CN111335354B - 一种高度可调节的海洋锚泊基础施工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，包括桶形基础与外部活动架，桶形基础外壁靠近底部设置有多个套筒；外部活动架包括上部连接环、下部连接环及连接在二者之间且与套筒相配合的轴杆；桶形基础套装在外部活动架内，每个套筒套装在对应轴杆上，桶形基础在受力时在上部连接环、下部连接环之间的轴杆上运动；上部连接环在相邻轴杆之间悬吊有吊钩；上部连接环在相邻轴杆之间、吊钩的两侧还设有竖向杆，吊钩两侧分别通过拉簧与相邻竖向杆下端相连，吊钩紧密接触桶形基础外壁。本发明在桶形基础外侧设置外部活动架，施工时通过操作可基于外部活动架把锚泊基础进一步贯入至更深的海床土体中，其与传统桶形基础相比具有更深的施工能力。

Description

一种高度可调节的海洋锚泊基础施工装置

技术领域

本发明涉及深水网箱或海上浮式平台的锚泊基础技术领域，具体是一种高度可调节的海洋锚泊基础施工装置。

背景技术

针对海床的特殊地质条件，自1990年以来出现了一种海洋平台特殊基础形式----桶形基础(也称吸力桩，suction pile)，其多为底端开口、顶端封闭的倒扣大直径钢制圆桶。安装时，首先在预定海域依靠桶体自重使其部分插入土中以形成密闭空间，然后抽出桶内和土体之间的气体或液体，从而使桶体内外形成压力差，逐步压入至海床内预定深度完成安装。

后来，工程人员基于桶形基础在海上贯入海床较为方便的特征，把桶形基础发展至作为海洋锚泊基础的一种施工工具。有的国家已有实力较强的海洋工程施工企业(如荷兰的SPT Offshore公司)，能利用桶形基础开展各类海洋工程施工的能力，自动化、智能化程度非常高。我国虽然是个海洋大国，拥有面积较大的海域，但在利用桶形基础开展海洋工程的施工方面与国外还具有一定的差距。

目前，能利用桶形基础进行施工的锚泊基础主要包括：埋入式吸力锚(embeddedsuction anchor)与吸力贯入式平板锚(Suction embedded plate anchor)。中国专利申请公告号CN108674585A、CN108423122A、CN108423123A、CN108360554A、CN108357633A、CN108316338A中还提出了多种可基于桶形基础施工的新型锚泊基础类型。

桶形基础利用桶内外压力差贯入海床，当桶形基础的桶内顶部与海床土体接触时，海床土体会阻止桶形基础的进一步下沉，故桶形基础的贯入深度最大值即为桶形基础的高度。特别地，当土塞现象严重时，桶形基础还未完全贯入海床，桶内已被土塞土体顶住而无法进一步下沉，此时桶形基础的贯入深度小于桶形基础的高度。可见，利用桶形基础作为一种海上施工工具时，其存在一个局限性：桶形基础的最大贯入深度小于或等于其高度。若要提高桶形基础的贯入深度，则需增大桶形基础的高度。但桶形基础的高度越大，造价越高，表面积越大贯入阻力也越大，显然是不可取的。

本技术关注的问题为：设计一种新型施工工具，施工时不通过增大桶形基础的总高度就能提高贯入海床的深度，施工能力更强。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，在桶形基础外围设置一个外部活动架，当桶形基础贯入海床后，通过对桶形基础的有限上浮，实现外部活动架与桶形基础之间的相对拉伸，外部活动架与桶形基础相互卡住后，再次对桶形基础进行下沉贯入作业，外部活动架能把锚泊基础进一步贯入至更大深度的海床土体中，大大提高了桶形基础的总体贯入深度。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，其特征在于：包括桶形基础与外部活动架，所述桶形基础外壁靠近底部设置有多个套筒；所述外部活动架包括上部连接环、下部连接环及连接在二者之间且与套筒相配合的轴杆；所述的桶形基础套装在外部活动架内，每个套筒套装在对应轴杆上，桶形基础在受力时在上部连接环、下部连接环之间的轴杆上运动；

