一种海上风电用大型水下钢圆筒基础及其施工方法与流程

1.本发明涉及海上建筑施工领域，尤其涉及一种海上风电用大型水下钢圆筒基础及其施工方法。


背景技术：

2.目前海上风电基础针对不同地质情况，常用类型主要有单桩嵌岩基础、多桩承台基础、导管架基础、混凝土重力式基础、浮式基础及负压筒基础。
3.大直径钢圆筒结构作为一种新型的水运工程结构，能够适应水深浪大的恶劣环境，特别是近年来国内外港口建设、海岸工程的发展，成为快速成岛技术不可或缺的重要组成部分，其具有施工简捷、造价低、耐久性好等优点，而且无需开挖基槽、抛石夯实和基床整平，与传统常用的海上风电基础相比，该结构对于同等地质条件下的桩基础和导管架基础具有明显的可替代优势。
4.目前，海上风电桩基础和导管架基础的常规施工方法是：
5.首先在工厂内完成钢管桩桩身及附属构件的制作，经过检测后进行防腐蚀处理；其次采用专业船机设备进行钢管桩运输和海上就位，采用大型起重船进行钢管桩翻桩和沉桩，沉桩过程中控制桩身垂直度并进行高应变测试；再次采用嵌岩钻机进行嵌岩施工，钻孔达到设计标高后下放钢筋笼，之后开始灌注混凝土，满足设计强度后开始测量桩身最终垂直度；最后通过静载试验后安装其他附属设施，桩基础安装上部平台，导管架基础安装导管架平台。
6.综上所述，现有施工方法存在的主要缺陷有以下几点：
7.1、传统海上风电桩基础嵌岩深度或者直径较大，而且施工效率较低，对海上风电的投产经营将造成较大影响，经济效果较差。
8.2、传统海上风电嵌岩桩基础施工，塌孔、卷边现象较多，同时也伴有孤石和喀斯特等地质灾害现象，将直接造成工期延长和施工成本增加。
9.3、传统海上风电嵌岩桩基础施工，施工海域水深、浪高、风速和流速较大，施工海洋环境条件恶劣，施工窗口期较短，然而嵌岩桩需要较长的外海作业时间，海上作业安全风险大。
10.4、传统海上风电嵌岩桩基础施工，嵌岩钻机需要搭设专用施工平台，钢材消耗较大，而且必须保证嵌岩钻机的稳定性，施工工序较多，大型船机设备投入较多，投入时间较长。
11.5、传统海上风电嵌岩桩基础施工，嵌岩钻机损耗较大且施工会造成环境污染，难以满足国家倡导的绿色低碳施工理念。


技术实现要素：

12.本发明针对海上风电桩基础或导管架基础的嵌岩桩施工普遍存在的技术缺陷，即施工效率低、成本较大、外海作业安全风险大、施工设备投入较多、施工污染环境、施工资源
浪费等，而提供一种海上风电用大型水下钢圆筒基础及其施工方法。
13.本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
14.一种海上风电用大型水下钢圆筒基础，包括钢圆筒、导管架，钢圆筒底部设有方便嵌岩的齿刃部，钢圆筒振锤至水下泥面，钢圆筒内壁顶部设有插接组件，用于固定导管架底部的桩腿，且桩腿和插接组件之间的缝隙通过注浆加固，海上风机塔筒固定在导管架上；
15.桩腿呈倒漏斗形，且桩腿底部安装有万向轮，桩腿上贯穿有注浆孔；
16.插接组件包括桩腿插架，桩腿插架与桩腿配合并焊接固定在钢圆筒内壁顶部，桩腿插架内设有插槽，插槽一端内壁设有对桩腿竖直方向限位的卡块，桩腿经插槽内的一端插入并通过万向轮滑移至插槽内的另一端，进而通过卡块限位。
17.特别的，钢圆筒由若干竖向板拼接而成，每块竖向板由若干块钢板拼接而成，竖向板内壁上焊接有若干加强肋，加强肋之间的拼接缝处均焊接有加强板。
18.特别的，钢圆筒顶部设有加厚部，加厚部包括t型肋和弧形板，若干t型肋圆周均布且垂直焊接在钢圆筒内壁顶部，若干弧形板焊接在t型肋远离钢圆筒的侧壁上并拼接成圆形。
19.特别的，桩腿插架底部和钢圆筒内壁之间焊接有支撑架。
