一种用于沉桩施工的负压桶式导向架平台及其施工方法

技术领域

本申请涉及海上风电桩基施工技术领域，特别涉及一种用于沉桩施工的负压桶式导向架平台及其施工方法。

背景技术

海上风电作为一种可再生的清洁能源，在推进能源结构转型和承担环境保护升级任务中发挥至关重要的作用，发展前景广阔。近年来，海上风电进入到一个快速发展的阶段，其建设由早期的潮间带逐步发展到30～50m水深海域。

目前海上风电领域，导管架基础的应用越来越普遍。导管架基础中，钢管桩的沉桩施工是最为关键的步骤之一。目前来说，导管架基础钢管桩施工存在以下几个难点：1、钢管桩沉桩时的精度控制难度大，包括相对平面位置精度及钢管桩垂直度，特别的随着水深及离岸距离的增加，施工难度增大；2、海上风电作业窗口期短，且不连续，而目前导向架多采用定位桩形式，辅助桩沉桩及拔桩不够方便和快捷，占用宝贵的施工窗口期；3、导管架基础种类多，沉桩导向架平台通用性差，无形中增加了建造成本。

针对目前逐步向30～50m水深区域发展的海上风电导管架基础，常规的导向架平台未能表现出良好的适应性，因此，发明一套施工简便，工效高，适应性好的沉桩用的导向架平台显得十分必要。

发明内容

本申请实施例提供一种用于沉桩施工的负压桶式导向架平台及其施工方法，以解决相关技术中钢管桩沉桩时的精度控制难度大的问题。

本申请实施例第一方面提供了一种用于沉桩施工的负压桶式导向架平台，所述负压桶式导向架平台包括：

主导向架，其为矩形框架结构，所述主导向架包括多根立柱，多根所述立柱共同围成矩形结构，且相邻的两根立柱之间通过横梁固定连接；

负压筒基础，其为底部开口四周封闭的空心管体结构，所述负压筒基础设有多个，多个所述负压筒基础分别固定在多根立柱的底部，所述负压筒基础的轴线与所述立柱的轴线平行；

导向装置，其包括位于所述主导向架上且由上至下依次排列的靠桩导向装置、插桩导向装置及打桩导向装置，所述靠桩导向装置、插桩导向装置及打桩导向装置的轴线共线。

在一些实施例中：所述主导向架的顶部固定设有固定所述靠桩导向装置的上导向桁架，所述上导向桁架为矩形框架结构，所述靠桩导向装置设有四组，四组所述靠桩导向装置在沿所述上导向桁架的中心对称设置。

在一些实施例中：所述靠桩导向装置包括相互平行且间隔设置的第一固定架和第二固定架，所述第一固定架上可拆卸连接有第一调节架，所述第二固定架上可拆卸连接有第二调节架；

所述第一调节架在所述第一固定架上可沿接近和远离所述第二固定架移动，所述第二调节架在所述第二固定架上可沿接近和远离所述第一固定架移动。

在一些实施例中：所述第一调节架和第二调节架上均设有导向轮组，所述导向轮组包括底座和滑块，所述滑块与所述底座滑动连接；

所述滑块的一端设有驱动滑块在底座上往复直线运动的丝杆，所述丝杆与底座螺纹连接，所述滑块的另一端转动连接有导向轮。

在一些实施例中：所述主导向架的中部固定设有固定所述插桩导向装置和打桩导向装置的下导向桁架，所述下导向桁架为矩形框架结构；

所述插桩导向装置及打桩导向装置均设有四组，四组所述插桩导向装置和四组打桩导向装置分别布设于所述下导向桁架的四角。

在一些实施例中：所述下导向桁架和主导向架的投影均为正四边形结构，所述下导向桁架的对角线与所述主导向架的对角线之间的夹角为45度。

在一些实施例中：所述插桩导向装置和打桩导向装置均为圆形套管结构，所述插桩导向装置和打桩导向装置的内孔均为上大下小的锥形结构，所述插桩导向装置的最小内径大于所述打桩导向装置的最小内径。

