CN109811767B - 吸力桶基础沉桩定位架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸力桶基础沉桩定位架，包括桁架、导向套筒和位于桁架顶面上的工作平台，吸力桶基础沉桩定位架还包括吸力桶，吸力桶设置在桁架底面上作为锚固基础用于固定在海床上，导向套筒为整段长套筒式结构，其竖向设置在桁架的侧面上并在使用时处于水面以下。本发明的吸力桶为沉桩定位架提供沉桩施工所需的承载力及抗拔力，在恶劣海况下，可确保沉桩定位架在位自存，吸力桶基础可快速安装固定至海床上，控制吸力桶基础入泥深度调节整个沉桩定位架的水平度，使导向套筒的垂直度达到设计要求，确保钢桩沉桩精度；省去了辅助桩施工所需配套的锤机设备，吸力桶基础可快速拔离海床从而快速回收沉桩定位架，可重复多次使用，提高钢桩沉桩效率。

Description

吸力桶基础沉桩定位架

技术领域

本发明涉及一种吸力桶基础沉桩定位架，适用于海上先桩法导管架基础钢桩沉桩施工，是一种快速、精确的沉桩辅助工装。

背景技术

导管架基础在海上石油平台、海上灯塔建设中已得到广泛应用。导管架是由中空的腿柱和连接腿柱的纵横杆组成。其上面搭接固定式平台，可用于海洋石油开采。

在以往的海洋工程导管架基础施工中，导管架基础的施工工艺多采用后桩法，即先吊放导管架至泥面，后进行钢管桩的沉桩施工，进行调平后灌浆固定；采用后桩法施工对钢管桩沉桩施工的精度要求不高。而国内现有的风机基础导管架基础施工工艺为先桩法，即先进行钢管桩的沉桩施工，后安装导管架，导管架腿需插入钢管桩内，调平后在导管架腿与钢管桩间环形空间灌浆固定；采用先桩法施工对钢管桩沉桩精度(垂直度、间距、高程)提出了极高的要求，钢管桩顶设计标高位于水面以上，施工作业面由传统的水上作业转移至水下施工，大幅增加了沉桩施工难度。

目前出现了使用辅助桩水面定位架施工平台的施工方法，即在水面上进行钢管桩沉桩精度的控制，但是，该方法存在着以下不足之处：

⑴因海水较深，海底地质复杂，辅助桩的整体长度设计，包括辅助桩入泥深度和露出海面以上高度，使得辅助桩整体长度较长。

⑵随着海水深度增加，海况的恶劣程度也增加了对定位架辅助桩强度的要求，因此辅助桩定位架的规格及重量均较大，对施工机具及船舶提出较高要求，同时受海况的影响，辅助桩的起桩、沉桩所受天气的影响较大。

⑶通过海面控制钢管桩的垂直度，在钢管桩入水至沉桩结束，因海水较深，钢管桩在海水中存在自由摆动现象，钢管桩的垂直度及桩间间距可能发生变化。

因此，受恶劣海况、复杂地质环境的影响，现有的先桩法导管架基础施工存在沉桩精度差、效率低等问题。当前，如何高效完成该型式的钢管桩沉桩施工，同时确保钢管桩的沉桩精度，是本行业现阶段亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沉桩精度高、提高沉桩效率的吸力桶基础沉桩定位架。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种吸力桶基础沉桩定位架，包括桁架、导向套筒和位于所述桁架顶面上的工作平台，其特征在于：所述吸力桶基础沉桩定位架还包括吸力桶，所述吸力桶设置在所述桁架底面上作为锚固基础用于固定在海床上，所述导向套筒为整段长套筒式结构，其竖向设置在所述桁架的侧面上并在使用时处于水面以下。

本发明所述吸力桶上设有抽吸、注入泵阀管路系统，吸力桶主要由潜水泵，气动蝶阀、无缝钢管、压力传感器组成。潜水泵电缆、气动蝶阀气管、压力信号线通过电缆管牵引至工作平台上并集中布置在中继柜内。

