CN208701732U - 一种海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统，该系统包括稳桩平台，所述稳桩平台包括固定相连的稳桩平台基架以及多根固定桩；多根所述固定桩用于沉入海床固定稳桩平台；中心护筒，所述中心护筒位于所述稳桩平台基架上的通孔内；单桩，所述单桩位于所述中心护筒内部；钻机，所述钻机包括钻机本体、钻杆以及可变径钻头。本申请提供的系统，适用于Ⅲ型单桩结构的施工，并适用于裸岩机位或几乎无覆盖层的机位，可确保海上钻孔的施工工艺及灌浆的可靠性。同时通过混凝土浇筑不需要在单桩上开孔也不需要布置灌浆管，避免了开孔导致的应力集中问题。同时施工方便易行，可以有效提供工作效率。

Description

一种海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统

技术领域

本实用新型涉及海上风机基础结构施工技术领域，特别是涉及一种海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统。

背景技术

海上风电凭借风资源稳定、不占用陆上资源、发电效率高等诸多优势已成为我国能源结构的重要组成部分，目前我国海上风电已进入大规模发展阶段。要想将风电机组安装在海上，必须依靠各种各样的基础型式来支撑上部塔架和机组。目前世界范围内采用的海上风电基础型式包括单桩基础，多角架基础，导管架基础，重力式基础，漂浮式基础等结构型式，其中，在目前我国开发的水深范围内，单桩基础由于结构型式简单，受力明确，节点焊缝少，用钢量较少，成本较低等优势成为业内最受欢迎的基础型式。

大直径单桩基础直径一般达4m～7m，要想利用如此庞大的桩基支撑上部风电机组结构长期可靠运行(一般25年)，必须将该桩基打入海底一定深度，该过程需要依靠能量较大的打桩锤，并且受海底的地质条件影响较大，当海底岩基埋藏较浅地质较硬时桩基将很难打入。随着我国海上风电的开发进程和经验积累，目前业界通常根据地质条件(岩基埋藏深度)将单桩基础的应用分为三类，如表1所示，不同类型的单桩将会采用不同的施工工艺。

表1单桩基础应用分类

2015年以前，我国海上风电开发主要集中在江苏、上海海域，该海域海底地质较软，主要为I类桩，可采用大型打桩锤直接将桩基打入到设计要求的深度。然而像福建海域，海底花岗岩埋藏较浅且硬度可达130Mpa，对于海上风电大直径单桩基础很难直接打入，常规的嵌岩钻机亦无法满足钻孔要求，鉴于此，该海域海上风电开发一直比较缓慢。但福建海域风资源非常优越，从风资源角度来说是海上风电开发的“天府之地”。随着海上风电的大力发展，近几年，各大开发商、设计施工单位逐步开始探索该海域地质条件下海上风电的开发方案，并探索大直径单桩基础在岩基海床条件下应用的可行性。表1中的三类单桩基础的分类也是在这种条件下提出的。

目前I型单桩沉桩技术已比较成熟，II型和III型单桩还属于探索阶段，针对II型单桩、III型单桩的施工工艺还属于空白。

实用新型内容

本实用新型提供了一种海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统。

本实用新型提供了如下方案：

一种海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统，包括：

稳桩平台，所述稳桩平台包括固定相连的稳桩平台基架以及多根固定桩；多根所述固定桩用于沉入海床固定稳桩平台；

中心护筒，所述中心护筒位于所述稳桩平台基架上的通孔内；

单桩，所述单桩位于所述中心护筒内部；

钻机，所述钻机包括钻机本体、钻杆以及可变径钻头；所述钻机本体位于所述稳桩平台基架上部，所述钻杆以及所述可变径钻头分别位于所述单桩内部；所述钻杆与所述钻机本体相连，所述可变径钻头通过钻杆导向架与所述钻杆相连。

优选的：所述固定桩为6根，分别通过卡键连接方式与所述稳桩平台基架相连。

优选的：所述稳桩平台上端设置有用于调整单桩沉桩垂直度的千斤顶。

优选的：还包括浮吊船，所述浮吊船用于吊装各待吊装部件。

优选的：所述单桩为无灌浆孔未布置灌浆管的钢管桩。

优选的：还包括灌浆装置，所述灌浆装置用于在所述单桩内侧下灌浆管灌注封底，待封底混凝土初凝后，再用于在所述单桩外侧和钻孔之间的环形空间下灌浆管，灌注环形空间。

优选的：还包括灌浆效果检测装置，所述灌浆效果检测装置用于实现超声三维横波成像检测法和冲击回波法进行灌浆效果检测。

优选的：所述灌浆效果检测装置包括在所述单桩360°范围内沿桩轴线方向等间隔布置多条平行测线。

优选的：所述灌浆效果检测装置包括用于实现所述超声三维横波成像检测法检测的声波仪和加速度传感器。

优选的：所述灌浆效果检测装置包括用于实现所述冲击回波法检测的多个移动超磁致声波震源和接收传感器，多个所述移动超磁致声波震源沿所述测线方向逐点同步布置。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

