CN114277831B - 海上棘爪式钢管混凝土桩基础、适配钻头和基础施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及棘爪式钢管混凝土桩基础、适配钻头和基础施工方法，该棘爪式钢管混凝土桩基础，包括：钢管，钢管两头敞开且内部中空，钢管中段上下间隔设置有多个孔口组，每个孔口组包含的多个孔口位于钢管的同一高度上，且每个孔口组各孔口均匀布置在钢管上；棘爪，棘爪插设在孔口中，棘爪位于钢管内的内端设置斜面朝上的斜面结构，棘爪位于钢管外的外端设置锥形结构，棘爪与斜面结构相邻的左右两侧面分别设置有沿侧面长度方向延伸的翼缘；钢筋笼和混凝土，钢筋笼置于钢管内，混凝土浇注在钢管内固定钢筋笼和棘爪。基础结构提高了桩基承载力，降低桩基础的埋深，适配钻头在施加轴向压力的同时，可匹配棘爪的安装，并实现了基础的海上施工。

Description

海上棘爪式钢管混凝土桩基础、适配钻头和基础施工方法

技术领域

本发明涉及海上架空输电线路钢管混凝土桩基础结构以及施工方法技术领域，尤其涉及海上棘爪式钢管混凝土桩基础、适配钻头和基础施工方法。

背景技术

为有效的控制碳排放，我国大力发展清洁能源，其中海上风能是一种重要的清洁能源。随着海上风电不断的发展，风电送出线路的建设规模逐年增加。海中架空输电线路建设是基建一大难题，其主要原因为铁塔基础施工难度大，造价高。

海上架空输电线路基础型式主要采用钢管混凝土桩基础，由于基础需要考虑水流荷载，船舶撞击荷载，施工荷载、局部冲刷以及铁塔的荷载等等，为满足下压承载力的要求，常规的桩基础埋深较深。钢管混凝土桩一般采用的打桩方式为锤击方式，由于钢管混凝土桩埋深深，在打桩过程中需要大吨位的打桩船或者大吨位的履带吊或者驳船，造价较高。受限于起重能力，钢管混凝土桩中间需要设置接头，接头质量直接影响成桩质量。

因此，为满足承载力的需求，海中架空输电线路常规钢管混凝土桩存在埋深较深，造价高，施工难度大等缺点。因此本发明提出一种“棘爪式”钢管混凝土桩基础以及施工方法，可以有效的减少钢管混凝土桩的埋深，进而减少基础造价。由于钢管混凝土桩长度减少，单件重量降低，在相同设备起重能力的前提下可以减少接头数量，提高工程的安全性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供海上棘爪式钢管混凝土桩基础、适配钻头和基础施工方法，该基础结构提高了桩基承载力，降低桩基础的埋深，适配钻头在施加轴向压力的同时，可匹配棘爪的安装。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

作为本发明的第一方面，一种海上架空输电线路棘爪式钢管混凝土桩基础，包括：

钢管，钢管两头敞开且内部中空，钢管中段上下间隔设置有多个孔口组，每个孔口组包含的多个孔口位于钢管的同一高度上，且每个孔口组各孔口均匀布置在钢管上；

棘爪，棘爪插设在孔口中，棘爪位于钢管内的内端设置斜面朝上的斜面结构，棘爪位于钢管外的外端设置锥形结构，棘爪与斜面结构相邻的左右两侧面分别设置有沿侧面长度方向延伸的翼缘；

钢筋笼和混凝土，钢筋笼置于钢管内，混凝土浇注在钢管内固定钢筋笼和棘爪。

作为其中一种具体的实施方式，每个孔口组包含四个孔口，相邻两孔口的夹角为90°。

作为其中一种具体的实施方式，上下相邻的两个孔口组中，上面的孔口组中的孔口与下面孔口组中的孔口错开设置。

作为其中一种具体的实施方式，所述孔口为方孔，棘爪由钢筋混凝土预制成方柱状。

作为本发明的第二方面，一种轴压侧壁顶进式旋挖钻机钻头，包括：

连接在旋挖钻机的活动轴向动力杆底部的三角顶进装置，

三角顶进装置包括均匀布置且焊接在中间连接杆上的多个三角形板，三角形板的外侧斜面的倾角为锐角；

与三角顶进装置配合的固定不动的导向架，

导向架包括数量与三角形板对应设置的横向放置的尖角状的钢制轨道，多个钢制轨道两两背靠背间隔布置，相邻两钢制轨道之间的空间形成容纳棘爪的空间，相邻两钢制轨道相邻的侧面沿长度方向分别开设横向贯通的导槽；

