CN114922131A - 一种海洋水体内大尺寸钢圆筒围堤护壁结构沉降安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海洋水体内大尺寸钢圆筒围堤护壁结构沉降安装方法，包括如下：步骤一：完成预制大直径钢圆筒结构；步骤二：采用振沉法协同高压水泵工作；或者，采用吸力法协同高压水泵工作；步骤三：大直径钢圆筒结构安装到位后，振动锤或真空泵和高压水泵停止工作，将振动锤或真空泵和高压水泵吊离，移走起重船。本发明利用高压水流经过高压水管冲击大直径钢圆筒结构底部硬土层，结合筒体顶部连接的振动锤产生的激振力或真空泵产生的真空负压，可实现大直径钢圆筒结构在硬土层中快速沉贯，解决了现有大直径薄壁钢圆筒在硬土层中下沉缓慢和容易倾斜的难题，设备简单，耗费时间短，成本低，有效提高了现场施工效率。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程和海洋工程中利用钢制大直径薄壁圆筒建造海上风机基础、浮式平台基础或岛壁结构等技术领域，具体涉及一种海洋水体内大尺寸钢圆筒围堤护壁结构沉降安装方法。
背景技术
目前，随着人类开发近海及远海活动的增加，大批海洋工程迅速投入开发使用，比如兴建海上油气开采平台、海上机场、深水港口码头、人工岛屿等工程。海洋工程一般面临海底超厚软土，软土和硬土层间隔分布，巨大风浪冲击，运输材料困难及施工作业窗口期短暂等诸多工程问题。如何快速、高效地在硬土层或软、硬土层间隔分布的地层中建造大直径薄壁钢圆筒岛壁结构，是海洋工程建设的重大挑战。
以港珠澳大桥人工岛的岛壁结构建设为例，该工程采用高40.5-50.5米、直径22米、厚16毫米的大直径薄壁钢圆筒，并配置8台液压振动锤进行振沉，两个大直径薄壁钢圆筒之间用副格相连形成止水型岛壁结构，回填砂土、排水固结后形成陆地，快速地完成了人工岛的建造。大直径薄壁钢圆筒的安装原理是利用筒顶的若干台振动锤施加高频振动使周围土体扰动，土体强度降低，大直径薄壁钢圆筒受到的阻力减小，在筒身自重和振动锤激振力作用下下沉到位，该方法简称为“振沉法”。
此外，吸力式大直径薄壁钢圆筒在海洋工程中的应用也较为广泛，如海上浮式平台或海上风机基础采用的吸力桶结构，或称为桶形基础，这类结构依靠自身重力及真空泵抽气(水)在筒内产生负压来促进吸力桶的下沉，完成桶型基础的建造，该方法简称为“吸力法”。
上述两种大直径薄壁钢圆筒的安装方法(振沉法和吸力法)对于灵敏度较高的海底软粘土比较适用。然而，诸多工程案例和工程经验表明，结构物在贯入过程中遇到硬土层时很难顺利贯入，原因是地层土性条件变化使结构物受到的侧壁摩阻力及端阻力明显大于普通软黏土。另外，如果遇到软硬土层分布不均，大直径薄壁钢圆筒可能因筒底接触到软硬不均的不同土层而发生倾斜，影响其安装效果。
因此，针对大直径薄壁钢圆筒遇到坚硬土层发生沉贯困难或倾斜等问题，需对现有大直径薄壁钢圆筒的结构设计和施工方法进行创新，以实现大直径薄壁钢圆筒在各类土层中快速下沉和安全使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海洋水体内大尺寸钢圆筒围堤护壁结构沉降安装方法，以能够解决上述现有技术中存在的技术问题。
为实现本发明的目的，本发明提供的技术方案如下：
本发明实施例提供的一种海洋水体内大尺寸钢圆筒围堤护壁结构沉降安装方法，包括如下：
步骤一：将上端与高压水泵连通的若干个高压水管等间距均匀地焊接到大直径钢圆筒的侧壁上，对于上下贯通的大直径钢圆筒，焊接在内侧壁上，对于顶部封闭，下端开口的大直径钢圆筒，焊接在内侧壁上，任一所述高压水管下端均安装能够开合的尖锥形合页器，完成预制大直径钢圆筒结构；