通过本实用新型，可以实现一种海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统，在一种实现方式下，该系统可以包括稳桩平台，所述稳桩平台包括固定相连的稳桩平台基架以及多根固定桩；多根所述固定桩用于沉入海床固定稳桩平台；中心护筒，所述中心护筒位于所述稳桩平台基架上的通孔内；单桩，所述单桩位于所述中心护筒内部；钻机，所述钻机包括钻机本体、钻杆以及可变径钻头；所述钻机本体位于所述稳桩平台基架上部，所述钻杆以及所述可变径钻头分别位于所述单桩内部；所述钻杆与所述钻机本体相连，所述可变径钻头通过钻杆导向架与所述钻杆相连。本申请提供的系统，适用于Ⅲ型单桩结构的施工，可确保海上钻孔的施工工艺及灌浆的可靠性。同时通过混凝土浇筑不需要在单桩上开孔也不需要布置灌浆管，避免了开孔导致的应力集中问题。同时施工方便易行，可以有效提供工作效率。

当然,实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的冲击回波法检测工作示意图；

图3是本实用新型实施例提供的冲击回波法检测工作示意图；

图4是本实用新型实施例提供的封底施工示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

Ⅲ型单桩碎裂状强风化花岗岩或中风化花岗岩埋深＜10m，桩基竖立后无法自稳，更无法利用打桩锤打入，为此本申请提出了像种树一样的“植入式”施工理念，即先利用大功率钻机在海底钻一个直径比单桩直径略大的洞，然后将单桩放入，周围灌注灌浆料固定。即“挖孔-植桩-灌浆”的施工理念。

实施例

参见图1、图2、图3、图4，为本实用新型实施例提供的一种海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统，如图1所示，该系统包括：

稳桩平台，所述稳桩平台包括固定相连的稳桩平台基架101以及多根固定桩102；多根所述固定桩102用于沉入海床固定稳桩平台；

中心护筒2，所述中心护筒2位于所述稳桩平台基架101上的通孔内；

单桩3，所述单桩3位于所述中心护筒2内部；

钻机，所述钻机包括钻机本体401、钻杆402以及可变径钻头403；所述钻机本体401位于所述稳桩平台基架101上部，所述钻杆402以及所述可变径钻头403分别位于所述单桩3内部；所述钻杆402与所述钻机本体401相连，所述可变径钻头403通过钻杆导向架404与所述钻杆402相连。

所述固定桩为6根，分别通过卡键连接5方式与所述稳桩平台基架相连。

所述稳桩平台上端设置有用于调整单桩沉桩垂直度的千斤顶6。还包括浮吊船，所述浮吊船用于吊装各待吊装部件。所述单桩为无灌浆孔未布置灌浆管的钢管桩。还包括灌浆装置，所述灌浆装置用于在所述单桩内侧下灌浆管灌注封底，待封底混凝土初凝后，再用于在所述单桩外侧和钻孔之间的环形空间下灌浆管，灌注环形空间。还包括灌浆效果检测装置，所述灌浆效果检测装置用于实现超声三维横波成像检测法和冲击回波法进行灌浆效果检测。所述灌浆效果检测装置包括在所述单桩360°范围内沿桩轴线方向等间隔布置多条平行测线7。所述灌浆效果检测装置包括用于实现所述超声三维横波成像检测法检测的声波仪和加速度传感器。所述灌浆效果检测装置包括用于实现所述冲击回波法检测的多个移动超磁致声波震源8和接收传感器9，多个所述移动超磁致声波震源沿所述测线方向逐点同步布置。

该系统在使用时施工步骤为：

浮吊船拖航至施工现场并抛锚定位；所述浮吊船用于吊装各待吊装部件；

采用大型运输船运输所述各待吊装部件到所述施工现场；所述各待吊装部件包括稳桩平台、中心护筒、钻机；所述稳桩平台包括固定相连的稳桩平台基架以及固定桩；

采用浮吊船起吊所述稳桩平台至机位海床面，并根据所述稳桩平台水平状况进行调平；将所述固定桩打入至一定的入泥深度固定稳桩平台；所述入泥深度的数值根据所处机位的地质条件通过有限元软件估算得出；

