一种海上多桩限位架及其施工方法与流程

技术领域：

本发明涉及水上桩基础施工领域，尤其涉及一种海上多桩限位架及其施工方法。

背景技术：
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我国潮间带海域广阔，适合建设海上风电场的资源比近海深水段区域更为丰富，但由于潮水涨落起伏的影响，潮间带涨潮时平均水深只有1.5米，且一天中高水位持续时间只有两三个小时，对风电基础施工和安装技术提出了新的要求。单桩基础由于其重量大(一般桩径大于4.5m、桩长40~70m、桩重250~600t)，需要大型起重及打桩设备，潮间带水位无法供大型施工船进入，使得单桩基础难以在潮间带风电工程使用。

由于多桩导管架基础钢管桩尺寸及重量小，对施工设备要求低、技术较为成熟等特点，成为潮间带风电工程的常用基础类型。传统的多桩导管架基础有两种主流施工工艺：第一种是导管架先沉放海底，然后打桩，该方法需要每打一根桩调平一次，施工效率较低；第二种是先打多桩，然后根据多桩位置定制相应导管架，施工耗时较长，施工效率也低。

若能够设计一种多桩限位架，使各桩施工过程中能准确打入相应的设计位置，桩施工后不需调平，导管架也可按原始设计尺寸预制而不需等待桩施工结束后进行定制，则可大大提高多桩的施工效率。

可见，有必要研究简单、实用的海上多桩施工的精确定位装置与施工方法，促进现有技术的革新与进步。

技术实现要素：
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为了弥补现有技术问题的不足，本发明的目的是提供一种海上多桩限位架及其施工方法，其结构简单，两轴可相互旋转，使用方便，为潮间带风电工程的多桩精确定位与施工提供一种新方法。

本发明的技术方案如下：

海上多桩限位架，其特征在于，包括中心旋转节、限位架标准节、限位架非标准节、限位套筒，根据桩的直径及位置关系选择相应限位架非标准节与限位套筒的尺寸；

所述中心旋转节两个相同桁架上下倒扣转动安装在中空旋转轴上构成；中心旋转节每根桁架两端均连接有桩限位单元架，桩限位单元架由多个限位架标准节、一个限位架非标准节与一个限位套筒依次连接构成；

每个桩限位单元架对应位置的限位架标准节外壁上均安装有辅助支架，辅助支架上安装有浮筒。

所述的海上多桩限位架，其特征在于，所述的中心旋转节由桁架四角方管、纵横交接的内部方管焊接而成，且中间段是两端高度的一半，中间段预留孔洞供中空旋转轴穿越，整体呈对称状态；桁架两端的四角上均匀、对称的焊接有8个螺栓套孔。

所述的海上多桩限位架，其特征在于，所述的限位架标准节四角方管、内纵横交接的内部方管焊接而成，两端的四角上均匀、对称的焊接有8个螺栓套孔，整体呈对称状态；限位架非标准节的外形与构造与限位架标准节相同，其长度小于限位架标准节。

所述的海上多桩限位架，其特征在于，所述的限位套筒主体为钢套筒，其侧壁中部通过钢筒与方形法兰盘焊接相连，法兰盘的四角上均匀、对称的焊接有8个螺栓套孔。

所述的海上多桩限位架，其特征在于，所述的中心旋转节、限位架标准节、限位架非标准节的端部断面尺寸与限位套筒上方形法兰盘的尺寸完全相同，各构件上的螺栓套孔位置完全匹配与对应，各构件通过螺栓连接与固定相应螺栓套孔实现相互相连。

所述的海上多桩限位架，其特征在于，所述的辅助支架包括向上开口的矩形框，矩形框开口端两端连接弧口向下的半圆板构成，整体呈对称分布，矩形框内壁与限位架标准节外轮廓尺寸相同，半圆板内壁与浮桶的外轮廓尺寸相同。

所述的海上多桩限位架，其特征在于，所述的限位套筒的中空内径大于待沉桩的外径1~2cm。

一种海上多桩限位架的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）、设计与制作多桩限位架：

根据拟沉桩的直径及其相互位置关系，选择相应限位套筒与限位架非标准节的尺寸，通过螺栓连接与固定相应螺栓套孔实现各构件的相连，组装成中心旋转节在中央、四个方向由多个限位架标准节、一个限位架非标准节与一个限位套筒相连的多桩限位架，组装后形成相交的两轴可绕中空旋转轴旋转，且多桩限位架上限位套筒的中心到中心旋转节的中心距离与拟沉桩的设计位置尺寸完全相同，通过辅助支架均匀、对称地绑定多个浮筒，使多桩限位架浮于海面；

