一种带减阻系统的桶型基础及铰吸式沉贯安装方法

1.本发明涉及桶型基础技术领域，尤其涉及一种带减阻系统的桶型基础及铰吸式沉贯安装方法。


背景技术：

2.离岸式桶型基础涉及到大量海洋工程项目建设，例如人工岛建设、海港建设、岛屿扩建、跨海大桥、海岸线保护、海上围堰工程等，离岸式桶型基础在其中发挥了极其重要的作用。
3.除了在海洋工程中的应用，桶型基础也被广泛应用于陆上隧道交通工程通风井/工作井、引水工程工作井、地下车库、紧急逃生通道、储备空间(用于储油、储粮和储水)等实际工程中。目前，常见的桶型基础安装方法包括冲振锤击和负压沉贯方法。其中，冲振锤击方法通过液压锤高速振动液化桶型基础周围土体，即通过破坏土体结构，以达到减小沉贯阻力将桶体顺利贯入土体的，因此，该方法会降低土体稳定性，增加桶型基础周围渗流破坏、桶型基础整体失稳甚至断裂破坏的风险。负压沉贯方法是通过自重沉入后使用负压泵在桶内外形成压力差来实现桶型基础沉贯安装的，属于静压沉贯方法，对桶体周边土体扰动相对较小，该方法相较于前述冲振锤击方法，具有成本低、效率高、环境影响小的特点，但当遇到粗砾或密度大的粘性土地层时，桶内外土体难以产生渗流作用，导致沉贯过程中阻力过大，桶型基础无法完成沉贯要求。
4.因此，为解决桶型基础沉贯失稳、破坏及沉贯阻力过大等工程问题，针对复杂海域或地下水位较高的陆域环境中桶型基础安装工程，亟需一种施工效率高、经济、安全的改进的桶型基础结构和沉贯方法。


技术实现要素：

5.本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种带减阻系统的桶型基础及铰吸式沉贯安装方法。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
7.根据本说明书的第一方面，提供了一种带减阻系统的桶型基础，包括桶型基础、减阻系统、带绞吸装置的负压沉贯系统；
8.所述减阻系统包括开设有触变泥浆通道和触变泥浆出口的减阻桶套、触变泥浆管和触变泥浆系统；所述减阻桶套紧密连接在桶型基础外侧；所述触变泥浆通道设置于减阻桶套桶壁内，垂直贯穿减阻套筒，通过触变泥浆出口和外界连通；所述触变泥浆出口均布于减阻桶套下部分；所述触变泥浆管一端与触变泥浆系统连接，另一端连通触变泥浆通道；所述触变泥浆系统包括触变泥浆箱、压力泵和控制阀；
9.所述带绞吸装置的负压沉贯系统包括绞吸装置、负压沉贯桶盖和负压系统；
10.所述绞吸装置由铰刀头、旋喷套筒、钻杆和排泥管组成；所述铰刀头包括安装有铰刀片的刀盘，用于切削破碎土中块石；所述刀盘安装在旋喷套筒下端；所述旋喷套筒安装有
水泥浆喷射口和高压水喷射口；吸泥口设置于所述钻杆底端面，贯穿钻杆、旋喷套筒、刀盘，与排泥管连通；所述旋喷套筒安装在钻杆下端，所述钻杆穿过负压沉贯桶盖的密封口与排泥管连接；
11.所述负压沉贯桶盖包括开设有负压孔和密封口的顶盖和固定钢板；所述顶盖密封安装于桶型基础顶部；所述负压孔与负压系统连接；所述密封口用于钻杆与顶盖、固定钢板的密封连接。
12.根据本说明书的另一方面，提供一种带减阻系统的桶型基础的铰吸式沉贯安装方法，该方法包括以下步骤：
13.(s1)将带减阻桶套的桶型基础吊运至待安装区域，安装带绞吸装置的负压沉贯桶盖；
14.连接负压孔与负压系统；连接排泥管和排泥系统；通过触变泥浆管将触变泥浆系统与触变泥浆通道连通；
15.下放钻杆，直至铰刀头底面与桶型基础底面标高齐平；
16.(s2)待桶型基础在自重作用下均匀下沉停止后，打开负压孔、吸泥口，启动负压系统和绞吸装置中的铰刀头、排泥系统将桶型基础继续沉贯；
17.带触变泥浆出口附近的土压力传感器读数达到设定值时，启动触变泥浆系统，辅助桶型基础沉贯；
