CN115012379B - 一种海上换流站平台的自安装与加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋建设技术领域，公开了一种海上换流站平台的自安装与加固方法，将固定桩打入海床，固定桩末端设在海床持力层上，且固定桩的顶部高于海床表面；固定桩为空心管；清理固定桩内的土体；在固定桩的内腔底部浇筑混凝土；待封底混凝土层凝固后，在固定桩内填入换填土层；再在换填土层进行夯实；固定桩的周围的海底表面设置防冲刷装置；使海上换流站平台的桩腿插入固定桩内；通过桩腿对固定桩内的换填土层进行压桩作业；在桩腿与固定桩之间的间隙进行灌浆。本发明实现软地基海床的加强和固定，克服软弱或者地层分布不均海床导致的基础不均匀沉降的缺点，使海上换流站平台适合长期固定作业；海上换流站平台能够在海上自安装。

Description

一种海上换流站平台的自安装与加固方法

技术领域

本发明涉及海洋建设技术领域，特别是涉及一种海上换流站平台的自安装与加固方法。

背景技术

随着海上风力发电技术的日趋成熟，利用海上风力发电的方式逐渐受到人们的青睐。目前，海上风电场离岸距离越来越远，传输效率成为风电场经济性的关键指标之一，因此采用大型海上直流换流站平台，将交流电转成直流电传输到陆地上，成为重要的技术手段。

目前国内外主流的换流站基础形式为导管架基础形式，该方案安装费用高，安装周期长。同时海上施工需要将跨距近100m的结构物安装精度控制在10mm以内，作业成本高昂且施工难度很大。

目前的问题：1、针对目前海上导管架换流站基础安装费用高，施工难度大，且施工资源紧缺；

2、针对软弱土层场址或者地层分布不均匀场址，现有自升式平台容易出现长期不均匀沉降的风险；

3、针对夹层地层分布(软土层中夹硬壳地层)，自升式平台桩腿桩靴有时很难穿过夹层，进而停留在夹层位置，容易出现穿刺现场，穿刺，是指平台在升船插桩过程中，桩腿基础遇到硬壳层而桩靴施加的压载超过层状地基承载力时，地基土发生冲剪破坏，桩靴穿过硬土层进入软土层，由于承载力大幅度下降，造成平台桩腿迅速下沉。一旦穿刺发生，就可能引起桩腿损坏，船体倾斜，甚至翻沉。因此，在硬壳层发育的海区，平台桩腿基础的潜在穿刺危险是平台安全作业的严重威胁，而危及整个平台结构安全。

发明内容

本发明的目的是提供一种海上换流站平台的自安装与加固方法，能够实现软地基海床的加强和固定，克服软弱或者地层分布不均海床导致的基础不均匀沉降的缺点，使海上换流站平台适合长期固定作业；海上换流站平台能够在海上自安装。

为了实现上述目的，本发明提供了一种海上换流站平台的自安装与加固方法，海上换流站平台包括船体、桩腿、用于提升桩腿或下降桩腿的升降装置和用于将桩腿锁定的锁紧装置，海上换流站平台的自安装与加固方法，包括以下步骤：

步骤1，根据预设施工位置，将多个固定桩打入海床，使固定桩的末端端部位于海床的持力层上，且固定桩的顶端端部高于海床表面；其中，固定桩为空心管结构；

步骤2，将固定桩内腔中的全部土体清理排出；

步骤3，在固定桩的内腔底部浇筑混凝土以形成分别与固定桩的内壁和海床的持力层粘结的封底混凝土层；

步骤4，待封底混凝土层凝固后，在固定桩的内腔填入换填土层，且换填土层的顶面与固定桩的顶面之间的间距至少4m；再在换填土层进行夯实；

步骤5，将每一固定桩的周围的海底表面设置防冲刷装置，且防冲刷装置与固定桩固定连接；

步骤6，使海上换流站平台的桩腿插入固定桩内，桩腿与固定桩一一对应安装；

步骤7，通过桩腿对固定桩内的换填土层进行压桩作业；

步骤8，在桩腿与固定桩之间的间隙进行灌浆作业。

作为本发明优选的方案，所述步骤6的具体步骤为：

步骤6.1，海上换流站平台在浮力作用下并通过拖轮进行粗定位；粗定位完成后，在海上换流站平台上安装临时锚泊系统，通过绞车微调海上换流站平台的位置，进行精就位；

步骤6.2，通过升降装置依次下放全部桩腿，并使桩腿的底面高于固定桩的顶面，再继续下放第一根桩腿且通过锁紧装置锁定剩下的所有桩腿，通过锚泊系统调整下放的第一根桩腿位置，使下放的第一根桩腿对准插入对应的固定桩内并抵在换填土层上；