采用浮吊船起吊所述中心护筒至稳桩平台内，安装中心护筒打桩专用过渡段，采用液压锤将中心护筒打入泥面；打入深度不小于预定的最小打入深度值，如果所处机位为裸岩机位或覆盖层较浅，达不到最小打入深度值则在中心护筒外加设砂套箱围堰。所述液压锤可以为IHC-S2000/S800液压锤。所述最小打入深度值通过如下公式计算获得：

式中：

L——护筒最小埋置深度m；

H——施工水位至海床表面的深度m；

h——护筒内水头，即护筒内水位与施工水位之差m；

γ_浆——护筒内泥浆容重，kN/m³；

γ_w——海水的容重，kN/m³；

γ_sat——护筒外海床土的饱和容重，kN/m³。

所述γ_sat在计算时，只有一层土时，通过如下公式计算获得：

式中：

G_s——土粒比重；

e——饱和土的孔隙比。

所述γ_sat在计算时，只有多层土时，通过如下公式计算获得：

式中：

γ_sati——第i层土的饱和容重，kN/m³；

l_i——第i层土的厚度，m。

在考虑稳桩稳桩系统的稳定性方面，可通过包括内护筒在内的整个稳桩系统进行有限元计算校核，一般地，对于海上风电单桩基础，垂直度不宜超过3 ‰，而嵌岩施工的单桩基础垂直度很大程度上取决于钻孔的垂直度，因此，钻孔垂直度的控制标准应严于单桩垂直度。钻孔的垂直度受内护筒顶转角影响较大，尤其是起钻时，对内护筒顶转角必须严格控制，本方法中计算校核时要求护筒顶转角满足小于2‰的要求。

对于所处位置为裸岩地质或覆盖层特别浅的机位，如果稳桩平台中心护筒无法打入或入土深度达不到所述最小打入深度值，则在中心护筒外加设砂套箱围堰或采用人造基床。

采用浮吊船吊装所述钻机至稳桩平台上，通过所述钻机进行钻孔；钻孔完成后，利用所述浮吊船将所述钻机拆除；

采用浮吊船将单桩吊至稳桩平台内护筒内沉桩；沉桩过程中通过稳桩平台上端千斤顶调整单桩沉桩垂直度；单桩垂直度调整完毕后进行灌浆施工；所述灌浆施工包括先通过在所述单桩内侧下灌浆管灌注封底，待封底混凝土初凝后，再在所述单桩外侧和钻孔之间的环形空间下灌浆管，灌注环形空间。封底和桩侧都采用灌浆料灌浆，如图4所示，封底不采用混凝土，而是采用跟桩侧灌浆同样的灌浆料，优点为封底跟桩侧采用同一套灌浆设备即可，不需要混凝土搅拌船，减少了船舶台班费。钢管桩内不需要布置灌浆管路，钢管桩也不需要开孔。待封底初凝后，桩侧灌浆采用在桩外侧和钻孔孔壁之间的环形空间下灌浆管的方式。优点为不用在桩壁上钻孔，避免了桩在长期服役过程中应力集中现象的发生。

所述单桩沉桩、灌浆施工完毕后，待灌浆稳固后，拆除所述稳桩平台并进行灌浆效果检测。所述灌浆效果检测方法包括：采用超声三维横波成像检测法和冲击回波法进行灌浆效果检测。在所述单桩360°范围内沿桩轴线方向等间隔布置多条平行测线，在所述单桩壁进行检测，检测深度范围为设计要求的高程至基岩面；所述超声三维成像检测法初拟发射声波主频为80kHz或85kHz，各测线均全覆盖检测；所述冲击回波法采用单发单收共偏移观测方式；沿测线方向逐点同步移动超磁致声波震源和接收传感器。

超声三维成像的概念最初由Baun Greewood在1961年提出，美国Duke 大学的VonRamm和Smith教授研制成功，于1998年推出了世界上第一台商用实施三维超声成像系统。超声横波反射成像技术利用超声横波在混凝土内部传播时遇到波阻抗变化会产生反射的原理，对混凝土结构进行探测；类似于医学上的B型超声波。超声三维横波反射成像技术为当前混凝土无损检测的前沿技术，近年已经在工程检测领域得到了应用。超声横波反射成像技术以超声横波的反射理论为基础，结合多触点干式换能器、“合成孔径聚焦技术”和三维层析成像技术，对混凝土内部缺陷位置和形态特征精确成像。针对本申请，可以采用俄罗斯ACSYS公司生产出的A1040 MIRA超声成像仪。

