JP5557874B2 - 水底に基礎要素を導入するための水中掘削装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求の範囲請求項１の前提部分に記載された、水底に設置するための水没可能な作業プラットフォームと、水底上の作業プラットフォームの位置調整(alignment)のために作業プラットフォーム上に調節可能に配置された、いくつかの地表接触要素と、作業プラットフォーム上に配置され、ドリル駆動装置によって駆動される掘削ツールを受け、案内するように設計された少なくとも１つの案内パイプと、を備える、水底に基礎要素を導入するための水中掘削装置に関する。さらに、本発明は、水中掘削装置によって水底に基礎要素を導入する方法に関する。

上記のようなタイプの掘削装置は、たとえば、洋上風力発電機や海洋潮力発電所の水流タービンための基礎要素の導入に役立つ。

一般的な先行技術は、たとえば英国特許出願公開第２４６９１９０号明細書から知ることができる。この公知の方法によれば、作業プラットフォームが初めに水底に設置される。作業プラットフォーム上に設置された水平調節手段により、受入用ホッパを有するガイドパイプが、水底に掘削穴が形成される予定の特定の位置へと移動される。その後、回転式に駆動される掘削ツールがガイドパイプ内に軸線方向に挿入され、水底の中に沈められて掘削穴を形成する。

強力な海底流があると、作業プラットフォームが最初の掘削穴の形成開始前でさえも、移動され、または漂流して所定の位置からずれる危険性がある。この危険性は特に、上記に加えて、大きな掘削ツールが作業プラットフォーム上のガイドパイプの中に設置される場合に顕著であり、それは、このことにより、少なくとも一時的に、水流を受けるかなり大きな表面が生じるからである。さらに、完全に排除しきることのできない水中での不正確さによって、掘削ツールをガイドパイプ内に挿入している間に、作業プラットフォームに大きな横方向の力が加わる可能性があり、これが水底での作業プラットフォームの望ましくない移動の原因となる。このような場合、正確な位置への基礎要素の建て込みは不可能である。

これに対して、欧州特許出願公開第２３２２７２４号明細書から、改良された方法を知ることができる。この水中掘削機においては、作業プラットフォームにいくつかのスリーブ型のガイドパイプが配置され、個々のガイドパイプ内に管状の基礎要素がすでに配置されており、これが同時に掘削ツールを受ける。管状の基礎要素は、締結手段を介して作業プラットフォーム上に保持され、掘削穴形成後に掘削穴の中へと降下される。

国際公開第０２／１８７１１号パンフレットおよび欧州特許出願公開第０３０１１１６号明細書から、それぞれ水中へと降下できる掘削ツール用駆動ユニットを知ることができる。

米国特許第３，０２９，６０８号明細書からは、基礎要素が振動駆動装置を使って水底の中に導入される既知の固定方法が知られており、この振動駆動装置はプラットフォーム上方の水面より上に配置される。

英国特許出願公開第２４６９１９０号明細書 欧州特許出願公報第２３２２７２４号明細書 国際公開第０２／１８７１１号パンフレット 欧州特許出願公開第０３０１１１６号明細書 米国特許第３０２９６０８号明細書

本発明は、基礎要素を特に正確な位置に導入できる水中掘削装置と水底に基礎要素を導入する方法を提供するという目的に基づく。

上記の目的は、一方で、特許請求の範囲請求項１の特徴を有する水中掘削装置により解決される。他方で、この目的は、請求項８の特徴を有する方法により解決される。本発明の好ましい実施形態は、それぞれの従属項に記載されている。

本発明による水中掘削装置は、ガイドパイプが作業プラットフォーム上で長さ方向に移動可能かつ回転可能な方法で支持されることと、作業プラットフォームに、ガイドパイプを回転式に駆動するガイドパイプ駆動装置が設けられていることを特徴とする。

本発明の基本的な考え方は、作業プラットフォームを水底に、作業プラットフォーム上に横方向に配置された地表接触要素だけによらずに支持する、というものである。実際に掘削穴を形成する前に、本発明によれば、作業プラットフォームの上に支持されるガイドパイプがそれ自体で回転式に駆動され、ガイドパイプ駆動装置によって地中に建て込まれるようになっている。その結果、作業プラットフォームを水底に固定するための別の手段が得られる。この目的のために、ガイドパイプが水底の中に数メートル打ち込まれる。これは、作業プラットフォーム上に配置されたガイドパイプ駆動装置によって実現される。