本发明的吸力桶为沉桩定位架提供沉桩施工所需的承载力及抗拔力，在恶劣海况下，可确保沉桩定位架在位自存(抵抗在位期间的风浪流影响，使得沉桩定位架不会被破坏)，通过吸力桶中潜水泵的抽吸作用而使吸力桶基础快速安装固定至海床上，控制吸力桶基础入泥深度调节整个沉桩定位架的水平度，使导向套筒的垂直度达到设计要求，确保钢桩沉桩精度；而且，本发明采用吸力桶作为锚固基础，省去了辅助桩施工所需配套的锤机设备，通过潜水泵的注水使吸力桶基础可快速拔离海床从而快速回收沉桩定位架，并可重复多次使用，提高钢桩沉桩效率。

作为本发明的一种优选实施方式，所述桁架整体为上小下大的棱台形，所述吸力桶位于桁架的棱角部位。

作为本发明的一种优选实施方式，所述桁架主要由主支撑腿、底部连接杆、下部斜撑杆、中部撑杆和上部撑杆组成，所述主支撑腿倾斜设置构成桁架的棱角部位，且所述吸力桶设于主支撑腿的下端上，相邻主支撑腿的底部通过底部连接杆相连，所述下部斜撑杆成对设置，每相邻两个主支撑腿之间设有一对下部斜撑杆，每对下部斜撑杆自下而上向外倾斜，下部斜撑杆的下端固定在同一底部连接杆上构成K形杆体，上端则分别固定在相邻的两主支撑腿上；所述中部撑杆与下部斜撑杆相邻设置，且所述中部撑杆为X形杆体，其端部分别固定在相邻两主支撑腿的中部上；所述上部撑杆与所述中部撑杆相邻设置，且所述上部撑杆为米字形杆体，其端部分别连接在相邻两主支撑腿的上部上。本发明桁架由K形杆体、X形杆体和米字形杆体与主支撑腿相连而成，受力结构合理，稳固，可承受较大荷载。

由于在施工过程中，导向套筒位于水面下不可见，为了在水面上对钢管桩进行插入前定位，使其顺利快速插入导向套筒，作为本发明的一种改进，在所述主支撑腿顶部设有U形导向槽，所述U形导向槽为开口向外的水平U形杆件，所述U形导向槽位于所述导向套筒的正上方，所述导向套筒的上端开口为喇叭口，且喇叭口的口沿直径大于U形导向槽的宽度。U形导向槽的宽度和导向套筒的口径均大于钢管桩的直径。在实际施工中，桁架顶部露出水面，同时U形导向槽也露出水面，钢管桩可在水面上通过U形导向槽进行插入前定位，并经由喇叭口顺利插入导向套筒中。

作为本发明的进一步改进，所述导向套筒的内壁上设有沿其长度方向延伸的肋板状的限位块，所述限位块沿着导向套筒的圆周分布，限位块可对钢管桩进行限位，以确保钢管桩之间距离符合设计要求。

作为本发明的一种优选实施方式，所述主支撑腿的顶部设有吊耳，且所述主支撑腿的顶部围括住所述工作平台。

本发明还可以做以下改进，所述主支撑腿与吸力桶的连接部位设有直角三角形的加强板，所述加强板的两直角边分别与主支撑腿的外壁和吸力桶的顶面连接，且所述加强板为若干个并沿圆周分布。本发明在桁架与吸力桶连接节点采用加强板对局部结构进行加强，使得本发明定位架在安装调平及沉桩施工过程中，吸力桶和桁架底端均可以承受较大载荷。

作为本发明的一种优选实施方式，所述桁架为四棱台形，所述吸力桶为四个，且所述导向套筒为四个，每个导向套筒对应位于桁架的一侧面上，所述导向套筒与桁架之间设有两组撑杆，该两组撑杆呈上下设置，位于上方的撑杆为上组撑杆，位于下方的撑杆为下组撑杆，上组撑杆与导向套筒的上端连接，而下组撑杆则与导向套筒的下端连接，每组撑杆主要由两对斜杆组成，该两对斜杆以导向套筒的中轴线呈轴对称布置，该两对斜杆的一端连接在导向套筒上，另一端连接在相邻的主支撑腿上，其中，上组撑杆对应位于桁架的中部，而下组撑杆对应位于桁架的下部。

作为本发明的一种优选实施方式，所述桁架的顶面搭设有承托架，在所述承托架上铺设有底板构成所述工作平台，在所述工作平台上布置有水平传感器，用于检测定位架的整体水平度。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