步骤二：对于上下贯通的大直径钢圆筒结构，先利用定位系统和运输船将其运送到指定位置，再利用起重船的起吊机将大直径钢圆筒立起放入海水中，大直径钢圆筒就位后，依靠自重开始下沉；随后开启振动锤，大直径钢圆筒在软土层中振动下沉，大直径钢圆筒下沉至硬土层；采用振沉法协同高压水泵开始工作：(1)将高压水管通过密封接头与高压水泵相连，开启高压水泵；(2)施加第一级水压试冲击，高压水流冲开尖锥形合页器后直接作用于硬土层；(3)不断调试水压，直至大直径钢圆筒结构在注水冲击能量下快速下沉；(4)振沉法协同高压水泵持续施加高压水流冲击硬土层；
对于顶部封闭，下端开口的大直径钢圆筒结构，先利用定位系统和运输船将其运送到指定位置，再利用起重船的起吊机将大直径钢圆筒立起放入海水中，大直径钢圆筒就位后，依靠自重开始下沉；随后开启真空泵，大直径钢圆筒在软土层中依靠筒内外压力差下沉，大直径钢圆筒下沉至硬土层；采用吸力法协同高压水泵开始工作：(1)将高压水管通过密封接头与高压水泵相连，开启高压水泵；(2)施加第一级水压试冲击，高压水流冲开尖锥形合页器后直接作用于硬土层；(3)不断调试水压，直至大直径钢圆筒结构在注水冲击能量下快速下沉；(4)吸力法协同高压水泵持续施加高压水流冲击硬土层；
步骤三：大直径钢圆筒结构安装到位后，振动锤或真空泵和高压水泵停止工作，将振动锤或真空泵和高压水泵吊离，移走起重船。
其中，在采用振沉法协同高压水泵工作中或采用吸力法协同高压水泵工作中，若大直径钢圆筒结构底部遇到软硬土层分布不均时，发生倾斜，立即停止振沉法或吸力法施工，将硬土层一侧的高压水管开启，将另一侧的高压水管关闭，冲击大圆筒底部的单侧硬土层，实现大圆筒的纠偏复位。
其中，任一所述高压水管均为竖向半圆形，在上下贯通的大直径钢圆筒结构中，大直径钢圆筒内侧圆周壁上设置有若干竖向加筋肋，所述竖向加筋肋设置有若干环向加筋肋，所述高压水管设置在相邻竖向加筋肋之间的位置处；在对于顶部封闭，下端开口的大直径钢圆筒结构中，任一高压水管均安装在大直径钢圆筒外侧圆周壁上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明利用高压水流经过高压水管冲击大直径钢圆筒结构底部硬土层，结合筒体顶部连接的振动锤产生的激振力或真空泵产生的真空负压，可实现大直径钢圆筒结构在硬土层中快速沉贯，解决了现有大直径薄壁钢圆筒在硬土层中下沉缓慢和容易倾斜的难题，设备简单，耗费时间短，成本低，有效提高了现场施工效率。
附图说明
图1为本申请实施例中采用振沉法协同高压水泵工作流程示意图；
图2为本申请实施例中采用吸力法协同高压水泵工作流程示意图；
图3为图1中大直径钢圆筒的结构示意图；
图4为图2中大直径钢圆筒的结构示意图；
图5为图3中大直径钢圆筒的部分俯视结构示意图；
图6为图4中大直径钢圆筒的部分俯视结构示意图；
图7为本申请实施例中高压水管与尖锥形合页器安装结构第一示意图；
图8为本申请实施例中尖锥形合页器合拢状态示意图；
图9为本申请实施例中尖锥形合页器开启状态示意图；
图10为本申请实施例中高压水管与尖锥形合页器安装结构第二示意图；
图中，振动锤1，大直径钢圆筒2，高压水管出水口3，高压水管4，密封接头5，高压水泵6，真空泵7，竖向加筋肋8，环向加筋肋9，尖锥形合页器10，压力传感器11，电动连杆12。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种海洋水体内大尺寸钢圆筒围堤护壁结构沉降安装方法，以解决现有大直径薄壁钢圆筒在硬土层中无法顺利沉贯的难题。主要创新思路为：在筒壁内外均匀布置的不锈钢制高压水管可以喷射高压水流促进大直径钢圆筒结构在硬土层中垂直下沉，调整筒体下沉过程中可能的倾斜。
本发明实施例提供的一种海洋水体内大尺寸钢圆筒围堤护壁结构沉降安装方法，包括如下：