20.一种海上风电用大型水下钢圆筒基础的施工方法，其步骤如下：
21.步骤一：钢圆筒制作；
22.步骤二：钢圆筒运输；
23.步骤三：钢圆筒振沉锤组组装；
24.步骤四：钢圆筒沉桩；
25.步骤五：导管架基础桩腿固定；
26.步骤六：钢圆筒抛石覆盖。
27.本发明的有益效果是：
28.本发明有效地解决了传统海上风电嵌岩桩基础施工的嵌岩深度大、施工效率低、外海作业时间长、成本投入大、专业设备投入较多等问题。
29.本发明能够有效提升施工效率、减少外海作业时间和人员投入、降低外海作业风险和施工成本等关键施工重点问题，可进一步保证海上风电基础施工工期和成本可控、安全和质量受控。
30.本发明采用水下钢圆筒基础+导管架平台的基础形式，取消了传统的嵌岩施工，减少了传统施工工序，可为建设单位进一步减少海上风电的建设期，可为国家绿色能源提供解决方案。
31.本发明较传统施工方法具有经济可行、安全高效、节能降本、绿色环保等优势，具有极大的推广应用价值。
附图说明
32.图1为本发明的钢圆筒、导管架、齿刃部位置示意图；
33.图2为本发明的钢圆筒拼接示意图；
34.图3为本发明的加厚部位置示意图；
35.图4为本发明的插接组件结构示意图；
36.图5为本发明的桩腿插入插槽内一端的示意图；
37.图6为本发明的桩腿滑移至插槽内另一端的示意图；
38.图7为图5中桩腿在插槽内的示意图；
39.图8为图6中桩腿在插槽内通过卡块限位的示意图；
40.图中：1-钢圆筒；11-竖向板；12-钢板；13-加强肋；14-加强板；15-t型肋；16-弧形板；
41.2-导管架；
42.3-齿刃部；
43.4-桩腿；41-万向轮；42-注浆孔；
44.5-海上风机塔筒；
45.6-插接组件；61-桩腿插架；62-卡块；63-插槽；64-支撑架；
46.以下将结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
具体实施方式
47.下面结合实施例对本发明作进一步说明：
48.如图1-图8所示，一种海上风电用大型水下钢圆筒基础，包括钢圆筒1、导管架2，钢圆筒1底部设有方便嵌岩的齿刃部3，筒底的齿刃部3是为了防止传统嵌岩施工的卷边现象，并具备一定的嵌岩能力，是钢圆筒基础的振沉深度和嵌岩深度的保障；钢圆筒1由若干竖向板11拼接而成，每块竖向板11由若干块钢板12拼接而成，竖向板11内壁上焊接有若干加强肋13，加强肋13之间的拼接缝处均焊接有加强板14；钢圆筒1顶部设有加厚部，加厚部包括t型肋15和弧形板16，若干t型肋15圆周均布且垂直焊接在钢圆筒1内壁顶部，若干弧形板16焊接在t型肋15远离钢圆筒1的侧壁上并拼接成圆形；筒顶的加厚部是为了振动锤组共振梁更好的夹持和筒体振沉。
49.钢圆筒1振锤至水下泥面，钢圆筒1内壁顶部设有插接组件6，用于固定导管架2底部的桩腿4，且桩腿4和插接组件6之间的缝隙通过注浆加固，海上风机塔筒5固定在导管架2上；插接组件6是为了固定水中导管架2与水下钢圆筒1而设置的专用装置，其设置在钢圆筒1顶部加厚部，插接组件6的数量根据导管架2的桩腿4数量设置，插接组件6的尺寸根据桩腿4尺寸放大后设置。
50.桩腿4呈倒漏斗形，且桩腿4底部安装有万向轮41，桩腿4上贯穿有注浆孔42；插接组件6包括桩腿插架61，桩腿插架61与桩腿4配合并焊接固定在钢圆筒1内壁顶部，桩腿插架61底部和钢圆筒1内壁之间焊接有支撑架64，桩腿插架61内设有插槽63，插槽63一端内壁设有对桩腿4竖直方向限位的卡块62，桩腿4经插槽63内的一端插入并通过万向轮41滑移至插槽63内的另一端，进而通过卡块62限位；具体地，导管架2的桩腿4插入插槽63内后，向插槽63内另一端滑移直至通过卡块62限位，然后通过注浆孔42注浆，使得桩腿4和桩腿插架61固定在一起。