作業プラットフォームが固定されると、基礎要素を、一般的な掘削ツールを使用して水底の中に導入することができ、その際、掘削ツールはガイドパイプに沿って案内される。ガイドパイプがすでに一部、水底の中に導入されているという事実により、掘削ツールの地中への案内もそれによって改善される。掘削ツールまたは基礎要素を挿入している間にガイドパイプに作用する横方向の力は水底に直接吸収されるため、作業プラットフォームの移動は起こらない。

本発明によれば、ガイドパイプがその上端において、掘削ツールを挿入するための挿入ホッパを有することが有利である。水中での作業中、通常は円錐形の設計であるこのホッパにより、掘削ツールまたはパイル状基礎要素をガイドパイプの中に挿入しやすくなる。挿入ホッパはまた、外周の一部でのみ、捕捉手段として設計することもできる。

さらに、本発明によれば、ガイドパイプがその下端において、地盤材料を除去するための切削歯を有することが好ましい。特に、切削歯は、ガイドパイプの下側周縁にリング状に配置される。したがって、ガイドパイプは、その下側領域において、ドリルパイプと同様に設計され、それによって、石や岩等のより硬い地盤材料を掘り進むことができる。

ガイドパイプは、ガイドパイプ駆動装置によって回転式に駆動され、ガイドパイプ駆動装置は好ましくは、ガイドパイプの外側に作用する。このようにして、ガイドパイプ駆動装置は単純な方法で、作業プラットフォーム上のガイドパイプの脇に配置することができる。この点において、本発明は、好ましい実施形態として、ガイドパイプ駆動装置が、ガイドパイプを包囲して固定するコレットを備える少なくとも１つのコレット駆動装置を有することを想定しており、この駆動装置により、コレットはパイプ軸線に対して横断方向に配置された少なくとも１つのツイストシリンダを介して所定のツイスト角度でツイスト運動することができる。

コレットは、ガイドパイプの外周の少なくとも部分的領域に作用する。それゆえ、適切なクランプシリンダを通じて、コレットとガイドパイプとの間に圧迫係止結合(force-locking)がなされる。続いて、円筒形のガイドパイプの外側に実質的に接線方向に作用する、横方向に配置されたツイストシリンダによって、コレットは移動されて、所定のツイスト角度にわたり、ガイドパイプの軸の周囲でツイスト運動する。その後、コレットの締結が解除され、ツイストシリンダの引き戻しを通じて、コレットはスタート位置に戻る。その後、また新たにガイドパイプと締結し、ツイスト運動することができる。

このようなタイプのコレット駆動装置により、ガイドパイプのための単純で小型および、同時に高トルクのロータリ駆動装置が実現される。このようなコレット駆動装置の不連続的な動作モードは、ガイドパイプを、作業プラットフォームを固定するために水底に好ましくは１から５メートルの深さで打ち込むのに十分である。

水底にガイドパイプを建て込む目的のために十分な前進推力を提供するために、ガイドパイプの外側にある帯状部材によって、螺旋フライト(helical flight)を提供することができる。しかしながら、本発明によれば、コレット駆動装置が掘削軸線に対して長さ方向に配置された少なくとも１つの送りシリンダを有することが特に好ましく、この送りシリンダを通じてコレットおよび締結されたガイドパイプを掘削軸線の方向に移動させることができる。それゆえ、送りシリンダにより、所定の力をガイドパイプの軸線に平行に、水底の方向へと加えることができる。これによって、ガイドパイプの導入中に、良好で信頼性の高い送り動作を実現できる。

本発明によれば、掘削ツールのドリル駆動装置をガイドパイプに固定できることがさらに好ましい。掘削ツール用のドリル駆動装置は、連続回転式に掘削ツールを駆動するための、先行技術において知られている駆動ユニットである。掘削ツールは、一般的なドリルヘッドまたはそれ自体が基礎要素として地中に残るドリルパイプとすることができる。この場合、ドリル駆動装置は好ましくは、ガイドパイプの上側にテンションクランプを介して比較的緊密に固定される。掘削ツールによって掘削穴が形成された後、ドリル駆動装置をガイドパイプから再び解放して、作業プラットフォームから取り外すことができる。このために、ドリル駆動装置を周知の方法でロープ上に支持し、タグボート上に回収することができる。その後、パイル状の基礎要素を掘削穴の中に挿入し、その中にコンクリートで固定することができる。