2）、打入第一根桩：

在设计指定的海域预先打入第一根桩，通过船舶把多桩限位架浮于海面拉至施工现场，把其中一个限位套筒套住已施工的第一根桩，并在多桩限位架的中空旋转轴内打入中心定位桩；

3）、打入第二根桩：

起吊第二根桩套入与第一根桩相对称的限位套筒中并打入海床；

4）、打入第三根桩：

旋转多桩限位架的另一轴使其达到第三根桩的位置并进行固定，起吊第三根桩套入相应限位套筒中并打入海床。

5）、打入第四根桩：

起吊第四根桩套入与第三根桩相对称的限位套筒中并打入海床；

6）、按照类似方法，依次打入其它各桩：

若待沉桩数量大于四根，可取出多桩限位架一轴上的两个限位套筒，旋转该轴使其到达后续待沉桩的位置，按上述类似方法起吊待沉桩套入限位套筒并打入海床，直至把所有桩都基于限位架的限位套筒打入海床中；

7）、移除多桩限位架：

完成各桩的打入施工后，取出多桩限位架并浮于海面拉走，并移除中心定位桩，即完成多桩的准确打入海床施工作业。

本发明的有益效果是：

1、本发明能基于浮筒浮于海面，可通过绳索把多桩限位架浮于海面拉至施工现场，不需船舶搭载与起吊设备，来去灵活，能很好地适应潮间带的浅水位特征；

2、传统的限位架使用靠液压油缸提供动力的抱桩器，其在海上施工时需电力供应，且同一根桩至少需要两个抱桩器才能保证桩的垂直度，设备复杂，使用过程繁琐；而本发明依靠限位套筒对桩进行固定，无需液压油缸与电力，设备简单，造价较低；

3、传统的限位架加工完成后沉桩数量及间距即已固定无法调节，不同工程的桩基设计方案需加工不同的限位架与之匹配，不具有通用性；而本发明可根据不同的沉桩的直径、数量及其相互位置关系，更换相应限位套筒与限位架非标准节的尺寸即可，组装方式灵活多变，具有通用性。

4、本发明能绕中心旋转节旋转，能适应不同基桩数量、不同布置方式的多桩基础，适用性强，使用简便。

附图说明：

图1为本发明的限位架标准节结构示意图。

图2为本发明的限位架非标准节结构示意图。

图3为本发明的限位架中心旋转节结构示意图。

图4为本发明的限位架中心旋转节内部结构示意图。

图5为本发明的限位架中心旋转节转动示意图。

图6为本发明的限位套筒结构示意图。

图7为本发明的辅助支架结构示意图。

图8为本发明的辅助支架与限位架连接示意图。

图9为本发明的辅助支架与浮桶连接示意图。

图10为本发明的浮桶组装后结构示意图。

图11为本发明的各构件组装示意图。

图12为本发明的限位架轴测图。

图13为本发明的限位架俯视图。

图14为本发明的不等距限位架俯视图。

图15为本发明施工第一根桩示意图。

图16为本发明施工第二根桩示意图。

图17为本发明施工第三根桩示意图。

图18为本发明施工第四根桩示意图。

图19为本发明四根桩施工完毕后结构示意图。

附图标记说明：1、限位架标准节；2、螺栓套孔；3、限位架非标准节；4、中心旋转节；5、中空旋转轴；6、旋转范围；7、限位套筒；8、辅助支架；9、螺栓；10、浮桶；11、中心定位桩；12、第一根桩；13、第二根桩；14、第三根桩；15、第四根桩；a、海平面；b、海床面。