18.(s3)待桶型基础沉贯至设计标高后，关闭负压孔、吸泥口，停止负压系统，将触变泥浆更换成触变泥浆固化剂，经触变泥浆系统加压后通过触变泥浆管、触变泥浆通道、触变泥浆出口对减阻桶套与土体缝隙中的触变泥浆进行固化处理；
19.铰刀头、排泥系统继续工作，钻杆继续自上而下钻进；
20.(s4)待钻杆钻进至指定高度时，停止铰刀头、排泥系统；
21.启动旋喷套筒和高压水喷射口，高压水经钻杆内高压水通道后通过高压水喷射口喷射出对桶型基础底部待加固区域土体进行切削；
22.(s5)启动水泥浆喷射口，与高压水喷射口交替作业，水泥浆经钻杆内水泥浆通道后通过水泥浆喷射口高压喷射出，对高压水切削区域土体进行加固；
23.(s6)待桶型基础底部土体加固完成后，水泥浆喷射口与高压水喷射口继续交替作业，对桶型基础内部土体自下而上加固；
24.(s7)待桶型基础内部土体加固完成后，关闭旋喷套筒、水泥浆喷射口、高压水喷射口，提升钻杆至旋喷套筒顶端与顶盖底面齐平；
25.(s8)断开负压孔与负压系统的连接后，打开负压孔使其与大气连接；打开吸泥口，开启排泥系统，再次启动旋喷套筒和高压水喷射口，对桶型基础内部土体进行切削和排出；高压水喷射口喷射出高压水切削桶内土体的过程中，钻杆随之自上而下推进，将泥水混合物通过吸泥口和排泥系统排出；
26.(s9)待桶型基础内部土体清理完毕后，关闭吸泥口，停止排泥系统、旋喷套筒和高压水喷射口；断开触变泥浆管与触变泥浆通道的连接；断开排泥管与排泥系统连接；拆除带绞吸装置的负压沉贯桶盖，桶型基础施工完成。
27.进一步地，所述步骤(s2)中，所述绞吸装置的铰刀头和钻杆为刚性，起到导向作用，保证桶型基础竖直向下沉贯；
28.所述土压力传感器读数的设定值为注入触变泥浆的最小压力值；
29.所述触变泥浆系统启动后，触变泥浆经触变泥浆管、触变泥浆通道、触变泥浆出口加压注入减阻桶套与土体的缝隙中，用于对桶型基础减阻沉贯；所述触变泥浆加压值根据土体性质和水土压力大小确定。
30.进一步地，所述步骤(s4)、(s5)中，对桶型基础底部土体切削和加固过程中，钻杆自下而上缓慢提升；所述水泥浆喷射口、高压水喷射口单独作业时间以及水泥浆喷射口与高压水喷射口交替作业时间间隔严格控制，防止扰动桶型基础。
31.进一步地，所述步骤(s6)、(s7)中，桶型基础内部土体的加固高度由桶型基础内外渗流稳定性确定。
32.进一步地，所述步骤(s4)-(s8)中，高压水喷射口喷射出的高压水和水泥浆喷射口喷射出的高压水泥浆液的压力均应根据设计要求动态调整；
33.所述高压水喷射口喷射出的高压水压力应满足待加固区域土体切削的要求；所述水泥浆喷射口喷射出的高压水泥浆液的压力应满足待加固区域土体加固的要求。
34.进一步地，所述步骤(s9)中，本发明的有益效果：
35.本发明开发了减阻系统，经触变泥浆系统加压后将触变泥浆通过触变泥浆管、触变泥浆通道、触变泥浆出口压入减阻桶套与土体的缝隙中，从而有效地降低桶型基础的沉贯阻力，提升沉贯施工速度，节约工期，达到高效减阻沉贯的工程效果。
36.本发明采用触变泥浆固化剂，对沉贯到指定标高后的桶型基础与土体缝隙中的触变泥浆进行固化处理，防止沉贯完成后的桶型基础与周围土体脱空、甚至失稳破坏，提高桶型基础的整体稳定性，减少基础沉降和位移风险。
37.本发明开发了带绞吸装置的负压沉贯系统，通过绞吸出土联合负压沉贯的方法辅助桶型基础沉贯，具体地，通过绞吸装置的铰刀头旋转切削土体并经吸泥口和排泥系统排出渣土，联合负压系统在桶型基础内外形成压力差以及负压孔抽取桶内土水的形式，共同作用辅助桶型基础沉贯，能大大提高沉贯效率；以刚性的铰刀头和钻杆为导向，保证桶型基础竖直向下沉贯，避免桶型基础发生倾斜，提升桶型基础的竖向沉贯效果。