51.大型水下钢圆筒基础工作原理：大型水下钢圆筒1主要是以直径范围内土体的重力和摩擦力来替代传统导管架基础嵌岩桩的嵌岩深度和直径，是连接固定水中导管架基础的水下装置。该装置直接取消了传统的嵌岩施工，仅通过振动锤组将钢圆筒1筒体振沉至设计标高即可，同时齿刃部3仅为嵌岩深度富裕部分，且齿刃具备一定嵌岩深度；钢圆筒1筒顶
与导管架桩腿基础连接，解决了传统水下连接不便的问题，解决了传统嵌岩施工效率较低、安全风险大、资源设备投入较多等问题。
52.水下钢圆筒基础整体施工流程为：首先进行水下钢圆筒1制作与运输，制作过程中要加强检测，确保钢圆筒1加工精度和加工质量；其次进行钢圆筒1水下振沉锤组组装，组装过程中要注意钢圆筒1夹持与振动锤的分布位置；再次进行钢圆筒1的沉桩与振沉，沉桩过程中要加强垂直度的监控；最后进行导管架基础桩腿的连接与固定，固定采用灌注水下混凝土，并进行钢圆筒1全断面抛石覆盖，防止冲刷。
53.具体地，一种海上风电用大型水下钢圆筒基础的施工方法，其步骤如下：
54.步骤一：钢圆筒1制作；
55.钢圆筒1筒体拼装由板单元拼装成型，考虑到筒体的重量，选择硬质场地进行组装。
56.首先，竖向板11拼装前组装筒体专用内模胎架，胎架周边设置圆筒胎架，胎架总体呈六边形，由钢管组拼而成，每边上配有四根支撑管，圆筒胎架上设有圆弧角钢以及导向板。
57.其次，拼装筒体竖向板11并焊接，竖板吊立至圆筒胎架后，通过导向板进行板单元定位并调整垂直度，调整到位后锁住上口的支撑管，且头部连接板与筒壁焊接牢固，按相同的方法依次将板单元拼装到位，拼缝间隙通过螺杆进行调节，拼装成整体后再次确认各个对接缝的间隙。
58.再次，拼装筒底的齿刃部3，在筒体内部加强肋13的延长段部分套入齿刃部3，嵌入后焊接固定，加强肋13间的筒体由楔形刃状部分与筒体底部连接，连接区域通过加强板14焊接而成。
59.最后，拼装筒顶加厚部和插接组件6，拼接加厚部，先在筒顶内壁顶部圆周焊接t型肋15，然后焊接弧形板16，弧形板16与加强肋13和加强板14焊接加固，插接组件6焊接或者螺栓连接在筒顶的加厚部，桩腿插架61和支撑架64设置在弧形板16上，插槽63内设置卡块62，用于限位桩腿4，使得桩腿4便于与钢圆筒1同步振沉。
60.步骤二：钢圆筒1运输；
61.水下钢圆筒1各项尺寸检查合格后，开始转运至出运码头准备装船运输。
62.首先，钢圆筒1转运至出运码头，吊装前解除下段筒体胎架四周支撑管前端长孔上螺栓，并割除连接板，移回伸缩梁；使用两台门机配合将钢圆筒1吊运至码头，为便于钢圆筒1旋转定位，提前刷好油漆标识，并布置一处导向装置。
63.其次，运输船上安装加固钢圆筒支座，根据钢圆筒1尺寸定型制作运输固定制作，支座由钢支墩和实木组成，主要是用来与钢圆筒1内部胎架固定连接。
64.最后，运输至施工海域并定位，钢圆筒1运输至指定海域后，根据施工位置要求，就近开始抛锚驻位，驻位方向选择以风流影响较小为主，一般选择风速、流速主要方向的迎风和迎流面积小的方向为最佳驻位方向，主要是保障钢圆筒1运输船的稳定性，方便钢圆筒1振动锤组夹持效率。
65.步骤三：钢圆筒1振沉锤组组装；
66.水下钢圆筒1运输过程中，在现场开始组装钢圆筒1的振动锤组。
67.首先，在现场组装区域布设共振梁组装胎架，组装胎具的场地承载力必须满足要
求，并在布设胎架区域的地面铺设整体式钢板，在钢钢板上布设胎架。
68.其次，将振动梁依次吊放在胎架上，振动梁底板与胎架用工艺螺栓连接。安装后使用全站仪测量振动梁整体定位精度，满足设计要求后，刚性固定振动梁结构，完成振动梁安装。