所述上部连接环在相邻轴杆之间向下伸长呈锥状且悬吊有吊钩；所述上部连接环在相邻轴杆之间、吊钩的两侧还设有竖向杆，吊钩两侧分别通过拉簧与相邻竖向杆下端相连，吊钩在弹簧拉力作用下向内紧密接触桶形基础外壁。

所述的高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，其特征在于，所述套筒数量不少于三个，套筒沿着桶形基础外壁均匀、对称设置。

所述的高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，其特征在于：所述的下部连接环内径与外径分别与桶形基础的内径与外径相等，上部连接环内径大于桶形基础的外径。

所述的高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，其特征在于：所述的轴杆下端固定在下部连接环的外侧，轴杆上端固定在上部连接环下端面上。

所述的高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，其特征在于：所述的轴杆外径小于套筒的内径，轴杆中心至下部连接环中心的距离等于套筒中心至桶形基础中心的距离。

所述的高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，其特征在于：所述的上部连接环在相邻轴杆之间向下伸长呈锥状且锥端设置有连接孔，吊钩上部设置有连接孔，基于施工钢索可把吊钩组装在上部连接环的下部，组装后吊钩的弯钩设置在指向上部连接环内部的一侧。

所述的一种高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，其特征在于：所述的吊钩的下部两侧设置有连接孔，竖向杆的下部设置有连接孔，拉簧的两端基于吊钩下部的连接孔与竖向杆的连接孔使两者相连；吊钩在两侧拉簧的拉力作用下向上部连接环的内部倾斜。

所述的一种高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，其特征在于：所述的轴杆与套筒发生相对运动使套筒的上端抵住上部连接环时，桶形基础的底端高于上部连接环的下边缘；所述的桶形基础与外部活动架发生相对运动时，相对运动的最大距离不小于桶形基础高度的一半。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、本发明结构设计新颖，在桶形基础外设置一个外部活动架，使得桶形基础与外部活动架构成一个可相互发生位移的整体式的可调节结构；

2、本发明外部活动架与桶形基础可发生相对运动，当桶形基础贯入海床后，通过对桶形基础的有限上浮，实现外部活动架与桶形基础之间的相对拉伸，外部活动架上的吊钩与桶形基础底部卡住后，再次对桶形基础进行下沉贯入作业，外部活动架能把锚泊基础进一步贯入至更深的海床土体中，大大提高了所施工锚泊基础的抗拔承载力；

3、本发明在施工时，可操作性强，调节能力出众，相对于传统桶形基础相比具有更深的施工能力。

附图说明

图1为本发明的三维结构示意图。

图2为本发明桶形基础构件的三维结构示意图。

图3为本发明外部活动架的三维结构示意图。

图4为本发明外部活动架上吊钩的结构示意图。

图5为本发明外部活动架上吊钩的连接详图。

图6为本发明外部活动架上端的结构详图。

图7为本发明外部活动架移动至桶形基础最底部的结构示意图。

图8为本发明圆桶基础连接在桶形基础底部依靠自重下沉接触海床的示意图。

图9本发明的桶形基础贯入海床的示意图。

图10本发明的桶形基础上浮至最大距离的示意图。

图11本发明的桶形基础再次下沉贯入海床的示意图。

图12本发明的桶形基础移除后的示意图。

附图标记说明：1、桶形基础；2、下部连接环；3、上部连接环；4、轴杆；5、套筒；6、吊钩；7、拉簧；8、竖向杆；9、圆桶基础；10、锚链；11、施工绳索；A、海床面。