38.本发明中的旋喷套筒旋转带动水泥浆喷射口、高压水喷射口旋转作业，其中，高压水喷射口喷射出高压水能高效切削较大范围内的土体，水泥浆喷射口喷射出的高压水泥浆液能加固较大范围内的土体；通过控制水泥浆喷射口和高压水喷射口交替作业，对桶型基础底部和内部一定范围内的土体进行切削后加固，减小桶型基础发生渗流破坏的风险，提高桶型基础的渗流稳定性和整体稳定性，有效控制桶型基础施工和长期运营过程中的变形和不均匀沉降。
39.本发明中高压水喷射口除切削土体的功能外，还能清洗桶型基础内部，有利于桶型基础内部结构和设备安装，加快桶型基础整体交付进度，工程经济效益显著。
40.本发明通过钻杆提升、下放，辅助完成钻进、绞吸、切削和加固土体等工程作业，提高桶型基础的沉贯施工效率和施工效果。
41.本发明中铰刀头能切削破碎土中块石能避免较大粒径的砾石堵塞管道的，实现高效安全地钻进作业。
42.本发明提出的一种带减阻系统的桶型基础的铰吸式沉贯安装技术，适用范围广，从施工应用常见来讲，不仅适用于海洋、河流、湖泊等在水中的桶型基础安装，也适用于地
下水位较高的陆域桶型基础安装；从施工土层地质条件来讲，不仅适用于软土地层，也适用于带砾石或者块石的地层，能实现复杂地质条件下桶型基础的高效、安全沉贯施工。
附图说明
43.图1为带减阻系统的桶型基础和带绞吸装置的负压沉贯系统的剖面图；
44.图2(a)带减阻系统的桶型基础沉贯安装前的示意图；
45.图2(b)为桶型基础贯入指定深度同时钻杆钻进待加固区域示意图；
46.图2(c)为钻杆继续钻进后高压水对桶型基础底部区域土体切削的示意图；
47.图2(d)为水泥出口喷射水泥自下向上对桶型基础底部区域土体加固示意图；
48.图2(e)为水泥出口喷射水泥继续自下向上对桶型基础内部土体加固示意图；
49.图2(f)为钻杆提升至桶型基础顶部示意图；
50.图2(g)为钻杆喷射出高压水自上而下切削桶内土体示意图；
51.图2(h)为桶型基础施工完成示意图。
52.图中，桶型基础(1)；减阻系统(2)、减阻桶套(2-1)、触变泥浆通道(2-2)、触变泥浆出口(2-3)、触变泥浆管(2-4)；绞吸装置(3)、铰刀头(3-1)、刀盘(3-1-1)、铰刀片(3-1-2)、旋喷套筒(3-2)、水泥浆喷射口(3-2-1)、高压水喷射口(3-2-2)、吸泥口(3-2-3)、钻杆(3-3)、排泥管(3-4)；负压沉贯桶盖(4)、顶盖(4-1)、负压孔(4-2)、固定钢板(4-3)、密封口(4-4)、螺栓(4-5)。
具体实施方式
53.以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
54.如图1所示，本发明实施例提供的一种带减阻系统的桶型基础，包括桶型基础1、减阻系统2、带绞吸装置的负压沉贯系统；
55.所述减阻系统2包括减阻桶套2-1、触变泥浆通道2-2、触变泥浆出口2-3、触变泥浆管2-4和触变泥浆系统；
56.所述带绞吸装置的负压沉贯系统包括绞吸装置3、负压沉贯桶盖4和负压系统；
57.所述绞吸装置3由铰刀头3-1、旋喷套筒3-2、钻杆3-3和排泥管3-4组成；所述铰刀头3-1包括刀盘3-1-1和铰刀片3-1-2；所述旋喷套筒3-2上安装有水泥浆喷射口3-2-1、高压水喷射口3-2-2、吸泥口3-2-3；
58.所述负压沉贯桶盖4包括顶盖4-1、负压孔4-2、固定钢板4-3、密封口4-4、螺栓4-5；
59.所述减阻桶套2-1紧密连接在桶型基础1外侧；所述触变泥浆通道2-2设置于减阻桶套2-1桶壁内，垂直贯穿减阻套筒2-1；所述触变泥浆出口2-3均布于减阻桶套2-1下部分，与触变泥浆通道2-2和外界连通；所述触变泥浆管2-4贯穿顶盖4-1，一端与触变泥浆系统连接，另一端连通触变泥浆通道2-2；所述触变泥浆系统包括触变泥浆箱、压力泵、控制阀；
