BE1030675B1

BE1030675B1 - Werkwijze voor het vanaf een vaartuig aanbrengen van een fundering in een onderwaterbodem

Info

Publication number: BE1030675B1
Application number: BE20225519A
Authority: BE
Inventors: Dieter Wim Jan Rabaut; Lucien Romagnoli; Moor Robin De
Original assignee: Deme Offshore Be Nv
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2024-01-29
Also published as: JP2024007487A; IE20230274A2; BE1030675A1

Abstract

Beschreven wordt een werkwijze voor het vanaf een vaartuig aanbrengen van een fundering in een onderwaterbodem. De onderwaterbodem omvat een bovenlaag en een zich daaronder bevindende rotslaag. De werkwijze omvat het door de bovenlaag tot op de rotslaag aanbrengen van een eerste funderingspaal met inwendige holte waarbij de eerste funderingspaal steun vindt op de rotslaag. Vervolgens wordt door de eerste funderingspaal tot in de rotslaag een schacht geboord. De schacht heeft een kleinere dwarsafmeting dan een binnendwarsafmeting van de eerste funderingspaal. Daarna wordt in de schacht een tweede funderingspaal aangebracht tot op een diepte in de rotslaag waarbij een manteloppervlak van de tweede funderingspaal zich uitstrekt tot in de schacht en tevens overlapt met een manteloppervlak van de eerste funderingspaal over een overlaplengte. Tenslotte wordt het manteloppervlak van de tweede funderingspaal met de schachtwand verbonden en met het manteloppervlak van de eerste funderingspaal over in hoofdzaak de overlaplengte.

Description

WERKWIJZE VOOR HET VANAF EEN VAARTUIG AANBRENGEN VAN EEN BE2022/5519

FUNDERING IN EEN ONDERWATERBODEM

TECHNISCH GEBIED VAN DE UITVINDING

Onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vanaf een vaartuig aanbrengen van een fundering in een onderwaterbodem. De onderwaterbodem omvat ten minste een bovenlaag en een zich daaronder bevindende rotslaag. De fundering omvat in het bijzonder een offshore windturbinefundering, meer in het bijzonder in de vorm van een monopaal. De fundering is echter ook toepasbaar voor het funderen van andere offshore structuren zoals (aanleg)steigers, radar- en andere torens, artificiële eilanden, enzovoorts. In dergelijke toepassingen kan de fundering desgewenst een aantal volgens een gewenst patroon in de onderwaterbodem aangebrachte monopalen omvatten.

ACHTERGROND VAN DE UITVINDING

De fundering van een offshore windturbine of andere structuur dient het hoogteverschil met de waterbodem te overbruggen en de aanzienlijke belastingen die op een windturbine inwerken op te vangen. De op een fundering inwerkende belastingen kunnen aanzienlijk zijn, onder andere door op de fundering inwerkende golfkrachten en door windkrachten die op de boven het wateroppervlak uitstekende windturbine inwerken. Doordat dimensies van windturbines toenemen worden funderingen steeds groter en zwaarder, en zijn dus in toenemende mate moeilijk te hanteren.

Een veel toegepaste fundering van een windturbine omvat een monopaal, die aan een bovenuiteinde kan zijn voorzien van een flens waarop bijvoorbeeld een windturbine(mast) kan worden bevestigd. Ook is het mogelijk een overgangsstuk (‘transition piece’) op de monopaal te bevestigen die de verbinding vormt met een op de monopaal aangebrachte windturbine(mast). Als gebruik wordt gemaakt van een overgangsstuk heeft de monopaal doorgaans ook een flens en/of kan deze zijn voorzien van een taps toelopend uiteinde. Over dit uiteinde kan het overgangsstuk worden geschoven waarna het overgangsstuk en de monopaal met elkaar worden verbonden door de tussenruimte tussen het taps toelopende uiteinde van de monopaal en het erover heen geschoven overgangsstuk van een cementmengsel (cement/watermengsel of grout)

te voorzien en uit te harden. Ook is het mogelijk het overgangsstuk te verbinden met BE2022/5519 een cilindrische monopaal door de tussenruimte van een uitgehard cementmengsel te voorzien. Een monopaal omvat doorgaans een hol en buisvormig element met twee open uiteindes, veelal uit staal of beton gemaakt en met een lengte die meer dan 50 m kan bedragen, een diameter van bijvoorbeeld 6 m en meer, en een gewicht dat kan oplopen tot 800 ton en meer. Een in de onderwaterbodem gedreven monopaal bevindt zich in gebruik voor een groot deel onder water, maar deze kan ook met een zekere lengte uitsteken boven het wateroppervlak om de verbinding met een erop te plaatsen windturbine of andere structuur te vergemakkelijken.

Het in de onderwaterbodem aanbrengen en verankeren van een monopaal kan volgens de stand der techniek worden uitgevoerd door de monopaal vanaf een vaartuig met een hefmiddel, bijvoorbeeld een hijskraan, aan een bovenuiteinde ervan op te nemen en in een nagenoeg verticale stand te brengen, en de aan het hefmiddel opgehangen monopaal in het water neer te laten tot op of in de onderwaterbodem. Vervolgens wordt de monopaal verder in de onderwaterbodem gedreven door impact met een slaghamer op het bovenuiteinde, of door andere heitechnieken, die bijvoorbeeld gebruik maken van ultrasone trillingen.

Het is mogelijk de werkwijze uit te voeren vanaf een drijvend vaartuig. Ook is het mogelijk een dergelijke werkwijze uit te voeren vanaf een jack-up platform. Dergelijke jack-up platforms zijn voorzien van benen waarmee het platform op de zeebodem kan worden neergezet, en zodoende een relatief stabiele positie inneemt. In varende toestand zijn de benen van het jack-up platform opgetrokken zodat zij geen contact maken met de zeebodem.

Bij het plaatsen van een monopaal dient ervoor te worden gezorgd dat de monopaal zijn gewenste hoekstand behoudt. Deze hoekstand is bij voorkeur nagenoeg verticaal, in het bijzonder wanneer de monopaal over een zekere lengte in de ondergrond is aangebracht. De aan het hefmiddel opgehangen monopaal is echter onderhevig aan golfkrachten die worden opgewekt door waterstroming en/of door bewegingen van het vaartuig. Hierdoor kan de gewenste hoekstand van de monopaal moeilijk handhaafbaar blijken wat zelfs kan leiden tot een installatie van de monopaal in een ongewenste hoekstand, bijvoorbeeld in een niet-verticale richting.