步骤6.3，通过锁紧装置解锁第二根桩腿，并通过升降装置下放第二根桩腿，通过锚泊系统调整下放的第二根桩腿位置，使下放的第二根桩腿对准插入对应的固定桩内并抵在固定桩内的换填土层上；其中，第二根桩腿位于第一根桩腿的对角线位置上；

步骤6.4，通过锁紧装置同时解锁剩余的桩腿，并通过升降装置下放剩余的桩腿，使全部桩腿一一对应插入对应的固定桩内并抵在固定桩内的换填土层上。

作为本发明优选的方案，所述步骤7的具体步骤为：

步骤7.1，通过升降装置提升全部桩腿使海上换流站平台的船体提升至脱离海面；再通过锁紧装置将全部桩腿锁定，使桩腿静压所述固定桩内的所述换填土层，直至桩腿沉降稳定；

步骤7.2，通过锁紧装置解锁至少一个桩腿，剩余锁定的桩腿继续对固定桩内的换填土层压紧；

步骤7.3，待所述步骤7.2中锁定的桩腿沉降稳定后，通过锁紧装置解锁所述步骤7.2中锁定的桩腿，同时将锁定所述步骤7.2中解锁的桩腿以对固定桩内的换填土层压紧。

作为本发明优选的方案，海上换流站平台为四桩腿海上换流站平台，在所述步骤7.2中，通过锁紧装置解锁海上换流站平台中呈对角布置的两个桩腿，剩余锁定的桩腿继续对固定桩内的换填土层压紧。

作为本发明优选的方案，所述步骤4中，换填土层包括敷设在封底混凝土层上方的碎石过渡层，以及，敷设在碎石过渡层上方的砂粒缓冲层；砂粒缓冲层的顶面与固定桩的顶面之间的间距为6m～8m。

作为本发明优选的方案，砂粒缓冲层为中粗砂层，且砂粒缓冲层中的砂粒强度不小于40MPa的压缩强度。

作为本发明优选的方案，封底混凝土层的厚度不小于封底混凝土层的直径。

作为本发明优选的方案，所述步骤1中，固定桩的顶端端部高于海床表面3m～5m。

作为本发明优选的方案，固定桩的顶部设有呈喇叭状的导向口；固定桩的上部内壁环设有多个用于定位桩腿的定位凸起，且定位凸起的高度高于换填土层的顶面。

作为本发明优选的方案，在所述步骤2中，通过水下搅拌装置与吸泥装置抽出固定桩内部的全部土体，且清理最低位为海床的持力层的表面。

本发明实施例一种海上换流站平台的自安装与加固方法与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明中的固定桩的末端位于海床的持力层(即硬土层)，有效传递竖向荷载，同时固定桩底部的封底混凝土层能够增大固定桩端部承载面积，进而提高固定桩端部承载能力；通过对固定桩内土体换填，改变局部土体的特性，能够大幅度提高土体强度，达到海床加固目的，同时通过人工改造土层，也能避免出现局部夹层地层而导致桩腿不能插入到设计位置的情况，使得在软弱土层能够确保海上换流站平台长期安全的使用；此外，海上换流站平台能够通过其自身的升降装置，在海上自我完成安装过程中，不需要大型海上起重设备辅助，节省工程成本，同时不需要海上吊装作业，降低作业风险，同时节省工期，海上换流站平台在安装时桩腿插入固定桩内，能够对换填土层进行预压载以将换填土层压实；可见，本发明能够实现软地基海床的加强和固定，克服软弱或者地层分布不均海床导致的基础不均匀沉降的缺点，使海上换流站平台适合长期固定作业；海上换流站平台能够在海上自安装。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1是本发明提供的固定桩的安装流程图；