相邻两钢制轨道之间的间隔空间容置有一棘爪，棘爪两侧的翼缘活动卡设在相邻两钢制轨道的导槽中，三角顶进装置的三角形板正对相邻两钢制轨道卡设的棘爪设置，通过动力杆的下移，三角形板伸至相邻两钢制轨道的间隔空间中顶出卡设在其中的棘爪。

作为其中一种具体的实施方式，各钢制轨道分别通过一纵向的六角头螺杆固定在固定套筒上，固定套筒为中空且套设在活动轴向动力杆下部外侧，固定套筒通过侧面的连接结构固定在旋挖钻机的桅杆总成上。

作为其中一种具体的实施方式，所述固定套筒上固定安装有安装板，安装板的端部开设通孔，钢制轨道的弯折处开设螺孔，六角头螺杆头部端穿过钢制轨道的螺孔，六角头螺杆上端穿过安装板的通孔与螺母固定连接。

作为其中一种具体的实施方式，所述三角顶进装置的三角形板为四块，四块三角形板呈“十”字型焊接在一起，导向架包括四个“L”型的钢制轨道，布置形成一“十”字型。

作为本发明的第三方面，一种上述的海上架空输电线路棘爪式钢管混凝土桩基础的施工工艺，包括如下步骤：

S1、海中桩基定位，打桩船就位；

S2、钢管运输至海中指定位置，起重船和打桩船吊起钢管放至指定位置；

S3、打桩船锤击钢管至设计埋深；

S4、载有旋挖钻机的驳船至桩基位置，旋挖钻机开挖钢管内的粘性土以及松散砂层，开挖至密实砂层停止，浇筑封底混凝土；

S5、更换旋挖钻机钻头，将如权利要求所述的三角顶进装置和导向架固定安装至旋挖钻机上；

S6、下放三角顶进装置以及导向架，通过旋挖钻机数字控制系统到达指定高程，施加轴向力，顶出棘爪至棘爪插置在钢管同一高度的孔口中；

S7、上提钻头，安装钢管上一高度孔口的棘爪，重复S5和S6步骤直至所有的棘爪全部安装完毕；

S8、绑扎钢筋笼，起吊钢筋笼下放；

S9、钢筋笼就位后，下放混凝土浇筑导管，浇筑钢管桩内混凝土，及时振捣，进行基础养护，棘爪式钢管混凝土桩基础完成施工。

其中S5的具体步骤如下：

S5-1、固定套筒套设在活动轴向动力杆底部外侧，并通过连接装置连接在旋挖钻机的桅杆总成上；

S5-2、三角顶进装置通过中间连接杆与活动轴向动力杆相连；

S5-3、导向架各钢制轨道通过六角头螺杆通过螺母固定在固定套筒上的安装板上，安装时，三角顶进装置的各三角形板分别夹设在相邻的两六角头螺杆中；

S5-4、棘爪横向插置在导向架导槽中，棘爪的锥形侧朝外，斜面结构朝内且朝上布置，内侧的斜面结构与三角顶进装置的三角形板斜面抵接。

本发明具有如下有益效果：

本发明的棘爪式钢管混凝土桩基础结构，该基础型式承载力除常规侧侧阻力以及端阻力外，还可通过外部延伸的“棘爪”提高桩基承载力，因此在相同条件下可以降低桩基础的埋深。

本发明的改进的旋挖钻机钻头，施加轴向压力的同时，可以挤压预制的“棘爪”，插入侧壁的土体之中。

本发明的基础施工方法，实现海上该基础的施工。

具体的，降低钢管本体造价，可以减少20％-40％的钢管重量；降低打桩船的吨位需求：由于钢管桩的长度减少，钢管桩单件重量降低，所需的打桩船的吨位可以降低，可以大大减少船舶租赁费用。减少接头个数：海中基础钢管桩接头数量直接影响桩基的质量，海中流速大，焊接质量难以控制，钢管桩长的减少可以减少焊缝数量，大大提高工程质量。