步骤一：将上端与高压水泵6连通的若干个高压水管4等间距均匀地焊接到大直径钢圆筒2的侧壁上，对于上下贯通的大直径钢圆筒2，其焊接在内侧壁上，对于顶部封闭，下端开口的大直径钢圆筒2，其焊接在外侧壁上，任一所述高压水管4下端均安装能够开合的尖锥形合页器10，完成预制大直径钢圆筒2结构；
需要说明的是，制造不锈钢制高压水管4，在高压水管4底部高压水管出水口3处安装能够开合的尖锥形合页器10。如图3-图9所示，任一所述高压水管4均为竖向半圆形，在上下贯通的大直径钢圆筒结构中，大直径钢圆筒2内侧圆周壁上设置有若干竖向加筋肋8，所述竖向加筋肋8设置有若干环向加筋肋9，所述高压水管4设置在相邻竖向加筋肋8之间的位置处；在对于顶部封闭，下端开口的大直径钢圆筒结构中，为保证其内部的密闭性，任一高压水管4均安装在大直径钢圆筒2外侧圆周壁上。其中，不锈钢制高压水管4设计成与钢筒壁贴合的形状。大直径钢圆筒结构插入土层前，尖锥形合页器闭合，对土体起到刺入破坏作用，以减小下沉阻力。大直径钢圆筒结构遇到硬土层难以贯入时，开启高压水泵6，高压水流经由不锈钢制高压水管4向筒底喷射，在高压水流冲击作用下尖锥形合页器开启，硬土层土体在高压水流冲击作用下原有紧密结构被破坏甚至被冲离筒底区域，大直径钢圆筒结构受到的硬土层阻力减小从而能够继续沉贯。其中，尖锥形合页器10的结构可采用公知技术中的结构，只要能满足功能即可，也可采用本申请实施例提供的结构，如图8、图9、图10所示，合页器包括合页、电动连杆12和压力传感器11，通过铰接点与不锈钢制高压水管连接。选用可变形的电动杆作为连杆，在合页底端加一个压力传感器，当水压力达到设定值时，电动杆动作，伸长驱动合页运动，当水压力小于设定值时，电动杆缩回，合页闭合。通过上述操作，即可完成根据不同下沉阶段需要灵活开启或关闭合页器。
需要说明的是，本实施例中采用大直径钢圆筒结构，不锈钢制高压水管4安装在筒内纵向加紧肋条之间或焊接在筒壁外表面上，均可以利用现有大圆筒的加工条件来完成。高压水管4还能与纵向和横向加紧肋条一起加强大直径钢圆筒结构的整体稳定性，提高结构承载力。
高压水管4与高压水泵6相连，高压水泵6能够控制每根高压水管4中的水压大小，能够按照需求进行开关，各个不锈钢制高压水管4中的水压能够保持一致，有利于大直径钢圆筒结构垂直下沉。
尖锥形合页器10可以根据不同下沉阶段需要灵活开启或关闭，既可以避免贯入过程中不锈钢制高压水管4发生淤堵，又可以减小大直径钢圆筒结构的贯入阻力，需要注水冲击能量辅助大直径钢圆筒结构下沉时也能在高压水流喷射作用下快速打开。
步骤二：对于上下贯通的大直径钢圆筒结构，先利用定位系统和运输船将其运送到指定位置，再利用起重船的起吊机将大直径钢圆筒2立起放入海水中，大直径钢圆筒2就位后，依靠自重开始下沉；随后开启振动锤1，大直径钢圆筒2在软土层中振动下沉，大直径钢圆筒2下沉至硬土层；如图1所示，采用振沉法协同高压水泵6开始工作：(1)将高压水管4通过密封接头5与高压水泵6相连，开启高压水泵6；(2)施加第一级水压试冲击，高压水流冲开尖锥形合页器10后直接作用于硬土层；(3)不断调试水压，直至大直径钢圆筒结构在注水冲击能量下快速下沉；(4)振沉法协同高压水泵6持续施加高压水流冲击硬土层；
对于顶部封闭，下端开口的大直径钢圆筒结构，先利用定位系统和运输船将其运送到指定位置，再利用起重船的起吊机将大直径钢圆筒2立起放入海水中，大直径钢圆筒2就位后，依靠自重开始下沉；随后开启真空泵7，大直径钢圆筒2在软土层中依靠筒内外压力差下沉，大直径钢圆筒2下沉至硬土层；如图2所示，采用吸力法协同高压水泵6开始工作：(1)将高压水管4通过密封接头5与高压水泵6相连，开启高压水泵6；(2)施加第一级水压试冲击，高压水流冲开尖锥形合页器10后直接作用于硬土层；(3)不断调试水压，直至大直径钢圆筒结构在注水冲击能量下快速下沉；(4)吸力法协同高压水泵6持续施加高压水流冲击硬土层；