冲击回波法利用瞬时冲击产生的应力波，应力波传播遇到混凝土中的缺陷时，将产生反射，通过计算和对比接收回波的能量和频谱响应特征来分析钢管桩混凝土中的缺陷，从而达到灌浆效果检测的目的。灌浆质量冲击回波法检测使用超磁致声波震源激发脉冲高能声波，用声波仪和加速度传感器接收脉冲声波信号。声波检测仪具有计时精度高、声幅准确、分析处理能力强等特点；超磁致声波震源具有激发能量强、信号稳定、一致性好等优点。

在钢管桩360°范围内沿桩轴线方向等间隔布置多条平行测线，测线布置俯视见图2。在钢管桩壁进行检测，检测深度范围为设计要求的高程至基岩面。

冲击回波法采用单发单收共偏移观测方式，偏移距为20cm；沿测线方向逐点同步移动超磁致声波震源和接收传感器，测试点距为20cm，如图3所示。

超声三维成像检测初拟发射声波主频为80kHz或85kHz，最终在现场试验检测后确定；各测线均全覆盖检测。

本申请提供的方法中，浮吊起吊稳桩平台至机位海床面，根据稳桩平台水平状况进行调平，然后将固定桩打入至一定的入泥深度固定稳桩平台。入泥深度的具体数值根据所处机位的地质条件通过有限元软件估算得出，估算依据主要是保证稳桩平台在钻孔作业时的强度、刚度、稳定性都满足要求。浮吊起吊中心护筒至稳桩平台内，安装中心护筒打桩专用过渡段，采用IHC-S2000/S800 液压锤将中心护筒打入泥面，中心护筒打入深度要尽量深，一方面防止打入深度不足发生护筒底穿的现象，另一方面考虑到整个稳桩系统的稳定性。

本申请提供的系统将自升式支腿船换成了浮吊船，去掉了混凝土搅拌船。这是因为，采用浮吊船就可以满足Ⅲ型单桩施工的吊装要求，没必要采用稀少而昂贵的支腿船；将封底材料由混凝土改为灌浆料之后可使用与桩侧灌浆同样的设备，不再需要混凝土搅拌船，降低了船舶台班费用。

总之，本申请提供的系统，适用于Ⅲ型单桩结构的施工，可确保海上钻孔的施工工艺及灌浆的可靠性。同时通过混凝土浇筑不需要在单桩上开孔也不需要布置灌浆管，避免了开孔导致的应力集中问题。同时施工方便易行，可以有效提供工作效率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统，其特征在于，包括：

稳桩平台，所述稳桩平台包括固定相连的稳桩平台基架以及多根固定桩；多根所述固定桩用于沉入海床固定稳桩平台；

中心护筒，所述中心护筒位于所述稳桩平台基架上的通孔内；

单桩，所述单桩位于所述中心护筒内部；

钻机，所述钻机包括钻机本体、钻杆以及可变径钻头；所述钻机本体位于所述稳桩平台基架上部，所述钻杆以及所述可变径钻头分别位于所述单桩内部；所述钻杆与所述钻机本体相连，所述可变径钻头通过钻杆导向架与所述钻杆相连。

2.根据权利要求1所述的海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统，其特征在于，所述固定桩为6根，分别通过卡键连接方式与所述稳桩平台基架相连。

3.根据权利要求1所述的海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统，其特征在于，所述稳桩平台上端设置有用于调整单桩沉桩垂直度的千斤顶。

4.根据权利要求1所述的海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统，其特征在于，还包括浮吊船，所述浮吊船用于吊装各待吊装部件。

5.根据权利要求1所述的海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统，其特征在于，所述单桩为无灌浆孔未布置灌浆管的钢管桩。

6.根据权利要求5所述的海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统，其特征在于，还包括灌浆装置，所述灌浆装置用于在所述单桩内侧下灌浆管灌注封底，待封底混凝土初凝后，再用于在所述单桩外侧和钻孔之间的环形空间下灌浆管，灌注环形空间。

7.根据权利要求1所述的海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统，其特征在于，还包括灌浆效果检测装置，所述灌浆效果检测装置用于实现超声三维横波成像检测法和冲击回波法进行灌浆效果检测。

8.根据权利要求7所述的海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统，其特征在于，所述灌浆效果检测装置包括在所述单桩360°范围内沿桩轴线方向等间隔布置多条平行测线。

9.根据权利要求8所述的海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统，其特征在于，所述灌浆效果检测装置包括用于实现所述超声三维横波成像检测法检测的声波仪和加速度传感器。

10.根据权利要求8所述的海上风电超大直径植入式嵌岩单桩施工系统，其特征在于，所述灌浆效果检测装置包括用于实现所述冲击回波法检测的多个移动超磁致声波震源和接收传感器，多个所述移动超磁致声波震源沿所述测线方向逐点同步布置。