具体实施方式：

参见附图：

一种海上多桩限位架，包括中心旋转节4、限位架标准节1、限位架非标准节3、限位套筒7，根据桩的直径及位置关系选择相应限位架非标准节3与限位套筒7的尺寸，组装成中心旋转节4在中央、四个方向由多个限位架标准节1、一个限位架非标准节3与一个限位套筒7相连的多桩限位架，组装后形成相交的两轴可绕中空旋转轴5旋转，且多桩限位架上限位套筒7的中心到中心旋转节4的中心距离与拟沉桩的设计位置尺寸完全相同；多桩限位架上通过辅助支架8均匀、对称地绑定多个浮筒10后能浮于海面，可通过船舶把浮于海面的多桩限位架拉至施工现场。

中心旋转节4由两个相同的桁架上下倒扣连接在中空旋转轴5上，两个桁架可绕中空旋转轴5实现旋转，如图3~图5所示。桁架四角由尺寸较大的空心方管、内部纵横交接尺寸较小的空心方管焊接而成，且中间段是两端高度的一半，中间段预留孔洞供中空旋转轴5穿越，整体呈对称状态。桁架两端的四角上均匀、对称的焊接有8个螺栓套孔2。桁架中部不同方向设有多块钢板，以适应应力集中需要。

中心旋转节4上两个独立桁架可绕中空旋转轴5旋转，其旋转幅度大于45º，如图5所示。具体的旋转范围6与桁架的详细尺寸有关系。该活动机构可使多桩限位架的两轴能够相互旋转，从而能够达到各个位置的沉桩点，使用灵活多变。

限位架标准节1四角由尺寸较大的空心方管、内部纵横交接尺寸较小的空心方管焊接而成，两端的四角上均匀、对称的焊接有8个螺栓套孔2，整体呈对称状态，如图1所示。限位架标准节1的长度可取标准模数，如取80cm、100cm、120cm都可以。限位架标准节1可进行标准化、规格化制作。

限位架非标准节3与限位架标准节1的材料、形状完全相同，两者仅长度不同，其长度小于限位架标准节1，如图2所示。基桩到中心旋转节4中点之间的中心距离，可分解为一个中心旋转节4的一半、整数个限位架标准节1、一个限位架非标准节3与一个限位套筒7的长度之和。故限位架非标准节3是为了对基桩准确定位而设置的机动性配件，其长度根据需要而定，不同工程的限位架非标准节3一般不相同，故需进行针对性加工与设计。

限位套筒7主体为具有一定长度的中空钢套筒，其侧面中部通过钢筒与方形法兰盘焊接相连，法兰盘的四角上均匀、对称的焊接有8个螺栓套孔2，如图6所示。限位套筒7上中空钢套筒的内径大于待沉桩的外径1~2cm。针对不同工程的不同桩径，应设计与加工不同尺寸的限位套筒7与之匹配。限位套筒7的中空钢套筒具有一定的长度，其对拟沉桩具有约束、定位作用，能保证拟沉桩的铅锤度。中空钢套筒的内径大于待沉桩的外径1~2cm，是为了保证拟沉桩的顺利插入与贯入。为了减少中空钢套筒与拟沉桩之间的摩擦，可在中空钢套筒的内壁及拟沉桩的外壁上涂抹润滑油。

辅助支架8呈对称分布，中部的矩形尺寸与限位架标准节1的外轮廓尺寸相同，两侧的弧形尺寸与浮桶10的外轮廓尺寸相同，如图7所示。图8~图10给出了辅助支架8、浮桶10与限位架之间的连接关系。浮桶10为中空的钢桶或塑料桶，为了节省造价，甚至可以采用废旧但完好的大尺寸汽油桶。多桩限位架上通过辅助支架8均匀、对称地绑定多个浮筒10后能浮于海面，可通过船舶把浮于海面的多桩限位架拉至施工现场，不需船舶搭载与起吊设备，来去灵活，能很好地适应潮间带的浅水位特征。

中心旋转节4、限位架标准节1、限位架非标准节3的端部断面尺寸与限位套筒7上方形法兰盘的尺寸完全相同，各构件上的螺栓套孔2位置完全匹配与对应，各构件通过螺栓9连接与固定相应螺栓套孔2实现相互相连，如图11与图12所示。

由于中心旋转节4、限位架标准节1、限位架非标准节3、限位套筒7均呈对称性，各构件的连接无方位性要求，故用螺栓9连接各构件的过程非常简单。可根据需要组装成对称性限位架，也可组装成非对称性的特殊限位架。如图13给出了两轴尺寸完全相同的对称分布的限位架，图14给出了两轴非对称、不等距分布的限位架。不管何种情况，均需保证多桩限位架上限位套筒7的位置关系与待沉桩的位置关系完全相同。可见，本发明所提的限位架组装灵活，形式多变，能够满足不同情况下的沉桩需要，甚至能满足多桩中桩径不同的需要。