附图说明

图1为本发明的基础结构的整体结构示意图；

图2为本发明的钢管中段孔口的结构示意图；

图3为本发明的棘爪的内部结构示意图；

图4为本发明的棘爪的外部结构示意图；

图5为沿图1中A-A线的剖视结构示意图；

图6为沿图1中B-B线的剖视结构示意图；

图7为钻头的结构示意图；

图8为各钢制轨道的结构示意图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例一、

参见图1至图6，一种海上架空输电线路棘爪式钢管混凝土桩基础，包括：

两头敞开且内部中空的钢管11，

所述钢管11的中段上下间隔设置有多个孔口组，每个孔口组包含的四孔口111位于钢管11的同一高度上，且相邻两孔口111的夹角为90°。上下相邻的两个孔口组中，上面的孔口组中的孔口111与下面孔口组中的孔口111错开设置，优选错开45°。本实施例中，所述孔口111为方孔。

插设在孔口111中的棘爪12，

所述棘爪12由钢筋混凝土预制成长条状，本实施例中，所述棘爪12为方柱状。所述棘爪12的一端设置有45°角的斜面结构121，另一端为锥形结构122。所述棘爪12与斜面结构121相邻的左右两侧分别设置有沿侧面长度方向延伸的翼缘123。所述棘爪12插设在所述钢管11的孔口111中，所述棘爪12带锥形结构122的一端位于钢管11外侧，所述棘爪12带斜面结构121的一端位于钢管11内侧，且斜面结构121朝上设置。

置于钢管11内的钢筋笼13，

所述钢筋笼13包括呈环形布置的多根纵向的桩内主筋131、呈环形绑扎在多根桩内主筋131内侧的桩内内箍筋132和呈环形或者螺纹形的绑扎在多根桩内主筋131外侧的桩内外箍筋133。本实施例中，所述桩内主筋131材质可选用HRB400，根数和直径结合基础承载力性能确定。所述桩内外箍筋133材质可选用HPB300，直径为6mm或者8mm，绑扎间距为100～200mm。所述桩内内箍筋132绑扎间距为3000mm。

浇注在钢管11内固定钢筋笼13和棘爪12的混凝土14，

所述混凝土14的作用是置换钢管11粘性土层以及松散的砂层，保证钢管11应力满足承载力要求。所述混凝土14可选用C35以上混凝土14，具体的混凝土14标号需要考虑海水腐蚀等级等内容确定。

实施例二、

参见图7和图8，一种轴压侧壁顶进式旋挖钻机钻头，包括：

连接在旋挖钻机的活动轴向动力杆底部的三角顶进装置21，

所述三角顶进装置21包括呈“十”字型焊接在一中间连接杆底部的四块三角形板211，所述中间连接杆连接在活动轴向动力杆底部，所述三角形板211的外侧斜面212的倾角为锐角，优选45°。

与三角顶进装置21配合的导向架22，

所述导向架22包括四个横向放置的类“L”型的尖角状的钢制轨道221，四个钢制轨道221两两背靠背间隔布置，形成一“十”字型且相邻两钢制轨道221之间的空间形成容纳棘爪12的空间。相邻两钢制轨道221相邻的侧面沿长度方向分别开设横向贯通的导槽222。各钢制轨道221分别通过一纵向的六角头螺杆223固定在固定套筒224上，所述固定套筒224为中空且套设在活动轴向动力杆下部外侧，所述固定套筒224通过侧面的连接结构固定在旋挖钻机的桅杆总成上。所述固定套筒224上固定安装一“十”字型安装板225，所述安装板225的四端部分别开设通孔，所述钢制轨道221的弯折处开设螺孔，所述六角头螺杆223头部端穿过钢制轨道221的螺孔，所述六角头螺杆223上端穿过安装板225的通孔与螺母固定连接。优选的，所述固定套筒224在上部和下部分别安装一穿设六角头螺杆223的“十”字型安装板225，所述六角头螺杆223上端依次穿过下面和上面的安装板225并伸至上面的安装板225上方与螺母固定连接。