图2是本发明提供的海上换流站平台漂浮状态下锚泊定位的示意图；

图3是本发明提供的步骤6.3中准备下放第二根桩腿时(海上换流站平台处于漂浮状态)的结构示意图；

图4是本发明提供的桩腿在安装固定桩后的结构示意图；

图中，1为固定桩；11为导向口；12为定位凸起；2为封底混凝土层；3为碎石过渡层；4为砂粒缓冲层；5为防冲刷装置；6为灌浆层；7为船体；8为桩腿；81为桩靴；9为海床；91为持力层；10为锚泊系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1～图4所示，本发明优选实施例的一种海上换流站平台的自安装与加固方法，海上换流站平台包括船体7、桩腿8、用于提升桩腿8或下降桩腿8的升降装置和用于将桩腿8锁定的锁紧装置，桩腿8锁定后，桩腿8与船体7成刚性连接；

海上换流站平台的自安装与加固方法，包括以下步骤：

步骤1，根据预设施工位置，固定桩1在完成定位后，按照定位坐标和导向装置，将多个固定桩1打入海床9，使固定桩1的末端端部位于海床9的持力层91上，且固定桩1的顶端端部高于海床9表面；其中，固定桩1为大直径的空心钢管结构；固定桩1的入土深度，根据地勘探明底层情况而确定，要确保固定桩1穿过软弱层和夹层，固定桩1端部停留在较厚持力层91(即安全的硬土层)位置；具体的，固定桩1的顶端端部高于海床9表面3m～5m；

步骤2，将固定桩1内腔中的全部土体清理排出，通过水下搅拌装置与吸泥装置抽出固定桩1内部的全部土体，且清理最低位为海床9的持力层91的表面(即清理深度为清理到硬土层位置)；

步骤3，在固定桩1的内腔底部浇筑混凝土以形成分别与固定桩1的内壁和海床9的持力层91粘结的封底混凝土层2，实现有效传力，且封底混凝土层2为无收缩混凝土层；其中，封底混凝土层2的厚度不小于封底混凝土层2的直径；

步骤4，待封底混凝土层2凝固后，在固定桩1的内腔填入换填土层，且砂粒缓冲层4的顶面与固定桩1的顶面之间的间距为6m～8m；换填土层包括敷设在封底混凝土层2上方的碎石过渡层3，以及，敷设在碎石过渡层3上方的砂粒缓冲层4，砂粒缓冲层4为中粗砂层，且砂粒缓冲层4中的砂粒强度不小于40MPa的压缩强度，中粗砂层的砂粒颗粒度具备抗冲刷与抗液化特性，中粗砂层中的砂粒细度模度可为2.3～3.7；封底混凝土层2与砂粒缓冲层4之间采用碎石过渡层3，碎石过渡层3可为砾石过渡层，达到均匀受力特性；顶部的砂粒缓冲层4用来缓冲与传力；在固定桩1内的换填土层的顶部采用换填中粗砂层，这样能缓冲桩腿8在安装时的冲击，且中粗砂压实后承载能力高，压缩变形很小；而中粗砂层与封底混凝土层2之间采用碎石过渡层3，这样在碎石过渡层3内的变形缓冲桩腿8安装时的荷载；换填土层换填后，再在换填土层进行夯实，利用水下打夯设备，进行初步夯实，使得特征荷载不小于200KPa(具体数值根据实际需求荷载而定，200KPa为稍密中粗砂的承载能力，施工较易实现)；

步骤5，将每一固定桩1的周围的海底表面设置防冲刷装置5，且防冲刷装置5与固定桩1固定连接；在固定桩1打入海床9后，此时能够分别针对每根固定桩1作防冲刷措施，防冲刷装置5安装完成后再安装海上换流站平台，这样有利于提高防冲刷装置5的施工质量；

步骤6，使海上换流站平台的桩腿8插入固定桩1内，桩腿8与固定桩1一一对应安装；其中，海上换流站平台的桩腿8的底部设置桩靴81，且桩靴81采用小桩靴81(即桩靴81截面积不超过桩腿8的截面积)；

步骤7，通过桩腿8对固定桩1内的换填土层进行压桩作业；

步骤8，在桩腿8与固定桩1之间的间隙进行灌浆作业形成灌浆层6，灌浆的浆料为无收缩混凝土材料。最后进行海缆的牵引作业，完成海上换流站平台整体安装。

示例性的，所述步骤6的具体步骤为：

步骤6.1，海上换流站平台的船体7在浮力作用下并通过拖轮进行粗定位；粗定位完成后，在海上换流站平台上安装临时锚泊系统10，通过绞车微调海上换流站平台的位置，进行精就位；