具体实施方式

参见附图：

一种高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，包括桶形基础1与外部活动架；桶形基础1的外侧底部均匀、对称的设置不少于三个的套筒5；外部活动架包括下部连接环2、上部连接环3与轴杆4；轴杆4的下端焊接在下部连接环2的外侧且其位置与桶形基础1上的套筒5相互配合，各轴杆4插入匹配的套筒5后相互可发生上下相对运动；轴杆4的上端与上部连接环3焊接相连；上部连接环3在相邻轴杆4之间向下伸长且连接有吊钩6；上部连接环3在相邻轴杆4之间、吊钩6的两侧还设有竖向杆8，吊钩6通过拉簧7与相邻竖向杆8相连。

上述提及的“外侧”、“底部”、“下端”、“上下相对运动”、“上端”、“向下”、等方位词，是基于所提桶形基础施工时的姿态来确定的。施工时所提桶形基础铅垂的贯入海床，如图8～图10所示。在此姿态下，来确定各方位词的具体指向，说明书中其它地方所提的方位词也按此姿态推定得到。上述方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了描述方便，而不是指示或者暗示所指的装置或者构件必须具有特定的方位、构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

桶形基础1的外侧底部均匀、对称的设置不少于三个的套筒5，如图2所示。可见，桶形基础1的构造与传统桶形基础基本相同，仅设置了多个套筒5，桶形基础1呈对称形状。

外部活动架包括下部连接环2、上部连接环3与轴杆4，如图3所示。外部活动架呈对称形状。

轴杆4的下端焊接在下部连接环2的外侧且其位置与桶形基础1上的套筒5相互配合，各轴杆4插入匹配的套筒5后相互可发生上下相对运动。轴杆4的上端与上部连接环3焊接相连；上部连接环3在相邻轴杆4之间向下伸长且连接有吊钩6，吊钩6的构造如图4所示；上部连接环3在相邻轴杆4之间、吊钩6的两侧还设有竖向杆8，吊钩6通过拉簧7与相邻竖向杆8相连，如图5～图6所示。

下部连接环2的内径与外径分别与桶形基础1的内径与外径相等，故外部活动架与桶形基础1闭合时下部连接环2能紧贴于桶形基础1的下端，如图1所示。

上部连接环3的内径大于桶形基础1的外径，故外部活动架与桶形基础1发生相对运动时上部连接环3不会与桶形基础1四周发生接触。

轴杆4横截面为圆形，其外径小于套筒5的内径，轴杆4的中心至下部连接环2中心的距离等于套筒5的中心至桶形基础1中心的距离。可见，轴杆4与套筒5能发生相对运动，且相互之间的接触较小，相互摩擦较小。

上部连接环3在相邻轴杆4之间向下伸长呈锥状且锥端设置有连接孔，吊钩6上部设置有连接孔，基于施工钢索可把吊钩6组装在上部连接环4的下部，组装后吊钩的弯钩设置在指向上部连接环3内部的一侧，如图5～图6所示。

吊钩6的下部两侧设置有连接孔，竖向杆8的下部设置有连接孔，拉簧7的两端基于吊钩6下部的连接孔与竖向杆8的连接孔使两者相连；吊钩6在两侧拉簧7的拉力作用下向上部连接环3的内部倾斜，如图5～图6所示。竖向杆8的作用是固定与连接拉簧7。

吊钩6在拉簧7的拉力作用下向上部连接环3的内部一侧倾斜，当桶形基础1向下运动时，吊钩6必然钩住桶形基础1的下端，使得桶形基础1向下运动时基于吊钩6使外部活动架也向下运动。

轴杆4与套筒5发生相对运动使套筒5的上端抵住上部连接环3时，桶形基础1的底端高于上部连接环3的下边缘，如图7所示。该设计使得桶形基础1与外部活动架发生相对运动至最大距离时，吊钩6位于桶形基础1的下部且向内部倾斜，确保桶形基础1向下运动时吊钩6能钩住桶形基础1的下端。还可采取其它辅助措施确保桶形基础1向下运动时吊钩6能钩住桶形基础1的下端，此处不再赘述。

