工程桩套管4的几何中心位于中间套管1的轴线上；工程桩套管4内具有供工程桩插设的柱形空间。调平装置沿中间套管1轴向设置有四组，每组调平装置均包括沿辅助桩2的周向均匀设置在中间套管1周壁的至少四个调平油缸5；至少四个调平油缸5的固定端固定于中间套管1、伸缩端作用于中间套管1内的辅助桩2以调整中间套管1的垂直度。

这种带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置，与现有技术中的坐底式定位架3相比，结构重量轻，对船机设备要求低，可以应用于35m以上水深的定位架3基础的沉桩施工；先打一根直立的辅助桩2，然后将沉桩定位架的中间套管1套装辅助桩2上，竖直方向上通过沉桩定位架自重支撑在海床上，水平方向利用沿中间套管1径向设置的多组调平油缸5调节中间套管1周向各处和辅助桩2之间的间隙，实现定位架3平整度的调节，然后在四根工程桩套管4内插设工程桩，从而可以很好地控制四根工程桩之间的间距；具有施工难度低、四根工程桩之间的相对位置精度高的优点。

在本实施例中，定位架3包括连接在工程桩套管4和中间套管1之间的水平支架31、以及斜撑在水平支架31靠近工程桩套管4一端和中间套管1位于水平支架31上的部分之间斜撑支架32。由水平支架31和斜撑支架32组成的框架式结构的定位架3，可以在保证沉桩定位架整体强度满足支撑要求的情况下，降低整个沉桩定位架的整体自重。

具体的，水平支架31包括相互平行且水平设置的上端框架311和下端框架312，以及支撑在工程桩套管4和中间套管1之间、上端框架311和中间套管1之间、下端框架312和中间套管1之间、上端框架311和下端框架312之间的支撑梁313。由上端框架311、下端框架312和支撑架组成的框架式结构的水平支架31，和实体结构的水下沉桩定位架的坐底结构相比，结构自重更轻，对船机设备的要求低，降低了施工成本。

在本实施例中，水平支架31的下端面固定有防沉板6，防沉板6的板面封盖水平支架31的下底面。防沉板6可以沉入海床底部，从而保证沉桩定位架在海床上的平整度。

在本实施例中，中间套管1上端的外周连接有支撑桁架7。调平装置包括沿中间套管1的轴线至上而下依次设置的调平装置组合一、调平装置组合二、调平装置组合三、调平装置组合四；调平装置组合一位于中间套管1与支撑桁架7的连接点处；调平装置组合二位于中间套管1与斜撑支架32的连接点处；调平装置组合三位于中间套管1与上端框架311的连接点处；调平装置组合四位于中间套管1与下端框架312的连接点处。四组调平装置分别设置在中间套管1与支撑桁架7的连接节点、中间套管1与斜撑支架32的连接节点、中间套管1与上端框架311的连接节点、中间套管1与下端框架312的连接节点，在中间套管1的四个主要受力点处均设置一组独立的调平装置，每组调平装置的多个调平油缸5可以调节中间套管1周向各处和辅助桩2之间的间隙，四组调平装置相互配合从而可以更好地实现沉桩定位架垂直度的调平。

在本实施例中，四根工程桩套管4的轴线均平行于中间套管1的轴线。工程桩套管4的上端设有井口导向结构41；井口导向结构41便于下放工程桩。工程桩套管4靠近井口导向结构41的上端外周壁设有导向筋板42；导向筋板42的设置，可以确保工程桩在下放过程中的垂直度要求。

实施例二

本发明实施例还提供了一种带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置的施工方法，用于将如上的带辅助桩的套筒式水下沉桩定位架装置打入水底，具体包括以下步骤：

步骤s10，辅助桩沉桩作业：利用振动锤将辅助桩打在水底预设位置上，并在打桩过程中利用振动锤调整辅助桩的垂直度；

步骤s20，插设沉桩定位架：将沉桩定位架从其中间套筒处套进辅助桩，使沉桩定位架沿着辅助桩的导向进入水底，并使沉桩定位架底部的防沉板6沉入泥面；

步骤s30，沉桩定位架的调平：利用沿中间套管轴向设置的多组调平装置调整中间套管轴向各处与辅助桩之间的间隙大小，使中间套管上端的支撑桁架7的水平度控制在设定范围内；

步骤s40，工程桩的插设：向沉桩定位架外周的工程桩套管内插设工程桩，工程桩套管上设置的导向筋板保证工程桩垂直下沉，工程桩沉桩到位即完成施工。

其中，沉桩定位架为工程桩施工的辅助设施，四根工程桩在施工完成后，松掉多组调平装置的调平油缸，吊起沉桩定位架，拔出辅助桩，得到矗立在海底上的四根工程桩，这种采用沉桩定位架对四根工程桩的沉桩位置进行定位的方式，可以精确地控制四根工程桩之间的相对间距。

这种水下沉桩定位架装置的施工方法，利用振动锤在海床上打进一根辅助桩2，并在打桩过程中利用振动锤调整辅助桩2的垂直度；然后将沉桩定位架从其中间套管1处套装辅助桩2上，在竖直方向上，沉桩定位架通过自重逐渐下沉并支撑在海床上，在水平方向上，利用沿中间套管1轴向设置的多组调平装置调节中间套管1周向和轴向各处和辅助桩2之间的间隙，实现沉桩定位架垂直度的精确调节；然后在沉桩定位架外周的工程桩套管4内插设工程桩，工程桩施工完成后，吊起沉桩定位架，拔出辅助桩2可以得到矗立在海底上的四根工程桩；具有施工难度低、四根工程桩之间的相对位置精度高的优点。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。