69.再次，振动梁安装完成后，依次由振动梁外侧安装联系梁结构，安装过程中时时使用全站仪对其整体平面度进行测量，指导联系梁的安装。
70.最后，振动梁和联系梁焊接连接完成后，在振动梁上部依次安装振动锤，在其下部依次安装钢圆筒夹持器，并利用专用液压扳手将钢圆筒夹持器、钢圆筒夹持器连接板连接螺栓拧到额定扭矩。
71.步骤四：钢圆筒1沉桩；
72.运输船驻位后，起重船驻位，开始为起吊钢圆筒1和沉桩进行准备。
73.首先，起重船起吊钢圆筒1，起重船吊锤组起升至高于运输船舶上钢圆筒1顶高3倍振动梁高度范围内；通过平移及旋转起重船使锤组进入钢圆筒1筒顶正上方，使钢圆筒1贴近液压夹具导向板；钢圆筒1进入锤组夹持凹槽后，确认共振梁夹头与筒壁夹紧后，钢圆筒1开始起吊，起重船钩头吊重逐级加载，直至缓慢起升。起重人员密切注意钢圆筒1位置，防止相邻钢圆筒1发生磕碰。
74.其次，水下钢圆筒1振沉定位，在运输船上安装gps接收机、自动跟踪全站仪和计算机处理系统，以及在振沉系统刚性振动梁上安装适配反射棱镜和液位计，组成定位系统，监测钢圆筒1平面位置、筒顶高程和纵横向垂直度。钢圆筒1定位分为粗定位、精确定位和定位复核，确认准确无误后进行钢圆筒1自沉。
75.再次，水下钢圆筒1自沉，钢圆筒1齿刃部3距海底面5倍齿刃长度时，再次进行精确定位，满足设计要求后开始落钩自沉；自沉过程中严格控制钩头吊重，以水下钢圆筒1筒重/2π为一级减载，徐徐落钩，直至自沉完毕。
76.最后，水下钢圆筒1振动下沉，钢圆筒1自沉结束后，再次校核筒体垂直度和偏位，在允许范围内即可开锤振沉，钢圆筒1下沉过程中起重船吊钩必须始终处于受力状态，达到设计要求后停止振动，松开夹持器起吊振动锤组。
77.步骤五：导管架2基础桩腿固定；
78.水下钢圆筒1振沉到位后，开始导管架2与钢圆筒1的连接和固定。
79.首先，通过根据钢圆筒1施工定位坐标下放导管架平台，下放过程中要确保平台保持水平状态，根据钢丝绳的长度和平台距离水面的高度来确定导管架平台下放深度，距离水下钢圆筒1顶部50cm处悬停，调整水平姿态和转动平台确定导管架基础的桩腿4位置与插接组件6对应。
80.其次，继续下放导管架平台，直至无法下放后，通过前期振沉位置和专业测量仪器再次确认桩腿4是否置于插槽63的插入端中心位置，也可水平缓慢旋转平台，直至无法下放后平台开始逆时针旋转，如图5、图6所示，桩腿4通过万向轮41在插槽63内滑移，直至桩腿4旋转至无法旋转后即可确认导管架基础下放安装到位。
81.最后，通过桩腿4上的注浆孔42进行水下微膨胀混凝土浇筑，混凝土通过桩腿4内部空间直接从水上注浆至水下，注浆机保持一定压力，当水下混凝土的注浆量超过设计要求量的20%时停止灌浆，即可完成基础固定。
82.步骤六：钢圆筒1抛石覆盖。
83.当导管架基础固定完成且水下混凝土强度满足设计要求后，开始水下钢圆筒1内部与外部的抛石覆盖。
84.首先，通过专用抛石船并配置水下抛石溜管，开始钢圆筒1外部周边抛石覆盖，防止水下冲刷。抛石船围绕钢圆筒1旋转开始水下抛石，围绕旋转分成圆形条状施工，确保全年覆盖钢圆筒1而且距离钢圆筒1越远抛石厚度越薄。
85.其次，更换水下抛石溜管，开始钢圆筒1内部碎石抛填，通过四个顶点位置下放抛石溜管，根据抛石量适时旋转溜管方向，确保内部抛石到位。
86.最后，进行钢圆筒1顶部区域碎石抛填，主要目的是将钢圆筒1及其与导管架2的连接区域进行覆盖，防止水下冲刷。抛填通过四个主要顶点位置和钢圆筒1边界圆形条状抛石，根据水下抛填量来确认抛石弧厚度，满足设计要求的抛填量后即可完成水下碎石抛填，可进行平台顶部风塔连接前的准备工作。