桶形基础1与外部活动架发生相对运动时，相对运动的最大距离不小于桶形基础1高度的一半。

本发明各构件及相互连接的强度与变形应满足使用要求，在恶劣工况作用下不发生屈曲与失效。

不妨以圆桶基础9为例，描述所提桶形基础作为施工工具时的施工步骤。圆桶基础9呈筒状，其外侧中下部设置一个系泊孔，圆桶基础9的内径与外径分别与桶形基础1的内径与外径相等。基于所提桶形基础，对圆桶基础9的施工方法介绍如下：

1)、组装圆桶基础

把外部活动架与桶形基础1闭合使下部连接环2紧贴于桶形基础1的下端且使用辅助措施使两者相连。使用辅助措施把把圆桶基础9固定连接在下部连接环2底部，锚链10的一端连接在圆桶基础9的系泊孔上。

此时吊钩6在拉簧7的拉力作用下与桶形基础1的外侧紧密接触。

2)、桶形基础依靠自重下沉接触海床

桶形基础1上连接施工绳索11，基于施工绳索11起吊桶形基础1，使其进入海水中并处于铅锤状态，逐渐下放桶形基础1，使其在自重作用下下沉接触海床并压入海床一定深度，如图8所示。

通常，桶形基础1在自重作用下压入海床一定的深度，使桶形基础1底部的圆桶基础9的被海床土体封住，其内部形成封闭的空间，为后续的抽取空气形成负压提供必要的条件。

3)、抽取负压使桶形基础贯入海床

桶形基础1的顶部设置有进出水(气)阀，把连接管与进出水(气)阀固定相连，通过连接管抽出桶形基础内部的空气，形成内外压力差，从而把桶形基础贯入至海床土体中，桶形基础底部的圆桶基础9被压入海床土体，如图9所示。

桶形基础1贯入海床的过程中，位于桶形基础1外侧的吊钩6也受到了一定摩阻力。由于吊钩6在拉簧7的拉力作用下与桶形基础1的外侧紧密接触，故海床土体的阻力一般难以吊钩6的位置发生偏移、翻转。当然也可采取其它辅助措施对吊钩6进行一定的简易固定，防止贯入海床过程中发生偏移与翻转。

该施工步骤传统桶形基础的施工基本无区别。

4)、上浮桶形基础

待上一步骤中桶形基础1无法继续贯入海床后，通过连接管对桶形基础1内部充气，使桶形基础1逐渐上浮，当桶形基础1向上移动的距离等于桶形基础1与外部活动架发生相对运动的最大距离时，停止充气，上浮桶形基础结束，如图10所示。

桶形基础1上浮时，吊钩6与桶形基础1的外侧发生刮擦，该阻力较小可忽略不计。桶形基础1向上移动的距离等于桶形基础1与外部活动架发生相对运动的最大距离时，桶形基础1的底端已高于吊钩6。当桶形基础1上浮至高于吊钩6时，桶形基础1不再阻挡吊钩6，吊钩6在拉簧7的拉力作用下向内部倾斜，海床土体难以阻止吊钩6向内部倾斜。拉簧7的拉力应足够大，使得吊钩6能冲破土体的阻力而向内部倾斜。

为了便于桶形基础1上浮时与外部活动架发生相对运动，减小相对运动时产生的摩擦力，可在轴杆4的四周与套筒5的内壁涂抹润滑剂。

5)、再次抽取负压使桶形基础贯入海床至设计深度

通过连接管再次抽出桶形基础1内部的空气，形成内外压力差，从而把桶形基础1再次贯入至海床土体中，桶形基础1底部的圆桶基础9被进一步压入海床土体，如图11所示。

桶形基础1下沉过程中，向内部倾斜的吊钩6将钩住桶形基础1的下端。吊钩6钩住桶形基础1的下端后，外部活动架与桶形基础1之间不再发生相对运动，桶形基础1的下沉将带动外部活动架的同步下沉，进而把外部活动架底部的圆桶基础9进一步压入海床土体中。