Om bovengenoemde reden is in WO 2019/057827 voorgesteld om een template toe te passen die op de zeebodem wordt neergezet. De monopaal wordt neergelaten en opgenomen in een relatief korte huls van de template. Om de monopaal verticaal te houden kan de hoekstand van de huls ten opzichte van de onderwaterbodem met positioneermiddelen worden gevarieerd.

Hierdoor kan de monopaal tot op zekere hoogte in een verticale hoekstand worden gedwongen.

Een nadeel van de in dit octrooischrift beschreven methode is dat voor het aanbrengen van elke monopaal de template op de onderwaterbodem moet worden neergezet wat tijd en geld kost. De template is verder een ingewikkeld apparaat waarbij de positioneermiddelen moeten worden aangestuurd om de monopaal verticaal te houden. Ook moet men bedenken dat de template aan hoge krachten onderhevig kan zijn omdat het buigmoment van de aan golfkrachten onderhevige monopaal ter hoogte van de huls het hoogste is.

SAMENVATTING VAN DE UITVINDING

De uitvinding beoogt in een werkwijze voor het vanaf een vaartuig aanbrengen van een fundering in een onderwaterbodem die onder andere bovengenoemd nadeel tenminste gedeeltelijk ondervangt. Een ander doel van de uitvinding is een werkwijze te verschaffen voor het vanaf een vaartuig aanbrengen van een fundering in een onderwaterbodem waarbij de gewenste hoekstand van de fundering kan worden bereikt zonder dat altijd bijkomende toestellen, apparaten of inrichtingen hiervoor nodig zijn.

De uitvinding voorziet daartoe in een werkwijze volgens conclusie 1. In het bijzonder wordt een werkwijze verschaft voor het vanaf een vaartuig aanbrengen van een fundering in een onderwaterbodem, welke onderwaterbodem een bovenlaag en een zich daaronder bevindende rotslaag omvat. De werkwijze omvat: - het door de bovenlaag tot op de rotslaag aanbrengen van een eerste funderingspaal met inwendige holte waarbij de eerste funderingspaal steun vindt op de rotslaag; - het door de eerste funderingspaal tot in de rotslaag boren van een schacht door het in de inwendige holte van de eerste funderingspaal neerlaten van een met snijwerktuigen voorzien boormiddel en het boormiddel in rotatie te brengen, waarbij de schacht een kleinere dwarsafmeting heeft dan een binnendwarsafmeting van de eerste funderingspaal; - het in de schacht aanbrengen van een tweede funderingspaal tot op een diepte in de rotslaag waarbij een manteloppervlak van de tweede funderingspaal zich uitstrekt tot in de schacht en tevens overlapt met een manteloppervlak van de eerste funderingspaal over een overlaplengte; en

- het verbinden van het manteloppervlak van de tweede funderingspaal met de schachtwand BE2022/5519 en met het manteloppervlak van de eerste funderingspaal over in hoofdzaak de overlaplengte.

De uitgevonden werkwijze stelt een verbeterde oplossing voor het in de gewenste hoekstand positioneren van een funderingspaal voor die op ingenieuze wijze gebruik maakt van de gelaagdheid van de onderwaterbodem, waarbij deze ten minste een bovenlaag en een zich daaronder bevindende rotslaag omvat. Een niet onaanzienlijk deel van de onderwaterbodem op aarde is inderdaad bedekt met los of minder geconsolideerd materiaal zoals grond, klei, slib, zand, grind en keien. Deze zogenaamde ‘overburden’ (of deklaag, verder ook aangeduid met bovenlaag) kan in diepte sterk variëren van een paar centimeter tot bijvoorbeeld honderd meter en zelfs honderden meters. Ook kan de bovenlaag meerdere sublagen omvatten met verschillende eigenschappen. In het kader van de uitvinding kan gesteld worden dat de bovenlaag geen rotslaag is, noch een rotslaag omvat.

Volgens de uitvinding heeft de eerste funderingspaal, die uiteindelijk ook deel uitmaakt van de aangebrachte fundering, een dubbele functie.

Vooreerst verhindert de eerste funderingspaal dat er bovenlaagmateriaal achter het boormiddel in de geboorde schacht terugvalt. Een dergelijk ophopen van bovenlaagmateriaal in de geboorde schacht kan het lastiger maken om een boorstreng weer op te halen door de geboorde schacht.

Ook kunnen holten en porositeiten in de bovenlaag eventueel interfereren met de circulatie van een optioneel toegepast spoelmedium, waardoor het via de geboorde schacht naar boven voeren van de uitgeboorde bodemdelen met het spoelmedium wordt bemoeilijkt. Ook dit probleem wordt ondervangen door de eerste funderingspaal.

Ten tweede fungeert de eerste funderingspaal als geleiding voor het boormiddel. Hierdoor wordt bereikt dat een longitudinale richting van de geboorde schacht in hoofdzaak evenwijdig is aan een longitudinale richting van de eerste funderingspaal. Met andere woorden zijn de geboorde schacht en de eerste funderingspaal in longitudinale richting onderling uitgelijnd. Omdat de tweede funderingspaal in de tot in de rotslaag geboorde schacht wordt aangebracht zal een longitudinale richting van de tweede funderingspaal ook in hoofdzaak evenwijdig verlopen aan de longitudinale richting van de eerste funderingspaal. De tweede funderingspaal is dus ook als vanzelf uitgelijnd met de eerste funderingspaal in de longitudinale richting, die doorgaans nagenoeg verticaal zal verlopen.