⑴本发明的吸力桶为沉桩定位架提供沉桩施工所需的承载力及抗拔力，在恶劣海况下，可确保沉桩定位架在位自存(抵抗在位期间的风浪流影响，使得沉桩定位架不会被破坏)，通过吸力桶中潜水泵的抽吸作用而使吸力桶基础快速安装固定至海床上，控制吸力桶基础入泥深度调节整个沉桩定位架的水平度，使导向套筒的垂直度达到设计要求，确保钢桩沉桩精度。

⑵本发明通过吸力桶潜水泵的注水使吸力桶基础可快速拔离海床从而快速回收沉桩定位架，并可重复多次使用，提高钢桩沉桩效率。

⑶本发明桁架由K形杆体、X形杆体和米字形杆体与主支撑腿相连而成，受力结构合理，稳固，可承受较大荷载。

⑷在施工过程中导向套筒位于水面下不可见，而本发明的U形导向槽露出水面，钢管桩可在水面上通过U形导向槽进行插入前定位，并经由喇叭口顺利插入导向套筒中。

⑸本发明在桁架与吸力桶连接节点采用加强板对局部结构进行加强，使得本发明定位架在安装调平及沉桩施工过程中，吸力桶和桁架底端均可以承受较大载荷。

⑹本发明采用吸力桶作为锚固基础，省去了辅助桩施工所需配套的锤机设备，结构简单、成本低，实用性强，适用于海上先桩法导管架基础钢桩沉桩施工，且不受恶劣海况、复杂地质环境的影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的侧视图之一；

图3是本发明的侧视图之二；

图4是本发明的俯视图。

具体实施方式

如图1～4所示，是本发明一种吸力桶基础沉桩定位架，包括钢制的桁架、吸力桶1、钢制的导向套筒3和位于桁架顶面上的工作平台，吸力桶1设置在桁架底面上作为锚固基础用于固定在海床上，导向套筒3为整段长套筒式结构(为一完整筒体)，而非现有沉桩定位架的分段式套筒结构(采用上下相对的两个独立筒体)，导向套筒3竖向设置在桁架的侧面上并在使用时处于水面以下，即吸力桶1与导向套筒3通过桁架连接固定。吸力桶是现有技术，吸力桶上设有抽吸、注入泵阀管路系统，吸力桶主要由潜水泵，气动蝶阀、无缝钢管、压力传感器组成。潜水泵电缆、气动蝶阀气管、压力信号线通过电缆管牵引至工作平台上并集中布置在中继柜内。

在本实施例中，桁架为上小下大的四棱台形，吸力桶1为四个，且导向套筒3为四个，每个导向套筒3对应位于桁架的一侧面中部上，吸力桶1位于桁架的棱角部位，4个吸力桶1以及4个导向套筒3均分别沿桁架的圆周均匀分布。4个导向套筒设计在同一高程，同时每个导向套筒的中心点间距与钢管桩设计间距一致。

在本实施例中，桁架主要由主支撑腿2、底部连接杆71、下部斜撑杆72、中部撑杆10和上部撑杆11组成，主支撑腿2倾斜设置构成棱台形桁架的棱角部位，主支撑腿2的顶部设有起吊用的吊耳16，且主支撑腿2的顶部围括住工作平台。桁架的顶面搭设有承托架13，在承托架13上铺设有底板构成工作平台，在工作平台上布置有水平传感器，用于检测定位架的整体水平度。吸力桶1设于主支撑腿2的下端上，相邻主支撑腿2的底部通过底部连接杆71相连，下部斜撑杆72成对设置，每相邻两个主支撑腿2之间设有一对下部斜撑杆72，每对下部斜撑杆72自下而上向外倾斜，下部斜撑杆72的下端固定在同一底部连接杆71上构成K形杆体，下部斜撑杆72的上端分别固定在相邻的两主支撑腿2上；中部撑杆10与下部斜撑杆72相邻设置，且中部撑杆10为X形杆体，其端部分别固定在相邻两主支撑腿2的中部上；上部撑杆11与中部撑杆10相邻设置，且上部撑杆11为米字形杆体，其端部分别连接在相邻两主支撑腿2的上部上。

