JP6921097B2 - 基礎要素をガイド及び支持するための複数のガイド機構を備えたフレーム - Google Patents

Description

本発明は、杭などと言った基礎要素を海底地盤内に設置する際にガイド及び支持するためのフレームに関し、特に、該フレームの内部に位置した杭と係合するための伸張位置と退縮位置との間で可動とされた複数のガイド機構を備えてなるフレームに関する。本発明はまた、複数の基礎要素を設置する方法に関する。

モノパイル以外の解決策が必要な構造もある。例えば、風力タービンでは、必要とされるモノパイルの径は、該風力タービンが設置される場所の水深と共に増加する。例えば深さが３０ｍを超える場合には、モノパイルは、実際的でないか実現不可能であるような径が必要となる。このような状況では、いわゆる三脚台のようなジャケットが良好なる代替となる。ジャケットはまた、その他にも応用され、例えばオイル及びガスのプラットフォーム、及び水流（潮汐）エネルギープラントに用いられる。

特許文献１は、垂直調節可能なフットパッド１６，１７と、ピボット取り付けされた複数の液圧シリンダ１９によって水平位置決め可能な下部ガイドリング２１と、シリンダ２２内に完全に引込み可能な上部ガイド及びクランプロッド２３と、溢出可能なブラストタンク１８と、を有した三脚状フレーム８を備えた水中杭打ち支持及びガイド装置に関する。杭７は、前記フットパッド、前記下部ガイドリング、及び前記ロッドを適宜調節することにより垂直に、あるいは傾けて設置することができる。ロッド２３は、装置頂部まで打ち下げられた後専用のシリンダ内に格納され、その後、打込みヘッド２６がフレームの垂直ポスト９内で往復して、打込みを完了する。

特許文献２は、円筒壁２及び中心線８を有する一つ又は複数の管状ノイズ低減部材（１，３１，３２，３３）を備えた杭設置フレーム３０に関する。これらの部材（１，３１，３２，３３）には、その長さに沿って間隔分離位置決め装置（１２，１３，１４）が設けられている。これら間隔位置決め装置は、前記管状部材（１，３１，３２，３３）を介して前記中心線８に沿って打ち込まれるパイプ７を心合せ（心出し）するために、前記中心線に対し径方向に退去する。前記位置決め装置は、前記円筒壁によって囲繞された空間内をハンマーが下方に向かって通過する際に退去する。前記位置決め装置は、例えば、一側面で内面へ接続された、かつ水面の上方まで延びる制御用リードを備えた液圧、空圧、又は電気的な駆動力を与えられたバーリンク (bar linkage)、シザー機構、リニアモータ、等を備えていてもよい。

特許文献３は、レバー装置３４を備えたセンターシステムであって、レバー装置３４が、該センターシステムをチューブ５に固定的に連結する第１の連結手段として付与されてなるセンターシステムを開示している。杭２を中心軸線１３に心合せするために該杭と係合する接触ホイール３５が第２の連結手段として付与されている。杭２は前記ホイール３５に対してスライドすることが可能である。ホイール３５の走行面３２は杭２の外周３３に接触する。ここで、中心軸線１３において杭が心合せされる位置に向けて杭２の周囲にセンタリング力を与えるため、駆動手段２８ａがチューブ５及び前記レバー装置３４と連結している。前記駆動手段２８ａは、前記レバー装置３４及び前記ホイール３５によって前記センタリング力を付与する。駆動手段２８ａは杭２にヒンジ結合されている。駆動手段２８ａは前記レバー装置３４とスライドするように連結されている。

米国特許第４，１０２，１４７号明細書 欧州特許公開第２５５４７５２号公報 国際特許公開第２０１２／１７７１３１号公報 欧州特許第２４９２４０２号公開公報 米国特許第４，５３７，５３３号明細書 国際特許公開第２０１５／１８７０１５号公報

本発明の目的は、一又は複数の改良されたガイド機構を備えた、基礎要素をガイド及び支持するためのフレームを提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明によるフレームは、少なくとも一つのガイド機構がスライダ、例えばスライドシューと、前記スライダを支持する経路、例えば案内面あるいは一つ又は複数のビーム又はレールと、基礎要素から該フレームに負荷を伝達する回動自在なリンク、例えば前記スライダに回動自在に接続されたリンクと、前記スライダを前記経路及び前記リンクに沿って前記伸張位置と前記退縮位置との間で動かすアクチュエータと、を備える。一実施形態では、アクチュエータは直線アクチュエータであり、好ましくは液圧シリンダである。