Het is op zich bekend een funderingspaal aan te brengen in een geboorde schacht waarbij de BE2022/5519 tussenruimte tussen de funderingspaal en de geboorde schacht wordt gevuld met een cementmengsel dat vervolgens wordt uitgehard. Een dergelijke werkwijze wordt bijvoorbeeld beschreven in FR 3107908. Dit octrooischrift beschrijft een in de funderingspaal aan te brengen 5 mechanisme dat is voorzien van een aantal radiaal uit te brengen vingers die door de funderingspaalwand tegen een geboorde schachtwand worden aangedrukt. Op die manier kan de funderingspaal ten opzichte van de geboorde schacht worden gepositioneerd. Een dergelijke positionering is essentieel opdat het in de ruimte tussen de funderingspaal en de boorschachtwand aangebrachte cementmengsel kan uitharden of zetten zonder te worden onderworpen aan krachten en verplaatsingen, die inderdaad de geometrie van de tussenruimte zouden kunnen veranderen. Hierdoor zouden breuken en scheuren kunnen ontstaan in het nog jonge cementmengsel. De in FR 3107908 beschreven werkwijze vereist het gebruik van het mechanisme. Bovendien wordt ervan uitgegaan dat de geboorde schacht zich in de gewenste hoekstand uitstrekt omdat de hoekstand van de funderingspaal met het mechanisme relatief ten opzichte van de geboorde schacht wordt ingesteld. Elke afwijking in de hoekstand van de geboorde schacht zal de hoekstand van de funderingspaal eveneens doen afwijken.

Door volgens de uitvinding de tweede funderingspaal uit te lijnen met de eerste funderingspaal zonder gebruik van enig bijkomend toestel, apparaat of inrichting zal de tussenruimte tussen de eerste en de tweede funderingspaal goed gedefinieerd zijn. Gebleken is dat de uitgevonden werkwijze het mogelijk maakt de tussenruimte tussen de manteloppervlakken van de tweede funderingspaal en de eerste funderingspaal tot op 2-3 mm, met meer voorkeur tot op 1 mm en met de meeste voorkeur tot minder dan 1 mm constant te houden tijdens het verbinden van de manteloppervlakken.

Volgens de uitvinding wordt het manteloppervlak van de tweede funderingspaal enerzijds met de schachtwand verbonden en anderzijds met het manteloppervlak van de eerste funderingspaal over in hoofdzaak de overlaplengte tussen de eerste en de tweede funderingspaal. Het verbinden kan in één stap worden uitgevoerd of desgewenst in verschillende in de tijd gescheiden stappen.

Zo kan bijvoorbeeld eerst (optioneel een gedeelte van) het manteloppervlak van de tweede funderingspaal worden verbonden met de schachtwand en pas daarna met het manteloppervlak van de eerste funderingspaal.

Een geschikte manier van verbinden omvat in een uitvoeringsvorm het aanbrengen van een cementmengsel in een tussenruimte tussen het manteloppervlak van de tweede funderingspaal en de schachtwand, en in een tussenruimte tussen de manteloppervlakken van de tweede funderingspaal en de eerste funderingspaal, en het BE2022/5519 vervolgens uitharden van het cementmengsel. Met cementmengsel wordt een op zich bekend water/cementmengsel bedoeld, ook wel aangeduid met grout.

Hoewel de tweede funderingspaal ook rondom de eerste funderingspaal zou kunnen worden aangebracht heeft het de voorkeur wanneer in een uitvoeringsvorm het manteloppervlak van de eerste funderingspaal een binnenmanteloppervlak is, en het manteloppervlak van de tweede funderingspaal een buitenmanteloppervlak is. De tweede funderingspaal wordt in deze uitvoeringsvorm dus in de eerste funderingspaal aangebracht over een deel van de lengte van de tweede funderingspaal, namelijk over de overlaplengte.

Een verder voordeel van de uitvinding kan er in een uitvoeringsvorm in bestaan dat de op de rotslaag aangebrachte eerste funderingspaal in positie wordt gehouden door ondersteuning van de bovenlaag van de onderwaterbodem. Dit is in het bijzonder het geval als de bovenlaag zich over een voldoende diepte uitstrekt, bijvoorbeeld vanaf 5 m.

Door de ondersteuning van de bovenlaag zal de hoekstand van de eerste funderingspaal nagenoeg niet variëren tijdens de verschillende stappen van de werkwijze na het tot op de rotslaag aanbrengen van de eerste funderingspaal waarbij de eerste funderingspaal steun vindt op de rotslaag. Inderdaad hebben in deze uitvoeringsvorm de golfkrachten relatief weinig invloed op de hoekstand, in het bijzonder de verticaliteit, van de eerste funderingspaal.

Is de diepte van de bovenlaag ontoereikend om de op de rotslaag aangebrachte eerste funderingspaal in positie (de gewenste hoekstand) te houden dan kan in een uitvoeringsvorm de op de rotslaag aangebrachte eerste funderingspaal in positie worden gehouden door ondersteuning met een vanaf het vaartuig afhangende grijpconstructie.

Een dergelijke grijpconstructie is verbonden met een aan het vaartuig bevestigde steunstructuur, bijvoorbeeld een in het water, optioneel tot op de rotslaag, afhangende ladder. De ladder is voorzien van grijporganen die zijn ingericht om een manteldeel van de aan het hefmiddel hangende eerste (of tweede) funderingspaal aan te grijpen.

Desgewenst kunnen meerder grijporganen zijn aangebracht op verschillende dieptes van de ladder. De grijporganen kunnen ten opzichte van de steunstructuur, bijvoorbeeld de ladder, in een horizontaal vlak worden bewogen. Ook is het mogelijk de steunstructuur zelf, in het bijzonder de ladder, in een horizontaal vlak beweegbaar te maken. Het is ook BE2022/5519 mogelijk om de bewegingen van de grijporganen ten opzichte van het vaartuig te dempen en/of te compenseren zodat een in de grijporganen opgenomen funderingspaal in een nagenoeg constante positie blijft ten opzichte van de onderwaterbodem.

In een uitvoeringsvorm van de uitgevonden werkwijze wordt, voorafgaand aan het fixeren van de eerste funderingspaal in de bovenlaag en op de rotslaag de hoekstand van de eerste funderingspaal eventueel aangepast door de grijporganen in het horizontale vlak te bewegen ten opzichte van de onderwaterbodem. Hiermee kan de op de rotslaag geplaatste eerste funderingspaal in de juiste doorgaans hoekstand, bij voorkeur verticale stand, worden gebracht. De hoekstand wordt bepaald door de hoek die een longitudinale richting van een funderingspaal maakt met de verticale richting.