在一些实施例中：所述插桩导向装置和打桩导向装置均与所述下导向桁架通过螺栓可拆卸连接。

在一些实施例中：所述主导向架上设有负压控制系统，所述负压控制系统包括连接所述负压筒基础的抽水管路及连接所述抽水管路的泵撬块。

本申请实施例第二方面提供了一种用于沉桩施工的负压桶式导向架平台的施工方法，其特征在于，所述方法使用上述任一实施例所述的一种用于沉桩施工的负压桶式导向架平台，所述方法包括以下步骤：

负压桶式导向架平台在工厂加工完成后，利用浮吊运送至施工现场，利用浮吊起吊负压桶式导向架平台并配合缆绳将其下沉至设定位置；

负压桶式导向架平台自重下沉完成后，启动泵撬块抽出负压筒基础内的水来调节负压筒基础的内外压差，以使负压桶式导向架平台下沉至设定标高；

将钢管桩运送至施工现场，利用浮吊和翻桩器进行起吊和翻转钢管桩，将钢管桩进入靠桩导向装置内，此时，钢管桩的底部高于插桩导向装置；

浮吊缓慢下放钢管桩，靠桩导向装置调整钢管桩的垂直度并将钢管桩的底部穿入插桩导向装置内；

浮吊继续缓慢下放钢管桩，钢管桩在靠桩导向装置和插桩导向装置的共同导向作用下穿入打桩导向装置内，并在自重作用下下沉至海床面以下；

浮吊起吊打桩锤并插打钢管桩，将钢管桩插打至设定高程后完成第一阶段的插打作业，此时，钢管桩的顶部高于靠桩导向装置；

浮吊起吊送桩器，将送桩器接入钢管桩的顶部，在利用打桩锤继续插打钢管桩，将钢管桩插打至设定高程后完成第二阶段的插打作业；

按照上述步骤将同一位置所有钢管桩沉桩施工完成后，启动泵撬块向负压筒基础内注水来调节负压筒基础的内外压差，以使负压桶式导向架平台上浮，并利用浮吊将负压桶式导向架平台吊装至下一位置继续沉桩施工。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种用于沉桩施工的负压桶式导向架平台及其施工方法，由于本申请的负压桶式导向架平台设置了主导向架，其为矩形框架结构，主导向架包括多根立柱，多根立柱共同围成矩形结构，且相邻的两根立柱之间通过横梁固定连接；负压筒基础，其为底部开口四周封闭的空心管体结构，负压筒基础设有多个，多个负压筒基础分别固定在多根立柱的底部，负压筒基础的轴线与立柱的轴线平行；导向装置，其包括位于主导向架上且由上至下依次排列的靠桩导向装置、插桩导向装置及打桩导向装置，靠桩导向装置、插桩导向装置及打桩导向装置的轴线共线。

因此，本申请的负压桶式导向架平台采用位于主导向架上且由上至下依次排列的靠桩导向装置、插桩导向装置及打桩导向装置为钢管桩沉桩施工提供分级定位和导向，实现了钢管桩的喂桩、深水插桩和精确打桩施工控制，保证了钢管桩的位置精度和垂直度。本申请的负压桶式导向架平台采用负压筒基础实现主导向架的快速下沉和定位，安装和倒用效率高，节约了海上施工窗口期，提高了施工效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例的结构示意图；