桶形基础1下沉至内部为海床土体抵住时，无法进一步贯入，此时圆桶基础9已被贯入至海床最大深度。与传统桶形基础相比，圆桶基础9贯入海床的新增深度为上一步骤中桶形基础1与外部活动架发生相对运动的距离。

6)、移除桶形基础；

待圆桶基础9被压入海床至最大深度后，通过连接管对桶形基础1内部充气，使桶形基础1逐渐上浮，最终起吊、移除桶形基础1。桶形基础1移除后，仅剩圆桶基础9在海床土体中，如图12所示。

本发明还可作为其它种类锚泊基础的施工工具，此处不再列举。

本发明所提的桶形基础外侧设置一个活动的外部活动架，外部活动架与桶形基础可发生相对运动，当桶形基础贯入海床后，通过对桶形基础的有限上浮，实现外部活动架与桶形基础之间的相对拉伸，外部活动架上的吊钩与桶形基础底部卡住后，再次对桶形基础进行下沉贯入作业，外部活动架能把锚泊基础进一步贯入至更深的海床土体中，大大提高了所施工锚泊基础的抗拔承载力。可见，所提桶形基础与传统桶形基础相比具有更深的施工能力。

附图中仅展示了桶形基础与外部活动架的部分形状及部分连接方式的情况，按照所提思路，可以改变各构件的形状、各部分的连接方式，形成其他相关类型的可伸长桶形基础，其均属于本技术的等效修改与变更，此处不再赘述。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，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等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，其特征在于：包括桶形基础与外部活动架，所述桶形基础外壁靠近底部设置有多个套筒；所述外部活动架包括上部连接环、下部连接环及连接在二者之间且与套筒相配合的轴杆；所述的桶形基础套装在外部活动架内，每个套筒套装在对应轴杆上，桶形基础在受力时在上部连接环、下部连接环之间的轴杆上运动；

所述上部连接环在相邻轴杆之间向下伸长呈锥状且悬吊有吊钩；所述上部连接环在相邻轴杆之间、吊钩的两侧还设有竖向杆，吊钩两侧分别通过拉簧与相邻竖向杆下端相连，吊钩在弹簧拉力作用下向内紧密接触桶形基础外壁。

2.根据权利要求1所述的高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，其特征在于，所述套筒数量不少于三个，套筒沿着桶形基础外壁均匀、对称设置。

3.根据权利要求1所述的高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，其特征在于：所述的下部连接环内径与外径分别与桶形基础的内径与外径相等，上部连接环内径大于桶形基础的外径。

4.根据权利要求1所述的高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，其特征在于：所述的轴杆下端固定在下部连接环的外侧，轴杆上端固定在上部连接环下端面上。

5.根据权利要求1所述的高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，其特征在于：所述的轴杆外径小于套筒的内径，轴杆中心至下部连接环中心的距离等于套筒中心至桶形基础中心的距离。

6.根据权利要求1所述的高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，其特征在于：所述的上部连接环在相邻轴杆之间向下伸长呈锥状且锥端设置有连接孔，吊钩上部设置有连接孔，基于施工钢索可把吊钩组装在上部连接环的下部，组装后吊钩的弯钩设置在指向上部连接环内部的一侧。

7.根据权利要求1所述的高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，其特征在于：所述的吊钩的下部两侧设置有连接孔，竖向杆的下部设置有连接孔，拉簧的两端基于吊钩下部的连接孔与竖向杆的连接孔使两者相连；吊钩在两侧拉簧的拉力作用下向上部连接环的内部倾斜。

8.根据权利要求1所述的高度可调节的海洋锚泊基础施工装置，其特征在于：所述的轴杆与套筒发生相对运动使套筒的上端抵住上部连接环时，桶形基础的底端高于上部连接环的下边缘；所述的桶形基础与外部活动架发生相对运动时，相对运动的最大距离不小于桶形基础高度的一半。

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