CN105178316A - 一种用于gps水上沉桩控制的振动沉桩打桩船 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于GPS水上沉桩控制的振动沉桩打桩船，所述振动沉桩打桩船包括母船以及设置在母船上的起重装置，母船为甲板驳船，所述起重装置为履带吊，并装配在甲板驳船上；所述甲板驳船的船艏增加导向架与抱桩器。利用本振动沉桩打桩船可以使水上振动沉桩采用远距离GPS定位工艺能够顺利实施，确保沉桩定位精。

Description

一种用于GPS水上沉桩控制的振动沉桩打桩船

技术领域

本发明涉及一种水上振动沉放钢桩的施工机械结构，尤其涉及一种可以采用GPS水上沉桩控制的起重、打桩多用途施工船舶。

背景技术

打桩船是用于水上打桩作业的专用船舶，船体为钢箱型结构，在甲板的端部装有打桩架，可前俯后仰以适应施打斜桩的需要，桩、锤依附在桩架前部两根平行的竖直导杆之间，通过桩架进行吊起，桩架前有导向架，以控制方向。专业打桩船打桩工艺为锤击沉桩，配备柴油打桩锤或液压打桩锤。

为满足现代工程建设需要，并根据远海工程离岸远、传统测量定位实施困难大的特点，中交三航局有限公司2002年研制成功了“海工工程GPS远距离打桩定位系统”，采用GPSRTK、无棱镜测距仪、精密测倾仪等先进技术与设备，结合专门开发的打桩定位计算机软件，实现了实时、主动的船身和桩身位置的精确计算。突破了传统的经纬仪或全站仪定位方法必须要求通视的限制，使水上精密打桩定位的离岸距离达到20公里以上。大大提高了施工效率，最大限度地减轻了劳动强度。

海工工程GPS远距离打桩定位系统是以GPS作为基本定位仪器对打桩船进行定位，在此基础上，配合辅助测量设备对施打桩的桩位进行精确定位，以提高系统的定位精度。前提是桩与船架紧贴在一起，通过控制船身状态而控制桩的状态。

水上振动沉桩基本上均采用起重船配振动锤进行，起重船没有打桩架，振动锤和桩没有可依附的架体，一直处于悬挂状态，桩身飘荡，控制船体状态不能有效控制桩身状态，沉桩定位一般采用传统的经纬仪或全站仪定位方法，难以采用GPS沉桩定位。

因此，提供一种用于海上振动沉桩且能够方便远距离GPS定位的振动沉桩打桩船是本领域亟需要解决的技术问题。

发明内容

根据远海工程离岸远、传统测量定位实施困难大的特点，用于GPS水上沉桩定位的打桩船一般为有龙口(导向架)的锤击沉桩打桩船，桩身基本固定在龙口内，控制船体状态能够有效控制桩身状态。而振动沉桩采用起重船配振动锤进行振动沉桩，桩身飘荡，与船体不能合一，控制船体状态不能有效控制桩身状态。据此，本发明的目的在于提供一种用于GPS水上沉桩控制的振动沉桩打桩船，以使水上振动沉桩采用远距离GPS定位工艺能够顺利实施，确保沉桩定位精。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种用于GPS水上沉桩控制的振动沉桩打桩船，所述振动沉桩打桩船包括母船以及设置在母船上的起重装置，所述母船为甲板驳船，所述起重装置为履带吊，并装配在甲板驳船上；所述甲板驳船的船艏增加导向架与抱桩器。

本方案的一优选实例中，所述导向架采用钢管桁架结构。

进一步的，所述导向架前沿中间立柱上下各设一个抱桩器。

再进一步的，所述抱桩器为钢箱结构，由两片半圆臂合抱而成，半圆臂后部为液压伸缩杆，用于半圆臂的启合。

本方案的另一优选实例中，所述振动沉桩打桩船上还设置有GPS测量设置，对桩身进行定位和定向。

进一步的，所述GPS测量设置包括3台GPS测站、1台测倾仪、2台红外测距仪及电脑监控系统，所述电脑监控系统根据3台GPS测站的RTK数据计算测定船体倾斜数据，同时利用测倾仪测定船体倾斜数据，并将两数据进行比较和检核。

再进一步的，所述电脑监控系统设置在振动沉桩打桩船驾驶室内，所述3台GPS测站中的第一GPS测站和第二GPS测站分布在振动沉桩打桩船驾驶室的两侧，所述第三GPS测站相对于第二GPS测站设置，所述2台红外测距仪对称的设置在船头甲板的中部，所述测倾仪设置2台红外测距仪中间。

相对于现有技术，本发明提供的专用振动沉桩打桩船具有如下优点：

1)专用振动沉桩打桩船原则上还是起重船，可以进行正常的起重作业；配备振动锤可以进行打桩作业；配备抓斗可以进行水下挖泥作业；拆除起重设备，可以成为运输驳船。因此，比传统的打桩船用途更广。