在主支撑腿2顶部设有U形导向槽5，U形导向槽5为开口向外的水平U形杆件，U形导向槽5通过四根斜向的支撑杆12连接在主支撑腿2上，支撑杆12之间还设有加强撑杆14，U形导向槽5位于导向套筒3的正上方，导向套筒3的上端开口为喇叭口4，且喇叭口4的口沿直径大于U形导向槽的宽度。U形导向槽的宽度和导向套筒的口径均大于钢管桩的直径。在实际施工中，桁架顶部露出水面，同时U形导向槽也露出水面，钢管桩可在水面上通过U形导向槽进行插入前定位，并经由喇叭口顺利插入导向套筒中。导向套筒3的内壁上设有沿其长度方向延伸的肋板状的限位块15，限位块15沿着导向套筒3的圆周分布，限位块15可对钢管桩进行限位，以确保钢管桩之间距离符合设计要求。导向套筒3与桁架之间设有两组撑杆，该两组撑杆呈上下设置，位于上方的撑杆为上组撑杆9，位于下方的撑杆为下组撑杆8，上组撑杆9与导向套筒3的上端连接，而下组撑杆8则与导向套筒3的下端连接，每组撑杆主要由两对斜杆组成，该两对斜杆以导向套筒3的中轴线呈轴对称布置，该两对斜杆的一端连接在导向套筒3上，另一端连接在相邻的主支撑腿2上，其中，上组撑杆9对应位于桁架的中部，而下组撑杆8对应位于桁架的下部。

主支撑腿2与吸力桶1的连接部位设有直角三角形的加强板6，加强板6的两直角边分别与主支撑腿2的外壁和吸力桶1的顶面连接，且加强板6为若干个并沿圆周分布。在桁架与吸力桶连接节点采用加强板对局部结构进行加强，使得本发明定位架在安装调平及沉桩施工过程中，吸力桶和桁架底端均可以承受较大载荷。

本发明的工作过程如下：

⑴在陆地码头建造完成本发明吸力桶基础沉桩定位架后，利用起重船装船运输至海上施工现场，由起重船起吊至水下沉放安装，预先在沉桩定位架顶部布置测量仪器，入泥前调整沉桩定位架的位置及朝向。沉桩定位架在自重下入泥后，开启吸力桶顶吸力泵抽水，沉桩定位架逐步下沉至设计标高。沉桩定位架下沉过程中，通过顶部平台布置的测量仪器监控整个沉桩定位架的垂直度，并及时通过吊机和吸力泵抽吸进行调整，控制沉桩定位架整体垂直度在0.1％以内，即通过控制吸力桶顶潜水泵的抽吸、注水调节沉桩定位架的水平度，确保4个导向套筒的垂直度满足设计要求，并通过吸力桶顶潜水泵抽水，吸力桶贯入至设计标高，完成沉桩定位架的沉放。

⑵在海上沉放到位后，导向套筒位于水下，U形导向槽露出水面，钢管桩通过水上U形导向槽进行插入前定位。由于钢管桩桩顶设计高程位于泥面上约6-7m，为确保钢管桩沉桩到位，沉桩需使用一段送桩器辅助施工，钢管桩由送桩器沉桩至设计标高后，钢管桩桩顶位于导向套筒下端下方，即沉桩结束时，导向套筒下端标高高于钢管桩桩顶标高。

海上沉桩施工时，通过移船，旋转吊机，调整变幅角度等操作，使钢管桩移至沉桩定位架水面U形导向槽内，导向套筒的喇叭口大于U形导向槽的宽度，钢管桩可顺利插入导向套筒的喇叭口内。先完成4根钢管桩的起桩及插桩作业后，再使用液压打桩锤进行沉桩作业，在确保钢管桩稳定以及垂直度满足后，起重工程船起液压锤将4根钢桩逐个沉桩至液压锤接近水面位置，然后安装送桩器，逐个套液压锤将钢管桩沉桩至设计高程。沉桩过程中在沉桩定位架顶部平台布置全站仪，在钢管桩沉桩至接近设计标高时，观测液压锤顶的标高并反推桩底高程来控制钢管桩顶部高程，确保4个钢管桩顶高程误差在允许值。