本発明によるガイド機構は、該ガイド機構が相対的に大きくストロークすることを可能にし、フレームが比較的広範囲の杭径をガイド及び支持できるようにする。さらに、該ガイド機構は、コンパクトな構成、及び／又は、前記リンク及び前記シューを介しての基礎要素から前記フレームへの負荷伝達を可能とする。この場合、前記直線アクチュエータへの負荷は制限されるか、生じない。

ガイド機構のコンパクト構成をさらに容易に達成するために、一実施形態では、直線アクチュエータは、フレームの仮想中心軸線と並行に延在している。フレームがガイドスリーブを備えている場合には、フレームの仮想中心軸線は通常該スリーブの仮想中心軸線と一致し、かつ、基礎要素の設置中には該部材の仮想中心軸線と一致する。

一実施形態において、前記直線アクチュエータは少なくとも０．５ｍ、好ましくは少なくとも０．７ｍのストロークを有している。他の実施形態では、前記リンクは、異なる長さのリンクと交換可能である。改良例では、種々のリンクは０．２ｍないし０．８ｍの範囲の長さを有している。これらの実施形態では杭の径の範囲をさらに増加させることができ、例えば１．８ｍないし３ｍの範囲、あるいはさらに広い範囲とすることが可能である。

さらに別の実施形態では、前記ガイド機構の伸張位置における前記リンクを介した基礎要素から前記フレームへの負荷の直接伝達を強化するために、リンクは、少なくとも実質的に径方向に、及び／又は、少なくとも実質的に前記フレームの前記仮想中心軸線と垂直に、延在する。改良例においては、リンクは、半径角度で５°以内、かつフレームの仮想中心軸線に対し８０°から１００°の範囲の角度で延在する。

該ガイド機構をさらに強固なものとするために、実施形態では、ガイド機構の少なくとも一つは、例えば前記スライダのためのストッパとして機能する、伸張位置を規定する停止部を備えている。

他の実施形態では、ガイド機構の少なくとも一つが、前記（第１の）リンクに回動自在に接続された第２のリンクを備えている。この第２のリンクの一端が前記（第１の）リンクの先端に回動自在に接続され、かつ第２のリンクの他端が前記フレームに、好ましくは前記アクチュエータの近傍に、回動自在に接続されていると好ましい。該第２のリンクは、前記伸張位置と退縮位置との間に、（第１の）リンクのための確固たる経路を提供する。

ガイド機能を向上させるため、特に基礎要素をスリーブ内に降ろす間及び打ち込む間には、前記ガイド部材は少なくともスリーブの底部近傍であってかつその上半部に位置することが好ましい。一実施形態においては、前記フレームは、例えば１組について３ないし１０の機構を有した２組のガイド機構を備えており、好ましくは、スリーブの少なくとも上半部、例えば頂部近傍に第１の組の上半部が、かつ、スリーブの下半部、例えばスリーブの底部近傍に第２の組の上半部が、位置する。

他の実施形態において、（第１の）リンクをしっかりとガイドしかつ支持するために、第２のリンクの一端は（第１の）リンクの先端に回動自在に接続され、かつ、同第２のリンクの他端はフレームに、好ましくは前記アクチュエータの近傍に、回動自在に接続されている。

別の実施形態では、前記フレームは管状スリーブを備え、かつ、前記スライダ及び前記直線アクチュエータは該スリーブの外側に位置している。従って、基礎要素の初期設置時におけるガイド機構のフレーム内での接触のリスクは低減し、あるいは回避され、これら機構は、例えば前記アクチュエータの一つが故障したような場合にはフレームの外側からアクセスすることができる。

周囲の水中に漏れる騒音を低減するため、前記スリーブは遮音スリーブとされ、該遮音スリーブは、基礎要素の設置、特に杭打ちの際生ずる騒音を、１０００Ｈｚより低い周波数に対して少なくとも１０ｄＢ、好ましくは少なくとも１５ｄＢ低減する。一般に、ノイズを減衰させることを目的とする全ての測定値の合計は、スリーブ無しの打込みと比較して、１０００Ｈｚよりも低い周波数に対して、少なくとも１０ｄＢ、好ましくは少なくとも１５ｄＢ、打込みからの騒音発生の全体的な低減をもたらすことが好ましい。

本発明はまた、複数の基礎要素、特に杭の設置の際に使用するテンプレートであって、基礎要素をガイド及び支持するための上述したようなフレームを複数備えたテンプレートに関する。