2)专用振动沉桩打桩船具有360°全回转功能，沉桩时不需要移船，而一般的打桩船不具备回转功能，沉桩需要移船。

3)专用振动沉桩打桩船由平面驳船与履带吊结合而成，可以根据起重物的重量与体积，灵活组合，吨位可大可小，而打桩船桩架与船体固定在一体，改动不易。

4)专用振动沉桩打桩船可以根据现场限高的要求，通过拆装臂架而适宜限高要求，适用性更广，而打桩船改动桩架非常不易。

5)专用振动沉桩打桩船由平面驳船与履带吊结合而成，而非船厂专门建造的专业船舶，造价相对较低。

6)本发明的专用振动沉桩打桩船与传统的起重船比较，则在振动沉桩方面，可以采用远距离GPS定位工艺。

7)专用振动沉桩打桩船可采用GPS定位可以使水上精密打桩定位的离岸距离可以达到20公里以上，根据理论估算，平面定位精度可达5厘米以内，满足《规范》对相应条件下打桩定位允许偏位的要求。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明提供的专用振动沉桩打桩船的结构示意图；

图2为本发明提供的专用振动沉桩打桩船甲板面布置图；

图3为本发明提供的专用振动沉桩打桩船中导向架的正视示意图；

图3a为本发明提供的专用振动沉桩打桩船中导向架的侧视示意图；

图4为本发明提供的专用振动沉桩打桩船中GPS测量设备布置示意图；

图5为本发明提供的专用振动沉桩打桩船进行支承桩沉设示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

为使水上振动沉桩采用远距离GPS定位工艺能够顺利实施，确保沉桩定位精度，本实例设计、加工改造专用振动沉桩打桩船。

参见图1，本实例提供的专用振动沉桩打桩船打破常规采用起重船配振动锤的设计思维，而采用甲板驳船100固定履带吊200，船艏增加导向架300与抱桩器400，并装配GPS测量仪器500而构成。

其中，对于专用振动沉桩打桩船的母船，本实例根据工程区域水深条件，选择甲板驳船作专用起重船母船，具有吃水浅、适用范围广的特点；再者，根据船体稳性要求等因素采用2000t级以上甲板驳船100作专用起重船母船。

对于专用振动沉桩打桩船上配置的起重装置，本实例根据工程区域航空限高等条件，选择甲板驳船装配履带吊200构成起重船，通过拆装臂架而适宜限高要求，适用性更广，而专业起重船、打桩船改动桩架非常不易。据此设计可根据工程重物吊重和体积要求，可以自由选择不同型号的履带吊，灵活组合，吨位可大可小，而打桩船桩架与船体固定在一体，改动不易。

对于专用振动沉桩打桩船上配置的辅助装置，本实例在船艏增加导向架300与抱桩器400，可以使桩身有可依附的架体，桩、船基本能够合一，控制船身状态基本可以控制桩身，因而满足水上远距离GPS沉桩定位工艺的要求。

基于上述设计原理，本实例的具体方案如下：

本方案具体采用2000t级以上甲板驳船100作专用起重船母船，同时在其上配置履带吊200作为起重装置，同时在船艏增加导向架300与抱桩器400，并装配GPS测量设备500(参见图1)。

本专用振动沉桩打桩船在甲板驳船100上配置相应的船舶舾装(参见图2)。

1.系泊设备，包括系泊索、带缆桩和导缆孔、羊角单滚轮导缆器。

1.1.系泊索

本船配置4根Φ26mm镀锌钢丝绳，每根长180m。

本船配置4根Φ52mm高强丙纶绳，每根长200m。

1.2.带缆桩和导缆孔

全船设足够数量的钢质焊接带缆桩供本船系泊及海上作业需要。其在甲板上的定位应满足施工要求。

1.3.羊角单滚轮导缆器

全船设足够数量的羊角单滚轮导缆器供系泊用。

2.锚设备，包括移船锚绞车、移船锚、拉锚索。

2.1.移船锚绞车

本船配置8台移船锚绞车，这8台移船锚绞车分别布置在本船主甲板的首尾两舷，移船锚绞车为电动变频控制，其中4台带边卷筒。

2.2.移船锚

本船设海军锚8只，每只锚重10000kg。移船锚不设锚托架，不用时放置在甲板上的适当位置。

2.3.拉锚索

本船设8根镀锌钢索(钢芯)，每根长500米；规格为6x37(a)IWR-48-1770(MPa)。

本专用振动沉桩打桩船设置的起重装置为装配的履带吊200，该履带吊具体的吨位和型号，可根据实际需求而定。

以250t履带吊(日立SCX2500)为例，履带前轴距船艏中心距为14m,吊机重量203t，吊机对甲板面的荷载压力为109KPa＜1.11kgf/cm2。

主要参数选择：臂长48.75m，配80t吊重钩头，吊重不超过40t。

本专用振动沉桩打桩船设置的导向架300，在甲板驳船100的船艏增设导向架300。参见图3及图3a，导向架300采用钢管桁架结构，并固定在甲板驳船100船艏的甲板上。该导向架300的正面呈等腰梯形，侧面呈直角梯形。