Met de verticale richting wordt in het kader van onderhavige aanvraag de richting aangeduid die in hoofdzaak loodrecht verloopt op het wateroppervlak. Met de horizontale richting wordt in het kader van onderhavige aanvraag de richting aangeduid die in hoofdzaak evenwijdig aan het wateroppervlak verloopt.

De grijpconstructie kan enkel worden gebruikt bij het aanbrengen van de eerste {underingspaal totdat de eerste funderingspaal steun vindt op de rotslaag. Het is ook mogelijk de grijpconstructie te blijven gebruiken bij verdere stappen van de werkwijze.

Zo is het bijvoorbeeld mogelijk de grijpconstructie te gebruiken voor het aangrijpen van de tweede funderingspaal wanneer deze in de boorschacht wordt neergelaten en aangebracht. Bij voorkeur wordt de grijpconstructie enkel toegepast voor het aangrijpen van de eerste funderingspaal bij het aanbrengen van de eerste funderingspaal totdat deze steun vindt op de rotslaag.

Het boren van de schacht kan op elke bekende wijze worden uitgevoerd. Een geschikt boormiddel omvat bijvoorbeeld een langwerpige boorstreng die in de aangebrachte eerste funderingspaal roteert zodat door de snijdende werking van de snij werktuigen bodemmateriaal wordt losgewerkt. Het losgewerkte bodemmateriaal wordt doorgaans met een spoelmiddel (bijvoorbeeld maar niet beperkt tot water, mud, lucht) naar boven afgevoerd, optioneel via een tussenliggende ringruimte tussen de boorstreng en de eerste funderingspaal.

De uitgevonden werkwijze kan met elk boormiddel worden uitgevoerd zoals de gebruikelijke BE2022/5519 uit segmenten opgebouwde boorstreng, bij voorkeur een holle boorstreng. Het kan voordelen hebben een boormiddel toe te passen dat met vastzetmiddelen zowel in de longitudinale richting van de eerste funderingspaal als loodrecht daarop (de radiale richting) kan worden verankerd tegen een binnenwand van de eerste funderingspaal, waarbij de boorkrachten effectief worden opgevangen door deze krachten door te leiden naar de eerste funderingspaal.

Omdat het boormiddel in de eerste funderingspaal dient opgenomen te worden tijdens het boren heeft de eerste funderingspaal ietwat grotere dwarsafmetingen dan het boormiddel. Bij voorkeur is de eerste funderingspaal cilindrisch uitgevoerd, waarbij een, bij voorkeur eveneens in hoofdzaak cilindrisch, boormiddel in de eerste funderingspaal is neer te laten volgens een richting die overeenkomt met de lengterichting van de eerste funderingspaal.

Tijdens het boren wordt de boorkop uiteindelijk dieper in de onderwaterbodem gedrongen dan een onderuiteinde van de eerste funderingspaal die immers op de rotslaag rust. Het is van belang ervoor te zorgen dat de rotslaag niet te zeer verzwakt wordt tijdens het boren in de rotslaag, althans in gebieden die zich onder de eerste funderingspaal bevinden. Het is inderdaad niet gewenst dat de eerste funderingspaal zou kunnen verzakken.

De eerste funderingspaal kan met bekende middelen in de bovenlaag worden aangebracht, zoals een rotatiemotor die de eerste funderingspaal rotatief in de bovenlaag ‘schroeft, een hei- inrichting en/of een oscillator’, mechanisch of sonisch.

Om de gewenste hoekstanden van de eerste en de tweede funderingspaal verder beter te kunnen realiseren wordt in een werkwijze volgens een uitvoeringsvorm het boormiddel ondersteund door de eerste funderingspaal, en met meer voorkeur ondersteund door de eerste funderingspaal zodat een longitudinale richting van de geboorde schacht in hoofdzaak gelijk is aan (samenvalt met) een longitudinale richting van de eerste funderingspaal.

Een verder verbeterde werkwijze volgens een uitvoeringsvorm heeft het kenmerk dat de tweede funderingspaal wordt ondersteund door de geboorde schacht, en met meer voorkeur wordt ondersteund door de geboorde schacht zodat een longitudinale richting van de geboorde schacht in hoofdzaak gelijk is aan (samenvalt met) een longitudinale richting van de tweede funderingspaal.

De fundering wordt uiteindelijk gevormd door de met elkaar verbonden eerste en tweede funderingspaal en de met de boorschacht in de rotslaag verbonden tweede funderingspaal,

waarbij de eerste en de tweede funderingspaal onderling bij voorkeur zijn uitgelijnd in de BE2022/5519 longitudinale richting van de eerste funderingspaal. De dimensies van de eerste en van de tweede funderingspaal dienen dus zijn afgestemd op de ontwerpbelasting. De fundering draagt immers de last van een erop aangebrachte structuur, zoals een windturbine, desgewenst ook met een tussen geschakelde ‘transition piece’. Ook de verbindingen van de tweede funderingspaal met de boorschacht en met de eerste funderingspaal dienen aan de ontwerpbelastingen te voldoen. Het zal duidelijk zijn dat het tot de normale kennis behoort van een vakman/vrouw hoe deze de funderingspalen en de verbindingen moet dimensioneren. Een geschikte eerste funderingspaal heeft een wanddikte van minimaal 50 mm, met meer voorkeur minimaal 60 mm, met nog meer voorkeur minimaal 70 mm, met nog meer voorkeur minimaal 80 mm en met de meeste voorkeur minimaal 100 mm. Een geschikte eerste funderingspaal heeft een wanddikte van maximaal 200 mm, met meer voorkeur maximaal 180 mm, met nog meer voorkeur maximaal 160 mm en met de meeste voorkeur maximaal 120 mm.