水底上での作業プラットフォームの位置調整のために、本発明によれば、地表接触要素が昇降シリンダによって調節可能であることがさらに有利である。このようにして、昇降シリンダのストロークの個々の設定によって、水底の凸凹対しても平らにすることができる。その結果、ガイドパイプの垂直整列を設定できる。本発明によれば、少なくとも３つの地表接触要素は、作業プラットフォームの外周上に略星形に配置される。作業プラットフォームの用途に応じて、より多くの地表接触要素を設けることもできる。作業プラットフォームの初期の固定のために、これらの要素そのものが水底の中に貫入させるための尖った先端を有するように設計することができる。基本的に、地表接触要素を回転駆動させることもまた可能であり、それにより、作業プラットフォームの固定を目的として、地表接触要素が少なくとも小さな範囲で水底の中に建て込まれる。

さらに、冒頭に記した目的は、水中掘削装置を用いて基礎要素を水底に導入する方法によって解決され、この方法においては、水中掘削装置の作業プラットフォームが水底へと降下され、地表接触要素で水底上に設置され、ガイドパイプがガイドパイプ駆動ドリルによって水底の中に建て込まれ、その後、ガイドパイプの中に挿入された掘削ツールがドリル駆動装置によって回転式に駆動され、これによって基礎要素を受ける掘削穴が形成される。この方法により、特に前述の利点が得られる。

ガイドパイプを容易に、高トルクで導入するために、本発明によれば、ガイドパイプがガイドパイプ駆動装置としてコレット駆動装置によって不連続的に駆動されるようになっている。

掘削ツールを駆動するために、好ましくは異なる駆動装置が提供され、本発明によれば、掘削ツールが連続的に動作するロータリ駆動装置として設計されたドリル駆動装置によって駆動される。このようにして、一定のトルクでの一定の回転運動を生成することができ、これは深度掘削穴の形成に特に有利である。

これに加えて、本発明によれば、ドリル駆動装置がガイドパイプに解放可能に固定されることが有利である。ドリル駆動装置は、作業プラットフォームを水底へと降下する間という早い時点でガイドパイプに固定することができる。あるいは、ドリル駆動装置はまた、これより遅い段階で、作業プラットフォームがすでに海底に設置された後に、ガイドパイプ内に挿入することも可能である。特に、いくつかのガイドパイプを作業プラットフォーム上に配置して、最初の掘削穴の形成後に、掘削ツールが装着されたドリル駆動装置を再びガイドパイプから解放して、その後、第二のガイドパイプに挿入し、第二の掘削穴を掘ることができるようにすることが可能である。

基礎要素を効率的に形成するために、本発明によれば、掘削ツールの引き戻し中に掘削穴に硬化材を充填し、この硬化材は硬化して基礎要素を形成する。この場合、掘削ツールは、たとえばフラッシュドリルヘッドとすることができ、これによって地盤材料が最初に取り除かれ、掘削穴から排出される。その後、掘削穴から掘削ツールを引き戻す間に、基礎要素を形成するための硬化材、より詳しくはコンクリートを、掘削ツールの中空の軸部を通じて掘削穴の中に注入することができる。

さらに、本発明によれば、基礎要素の形成中または形成後に、ガイドパイプを地中から取り除き、作業プラットフォームとともに水底から上昇させることが有利である。この目的のために、ガイドパイプを作業プラットフォームにしっかりと固定することができる。その後、適当な昇降ウィンチおよび／または地表接触要素の昇降シリンダの動作により、作業プラットフォームを水底から取り除くことができる。必要であれば、ガイドパイプを水底から除去する際、ガイドパイプ駆動装置による回転運動もこれを支援できる。

以下に、添付の図面に概略的に描いた好ましい実施形態の例を用いて、本発明をさらに説明する。

本発明による水中掘削装置の側面図である。 図１の水中掘削装置の上から見た上面図である。 本発明による別の水中掘削装置の、掘削ツールが挿入された状態の側面図である。 図３の水中掘削装置の断面図である。