不同工程、不同桩基分布方式，仅需更换相应的限位架非标准节3、限位套筒7即可，而其它构件具有通用性。故本发明所提的限位架可以反复利用，结构布置灵活多变，能适应不同工程的需要。

传统的限位架使用靠液压油缸提供动力的抱桩器，其在海上施工时需电力供应，且同一根桩至少需要两个抱桩器才能保证桩的垂直度，设备复杂，使用过程繁琐。而本发明所提多桩限位架依靠限位套筒对桩进行固定，无需液压油缸与电力，设备简单，造价较低。

一种海上多桩限位架的施工方法，详细描述如下：

1）、设计与制作多桩限位架：

根据拟沉桩的直径及其相互位置关系，选择相应限位套筒7与限位架非标准节3的尺寸，通过螺栓9连接与固定相应螺栓套孔2实现各构件的相连，组装成中心旋转节4在中央、四个方向由多个限位架标准节1、一个限位架非标准节3与一个限位套筒7相连的多桩限位架，组装后形成相交的两轴可绕中空旋转轴5旋转，且多桩限位架上限位套筒7的中心到中心旋转节4的中心距离与拟沉桩的设计位置尺寸完全相同，如图12所示。通过辅助支架8均匀、对称地绑定多个浮筒10，使多桩限位架浮于海面。

通过各构件的组装，确保多桩限位架上限位套筒7的位置关系与待沉桩的位置关系完全相同，实现各桩的准确定位。

2）、打入第一根桩12：

在设计指定的海域预先打入第一根桩12，通过船舶把多桩限位架浮于海面拉至施工现场，把其中一个限位套筒7套住已施工的第一根桩12，并在多桩限位架的中空旋转轴5内打入中心定位桩11，如图15所示。

第一根桩12的铅锤度应满足要求，否则影响后续沉桩的精度。多桩限位架套住第一根桩12，并与中心定位桩11共同形成整体，对后续沉桩形成固定与约束，确保后续沉桩的铅锤度与位置准确。

3）、打入第二根桩13：

起吊第二根桩13套入与第一根桩12相对称的限位套筒7中并打入海床，如图16所示。第二根桩13与第一根桩12同位于多桩限位架的一轴上，约束刚度大，有利于提高沉桩精度。打桩之前，应在待沉桩的外表涂抹润滑油，减少桩与限位套筒7之间的摩擦，方便沉桩作业。

施工第二根桩13时，多桩限位架已被第一根桩12与中心定位桩11共同约束与固定，故其铅锤度与位置准确性能得到保证。

4）、打入第三根桩14：

旋转多桩限位架的另一轴使其达到第三根桩的位置并进行固定，起吊第三根桩14套入相应限位套筒7中并打入海床，如图17所示。

此时，中心定位桩11、第一根桩12与第二根桩13共同对多桩限位架进行约束与固定，多桩限位架整体刚度大。

5）、打入第四根桩15：

起吊第四根桩15套入与第三根桩14相对称的限位套筒7中并打入海床，如图18与图19所示。

此时，中心定位桩11、第一根桩12、第二根桩13与第三根桩14共同对多桩限位架进行约束与固定，多桩限位架整体刚度达到最大值。

6）、按照类似方法，依次打入其它各桩：

若待沉桩数量大于四根，可取出多桩限位架一轴上的两个限位套筒7，旋转该轴使其到达后续待沉桩的位置并进行固定，按上述类似方法起吊待沉桩套入限位套筒并打入海床，直至把所有桩都基于限位架的限位套筒打入海床中。

7）、移除多桩限位架：

完成各桩的打入施工后，取出多桩限位架并浮于海面拉走，并移除中心定位桩13，即完成多桩的准确打入海床施工作业。

由于施工过程中的变形与应力集中，若使多桩限位架整体从各桩上方取出存在困难，可卸下各限位套筒7与限位架连接处的螺栓，逐个把限位套筒7取出，实现多桩限位架的移除。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之内。