⑶钢管桩的垂直度、间距由导向套筒进行固定、约束。导向套筒设计成一定长度，各筒间间距与钢管桩设计间距相同，在上下端口内设两层限位块，确保导向套筒内径大于钢管桩外径4cm。沉桩过程中，确保吸力桶沉桩定位架的垂直度在设计范围内即可确保钢管桩的沉桩垂直度及间距。沉桩结束时，液压锤露出水面及平台顶，钢管桩桩顶高程由顶部平台布设全站仪，通过测量锤体高程位置，控制每个钢管桩的停锤及桩顶标高。

⑷沉桩结束后，连接沉桩定位架吊索具至起重船主钩，开启吸力桶顶吸力泵，往吸力桶内压水，起重船吊钩上升，逐步将沉桩定位架吊离出水，进行下个基础的沉桩施工。为避免导向套筒与钢管桩间的相互干涉，导向套筒底端标高出钢管桩桩顶设计标高约5～6m，确保顺利吊离沉桩定位架。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种吸力桶基础沉桩定位架，包括桁架、导向套筒和位于所述桁架顶面上的工作平台，其特征在于：所述吸力桶基础沉桩定位架还包括吸力桶，所述吸力桶设置在所述桁架底面上作为锚固基础用于固定在海床上，所述导向套筒为整段长套筒式结构，其竖向设置在所述桁架的侧面上并在使用时处于水面以下；每个导向套筒的中心点间距与钢管桩设计间距一致；所述桁架主要由主支撑腿、底部连接杆、下部斜撑杆、中部撑杆和上部撑杆组成，所述主支撑腿倾斜设置构成桁架的棱角部位，且所述吸力桶设于主支撑腿的下端上，相邻主支撑腿的底部通过底部连接杆相连，所述下部斜撑杆成对设置，每相邻两个主支撑腿之间设有一对下部斜撑杆，每对下部斜撑杆自下而上向外倾斜，下部斜撑杆的下端固定在同一底部连接杆上构成K形杆体，上端则分别固定在相邻的两主支撑腿上；所述中部撑杆与下部斜撑杆相邻设置，且所述中部撑杆为X形杆体，其端部分别固定在相邻两主支撑腿的中部上；所述上部撑杆与所述中部撑杆相邻设置，且所述上部撑杆为米字形杆体，其端部分别连接在相邻两主支撑腿的上部上；在所述主支撑腿顶部设有U形导向槽，所述U形导向槽为开口向外的水平U形杆件，所述U形导向槽位于所述导向套筒的正上方；所述导向套筒的上端开口为喇叭口，且喇叭口的口沿直径大于U形导向槽的宽度；所述桁架为四棱台形，所述吸力桶为四个，且所述导向套筒为四个，每个导向套筒对应位于桁架的一侧面上，所述导向套筒与桁架之间设有两组撑杆，该两组撑杆呈上下设置，位于上方的撑杆为上组撑杆，位于下方的撑杆为下组撑杆，上组撑杆与导向套筒的上端连接，而下组撑杆则与导向套筒的下端连接，每组撑杆主要由两对斜杆组成，该两对斜杆以导向套筒的中轴线呈轴对称布置，该两对斜杆的一端连接在导向套筒上，另一端连接在相邻的主支撑腿上，其中，上组撑杆对应位于桁架的中部，而下组撑杆对应位于桁架的下部。

2.根据权利要求1所述的吸力桶基础沉桩定位架，其特征在于：所述桁架整体为上小下大的棱台形，所述吸力桶位于桁架的棱角部位。

3.根据权利要求2所述的吸力桶基础沉桩定位架，其特征在于：所述导向套筒的内壁上设有沿其长度方向延伸的肋板状的限位块，所述限位块沿着导向套筒的圆周分布。

4.根据权利要求3所述的吸力桶基础沉桩定位架，其特征在于：所述主支撑腿的顶部设有吊耳，且所述主支撑腿的顶部围括住所述工作平台。

5.根据权利要求4所述的吸力桶基础沉桩定位架，其特征在于：所述主支撑腿与吸力桶的连接部位设有直角三角形的加强板，所述加强板的两直角边分别与主支撑腿的外壁和吸力桶的顶面连接，且所述加强板为若干个并沿圆周分布。

6.根据权利要求1～5任一项所述的吸力桶基础沉桩定位架，其特征在于：所述桁架的顶面搭设有承托架，在所述承托架上铺设有底板构成所述工作平台，在所述工作平台上布置有水平传感器，用于检测定位架的整体水平度。