本発明による水中掘削装置１０の基本的構造が図１と図２からわかる。この装置は、３本の水平基底ストラット１８を備える星形の作業プラットフォーム２０を有し、３本の基底ストラットは各々、相互に対して同じ角距離で半径方向に延びる。基底ストラット１８から、梁構造として形成された太鼓型のフレーム１４が垂直に上方に延びる。フレーム１４はさらに、斜めの補強ストラット１６を介して基底ストラット１８に連結される。補強ストラット１６と基底ストラット１８の連結点のそれぞれに、地表接触要素２２が配置される。これらは、昇降シリンダ２４を介して垂直方向に調節可能な支柱を有する。昇降シリンダ２４により作動される支柱の下側に、固定要素２６が配置される。これらの固定要素２６は、尖った先端または切削歯として設計でき、これによって地表接触要素２２が水底の中に固定される。

作業プラットフォーム２０をさらに固定するために、本発明によれば、円筒形のガイドパイプ３０が太鼓型のフレーム１４の内部に、回転可能および長さ方向に移動可能に支持される。ガイドパイプ３０の下側に、切削歯３４を有する、より小径の、歯を持つリングが設計されている。ガイドパイプ３０の上側には、少なくとも分節式に設計された挿入ホッパ３２が設けられ、これによって円筒形の掘削ツール４０を容易に捕捉し、ガイドパイプ３０に挿入できる。掘削ツール４０には、供給ライン４４を介して、エネルギー、フラッシング液および／または硬化材、特にコンクリートが図示されていない補給船から供給される。図示されていないロープおよびウィンチ装置を介して、作業プラットフォーム２０もまた補給船に接続され、ここからエネルギーの供給を受ける。

本発明による別の水中掘削装置１０が、図３と図４において、変更を加えた形態で示されている。図中の同じ参照符号は同じ機能を持つ部品を指しており、その場合は上記の説明を参照されたい。

前述の実施形態の場合と同様に、作業プラットフォーム２０は、支持要素２２と太鼓型のフレーム１４との間に延びる星形に配置された基底ストラット１８と補強ストラット１６を有する。この実施形態において、基底ストラット１８は、補強ストラット１６のように掘削軸１２に関して鋭角をなして位置付けられる。

図４によれば、地表接触要素２２は、実際の昇降シリンダ２４を受けるハウジング２３を備える。昇降シリンダ２４のピストンに、延長可能な柱状の支柱２８が配置され、その下側に水底への固定のための尖った固定要素２６が配置される。

さらに固定するために、ガイドパイプ３０が太鼓型のフレーム１４の中に、軸方向に調節可能およびツイスト運動可能に支持される。このために、２つのコレット駆動装置６１ａと６１ｂを有するガイドパイプ駆動装置６０が設置される。２つのコレット駆動装置６１ａ、６１ｂは各々、ガイドパイプ３０を取り囲むコレット６２ａ、６２ｂを有し、これらは図示されていないクランプシリンダによってガイドパイプ３０に取り付けられ、前記ガイドパイプを圧迫係止結合方式で保持する。３つの水平方向のツイストシリンダ６４ａ、６４ｂを介して、ツイスト運動可能に支持されたコレット６２ａ、６２ｂは、所定のツイスト角度でガイドパイプ３０と一緒にツイスト運動することができる。ガイドパイプ３０を送るために、ツイスト運動を掘削軸１２の長さ方向への軸運動によって支援することができる。このために、垂直に配置された送りシリンダ６６が、コレット６１とフレーム１４の間に配置される。

２つのコレット駆動装置６１ａ、６１ｂは、相互に関して、軸方向に離間され、円周方向に回転される。少なくとも準連続ロータリ駆動装置を実現するために、第一のコレット駆動装置６１ａがまず、ツイスト運動を発生させ、その一方で、他方の、第二のコレット駆動装置６１ｂはそのスタート位置にリセットされる。このようにして、２つのコレット駆動装置６１ａ、６１ｂは交互にガイドパイプ３０のツイスト運動を発生させることができ、またはそれぞれリセットされるようにすることができる。

ガイドパイプ３０を水底に建て込むことによって、作業プラットフォーム２０を高い信頼性で固定し、支持することができる。その後、掘削ツール４０を、挿入ホッパ３２を介してガイドパイプ３０の中に挿入することができる。