本発明はさらに、杭といった基礎要素を水中地盤中に設置する際にガイド及び支持するためのフレームを調節する方法であって、前記フレームは、該フレームの内部に置かれた杭と係合するための伸張位置と退縮位置との間を移動可能な複数のガイド機構を備え、少なくとも一つの前記ガイド機構が、スライダと、該スライダを支持する経路と、前記スライダに回動可能に接続されたリンクと、前記スライダを前記経路及び前記リンクに沿って前記伸張位置と前記退縮位置との間で動かすアクチュエータと、を備えてなるものであって、該方法は、基礎要素を選択する工程と、選択された前記基礎要素の径に適合する前記リンクの長さを計算する工程と、前記ガイド機構内にリンクを設置する工程と、を備える。必要であれば、既設のリンクを除去して基礎要素に合わせて異なる長さを有したリンクを設置する、すなわちリンクを交換する工程を備える。本方法によってフレームが基礎要素のより広い範囲の形状及び径に適合することが可能となり、かつ、ガイド機構の伸張位置において、リンクは容易に、少なくとも実質的にフレームの仮想中心軸線に対して垂直に、好ましくはフレームの仮想中心軸線に対して８０°ないし１００°の角度範囲で延在可能となる。

完全を期すため、以下の先行技術にも注目する。

特許文献４は、幾何学的パターンに配置されかつ水底内に打ち込む杭を受け入れるように構成された互いに接続された複数のガイドチューブ（２ａ，２ｂ，２ｃ）の位置決めフレーム構造に関する。前記ガイドチューブは、該ガイドチューブ（２ａ，２ｂ，２ｃ）の少なくとも内壁部を、杭のための半径方向内側支持位置から、前記内壁部が実質的に杭（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）を解放するより外側の径方向位置に、ガイドチューブを径方向に移動可能とする機構（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ）を備える。

特許文献５は、離間した複数のスリーブと、それらスリーブの各々と関連し、前記スリーブ内に配置された杭を把持するための液圧作動スリップ手段と、を備えたテンプレートを開示している。

特許文献６は、基礎要素をスクリーンに対してガイドする少なくとも一つの膨張部材を備えたガイド装置を開示する。

以下、本発明による杭ガイドフレームの好ましい実施形態を示す添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

４つの本発明によるガイドフレームを備えたテンプレートの斜視図である。 ３つの本発明によるガイドフレームを備えたテンプレートの斜視図である。 伸張及び退縮可能なガイド機構を備えた本発明によるガイドフレームの斜視図である。 図３に示すガイドフレームの断面図である。 図３に示すガイドフレームの部分断面図である。 図３に示すガイドフレームの部分断面図である。 図３に示すガイドフレームの部分断面図である。 平行四辺形のガイド機構を有したガイドフレームの部分断面図である。 平行四辺形のガイド機構を有したガイドフレームの部分断面図である。 平行四辺形のガイド機構を有したガイドフレームの部分断面図である。

示した図は本来概略的なものであり、本発明の理解に必要でない詳細については省略されている場合があることに留意されたい。

図１及び図２は、複数のビーム又はトラス３によって幾何学的なパターンに固定された複数のガイドフレーム２を備えたテンプレート１を示す。これらガイドフレームの中心線のパターンは、例えば設置すべき風力タービンのためのジャケットである基礎要素のパターンに対応している。これらの例においては、ガイドフレームは三角形（図２）及び正方形（図１）に配置されている。こられのテンプレートには、該テンプレートが水平か、あるいは傾斜しているかを検知すべく複数のセンサ（図示せず）が設けられている。

ガイドフレームのそれぞれは、図３及び図４Ａにより詳細に示すように、打込み中に杭を囲繞するための、例えば鋼製のスリーブ５を備える。該スリーブは、円形断面を有し、二重壁構造とすることができ、かつ内径は３ｍである。該スリーブの上端には、杭が該スリーブ内に下方に導かれる際に杭の心合せをするための手段、例えばオープンコーン又はフレア６、が設けられている。

該テンプレートの自重による海底への過度な埋没を低減または事実上阻止するため、及び、スリーブが十分正確に垂直となりかつ該テンプレートが十分正確に水平位置となるように調節するため、該スリーブの下端にはいわゆる泥マット７又は足が設けられている。この泥マットは、該泥マットとスリーブの外壁との間に延在する複数の液圧シリンダ８によって作動する。