60.所述铰刀头3-1由刀盘3-1-1和铰刀片3-1-2组成，通过刀盘3-1-1连接在旋喷套筒3-2下端；所述铰刀片3-1-2设置于铰刀头3-1底部，与刀盘3-1-1连接；所述旋喷套筒3-2连接在钻杆3-3下端，所述旋喷套筒3-2上设有水泥浆喷射口3-2-1、高压水喷射口3-2-2和吸泥口3-2-3；所述水泥浆喷射口3-2-1分布在旋喷套筒3-2外壁两侧；所述高压水喷射口3-2-2设置于水泥浆喷射口3-2-1下方；所述吸泥口3-2-3设置于钻杆底端面，贯穿钻杆3-3、旋喷
套筒3-2、刀盘3-1-1，与排泥管3-4连通；所述排泥管3-4设置于顶盖4-1顶端，一端与钻杆3-3连接，另一端与排泥系统连接；所述钻杆3-3穿过密封口4-4与排泥管3-4连接；
61.所述顶盖4-1密封安装于桶型基础1顶部；所述顶盖4-1上设有负压孔4-2和密封口4-4；所述负压孔4-2与负压系统连接；所述固定钢板4-3通过若干螺栓4-5固定连接在顶盖4-1上；所述密封口4-4用于钻杆3-3与顶盖4-1、固定钢板4-3密封连接。
62.所述桶型基础1为钢桶或气密性混凝土桶；所述顶盖4-1选用钢材；所述固定钢板4-3设置于顶盖4-1中心，能对密封口4-4进行加固处理；所述密封口4-4内径与钻杆3-3外径相同，密封口4-4内部设置有橡胶密封材料，并设置固定卡扣使钻杆3-3能固定于设定高度。
63.所述减阻桶套2-1优选对拉螺栓与桶型基础1紧密连接；所述减阻桶套2-1的强度应满足沉贯和触变泥浆加压通过的要求；所述顶盖4-1与桶型基础1密封连接；所述触变泥浆通道2-2在减阻桶套2-1内沿桶型基础1外壁周向均布；所述触变泥浆出口2-3均布在减阻桶套2-1入土部分，并在触变泥浆出口2-3附近安装土压力传感器；所述触变泥浆管2-4上设置加压阀，待土压力传感器监测到的土压力达到设定值时加压阀打开，触变泥浆注入减阻桶套2-1与土体的接触面；所述触变泥浆通道2-2和触变泥浆出口2-3的数量由土体性质和桶型基础尺寸、重量确定。
64.所述铰刀头3-1的强度满足切削块石的要求；所述钻杆3-3内设有水泥浆通道、高压水通道、排泥通道及导线通道；所述水泥浆通道、高压水通道、排泥通道分别与水泥浆喷射口3-2-1、高压水喷射口3-2-2、吸泥口3-2-3连接；所述旋喷套筒3-2和刀盘3-1-1可分别独立旋转作业。
65.本发明实施例提供的一种带减阻系统的桶型基础的铰吸式沉贯安装方法，该方法包括以下步骤：
66.s1、如图2(a)所示，将带减阻桶套2-1的桶型基础1吊运至待安装区域，安装带绞吸装置3的负压沉贯桶盖4；
67.连接负压孔4-2与负压系统；连接排泥管3-4和排泥系统；通过触变泥浆管2-4将触变泥浆系统与触变泥浆通道2-2连通；
68.下放钻杆3-3，直至铰刀头3-1底面与桶型基础1底面标高齐平；
69.s2、待桶型基础1在自重作用下均匀下沉停止后，打开负压孔4-2、吸泥口3-2-3，启动负压系统和绞吸装置3中的铰刀头3-1、排泥系统将桶型基础1继续沉贯；
70.带触变泥浆出口2-3附近的土压力传感器读数达到设定值时，启动触变泥浆系统，辅助桶型基础1沉贯；
71.s3、如图2(b)所示，待桶型基础1沉贯至设计标高后，关闭负压孔4-2、吸泥口3-2-3，停止负压系统，将触变泥浆更换成触变泥浆固化剂，经触变泥浆系统加压后通过触变泥浆管2-4、触变泥浆通道2-2、触变泥浆出口2-3对减阻桶套2-1与土体缝隙中的触变泥浆进行固化处理；
72.铰刀头3-1、排泥系统继续工作，钻杆3-3继续自上而下钻进；
73.s4、待钻杆3-3钻进至指定高度时，停止铰刀头3-1、排泥系统；