相邻两钢制轨道221之间容置有一棘爪12，所述棘爪12带锥形结构122的一端朝向外侧，所述棘爪12带斜面结构121的一端朝向内侧，且所述棘爪12的斜面结构121向上设置，由外侧向内侧倾斜向下布置，所述棘爪12两侧的翼缘123活动卡设在相邻两钢制轨道221的导槽222中。所述三角顶进装置21的三角形板211位于相邻两钢制轨道221的两六角头螺杆223之间，所述三角形板211正对相邻两钢制轨道221卡设的棘爪12设置，所述三角形板211的厚度与相邻两钢制轨道221间隔的空间匹配设置，所述三角形板211的外侧斜面212与棘爪12的斜面结构121配合，通过动力杆的上下移动，所述三角形板211伸至相邻两钢制轨道221的间隔空间中顶出卡设在其中的棘爪12。

实施例三、

一种海上架空输电线路棘爪式钢管混凝土桩基础施工工艺，包括如下步骤：

S1、海中桩基定位，打桩船就位，若水流速度较大，需要设置临时固定装置用于固定打桩船。

S2、钢管11运输至海中指定位置，起重船和打桩船吊起钢管11放至指定位置。

S3、打桩船锤击钢管11至设计埋深。

S4、载有旋挖钻机的驳船至桩基位置，旋挖钻机开挖钢管11内的粘性土以及松散砂层，开挖至密实砂层停止，浇筑封底混凝土14。

S5、更换旋挖钻机钻头，安装三角顶进装置21和导向架22，具体步骤如下：

S5-1、固定套筒224套设在活动轴向动力杆底部外侧，并通过连接装置连接在旋挖钻机的桅杆总成上，这个步骤也可在驳船就位前进行操作；

S5-2、三角顶进装置21通过中间连接杆与活动轴向动力杆相连；

S5-3、导向架22各钢制轨道221通过六角头螺杆223通过螺母固定在固定套筒224上的安装板225上，安装时，三角顶进装置21的各三角形板211分别夹设在相邻的两六角头螺杆223中；

S5-4、棘爪12横向插置在导向架22导槽222中，棘爪12的锥形侧朝外，斜面结构121朝内且朝上布置，内侧的斜面结构121与三角顶进装置21的三角形板211斜面抵接。

S6、下放三角顶进装置21以及导向架22，通过旋挖钻机数字控制系统到达指定高程，施加轴向力，顶出棘爪12至棘爪12插置在钢管11同一高度的孔口111中。

S7、上提钻头，安装钢管11上一高度孔口111的棘爪12，重复S5和S6步骤直至所有的棘爪12全部安装完毕。

S8、绑扎钢筋笼13，包含桩内主筋131，桩内外箍筋133以及桩内内箍筋132，起吊钢筋笼13下放；若钢筋笼13长度过长，分段起吊钢筋笼13，在孔口111设置卡件并焊接钢筋笼13，具体的，钢筋笼13过长需要分段焊接时，先下一段钢筋笼13，然后用卡件卡住，再起吊另一节钢筋笼13，两个钢筋笼13焊接成一整体。

S9、钢筋笼13就位后，下放混凝土14浇筑导管，浇筑钢管11桩内混凝土14，及时振捣，进行基础养护，棘爪12式”钢管11混凝土14桩基础完成施工。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种海上架空输电线路棘爪式钢管混凝土桩基础的施工工艺，其中棘爪式钢管混凝土桩基础包括钢管(11)，钢管(11)两头敞开且内部中空，钢管(11)中段上下间隔设置有多个孔口组，每个孔口组包含的多个孔口(111)位于钢管(11)的同一高度上，且每个孔口组各孔口均匀布置在钢管(11)上；和可插设在孔口(111)中的棘爪(12)，棘爪(12)的内端设置斜面朝上的斜面结构(121)，棘爪(12)的外端设置锥形结构(122)，棘爪(12)与斜面结构(121)相邻的左右两侧面分别设置有沿侧面长度方向延伸的翼缘(123)，其特征在于，所述施工工艺包括如下步骤：