各スリーブは２組のガイド機構１０（本例では各組が８つの機構）を備えている。すなわち、スリーブの頂部近傍における第１の組、及びスリーブの底部近傍における第２の組である。各機構は、図４Ｂないし図４Ｄに最もよく示されるように、スライダ１１と、該スライダを支持する経路１２と、前記スライダ、例えばスライドシュー１３に回転可能に接続された第１のリンクと、前記スライダを、前記経路及びリンクに沿って、前記フレーム内部に位置した杭と係合する伸張位置と退縮位置との間で動かすために、例えば９００ｍｍのストロークを有した液圧シリンダ１４と、を備える。第２のリンク１５が前記第１のリンクの先端に回転可能に接続されており、かつ、該第２のリンクの他端は、好ましくは前記液圧シリンダ１４に近傍で、該フレームに回転可能に接続されている。

前記液圧シリンダ１４は、スリーブ５の外壁に位置して同外壁に取付けられ、該スリーブの仮想中心軸線Ａ（図において上下方向）に平行に延在している。前記スライダ１１のための前記経路（この場合ではガイドシュート１２）もまた前記スリーブの外壁に、例えば溶接によって取り付けられている。前記スライダ、複数の前記液圧シリンダの一部、及び前記第１及び第２のリンクは、前記シュートの内部に位置している。前記スリーブの前記壁部には、前記第１及び第２のリンク１３，１５が前記スリーブの内部に入り込めるようにするための複数の開口１６が設けられている。また、これらガイド機構は各々、伸張位置を規定するための停止部１７を備えている。

図４Ｂないし図４Ｄは、該機構がどのように退縮位置から伸張位置に動くかを示している。退縮位置（図４Ｂ）では、前記液圧シリンダ１４並びに前記第１及び第２のリンク１３，１５は全て垂直方向を向いている。前記液圧シリンダが前記スライダを押し上げると（図４Ｃ）、第１及び第２のリンクは、スリーブ５の中心に向かって、すなわち該スリーブ内に存在する杭の方に傾く。スライダが前記停止部に当たる（図４Ｄ）と、該機構は伸張位置となり、前記第１のリンクが径方向に延出して、該スリーブの仮想の中心軸線Ａと実質的に垂直となり、かつ、該第１のリンク１３の先端が、該スリーブ内の杭（図示せず）に係合する。

一実施形態による杭をガイド及び支持する方法は以下の工程を備えている。杭の径のため（第１の）リンクの適正な長さを計算し、必要であれば既存のリンクを計算された長さのリンクと交換し、前記フレーム（独立の又はテンプレートの一部としての）を海底上に降ろし、前記泥マットによって正確な垂直位置となるよう調節する。杭を前記フレーム内に降ろし、杭をガイドすべく複数の前記ガイド機構を伸ばす。杭を下げて自重によって海底内に沈め、杭打ち機をドライバスリーブによって該杭の上端に設置し、そして杭を海底内に打ち込む。前記ドライバスリーブが上部のガイド機構の組に達したら、これらの機構を退縮させて前記ドライバスリーブを通過させる。前記スリーブが当該組に届いたら下部のガイド機構の組を退縮させる。

前記ガイド機構の構成はコンパクトであり、かつ広範囲の杭径に適合する。また、液圧装置に掛かる負荷も低減又は回避される。

本発明は上述の実施形態に限定されるものでなく、特許請求の範囲の技術的範囲内において種々の方法で変更可能である。例えば、図５Ａないし図５Ｃは、スライダ１１及び杭のためのガイド部材２０と共に平行四辺形を形成する二つの（第１の）リンク１３を備えた実施形態を示す。従って、スライダの表面積と杭との接触面積が増加する。別の変形例では、前記スライダは前記液圧シリンダ（アクチュエータ）のハウジングのハウジングとして形成されるか、あるいはその一部であり、かつ前記リンクの一つが該ハウジングに回動可能に取り付けられている。この変形例の改良では、前記第１のリンクが前記フレームに回動可能に設けられており、シリンダロッドが例えば前記第１のリンクに、あるいはその近傍で前記フレームに取り付けられ、かつ、第２のリンクが、前記第１のリンク及び前記液圧シリンダに回動自在に取り付けられる。従って、ハウジングをサポート（例えばレール又はその他の経路）に沿ってフレーム上で動かすことにより、第１のリンクは前記伸張位置と退縮位置との間で動くことが可能である。

１ テンプレート
２ ガイドフレーム
５ スリーブ
１０ ガイド機構
１１ スライダ
１２ 経路
１３ リンク
１４ 液圧シリンダ（アクチュエータ）
１５ 第２のリンク
１７ 停止部

Claims (15)