Het heeft voordelen een werkwijze te verschaffen volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding waarbij het manteloppervlak van de eerste funderingspaal en/of van de tweede funderingspaal ten minste over de overlaplengte is voorzien van afschuifnokken. Omdat de verbinding tussen de manteloppervlakken van de eerste en de tweede funderingspaal vooral wordt belast op afschuiving blijken afschuifnokken de verbinding gevoelig te versterken. Bij voorkeur zijn de afschuifnokken dusdanig geplaatst dat een imaginaire lijn die twee opeenvolgende afschuifnokken van respectievelijk de eerste en de tweede funderingspaal met elkaar verbindt onder een hoek verloopt van 35-55°, met meer voorkeur van 40-50°, en met de meeste voorkeur ongeveer 45°.

Om gewicht te besparen is in een uitvoeringsvorm ook de tweede funderingspaal hol.

In verdere uitvoeringsvormen van de uitvinding worden werkwijze verschaft waarbij een bovenuiteinde van de eerste funderingspaal zich na het verbinden met de tweede funderingspaal boven het wateroppervlak bevindt; waarbij een bovenuiteinde van de eerste funderingspaal na het verbinden met de tweede funderingspaal wordt voorzien van een overgangsstuk (transition piece); verder omvattende het op de fundering aanbrengen van een windturbine, en waarbij het vaartuig een jack-up platform omvat.

Tenslotte wordt aangegeven dat de in deze octrooiaanvraag beschreven uitvoeringsvormen van de uitvinding gecombineerd kunnen worden in elke mogelijke combinatie van deze uitvoeringsvormen, en dat elke uitvoeringsvorm afzonderlijk het voorwerp uit kan maken van een afgesplitste octrooiaanvrage.

KORTE BESCHRIJVING VAN DE FIGUREN BE2022/5519

Andere details en voordelen van de uitvinding zullen blijken uit de hiernavolgende beschrijving van een inrichting en werkwijze voor het vanaf een vaartuig aanbrengen van een fundering in een onderwaterbodem. Deze beschrijving wordt uitsluitend bij wijze van voorbeeld gegeven zonder dat de uitvinding daartoe wordt beperkt. De verwijzingscijfers hebben betrekking op de hieraan toegevoegde figuren. In de figuren toont: figuur 1 een schematisch perspectivisch aanzicht van een uitvoeringsvorm van een inrichting voor het aanbrengen van een fundering in een onderwaterbodem; figuren 2A-2C een schematisch zijaanzicht van een aantal opeenvolgende stappen van een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding; figuren 3A-3C een schematisch zijaanzicht van een aantal opeenvolgende stappen van een andere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding; figuur 4 een schematisch perspectivisch aanzicht van een fundering volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding; figuur 5; een schematisch aanzicht in dwarsdoorsnede van de in figuur 4 getoonde fundering; en tenslotte figuur 6 een schematisch detailaanzicht in dwarsdoorsnede van de in figuur 4 getoonde fundering.

GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING VAN DE UITVINDING

Verwijzend naar figuur 1 wordt een inrichting 1 voor het op een onderwaterbodem 2 plaatsen van een monopaal 3 getoond. De inrichting is eveneens geschikt voor het plaatsen van andere objecten met een lengterichting, zoals bijvoorbeeld ‘transition pieces’ 4 van een windturbinemast, op elkaar of op een andere ondergrond. De getoonde inrichting 1 omvat een jack-up platform 5 dat zelfstandig kan varen en dat, door het neerlaten van een aantal spudpalen 50 tot op de onderwaterbodem 2, kan worden gepositioneerd en gefixeerd op een gewenste positie. Hiertoe worden de spudpalen 50 door middel van een tandrad aandrijving (of ander mechanisme) tot tegen de onderwaterbodem bewogen en verder zodat het platform 5 uit het water wordt gelicht, zoals getoond in figuur 1. Het werkdek 51 van het platform 5 kan zich in deze positie meters boven het wateroppervlak 20 bevinden. De spudpalen 50 zijn voorzien van voeten 52 om het in de onderwaterbodem 2 dringen van de spudpalen 50 te verhinderen.

Op het werkdek 51 van het platform 5 zijn te plaatsen onderdelen voorzien, zoals bijvoorbeeld een aantal ‘transition pieces’ 4, eerste monopalen 3 en tweede monopalen 7. Het werkdek 51 van het jack-up platform 5 is verder voorzien van een hefmiddel in de vorm van een hijskraan 6 met dubbele giek (60a, 60b) voor het opnemen van aanzienlijke krachten. De hijskraan 6 isrond BE2022/5519 een basis 61 draaibaar om een in hoofdzaak verticale as 62. De kraan 6 is voorzien van een stel hijskabels (634, 63b) dat over een topgedeelte 65 van de hijskraan 6 met niet getoonde lieren kan worden aangetrokken of gevierd en dat aan het vrije uiteinde is voorzien van een hijsblok 66 met haak, waaraan in gebruik een monopaal (3, 7) wordt opgehangen. De eerste en tweede monopalen (3, 7) kunnen hiertoe zijn voorzien van een, desgewenst afneembare, hijsconstructie in een hefpunt (33, 73). De hoekstand van de gieken (604, 60b) kan desgewenst worden ingesteld door een stel trekkabels (64a, 64b) dat het topgedeelte 65 verbindt met de basis 61. De trekkabels (64, 64b) kunnen eveneens worden aangetrokken of worden gevierd met behulp van niet getoonde lieren.

Het werkdek 51 van het platform 5 kan verder een van de hijskraan 6 onderscheidende grijpconstructie 10. De grijpconstructie 10 is ingericht om één of meer manteldelen (32, 72) van een aan de hijskraan 6 hangende eerste en/of tweede monopaal (3, 7) aan te grijpen met grijparmen 101. De grijpconstructie 10 is met een ladderconstructie 100 verbonden met het (werkdek 51 van het) jack-up platform 5. De ladderconstructie 100 strekt zich in nagenoeg verticale richting naar beneden uit in de richting van de onderwaterbodem 2, en kan eventueel een lengte hebben die voldoende groot is om de ladderconstructie 100 op de onderwaterbodem 2 te laten steunen. De grijparmen 101 bevinden zich op een bepaalde diepte van de ladderconstructie 100. Desgewenst kunnen ook meerdere grijparmen zijn voorzien langs de ladderconstructie 100, waarbij deze desgewenst verplaatsbaar zijn langs de ladder constructie 100. Het jack-up platform 5 fungeert in deze uitvoeringsvorm als een stabiele steunstructuur voor de grijpconstructie 10.