进一步的，导向架300的基础上，在导向架前沿中间立柱上下各设一个抱桩器400(参见图1)。该抱桩器400具体为钢箱结构，由两片半圆臂合抱而成，半圆臂后部为液压伸缩杆，用于半圆臂的启合。

本专用振动沉桩打桩船上装配的GPS测量设备500，用于实现对桩身的定位和定向。参见图4，每艘专用打桩船100上配置的GPS测量设备500包括3台GPS测站501-503、1台测倾仪504、2台红外测距仪505-506及电脑监控系统(图中未示出)进行沉桩定位，其中陆上配置1台公用参考站。

其中，电脑监控系统根据3台GPS测站501的RTK数据计算测定船体倾斜数据，同时利用测倾仪502测定船体倾斜数据，并将两数据进行比较和检核，保证测量的精度。

为了保证所有仪器测量数据的有效性和可靠性，本方案将电脑监控系统设置在振动沉桩打桩船驾驶室101内，而3台GPS测站中的第一GPS测站501和第二GPS测站502分布在振动沉桩打桩船驾驶室的两侧，第三GPS503测站相对于第二GPS测站502设置在船体的同一侧；2台红外测距仪505-506面向抱桩器400对称的设置在船头甲板的中部；测倾仪504设置2台红外测距仪中间。

由此设计而成的专用振动沉桩打桩船，将具备如下条件：

1.作业水域，本船作业水域为沿海水域。

2.作业水深，本船作业水深为3m-15m。

3.作业水域海况，

最大风力：蒲氏8级；

最大有义波高：≤1.5m；

作业水域流速：≤3m/s。

4.作业环境，

环境温度：-10～+45℃；

湿度：90％；

大气压力：0.1MPa。

5.作业定位、移位，本船在作业状态，由定位锚泊系统定位。

据上述设计条件形成的专用振动沉桩打桩船在不具备作业条件而处于停工状态时，可抛单锚原地抗风待命，当风力超过蒲氏10级时，则进港避风。

以下将通过一具体应用实例来进一步的说明本方案。

中国港珠澳大桥香港人工岛(HKBCF)工程采用“1/4圆筒陆上预拼、水上组合散打”的工艺，其需要振沉83个主格大圆筒。同时该工程在施工过程中主要有五大难点：1)施工区域限高。2)水深浅。3)地质条件差，使得桩长较长。4)完全离岸作业，定位困难。5)工期紧。

针对该工程，可利用本方案提供的专用振动沉桩打桩船进行振沉施工，理由如下：

1.本专用振动沉桩打桩船，可使水上程远距离GPS振动沉桩定位工艺能够顺利实施，提高了沉桩定位精度。

2.本专用振动沉桩打桩船满载吃水仅3.0m，满足香港人工岛现场水域水深要求；可通过装、拆履带吊臂架的标准节段，调节打桩船总高度，使之满足香港人工岛现场限高要求。

据此，基于本方案提供的专用振动沉桩打桩船方案进行施工的过程如下：

1)专用打桩船的准备

支承桩桩位的精度将直接影响到内胎架安装精度，从而影响到钢板桩格体定位精度。为确保沉桩定位精度，采用专用振动沉桩打桩船。

用于GPS水上沉桩定位的打桩船一般为有龙口(导向架)的锤击沉桩打桩船，桩身基本固定在龙口内，控制船体状态能够有效控制桩身状态。而本工程沉桩若采用起重船配振动锤进行振动沉桩，桩身飘荡，与船体不能合一，控制船体状态不能有效控制桩身状态。因此，需将起重船专门加工改造成为专用振动沉桩打桩船。为此，根据航空限高、海床泥面高程、钢板桩振沉工艺需求和船体稳性要求等因素，采用4000t级甲板驳船作专用起重船母船，安装、固定280t履带吊作为起重结构构成起重船。同时，为配合GPS水上沉桩定位，船艏增设导向架与抱桩器，使得沉桩时桩身、船体基本合一，从而构成专用振动沉桩打桩船，参见图1和2。