图2为本申请实施例的主导向架、插桩导向装置及打桩导向装置的结构示意图；

图3为本申请实施例的靠桩导向装置的结构示意图；

图4为本申请实施例的导向轮组的结构示意图；

图5为本申请实施例的步骤1的结构示意图；

图6为本申请实施例的步骤2的结构示意图；

图7为本申请实施例的步骤3的结构示意图；

图8为本申请实施例的步骤4的结构示意图；

图9为本申请实施例的步骤5的结构示意图；

图10为本申请实施例的步骤6的结构示意图；

图11为本申请实施例的步骤7的结构示意图；

图12为本申请实施例的步骤8的结构示意图。

附图标记：

1、负压桶式导向架平台；2、钢管桩；3、浮吊；4、缆绳；5、抽水管路；6、控制器；7、泵撬块；8、翻桩器；9、打桩锤；10、吊具；

11、主导向架；12、靠桩导向装置；13、插桩导向装置；14、打桩导向装置；15、负压筒基础；16、上导向桁架；17、下导向桁架；18、送桩器；

111、立柱；112、横梁；121、第一固定架；122、第二固定架；123、第一调节架；124、第二调节架；125、导向轮组；126、底座；127、滑块；128、丝杆；129、导向轮。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种用于沉桩施工的负压桶式导向架平台及其施工方法，其能解决相关技术中钢管桩沉桩时的精度控制难度大的问题。

参见图1和图2所示，本申请实施例第一方面提供了一种用于沉桩施工的负压桶式导向架平台，该负压桶式导向架平台1包括：

主导向架11，该主导向架11为矩形框架结构，主导向架11包括四根立柱111，四根立柱111的轴线相互平行。四根立柱111共同围成矩形结构，且相邻的两根立柱111之间通过横梁112固定连接。

负压筒基础15，该负压筒基础15为底部开口四周封闭的空心管体结构，负压筒基础15设有四个，四个负压筒基础15分别固定在四根立柱111的底部，负压筒基础15的轴线与立柱111的轴线平行，负压筒基础15的轴线与立柱111的轴线优选为共线。

导向装置，该导向装置包括位于主导向架11上且由上至下依次排列的靠桩导向装置12、插桩导向装置13及打桩导向装置14，靠桩导向装置12、插桩导向装置13及打桩导向装置14的轴线共线。

靠桩导向装置12、插桩导向装置13及打桩导向装置14分别设有四组，四组靠桩导向装置12、四组插桩导向装置13及四组打桩导向装置14均围设在主导向架11的四周。

本申请实施例的负压桶式导向架平台1采用位于主导向架11上且由上至下依次排列的靠桩导向装置12、插桩导向装置13及打桩导向装置14为钢管桩2沉桩施工提供分级定位和导向，实现了钢管桩2的喂桩、深水插桩和精确打桩施工控制，保证了钢管桩2的位置精度和垂直度。

本申请的负压桶式导向架平台1采用负压筒基础15实现主导向架11的快速下沉和定位，通过调节负压筒基础15的内外压差实现负压桶式导向架平台1快速安装和倒用，节约了海上施工窗口期，提高了施工效率。

在一些可选实施例中：参见图1和图3所示，本申请实施例提供了一种用于沉桩施工的负压桶式导向架平台，该负压桶式导向架平台1的主导向架11的顶部固定设有固定靠桩导向装置12的上导向桁架16。该上导向桁架16为矩形框架结构，靠桩导向装置12设有四组，四组靠桩导向装置12在沿上导向桁架16的中心对称设置。

靠桩导向装置12包括相互平行且间隔设置的第一固定架121和第二固定架122，第一固定架121和第二固定架122的一端均与上导向桁架16焊接连接。在第一固定架121上可拆卸连接有第一调节架123，在第二固定架122上可拆卸连接有第二调节架124。

第一调节架123上设有连接第一固定架121的多个安装孔，多个安装孔沿第一调节架123的长度方向间隔排列，第一调节架123沿接近和远离第二固定架122移动后通过多个安装孔与第一固定架121通过螺栓固定。

第二调节架124上设有连接第二固定架122的多个安装孔，多个安装孔沿第二调节架124的长度方向间隔排列，第二调节架124沿接近和远离第一固定架121移动后通过多个安装孔与第二固定架122通过螺栓固定。

本申请实施例的靠桩导向装置12设置在主导向架11的顶部为钢管桩2提供初步定位，钢管桩2位于第一固定架121和第二固定架122之间的间隙内。根据钢管桩2的实际管径来调节第一调节架123与第二调节架124之间的距离，以使钢管桩2夹持在第一调节架123与第二调节架124之间，实现钢管桩2的初步定位。