1. 杭といった基礎要素を水中地盤中に設置する際にガイド及び支持するためのフレーム（５）であり、該フレーム（５）の内部に置かれた基礎要素と係合するための伸張位置と退縮位置との間を移動する複数のガイド機構（１０）を備えたフレーム（５）において、少なくとも一つの前記ガイド機構（１０）が、スライダ（１１）と、該スライダ（１１）を支持する経路（１２）と、回動自在なリンク（１３）と、前記スライダ（１１）を前記経路（１２）及び前記リンク（１３）に沿って前記伸張位置と前記退縮位置との間で動かすアクチュエータ（１４）と、を備えることを特徴とするフレーム。
2. 請求項１記載のフレーム（５）において、前記アクチュエータは直線アクチュエータ、好ましくは液圧シリンダ（１４）である、フレーム。
3. 請求項２記載のフレーム（５）において、前記直線アクチュエータ（１４）は該フレーム（５）の仮想中心軸線（Ａ）に平行に延在してなる、フレーム。
4. 請求項２又は３記載のフレーム（５）において、前記直線アクチュエータ（１４）は少なくとも０．５ｍ、好ましくは少なくとも０．７ｍのストロークを有してなる、フレーム。
5. 請求項１ないし４の何れか一項記載のフレーム（５）において、前記リンク（１３）は前記スライダに回動自在に取り付けられてなる、フレーム。
6. 請求項１ないし５の何れか一項記載のフレーム（５）において、前記リンク（１３）は、異なる長さのリンク（１３）と交換可能である、フレーム。
7. 請求項１ないし６の何れか一項記載のフレーム（５）において、前記ガイド機構（１０）の伸張位置において、前記リンク（１３）が、実質的に少なくとも該フレーム（５）の径方向に、及び／又は、実質的に少なくとも該フレーム（５）の仮想中心軸線（Ａ）と垂直方向に延出する、フレーム。
8. 請求項１ないし７の何れか一項記載のフレーム（５）において、前記ガイド機構（１０）の少なくとも一つが、前記伸張位置を規定する停止部（１７）を備える、フレーム。
9. 請求項１ないし８の何れか一項記載のフレーム（５）において、前記ガイド機構（１０）の少なくとも一つが、前記リンク（１３）に回動自在に接続された第２のリンク（１５）を備える、フレーム。
10. 請求項９記載のフレーム（５）において、前記第２のリンク（１５）の一端が前記リンク（１３）の先端に回動自在に接続され、かつ前記第２のリンク（１５）の他端が前記フレーム（５）に、好ましくは前記アクチュエータ（１４）の近傍に、回動自在に接続されている、フレーム。
11. 請求項１ないし１０の何れか一項記載のフレーム（５）において、前記リンク（１３）の先端にホイール又はスライドパッドが設けられてなる、フレーム。
12. 請求項１ないし１１の何れか一項記載のフレーム（５）において、２組のガイド機構（１０）、好ましくは、該フレーム（５）の上半部に少なくとも第１の組を、かつ該フレーム（５）の下半部に少なくとも第２の組を、備えてなる、フレーム。
13. 請求項１ないし１２の何れか一項記載のフレーム（５）において、管状スリーブを備え、かつ前記スライダ（１１）及び直線アクチュエータ（１４）が該管状スリーブの外側に位置してなる、フレーム。
14. 請求項１３記載のフレーム（５）において、前記管状スリーブが、前記基礎要素の設置時、特に杭打ちの際に生ずる騒音を、１０００Ｈｚより低い周波数に対し少なくとも１０ｄＢ、好ましくは少なくとも１５ｄＢ低減する遮音スリーブである、フレーム。
15. 杭といった基礎要素を水中地盤中に設置する際にガイド及び支持するためのフレーム（５）を調節する方法であって、前記フレーム（５）は、該フレーム（５）の内部に置かれた基礎要素と係合するための伸張位置と退縮位置との間を移動する複数のガイド機構（１０）を備え、少なくとも一つの前記ガイド機構（１０）が、スライダ（１１）と、該スライダ（１１）を支持する経路（１２）と、前記スライダ（１１）に回動可能に接続されたリンク（１３）と、前記スライダ（１１）を前記経路（１２）及び前記リンク（１３）に沿って前記伸張位置と前記退縮位置との間で動かすアクチュエータ（１４）と、を備えてなるものであって、該方法は、基礎要素を選択する工程と、選択された前記基礎要素の径に適合する前記リンク（１３）の長さを計算する工程と、前記リンク（１３）を前記ガイド機構（１０）内に設置する工程と、を備えることを特徴とする方法。

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