为实现对桩身的定位和定向，每艘专用打桩船上配置3台GPS测站、1台测倾仪、2台红外测距仪及电脑监控系统等进行沉桩定位(陆上配置1台公用参考站)。其中，三台GPSRTK数据计算的船体倾斜可以与测倾仪测定的船体倾斜数据进行比较和检核。参见附图4。

2)GPS水上沉桩定位

首先进行测量控制网的建立、校核与加密，并建立GPS参考站。

在施打前将桩位参数输入相应的GPS定位系统软件中，采用GPS测量系统控制桩位和打桩船的平面扭角以及沉桩标高，通过桩架液压杆控制桩管垂直度，沉桩过程中，桩身倾斜度由读取打桩船桩架上的刻度尺读数控制，并用电子测斜仪进行实时监控，根据测量来控制桩身倾斜度在1％以内，倾斜度误差满足规范要求。

GPS沉桩定位系统的测量精度均在50mm以内，沉桩竣工偏位可控制在150～200mm以内。为保证内胎架的垂直度和受力状态良好，所有支承桩顶标高需控制在20mm以内，沉设首根钢管桩时采用GPS控制高程(陆上全站仪比对校核)。

3)水上振动沉桩

水上振动沉桩一般按下述六个步骤，沉设工艺详见图5。

步骤一，施工作业前，需要根据现场的水深、所在区域的限高、钢管桩长度选择合适的履带吊臂架长度、角度。

步骤二，钢管桩起吊采用抬吊，利用打桩船上的克令吊或辅助驳船上的吊机，将钢管桩从桩驳上抬起，同时桩驳将船移离打桩船，然后辅助吊机慢慢下放，履带吊慢慢起钩，直至将钢管桩竖直。

步骤三，钢管桩竖直后，将钢管桩入抱桩器龙口，下放钢管桩至泥面附近，收紧抱桩器，调整船位至施工桩位，调整桩架，继续下放钢管桩，在垂直度小于0.7％和位置偏差小于50mm时进行稳桩。

步骤四，钢管桩不再下沉时，解开钢丝绳扣，起吊振动锤，打开液压夹头，进行振动锤夹桩。

步骤五，振动锤夹住钢管桩后，再次校正钢管桩桩位，开启振动锤振沉。

步骤六，钢管桩振沉至设计标高附近时，岸上仪器(或GPS)确定钢管桩高程，第一根钢管桩标高确定后，其余钢管桩根据第一根钢管桩的标高控制。如夜间施工，则先振沉至设计标高附近，待天亮后仪器测量统一调整标高。

可由上可知，中国港珠澳大桥香港人工岛(HKBCF)工程中采用“1/4圆筒陆上预拼、水上组合散打”的工艺的83个主格大圆筒能够在规定时间内全部完成，每个主格9根支承钢管桩，均采用振动沉设，GPS定位工艺，747根支承桩最大平面偏差10cm，满足大圆筒工艺要求。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种用于GPS水上沉桩控制的振动沉桩打桩船，所述振动沉桩打桩船包括母船以及设置在母船上的起重装置，其特征在于，所述母船为甲板驳船，所述起重装置为履带吊，并装配在甲板驳船上；所述甲板驳船的船艏增加导向架与抱桩器。

2.根据权利要求1所述的一种用于GPS水上沉桩控制的振动沉桩打桩船，其特征在于，所述导向架采用钢管桁架结构。

3.根据权利要求2所述的一种用于GPS水上沉桩控制的振动沉桩打桩船，其特征在于，所述导向架前沿中间立柱上下各设一个抱桩器。

4.根据权利要求3所述的一种用于GPS水上沉桩控制的振动沉桩打桩船，其特征在于，所述抱桩器为钢箱结构，由两片半圆臂合抱而成，半圆臂后部为液压伸缩杆，用于半圆臂的启合。

5.根据权利要求1所述的一种用于GPS水上沉桩控制的振动沉桩打桩船，其特征在于，所述振动沉桩打桩船上还设置有GPS测量设置，对桩身进行定位和定向。

6.根据权利要求5所述的一种用于GPS水上沉桩控制的振动沉桩打桩船，其特征在于，所述GPS测量设置包括3台GPS测站、1台测倾仪、2台红外测距仪及电脑监控系统，所述电脑监控系统根据3台GPS测站的RTK数据计算测定船体倾斜数据，同时利用测倾仪测定船体倾斜数据，并将两数据进行比较和检核。

7.根据权利要求6所述的一种用于GPS水上沉桩控制的振动沉桩打桩船，其特征在于，所述电脑监控系统设置在振动沉桩打桩船驾驶室内，所述3台GPS测站中的第一GPS测站和第二GPS测站分布在振动沉桩打桩船驾驶室的两侧，所述第三GPS测站相对于第二GPS测站设置，所述2台红外测距仪对称的设置在船头甲板的中部，所述测倾仪设置2台红外测距仪中间。