S1、海中桩基定位，打桩船就位；

S2、钢管(11)运输至海中指定位置，起重船和打桩船吊起钢管(11)放至指定位置；

S3、打桩船锤击钢管(11)至设计埋深；

S4、载有旋挖钻机的驳船至桩基位置，旋挖钻机开挖钢管(11)内的粘性土以及松散砂层，开挖至密实砂层停止，浇筑封底混凝土(14)；

S5、更换旋挖钻机钻头，将轴压侧壁顶进式旋挖钻机钻头固定安装至旋挖钻机上，其中轴压侧壁顶进式旋挖钻机钻头包括连接在旋挖钻机的活动轴向动力杆底部的三角顶进装置(21)和与三角顶进装置(21)配合的相对于三角顶进装置(21)固定不动的导向架(22)，三角顶进装置(21)包括均匀布置的多个三角形板(211)，三角形板(211)的外侧斜面(212)的倾角为锐角；导向架(22)包括数量与三角形板(211)对应设置的横向放置的钢制轨道(221)，相邻两钢制轨道(221)之间的空间形成容纳棘爪(12)的空间，相邻两钢制轨道(221)相邻的侧面沿长度方向分别开设横向贯通的导槽(222)；

相邻两钢制轨道(221)之间的间隔空间插置一棘爪(12)，棘爪(12)的锥形侧朝外，斜面结构(121)朝内且朝上布置，两侧的翼缘(123)活动卡设在相邻两钢制轨道(221)的导槽(222)中，三角顶进装置(21)的三角形板(211)正对相邻两钢制轨道(221)卡设的棘爪(12)；

S6、下放三角顶进装置(21)以及导向架(22)，通过旋挖钻机数字控制系统到达指定高程，施加轴向力，通过动力杆的下移，三角形板(211)伸至相邻两钢制轨道(221)的间隔空间中顶出卡设在其中的棘爪(12)至棘爪(12)插置在钢管(11)同一高度的孔口(111)中；

S7、上提钻头，安装钢管(11)上一高度孔口(111)的棘爪(12)，重复S5和S6步骤直至所有的棘爪(12)全部安装完毕；

S8、绑扎钢筋笼(13)，起吊钢筋笼(13)下放至钢管(11)内；

S9、钢筋笼(13)就位后，下放混凝土(14)浇筑导管，浇筑钢管(11)桩内混凝土(14)，及时振捣，进行基础养护，浇注在钢管(11)内的混凝土(14)固定钢筋笼(13)和棘爪(12)，棘爪式钢管混凝土桩基础完成施工。

2.根据权利要求1所述的海上架空输电线路棘爪式钢管混凝土桩基础的施工工艺，其特征在于：每个孔口组包含四个孔口(111)，相邻两孔口(111)的夹角为90°；三角顶进装置(21)的三角形板(211)为四块，四块三角形板(211)呈“十”字型焊接在一起，导向架(22)包括四个“L”型的钢制轨道(221)，布置形成一“十”字型。

3.根据权利要求1所述的海上架空输电线路棘爪式钢管混凝土桩基础的施工工艺，其特征在于：上下相邻的两个孔口组中，上面的孔口组中的孔口(111)与下面孔口组中的孔口(111)错开设置。

4.根据权利要求1所述的海上架空输电线路棘爪式钢管混凝土桩基础的施工工艺，其特征在于：所述孔口(111)为方孔，棘爪(12)由钢筋混凝土预制成方柱状。

5.根据权利要求1所述的海上架空输电线路棘爪式钢管混凝土桩基础的施工工艺，其特征在于：钢制轨道(221)为尖角状，多个钢制轨道(221)两两背靠背间隔布置。

6.一种如权利要求1所述的海上架空输电线路棘爪式钢管混凝土桩基础的施工工艺，其特征在于：步骤S5中将棘爪(12)内侧的斜面结构(121)与三角顶进装置(21)的三角形板(211)斜面抵接。

7.一种如权利要求5所述的海上架空输电线路棘爪式钢管混凝土桩基础的施工工艺，其特征在于，其中步骤S5还包括：

在活动轴向动力杆下部外侧套设固定套筒(224)，固定套筒(224)通过连接装置连接在旋挖钻机的桅杆总成上；

三角顶进装置(21)通过中间连接杆与活动轴向动力杆相连，三角形板(211)焊接在中间连接杆上；

固定套筒(224)上固定安装安装板(225)，安装板(225)的端部开设通孔，钢制轨道(221)的弯折处开设螺孔，六角头螺杆(223)头部端穿过钢制轨道(221)的螺孔，六角头螺杆(223)上端穿过安装板(225)的通孔与螺母固定连接，各钢制轨道(221)通过六角头螺杆(223)通过螺母固定在安装板(225)上，安装时，三角顶进装置(21)的各三角形板(211)分别夹设在相邻的两六角头螺杆(223)中。