Onder verwijzing naar figuren 2A-2C worden een aantal stappen getoond van de uitgevonden werkwijze volgens een uitvoeringsvorm ervan. Van belang is te vermelden dat de onderwaterbodem 2 een bovenlaag 2a en een zich daaronder bevindende rotslaag 2b omvat. De bovenlaag 2a bestaat uit zachtere materialen dan rots, zoals klei, zand, losse gesteentes, leem, enzovoorts. Zoals getoond in figuur 2A wordt in een eerste stap een eerste funderingspaal 3 door de hijskraan 6 opgenomen en door de bovenlaag 2a tot op de rotslaag 2b aangebracht. Het door de bovenlaag 2a voeren van de eerste funderingspaal 3 met inwendige holte 3a kan op elke de vakman bekende wijze worden uitgevoerd, bijvoorbeeld door heien. Omdat de bovenlaag 2a relatief zacht is blijkt het aanbrengen van de eerste funderingspaal 3 niet veel problemen op te leveren. De eerste funderingspaal 3 wordt door de bovenlaag 2a neergelaten totdat de eerste _ funderingspaal 3 steun vindt op de rotslaag 2a. Een onderuiteinde van de eerste funderingspaal 3 wordt hierbij op de rotslaag 2b gepositioneerd. Het is hierbij niet uitgesloten dat de eerste funderingspaal 3 over een kleine afstand in kan dringen in de rotslaag 2b maar deze afstand zal minimaal zijn. Omdat in de getoonde uitvoeringsvorm de dikte van de bovenlaag 2a relatief BE2022/5519 beperkt is kan de eerste funderingspaal 3 worden ondersteund door de grijporganen 101 van de grijpconstructie 10. Hierbij strekt de ladder 100 van de grijpconstructie 10 zich uit tot in de bovenlaag 2a. Dit is niet noodzakelijk en de ladder 100 kan zich ook enkel in het water uitstrekken, of ook tot op de rotslaag 2b. Het ondersteunen van de eerste funderingspaal 3 kan tijdens het door de bovenlaag 2a neerlaten gebeuren, maar ook tijdens opeenvolgende werkwijzestappen, zoals het in figuur 2B getoonde boren van een schacht 9.

Volgens figuur 2B wordt er vervolgens door de aangebrachte eerste funderingspaal 3 een schacht 9 geboord tot in de rotslaag 2b. Dit gebeurt door het in de inwendige holte 3a van de eerste funderingspaal 3 neerlaten van een van een (met snijwerktuigen uitgeruste) boorkop 80 voorzien boormiddel 8. Door de boorkop 80 in rotatie te brengen wordt de schacht 9 gevormd waarbij deze zich tot over een gewenste diepte in de rotslaag 2b uitstrekt. Omdat de boorkop 80 doorheen de eerste funderingspaal 3 wordt aangebracht heeft de geboorde schacht 9 een kleinere dwarsafmeting 90 dan een binnendwarsafmeting van de eerste funderingspaal 3. Dit laat toe dat de eerste funderingspaal 3 op de rotslaag 2b blijft steunen en niet naar beneden wegzakt. Ook in de in figuur 2B getoonde werkwijzestap kan de eerste funderingspaal 3 worden ondersteund met de grijpconstructie 10.

Volgens figuur 2C wordt er in een volgende stap een tweede funderingspaal 7 in de geboorde schacht 9 aangebracht. Dit gebeurt tot op een diepte 70 in de rotslaag 2b waarbij een manteloppervlak van de tweede funderingspaal 7 zich uitstrekt tot in de schacht 9 maar ook overlapt met een manteloppervlak van de eerste funderingspaal 3 over een overlaplengte 71.

Zoals eveneens schematisch getoond in figuur 2C wordt het manteloppervlak van de tweede funderingspaal 7 over de lengte 70 met de wand van de schacht 9 verbonden, bij voorkeur door een cementmengsel aan te brengen in een ruimte tussen het manteloppervlak van de tweede funderingspaal 7 en de schachtwand 9. Ook wordt in een ruimte tussen de manteloppervlakken van de tweede funderingspaal 7 en de eerste funderingspaal 3 het cementmengsel ingebracht over de overlaplengte 71. Vervolgens wordt het cementmengsel uitgehard zodat de eerste funderingspaal 3 en de tweede funderingspaal 7 over de overlaplengte 71 constructief met elkaar zijn verbonden. Ook wordt de tweede funderingspaal 7 hierdoor constructief verbonden met de binnenwand van de boorschacht 9. Hierdoor ontstaat een fundering die is opgebouwd uit twee constructief met elkaar verbonden geneste funderingspalen (3, 7). De krachtoverdracht van de aldus gevormde fundering met de onderwaterbodem 2 vindt op verschillende niveaus plaats.

Naast de door de manteloppervlakken van de eerste en tweede funderingspalen (3, 7) met de boorschachtwand gegenereerde schuifspanningen vindt de eerste funderingspaal 3 steun op de rotslaag 2b, en kan de tweede funderingspaal 7 steun vinden op een onderzijde van de BE2022/5519 boorschacht 9. Ook vindt krachtoverdracht plaats tussen de eerste funderingspaal 3 en de bovenlaag 2a via afschuifspanningen tussen het manteloppervlak van de eerste funderingspaal 3 en de bovenlaag 2a.

Een andere uitvoeringsvorm van de werkwijze wordt getoond in figuren 3A-3C. In deze uitvoeringsvorm wordt geen gebruik gemaakt van de grijpconstructie 10 omdat de diepte van de bovenlaag 2a die uit zachtere materialen dan rots bestaat voldoende groot is om de eerste funderingspaal 3 in positie te houden door ondersteuning van deze bovenlaag 2a van de onderwaterbodem 2. Deze positie is bij voorkeur nagenoeg verticaal.

Zoals getoond in figuur 3A wordt in een eerste stap een eerste funderingspaal 3 door de hijskraan 6 opgenomen en door de bovenlaag 2a tot op de rotslaag 2b aangebracht. Het door de bovenlaag 2a voeren van de eerste funderingspaal 3 met inwendige holte 3a kan ook in deze uitvoeringsvorm op elke de vakman bekende wijze worden uitgevoerd, bijvoorbeeld door heien.