在一些可选实施例中：参见图3和图4所示，本申请实施例提供了一种用于沉桩施工的负压桶式导向架平台，该负压桶式导向架平台1的第一调节架123和第二调节架124上均设有两个导向轮组125。导向轮组125包括底座126和滑块127，滑块127与底座126滑动连接，滑块127在底座126内沿底座126的长度方向移动。导向轮组125通过底座126与第一调节架123或第二调节架124固定连接。

在滑块127的一端设有驱动滑块127在底座126上往复直线运动的丝杆128，在底座126上固定设有与丝杆128螺纹连接的螺母。通过正反向旋转丝杆128，将丝杆128的旋转运动转化为驱动滑块127在底座126上往复直线运动。

在滑块127的另一端转动连接有导向轮129，在滑块127的另一端设有转动连接导向轮129转轴，导向轮129通过转轴与滑块127连接。导向轮129与钢管桩2的外壁接触并转动连接，为钢管桩2下放提供导向和支撑，并保护钢管桩2的外壁不受损坏。

位于第一调节架123和第二调节架124上的导向轮组125围在钢管桩2的四周，围在钢管桩2四周的导向轮组125可根据钢管桩2的管径大小进行调节，通过调节围在钢管桩2四周的导向轮组125来调节钢管桩2的垂直度。

在一些可选实施例中：参见图1和图2所示，本申请实施例提供了一种用于沉桩施工的负压桶式导向架平台，该负压桶式导向架平台1的主导向架11的中部固定设有固定插桩导向装置13和打桩导向装置14的下导向桁架17，下导向桁架17为矩形框架结构。下导向桁架17和主导向架11的投影均优选为正四边形结构，下导向桁架17的对角线与主导向架11的对角线之间的夹角为45度。

插桩导向装置13及打桩导向装置14均设有四组，四组插桩导向装置13和四组打桩导向装置14分别布设于下导向桁架17的四角。四组插桩导向装置13位于下导向桁架17的顶部，四组打桩导向装置14位于下导向桁架17的底部。位于相同方向的插桩导向装置13的轴线与打桩导向装置14的轴线共线。

插桩导向装置13和打桩导向装置14均为圆形套管结构，插桩导向装置13和打桩导向装置14的内孔均为上大下小的锥形结构，插桩导向装置13的最小内径大于打桩导向装置14的最小内径。插桩导向装置13的最小内径与钢管桩2的管径的差值为10cm，打桩导向装置14的最小内径与钢管桩2的管径的差值为2cm。

插桩导向装置13和打桩导向装置14的内孔均为上大下小的锥形结构，为钢管桩2的下放提供导向，并为钢管桩2插打入土提供精确定位，保证了钢管桩2的位置精度。

插桩导向装置13和打桩导向装置14均与下导向桁架17通过螺栓可拆卸连接。插桩导向装置13和打桩导向装置14的内孔大小可根据钢管桩2的管径大小进行更换和匹配，实现对不同根开、不同管径的钢管桩2插打施工的适用性，提高了本负压桶式导向架平台1施工的通用性。

在一些可选实施例中：参见图6所示，本申请实施例提供了一种用于沉桩施工的负压桶式导向架平台，该负压桶式导向架平台1的主导向架11上设有负压控制系统，该负压控制系统包括连接负压筒基础15的抽水管路5及连接抽水管路5的泵撬块7，在主导向架11的顶部设有控制泵撬块7启停的控制器6。

控制器6通过控制泵撬块7向负压筒基础15内注水或抽水来改变负压筒基础15的内外压差，实现负压桶式导向架平台1的下沉及上浮。当泵撬块7通过抽水管路5向负压筒基础15注水时，负压筒基础15的内压高于外压，负压筒基础15逐渐上浮。当泵撬块7通过抽水管路5将负压筒基础15内的水排出时，负压筒基础15的内压低于外压，负压筒基础15逐渐下沉。

参见图5至图12所示，本申请实施例第二方面提供了一种用于沉桩施工的负压桶式导向架平台的施工方法，该方法使用上述实施例的一种用于沉桩施工的负压桶式导向架平台，该方法包括以下步骤：