步骤6.2，通过升降装置依次下放全部桩腿8，并使桩腿8的底面高于固定桩1的顶面，再继续下放第一根桩腿8且通过锁紧装置锁定剩下的所有桩腿8，通过锚泊系统10调整下放的第一根桩腿8位置，使下放的第一根桩腿8对准插入对应的固定桩1内并抵在换填土层上；

步骤6.3，通过锁紧装置解锁第二根桩腿8，并通过升降装置下放第二根桩腿8，通过锚泊系统10调整下放的第二根桩腿8位置，使下放的第二根桩腿8对准插入对应的固定桩1内并抵在固定桩1内的换填土层上；其中，第二根桩腿8位于第一根桩腿8的对角线位置上；

步骤6.4，通过锁紧装置同时解锁剩余的桩腿8，并通过升降装置下放剩余的桩腿8，使全部桩腿8一一对应插入对应的固定桩1内并抵在固定桩1内的换填土层上。

示例性的，所述步骤7的具体步骤为：

步骤7.1，通过升降装置提升全部桩腿8使海上换流站平台的船体7提升至脱离海面，此时完成海上换流站平台的重力承载由浮力变为桩腿8支撑力；再通过锁紧装置将全部桩腿8锁定，使桩腿8静压所述固定桩1内的所述换填土层，直至桩腿8沉降稳定(其具体操作为，静压半天时间，并观察全部桩腿8的沉降情况，待桩腿8沉降几乎不变化以后，开展下一步的压桩作业)；

步骤7.2，通过锁紧装置解锁至少一个桩腿8，剩余锁定的桩腿8继续对固定桩1内的换填土层压紧；

步骤7.3，待所述步骤7.2中锁定的桩腿8沉降稳定后，通过锁紧装置解锁所述步骤7.2中锁定的桩腿8，同时将锁定所述步骤7.2中解锁的桩腿8以对固定桩1内的换填土层压紧。

在本实施例中，海上换流站平台为四桩腿8海上换流站平台，在所述步骤7.2中，通过锁紧装置解锁海上换流站平台中呈对角布置的两个桩腿8，剩余锁定的桩腿8继续对固定桩1内的换填土层压紧，这样海上换流站平台的整个船体7的竖向荷载作用于锁定的两根桩腿8上。

示例性的，固定桩1的顶部设有呈喇叭状的导向口11，方便导向桩腿8进入固定桩1内；固定桩1的上部内壁环设有多个用于定位桩腿8的定位凸起12，且定位凸起12的高度高于换填土层的顶面，保证桩腿8进入固定桩1后不会倾侧。

综上，本发明中的固定桩1的末端位于海床9的持力层91(即硬土层)，有效传递竖向荷载，同时固定桩1底部的封底混凝土层2能够增大固定桩1端部承载面积，进而提高固定桩1端部承载能力；通过对固定桩1内土体换填，改变局部土体的特性，能够大幅度提高土体强度，达到海床9加固目的，同时通过人工改造土层，也能避免出现局部夹层地层而导致桩腿8不能插入到设计位置的情况，使得在软弱土层能够确保海上换流站平台长期安全的使用；此外，海上换流站平台能够通过其自身的升降装置，在海上自我完成安装过程中，不需要大型海上起重设备辅助，节省工程成本，同时不需要海上吊装作业，降低作业风险，同时节省工期，海上换流站平台在安装时桩腿8插入固定桩1内，能够对换填土层进行预压载以将换填土层压实；可见，本发明能够实现软地基海床9的加强和固定，克服软弱或者地层分布不均海床9导致的基础不均匀沉降的缺点，使海上换流站平台适合长期固定作业；海上换流站平台能够在海上自安装。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种海上换流站平台的自安装与加固方法，海上换流站平台包括船体、桩腿、用于提升桩腿或下降桩腿的升降装置和用于将桩腿锁定的锁紧装置，其特征在于，海上换流站平台的自安装与加固方法，包括以下步骤：