Omdat de bovenlaag 2a relatief zacht is blijkt het aanbrengen van de eerste funderingspaal 3 niet veel problemen op te leveren, ook niet nu de bovenlaag 2a dikker is dan in het voorbeeld van figuren 2A-2C. De eerste funderingspaal 3 wordt door de bovenlaag 2a neergelaten totdat de eerste funderingspaal 3 steun vindt op de rotslaag 2b. Een onderuiteinde van de eerste funderingspaal 3 wordt hierbij op de rotslaag 2b gepositioneerd. Het is ook hier niet uitgesloten dat de eerste funderingspaal 3 over een kleine afstand in kan dringen in de rotslaag 2b maar deze afstand zal minimaal zijn. Omdat in de getoonde uitvoeringsvorm de dikte van de bovenlaag 2a relatief groot is hoeft de eerste funderingspaal 3 niet te worden ondersteund door de grijporganen 101 van de grijpconstructie 10, waarbij de grijporganen op zekere diepte onder water zijn gebracht door de ladderconstructie 100. Het is voldoende de eerste funderingspaal 3 enkel aan een bovenzijde vast te houden met een positioneringsconstructie 11, ter hoogte van het platform 5 en aan een zijde daarvan voorzien van een grijporgaan 111. Met het grijporgaan 111 wordt de eerste funderingspaal 3 enkel aan een bovenzijde daarvan aangegrepen om de gewenste hoekstand, in het bijzonder de verticaliteit, van de eerste funderingspaal 3 in te kunnen stellen. Daartoe kan het grijporgaan 111 in een horizontaal vlak worden bewogen en bij voorkeur dusdanig dat de positie ervan stabiel kan worden gehouden ten opzichte van de onderwaterbodem 2. Eventuele bewegingen van het platform 5 ten opzichte van de onderwaterbodem 2 worden dus gecompenseerd. Het ondersteunen van de eerste funderingspaal 3 kan tijdens het door de bovenlaag 2a neerlaten gebeuren, maar ook tijdens opeenvolgende werkwijzestappen, zoals het in figuur 3B getoonde boren van een schacht 9. Een voordeel van de positioneringsconstructie 11 is dat deze eenvoudig is weg te nemen nadat de eerste funderingspaal op de rotslaag 2b werd neergezet en niet meer hoeft te worden gebruikt tijdens BE2022/5519 het boren bij voorbeeld.

Volgens figuur 3B wordt door de aangebrachte eerste funderingspaal 3 een schacht 9 geboord tot in de rotslaag 2b. Dit gebeurt door het in de inwendige holte 3a van de eerste funderingspaal 3 neerlaten van een van een (met snijwerktuigen uitgeruste) boorkop 80 voorzien boormiddel 8.

Door de boorkop 80 in rotatie te brengen wordt de schacht 9 gevormd waarbij deze zich tot over een gewenste diepte in de rotslaag 2b uitstrekt. Omdat de boorkop 80 doorheen de eerste funderingspaal 3 wordt aangebracht heeft de geboorde schacht 9 een kleinere dwarsafmeting 90 dan een binnendwarsafmeting van de eerste funderingspaal 3. Dit laat ook in deze uitvoeringsvorm toe dat de eerste funderingspaal 3 op de rotslaag 2b blijft steunen en niet naar beneden wegzakt. Ook in de in figuur 3B getoonde werkwijzestap kan een bovenuiteinde van de eerste funderingspaal 3 desgewenst worden ondersteund met de positioneringsconstructie 11.

Volgens figuur 3C wordt er in een volgende stap een tweede funderingspaal 7 in de geboorde schacht 9 aangebracht. Dit gebeurt tot op een diepte 70° in de rotslaag 2b waarbij een manteloppervlak van de tweede funderingspaal 7 zich uitstrekt tot in de schacht 9 maar ook overlapt met een manteloppervlak van de eerste funderingspaal 3 over een overlaplengte 71°.

De lengte 70’ waarmee de tweede funderingspaal 7 in de rotslaag 2b wordt ingebracht kan kleiner zijn dan de inbrenglengte 70 in de in figuren 2A-2C getoonde uitvoeringsvorm omdat de dikte van de bovenlaag 2a nu groter is dan in figuren 2A-2C en daardoor meer steun biedt.

Zoals eveneens schematisch getoond in figuur 3C wordt het manteloppervlak van de tweede funderingspaal 7 over de lengte 70’ met de wand van de schacht 9 verbonden, bij voorkeur door een cementmengsel aan te brengen in een ruimte tussen het manteloppervlak van de tweede funderingspaal 7 en de schachtwand 9. Ook wordt in een ruimte tussen de manteloppervlakken van de tweede funderingspaal 7 en de eerste funderingspaal 3 het cementmengsel ingebracht over de overlaplengte 71’. Vervolgens wordt het cementmengsel uitgehard zodat de eerste funderingspaal 3 en de tweede funderingspaal 7 over de overlaplengte 71’ constructief met elkaar zijn verbonden. Ook wordt de tweede funderingspaal 7 hierdoor constructief verbonden met de binnenwand van de boorschacht 9. Hierdoor ontstaat, net als in de in figuren 2A-2C getoonde uitvoeringsvorm, een fundering die is opgebouwd uit twee constructief met elkaar verbonden geneste funderingspalen (3, 7). De krachtoverdracht van de aldus gevormde fundering met de onderwaterbodem 2 vindt ook hier op verschillende niveaus plaats, zoals hierboven reeds werd toegelicht in de context van figuren 2A-2C.

Een uitvoeringsvorm van de aldus gevormde fundering wordt in figuren 4 en 5 verder BE2022/5519 geïllustreerd. Figuur 4 toont de gevormde fundering als een samenstel van de eerste funderingspaal 3 waarin de tweede funderingspaal 7 is opgenomen en verankerd middels bijvoorbeeld de hierboven beschreven groutverbinding. De fundering kan desgewenst worden voorzien van een overgangsstuk of transition piece 4 dat over een uiteinde van de eerste funderingspaal 3 wordt geschoven en daarmee wordt verankerd, bijvoorbeeld met een groutverbinding 43. Het overgangsstuk 4 kan op bekende wijze zijn voorzien van een platform 40.