74.如图2(c)所示，启动旋喷套筒3-2和高压水喷射口3-2-2，高压水经钻杆3-3内高压水通道后通过高压水喷射口3-2-2喷射出对桶型基础1底部待加固区域土体进行切削；
75.s5、如图2(d)所示，启动水泥浆喷射口3-2-1，与高压水喷射口3-2-2交替作业，水
泥浆经钻杆3-3内水泥浆通道后通过水泥浆喷射口3-2-1高压喷射出，对高压水切削区域土体进行加固；
76.s6、如图2(e)所示，待桶型基础1底部土体加固完成后，水泥浆喷射口3-2-1与高压水喷射口3-2-2继续交替作业，对桶型基础1内部土体自下而上加固；
77.s7、如图2(f)所示，待桶型基础1内部土体加固完成后，关闭旋喷套筒3-2、水泥浆喷射口3-2-1、高压水喷射口3-2-2，提升钻杆3-3至旋喷套筒3-2顶端与顶盖4-1底面齐平；
78.s8、如图2(g)所示，断开负压孔4-2与负压系统的连接后，打开负压孔4-2使其与大气连接；打开吸泥口3-2-3，开启排泥系统，再次启动旋喷套筒3-2和高压水喷射口3-2-2，对桶型基础1内部土体进行切削和排出；高压水喷射口3-2-2喷射出高压水切削桶内土体的过程中，钻杆3-3随之自上而下推进，将泥水混合物通过吸泥口3-2-3和排泥系统排出；
79.s9、待桶型基础1内部土体清理完毕后，关闭吸泥口3-2-3，停止排泥系统、旋喷套筒3-2和高压水喷射口3-2-2；断开触变泥浆管2-4与触变泥浆通道2-2的连接；断开排泥管3-4与排泥系统连接；拆除带绞吸装置3的负压沉贯桶盖4，如图2(f)所示，桶型基础1施工完成。
80.在一个实施例中，所述步骤s2中，所述负压系统通过在桶型基础内外形成压力差以及负压孔4-2抽取桶内土水的形式辅助桶型基础1沉贯；所述绞吸装置3通过铰刀头3-1旋转切削桶型基础1内部土体后经吸泥口3-2-3、排泥管3-4、排泥系统排出土水的形式辅助桶型基础1沉贯；所述绞吸装置3的铰刀头3-1和钻杆3-3为刚性，起到导向作用，保证桶型基础1竖直向下沉贯；
81.所述土压力传感器读数的设定值为注入触变泥浆的最小压力值；
82.所述触变泥浆系统启动后，触变泥浆经触变泥浆管2-4、触变泥浆通道2-2、触变泥浆出口2-3加压注入减阻桶套2-1与土体的缝隙中，起到对桶型基础1减阻沉贯的作用；所述触变泥浆加压值根据土体性质、水土压力大小经设计计算确定；
83.所述步骤s2、s3中，铰刀头3-1能切削破碎土中块石。
84.在一个实施例中，所述步骤s4、s5中，对桶型基础1底部土体切削和加固过程中，钻杆3-3自下而上缓慢提升；所述水泥浆喷射口3-2-1、高压水喷射口3-2-2单独作业时间以及水泥浆喷射口3-2-1与高压水喷射口3-2-2交替作业时间间隔应严格控制，防止扰动桶型基础1。
85.在一个实施例中，所述步骤s6、s7中，桶型基础1内部土体的加固高度由桶型基础1内外渗流稳定性计算确定；所述步骤s8中，所述桶型基础1内部土体切削完成后，仍可通过高压水清洗桶型基础1内部，产生的污水通过吸泥口3-2-3和排泥系统排出；所述步骤s4-s8中，高压水喷射口3-2-2喷射出的高压水和水泥浆喷射口3-2-1喷射出的高压水泥浆液的压力均应根据设计要求动态调整；所述高压水喷射口3-2-2喷射出的高压水压力应满足待加固区域土体切削的要求；所述水泥浆喷射口3-2-1喷射出的高压水泥浆液的压力应满足待加固区域土体加固的要求。
86.在一个实施例中，所述步骤s9中，所述桶型基础1施工完成后，可根据工程需要施作桶型基础内部底板、桶壁加固，并进行内部设备安装。
87.本发明适用于海洋、河流、湖泊等在水中的桶型基础1安装，也适用于地下水位较高的陆域桶型基础1安装。
88.上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。