步骤1、负压桶式导向架平台1在工厂加工完成后，利用浮吊3和吊具10将负压桶式导向架平台1吊放至运输船上，并运送至施工现场，利用浮吊3和吊具10起吊负压桶式导向架平台1，并配合缆绳4调节负压桶式导向架平台1的角度将负压桶式导向架平台1下沉至设定位置。

步骤2、负压桶式导向架平台1自重下沉完成后，控制器6启动泵撬块7抽出负压筒基础15内的水来调节负压筒基础15的内外压差，泵撬块7通过抽水管路5将负压筒基础15内的水排出，负压筒基础15的内压低于外压，负压筒基础15逐渐下沉，以使负压桶式导向架平台1下沉至设定标高。

步骤3、利用运输船将钢管桩2运送至施工现场，利用浮吊3和翻桩器8进行起吊和翻转钢管桩2，将钢管桩2进入靠桩导向装置12内，靠桩导向装置12限制钢管桩2横向摆动，靠桩导向装置12为钢管桩2下放提供初步定位，此时，钢管桩2的底部高于插桩导向装置13。

步骤4、浮吊3缓慢下放钢管桩2，靠桩导向装置12调整钢管桩2的垂直度并将钢管桩2的底部穿入插桩导向装置13内，插桩导向装置13进一步提高钢管桩2的位置精度，为钢管桩2提供下放导向和定位。

步骤5、浮吊3继续缓慢下放钢管桩2，钢管桩2在靠桩导向装置12和插桩导向装置13的共同导向作用下穿入打桩导向装置14内，钢管桩2并在自重作用下下沉至海床面以下，打桩导向装置14为钢管桩2提供下放导向和最终定位。

步骤6、浮吊3起吊打桩锤9并插打钢管桩2，将钢管桩2插打至设定高程后完成第一阶段的插打作业，此时，钢管桩2的顶部高于靠桩导向装置12；根据上述步骤3至步骤5在同一机位逐根插打四根钢管桩2。

步骤7、浮吊3起吊送桩器18，将送桩器18接入钢管桩2的顶部，在利用打桩锤9在送桩器18的顶部继续插打钢管桩2，将钢管桩2插打至设定高程后完成第二阶段的插打作业；

步骤8、按照上述步骤7将同一位置的四根钢管桩2逐根沉桩施工完成后，启动泵撬块7向负压筒基础15内注水来调节负压筒基础15的内外压差，负压筒基础15的内压大于外压，负压筒基础15逐渐上浮，以使负压桶式导向架平台1上浮，并利用浮吊3并配合缆绳4将负压桶式导向架平台1吊装至下一位置继续沉桩施工。

工作原理

本申请实施例提供了一种用于沉桩施工的负压桶式导向架平台及其施工方法，由于本申请的负压桶式导向架平台1设置了主导向架11，其为矩形框架结构，主导向架11包括多根立柱111，多根立柱111共同围成矩形结构，且相邻的两根立柱111之间通过横梁112固定连接；负压筒基础15，其为底部开口四周封闭的空心管体结构，负压筒基础15设有多个，多个负压筒基础15分别固定在多根立柱111的底部，负压筒基础15的轴线与立柱111的轴线平行；导向装置，其包括位于主导向架11上且由上至下依次排列的靠桩导向装置12、插桩导向装置13及打桩导向装置14，靠桩导向装置12、插桩导向装置13及打桩导向装置14的轴线共线。

因此，本申请的负压桶式导向架平台1采用位于主导向架11上且由上至下依次排列的靠桩导向装置12、插桩导向装置13及打桩导向装置14为钢管桩2沉桩施工提供分级定位和导向，实现了钢管桩2的喂桩、深水插桩和精确打桩施工控制，保证了钢管桩2的位置精度和垂直度。本申请的负压桶式导向架平台1采用负压筒基础15实现主导向架11的快速下沉和定位，安装和倒用效率高，节约了海上施工窗口期，提高了施工效率。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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申请和简化描述，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申请的限制。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，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。