In de dwarsdoorsnede van figuur 5 is te zien dat de diameter 74 van de tweede funderingspaal kleiner is dan de diameter 34 van de eerste funderingspaal 3. Zoals verder verduidelijkt in figuur 6 stent de eerste funderingspaal 3 op de rotstaal 2b omdat de diameter 90 van de boorschacht 9 kleiner is dan de binnendiameter 34 van de eerste funderingspaal 3. De diameter 74 van de tweede funderingspaal 7 is op zijn beurt kleiner dan de boorschachtdiameter 90 (en dus ook dan de binnendiameter 34 van de eerste funderingspaal 3). Hierdoor ontstaat er een tussenruimte 79 tussen enerzijds de tweede funderingspaal 7 en de boorschachtwand 9 en anderzijds een tussenruimte 37 tussen (een buitenomtrekswand van) de tweede funderingspaal 7 en (een binnenomtrekswand van) de eerste funderingspaal 3. Beide tussenruimtes (79, 37) worden ten minste gedeeltelijk en bij voorkeur volledig gevuld met een cementmengsel dat vervolgens wordt uitgehard. Verder is te zien in figuur 6 dat (de buitenomtrekswand van) de tweede funderingspaal 7 en (de binnenomtrekswand van) de eerste funderingspaal 3 respectievelijk zijn voorzien van afschuifnokken 75 en 35 ter verhoging van de afschuifsterkte tussen de eerste en tweede funderingspalen (3, 7). Uit figuur 6 blijkt verder dat de relatief zachte bovenlaag 2a ook kan zijn opgebouwd uit (nog altijd relatief zachte) sublagen (2a’, 2a”), waarvan de eigenschappen kunnen verschillen. Zo is het bij voorbeeld mogelijk dat de sublaag 2a” harder is dan de sublaag 2a’.

De uitgevonden werkwijze is in het bijzonder geschikt voor aanbrengen van een fundering in een onderwaterbodem, welke onderwaterbodem een relatief zachte bovenlaag heeft en een zich daaronder bevindende rotslaag. Een dergelijke bovenlaag wordt ook wel aangeduid met de term deklaag of ‘overburden’. Door toepassing van de uitgevonden werkwijze kan een stevige fundering worden verkregen in een onderwaterbodem die op zich niet erg hard is.

De uitvinding is niet beperkt tot de hier beschreven uitvoeringsvorm en vele wijzigingen zouden hieraan kunnen worden aangebracht voorzover deze wijzigingen binnen het raamwerk van de hieraan toegevoegde conclusies vallen.

Claims

CONCLUSIES

1. Werkwijze voor het vanaf een vaartuig aanbrengen van een fundering in een onderwaterbodem, welke onderwaterbodem een bovenlaag en een zich daaronder bevindende rotslaag omvat, omvattende: - het door de bovenlaag tot op de rotslaag aanbrengen van een eerste funderingspaal met inwendige holte waarbij de eerste funderingspaal steun vindt op de rotslaag; - het door de eerste funderingspaal tot in de rotslaag boren van een schacht door het in de inwendige holte van de eerste funderingspaal neerlaten van een met snijwerktuigen voorzien boormiddel en het boormiddel in rotatie te brengen, waarbij de schacht een kleinere dwarsafmeting heeft dan een binnendwarsafmeting van de eerste funderingspaal; - het in de schacht aanbrengen van een tweede funderingspaal tot op een diepte in de rotslaag waarbij een manteloppervlak van de tweede funderingspaal zich uitstrekt tot in de schacht en tevens overlapt met een manteloppervlak van de eerste funderingspaal over een overlaplengte; en - het verbinden van het manteloppervlak van de tweede funderingspaal met de schachtwand en met het manteloppervlak van de eerste funderingspaal over in hoofdzaak de overlaplengte.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het verbinden gebeurt door een cementmengsel aan te brengen in een ruimte tussen het manteloppervlak van de tweede funderingspaal en de schachtwand, en in een ruimte tussen de manteloppervlakken van de tweede funderingspaal en de eerste funderingspaal, en het cementmengsel uit te harden.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij het manteloppervlak van de eerste funderingspaal een binnenmanteloppervlak is, en het manteloppervlak van de tweede funderingspaal een buitenmanteloppervlak is.

4. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de op de rotslaag aangebrachte eerste funderingspaal in positie wordt gehouden door ondersteuning van de bovenlaag van de onderwaterbodem.

5. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de op de rotslaag aangebrachte eerste funderingspaal in positie wordt gehouden door ondersteuning door een vanaf het vaartuig afhangende grijpconstructie.

6. Werkwijze volgens conclusie 4 of 5, waarbij de positie in hoofdzaak verticaal is. BE2022/5519

7. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het boormiddel wordt ondersteund door de eerste funderingspaal.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, waarbij het boormiddel wordt ondersteund door de eerste funderingspaal zodat een longitudinale richting van de geboorde schacht in hoofdzaak gelijk is aan een longitudinale richting van de eerste funderingspaal.

9. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de tweede funderingspaal wordt ondersteund door de geboorde schacht.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, waarbij de tweede funderingspaal wordt ondersteund door de geboorde schacht zodat een longitudinale richting van de geboorde schacht in hoofdzaak gelijk is aan een longitudinale richting van de tweede funderingspaal.

11. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het manteloppervlak van de eerste funderingspaal en/of van de tweede funderingspaal ten minste over de overlaplengte is voorzien van afschuifnokken.

12. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de tweede funderingspaal hol is.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, waarbij de eerste funderingspaal een wanddikte heeft van 50-120 mm.

14. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij een bovenuiteinde van de eerste funderingspaal zich na het verbinden met de tweede funderingspaal boven het wateroppervlak bevindt.

15. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij een bovenuiteinde van de eerste funderingspaal na het verbinden met de tweede funderingspaal wordt voorzien van een overgangsstuk (transition piece).

16. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, verder omvattende het op de fundering aanbrengen van een windturbine.

17. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het vaartuig een jack-up BE2022/5519 platform omvat.