步骤1，根据预设施工位置，将多个固定桩打入海床，使固定桩的末端端部位于海床的持力层上，且固定桩的顶端端部高于海床表面；其中，固定桩为空心管结构，固定桩的顶部设有呈喇叭状的导向口；固定桩的上部内壁环设有多个用于定位桩腿的定位凸起；

步骤2，将固定桩内腔中的全部土体清理排出；

步骤3，在固定桩的内腔底部浇筑混凝土以形成分别与固定桩的内壁和海床的持力层粘结的封底混凝土层；

步骤4，待封底混凝土层凝固后，在固定桩的内腔填入换填土层，且换填土层的顶面与固定桩的顶面之间的间距至少4m；再在换填土层进行夯实，其中定位凸起的高度高于换填土层的顶面；

步骤5，将每一固定桩的周围的海底表面设置防冲刷装置，且防冲刷装置与固定桩固定连接；

步骤6，使海上换流站平台的桩腿插入固定桩内，桩腿与固定桩一一对应安装；

具体步骤为：步骤6.1，海上换流站平台在浮力作用下并通过拖轮进行粗定位；粗定位完成后，在海上换流站平台上安装临时锚泊系统，通过绞车微调海上换流站平台的位置，进行精就位；

步骤6.2，通过升降装置依次下放全部桩腿，并使桩腿的底面高于固定桩的顶面，再继续下放第一根桩腿且通过锁紧装置锁定剩下的所有桩腿，通过锚泊系统调整下放的第一根桩腿位置，使下放的第一根桩腿对准插入对应的固定桩内并抵在换填土层上；

步骤6.3，通过锁紧装置解锁第二根桩腿，并通过升降装置下放第二根桩腿，通过锚泊系统调整下放的第二根桩腿位置，使下放的第二根桩腿对准插入对应的固定桩内并抵在固定桩内的换填土层上；其中，第二根桩腿位于第一根桩腿的对角线位置上；

步骤6.4，通过锁紧装置同时解锁剩余的桩腿，并通过升降装置下放剩余的桩腿，使全部桩腿一一对应插入对应的固定桩内并抵在固定桩内的换填土层上；

步骤7，通过桩腿对固定桩内的换填土层进行压桩作业；

所述步骤7的具体步骤为：

步骤7.1，通过升降装置提升全部桩腿使海上换流站平台的船体提升至脱离海面；再通过锁紧装置将全部桩腿锁定，使桩腿静压所述固定桩内的所述换填土层，直至桩腿沉降稳定；

步骤7.2，通过锁紧装置解锁至少一个桩腿，剩余锁定的桩腿继续对固定桩内的换填土层压紧；

步骤7.3，待所述步骤7.2中锁定的桩腿沉降稳定后，通过锁紧装置解锁所述步骤7.2中锁定的桩腿，同时将锁定所述步骤7.2中解锁的桩腿以对固定桩内的换填土层压紧；

步骤8，在桩腿与固定桩之间的间隙进行灌浆作业。

2.如权利要求1所述的海上换流站平台的自安装与加固方法，其特征在于，海上换流站平台为四桩腿海上换流站平台，在所述步骤7.2中，通过锁紧装置解锁海上换流站平台中呈对角布置的两个桩腿，剩余锁定的桩腿继续对固定桩内的换填土层压紧。

3.如权利要求1所述的海上换流站平台的自安装与加固方法，其特征在于，所述步骤4中，换填土层包括敷设在封底混凝土层上方的碎石过渡层，以及，敷设在碎石过渡层上方的砂粒缓冲层；砂粒缓冲层的顶面与固定桩的顶面之间的间距为6m～8m。

4.如权利要求3所述的海上换流站平台的自安装与加固方法，其特征在于，砂粒缓冲层为中粗砂层，且砂粒缓冲层中的砂粒强度不小于40MPa的压缩强度。

5.如权利要求3所述的海上换流站平台的自安装与加固方法，其特征在于，封底混凝土层的厚度不小于封底混凝土层的直径。

6.如权利要求1所述的海上换流站平台的自安装与加固方法，其特征在于，所述步骤1中，固定桩的顶端端部高于海床表面3m～5m。

7.如权利要求1所述的海上换流站平台的自安装与加固方法，其特征在于，在所述步骤2中，通过水下搅拌装置与吸泥装置抽出固定桩内部的全部土体，且清理最低位为海床的持力层的表面。