步骤三：大直径钢圆筒结构安装到位后，振动锤1或真空泵7和高压水泵6停止工作，将振动锤1或真空泵7和高压水泵6吊离，移走起重船。上下贯通的大直径圆筒一般需要在筒内装填砂石以提高承载力。在不锈钢制高压水管4内也可以填砂增重提高大直径钢圆筒结构的承载力。
在优选的实施例中，在采用振沉法协同高压水泵6工作中或采用吸力法协同高压水泵6工作中，若大直径钢圆筒结构底部遇到软硬土层分布不均时，发生倾斜，立即停止振沉法或吸力法施工，将硬土层一侧的高压水管4开启，将另一侧的高压水管4关闭，冲击大圆筒底部的单侧硬土层，配合振动锤1和顶部夹具或真空泵7设备实现大直径钢圆筒2的纠偏复位。
最后应当说明的是：上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。
Claims (3)
1.一种海洋水体内大尺寸钢圆筒围堤护壁结构沉降安装方法，其特征在于，包括如下：
步骤一：将上端与高压水泵连通的若干个高压水管等间距均匀地焊接到大直径钢圆筒的侧壁上，对于上下贯通的大直径钢圆筒，焊接在内侧壁上，对于顶部封闭，下端开口的大直径钢圆筒，焊接在内侧壁上，任一所述高压水管下端均安装能够开合的尖锥形合页器，完成预制大直径钢圆筒结构；
步骤二：对于上下贯通的大直径钢圆筒结构，先利用定位系统和运输船将其运送到指定位置，再利用起重船的起吊机将大直径钢圆筒立起放入海水中，大直径钢圆筒就位后，依靠自重开始下沉；随后开启振动锤，大直径钢圆筒在软土层中振动下沉，大直径钢圆筒下沉至硬土层；采用振沉法协同高压水泵开始工作：(1)将高压水管通过密封接头与高压水泵相连，开启高压水泵；(2)施加第一级水压试冲击，高压水流冲开尖锥形合页器后直接作用于硬土层；(3)不断调试水压，直至大直径钢圆筒结构在注水冲击能量下快速下沉；(4)振沉法协同高压水泵持续施加高压水流冲击硬土层；
对于顶部封闭，下端开口的大直径钢圆筒结构，先利用定位系统和运输船将其运送到指定位置，再利用起重船的起吊机将大直径钢圆筒立起放入海水中，大直径钢圆筒就位后，依靠自重开始下沉；随后开启真空泵，大直径钢圆筒在软土层中依靠筒内外压力差下沉，大直径钢圆筒下沉至硬土层；采用吸力法协同高压水泵开始工作：(1)将高压水管通过密封接头与高压水泵相连，开启高压水泵；(2)施加第一级水压试冲击，高压水流冲开尖锥形合页器后直接作用于硬土层；(3)不断调试水压，直至大直径钢圆筒结构在注水冲击能量下快速下沉；(4)吸力法协同高压水泵持续施加高压水流冲击硬土层；
步骤三：大直径钢圆筒结构安装到位后，振动锤或真空泵和高压水泵停止工作，将振动锤或真空泵和高压水泵吊离，移走起重船。
2.根据权利要求1所述的一种海洋水体内大尺寸钢圆筒围堤护壁结构沉降安装方法，其特征在于，在采用振沉法协同高压水泵工作中或采用吸力法协同高压水泵工作中，若大直径钢圆筒结构底部遇到软硬土层分布不均时，发生倾斜，立即停止振沉法或吸力法施工，将硬土层一侧的高压水管开启，将另一侧的高压水管关闭，冲击大圆筒底部的单侧硬土层，实现大圆筒的纠偏复位。
3.根据权利要求1或2所述的一种海洋水体内大尺寸钢圆筒围堤护壁结构沉降安装方法，其特征在于，任一所述高压水管均为竖向半圆形，在上下贯通的大直径钢圆筒结构中，大直径钢圆筒内侧圆周壁上设置有若干竖向加筋肋，所述竖向加筋肋设置有若干环向加筋肋，所述高压水管设置在相邻竖向加筋肋之间的位置处；在对于顶部封闭，下端开口的大直径钢圆筒结构中，任一高压水管均安装在大直径钢圆筒外侧圆周壁上。
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