87.本发明有效地解决了传统海上风电嵌岩桩基础施工的嵌岩深度大、施工效率低、外海作业时间长、成本投入大、专业设备投入较多等问题。
88.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
89.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
90.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
91.上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种海上风电用大型水下钢圆筒基础，其特征在于，包括钢圆筒（1）、导管架（2），钢圆筒（1）底部设有方便嵌岩的齿刃部（3），钢圆筒（1）振锤至水下泥面，钢圆筒（1）内壁顶部设有插接组件（6），用于固定导管架（2）底部的桩腿（4），且桩腿（4）和插接组件（6）之间的缝隙通过注浆加固，海上风机塔筒（5）固定在导管架（2）上；桩腿（4）呈倒漏斗形，且桩腿（4）底部安装有万向轮（41），桩腿（4）上贯穿有注浆孔（42）；插接组件（6）包括桩腿插架（61），桩腿插架（61）与桩腿（4）配合并焊接固定在钢圆筒（1）内壁顶部，桩腿插架（61）内设有插槽（63），插槽（63）一端内壁设有对桩腿（4）竖直方向限位的卡块（62），桩腿（4）经插槽（63）内的一端插入并通过万向轮（41）滑移至插槽（63）内的另一端，进而通过卡块（62）限位。2.根据权利要求1所述的一种海上风电用大型水下钢圆筒基础，其特征在于，钢圆筒（1）由若干竖向板（11）拼接而成，每块竖向板（11）由若干块钢板（12）拼接而成，竖向板（11）内壁上焊接有若干加强肋（13），加强肋（13）之间的拼接缝处均焊接有加强板（14）。3.根据权利要求2所述的一种海上风电用大型水下钢圆筒基础，其特征在于，钢圆筒（1）顶部设有加厚部，加厚部包括t型肋（15）和弧形板（16），若干t型肋（15）圆周均布且垂直焊接在钢圆筒（1）内壁顶部，若干弧形板（16）焊接在t型肋（15）远离钢圆筒（1）的侧壁上并拼接成圆形。4.根据权利要求3所述的一种海上风电用大型水下钢圆筒基础，其特征在于，桩腿插架（61）底部和钢圆筒（1）内壁之间焊接有支撑架（64）。5.一种根据权利要求4所述的海上风电用大型水下钢圆筒基础的施工方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：钢圆筒（1）制作；步骤二：钢圆筒（1）运输；步骤三：钢圆筒（1）振沉锤组组装；步骤四：钢圆筒（1）沉桩；步骤五：导管架（2）基础桩腿固定；步骤六：钢圆筒（1）抛石覆盖。

技术总结
本发明是一种海上风电用大型水下钢圆筒基础及其施工方法，钢圆筒基础包括钢圆筒、导管架，钢圆筒底部设有方便嵌岩的齿刃部，钢圆筒内壁顶部设有插接组件，用于固定导管架底部的桩腿，且桩腿和插接组件之间的缝隙通过注浆加固，海上风机塔筒固定在导管架上；施工方法包括钢圆筒制作；钢圆筒运输；钢圆筒振沉锤组组装；钢圆筒沉桩；导管架基础桩腿固定；钢圆筒抛石覆盖。本发明有效地解决了传统海上风电嵌岩桩基础施工的嵌岩深度大、施工效率低、外海作业时间长、成本投入大、专业设备投入较多等问题。问题。问题。


技术研发人员：刘明 杨合林 窦艳军 苏义如 索穆 许琳丽 沈家海 时聚临 王安
受保护的技术使用者：中交第一航务工程局有限公司 天津港航安装工程有限公司
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/7/17