図４の断面図からわかるように、掘削ツール４０はドリル駆動装置４２を有し、そのハウジング４３は、ガイドパイプ３０の内側に、流体圧式のクランプ要素５２によって固定される。連続的に回転するドリル駆動装置４２はドリルロッド５０を駆動し、その下端には、岩石を除去するためのドリルヘッド４６が配置される。ドリル駆動装置４２の回転運動に加え、ドリル送りシリンダ４８が配置されて、ドリルヘッド４６に軸方向の力をさらに加えることができる。

ドリル駆動装置４２を備える掘削ツール４０は、図示されていないロープ装置を介して、フライング掘削装置として補給船に接続され、掘削作業が終了するとガイドパイプ３０から引き戻すことができる。その後、基礎要素を掘削穴の中に、特にその中にパイルを挿入し、固定することによって形成できる。

Claims (13)

1. 水底に基礎要素を導入する水中掘削装置であって、
   −前記水底に設置するための水没可能な作業プラットフォームと、
   −前記水底上の作業プラットフォームの位置調整のために前記作業プラットフォーム上に調節可能に配置された、いくつかの地表接触要素と、
   −前記作業プラットフォーム上に配置され、ドリル駆動装置によって回転駆動される掘削ツールを受けて当該ガイドパイプに沿って案内するように設計された、少なくとも１つのガイドパイプと、
   を備え、
   −前記ガイドパイプが前記作業プラットフォーム上で長さ方向に移動可能に及び回転可能に支持され、
   −前記作業プラットフォームに、前記ガイドパイプを回転式に駆動するためのガイドパイプ駆動装置が設置されることを特徴とする水中掘削装置。
2. 請求項１に記載の水中掘削装置であって、
   前記ガイドパイプが、その上端において、前記掘削ツールを挿入するための挿入ホッパを有することを特徴とする水中掘削装置。
3. 請求項１に記載の水中掘削装置であって、
   前記ガイドパイプが、その下端において、地盤材料を除去するための切削歯を有することを特徴とする水中掘削装置。
4. 請求項１に記載の水中掘削装置であって、
   前記ガイドパイプ駆動装置が、コレットを備える少なくとも１つのコレット駆動装置を有し、前記コレットが前記ガイドパイプを取り囲み、締結し、これによって前記コレットが前記パイプの軸線に対して横断方向に配置された少なくとも１つのツイストシリンダを介して、所定のツイスト角度でツイスト運動できることを特徴とする水中掘削装置。
5. 請求項４に記載の水中掘削装置であって、
   前記コレット駆動装置が、掘削軸線に対して長さ方向に配置された少なくとも１つの送りシリンダを有し、これを通じて、前記コレットと前記固定されたガイドパイプを前記掘削軸線の方向に移動可能であることを特徴とする水中掘削装置。
6. 請求項１に記載の水中掘削装置であって、
   前記掘削ツールの前記ドリル駆動装置を前記ガイドパイプに固定できることを特徴とする水中掘削装置。
7. 請求項１に記載の水中掘削装置であって、
   前記地表接触要素は、昇降シリンダによって調節可能であることを特徴とする水中掘削装置。
8. 請求項１に記載の水中掘削装置を用いて基礎要素を水底に導入する方法であって、
   −水中掘削装置の作業プラットフォームが前記水底へと降下され、前記地表接触要素を用いて前記水底に設置され、
   −ガイドパイプがガイドパイプ駆動装置によって回転式に駆動されて前記水底に建て込まれ、
   −その後、前記ガイドパイプの中に挿入されて前記ガイドパイプに沿って案内される掘削ツールが、ドリル駆動装置によって回転式に駆動されて、基礎要素を受けるための掘削穴が形成されることを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、
   前記ガイドパイプが、ガイドパイプ駆動装置としてのコレット駆動装置によって、不連続的に駆動されることを特徴とする方法。
10. 請求項８に記載の方法であって、
    前記掘削ツールが、連続的に動作するロータリ駆動装置として設計された前記ドリル駆動装置によって駆動されることを特徴とする方法。
11. 請求項８に記載の方法であって、
    前記ドリル駆動装置が前記ガイドパイプに解放可能に固定されることを特徴とする方法。
12. 請求項８に記載の方法であって、
    前記掘削ツールが引き戻される間に、前記掘削穴に、硬化して前記基礎要素を形成する硬化材が充填されることを特徴とする方法。
13. 請求項８に記載の方法であって、
    前記基礎要素の形成中または形成後に、前記ガイドパイプが地中から除去され、前記作業プラットフォームとともに前記水底から上昇されることを特徴とする方法。
    

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