技術領域：

本發(fā)明涉及水上樁基礎施工領域，尤其涉及一種海上潮間帶風電基礎沉樁限位架及其施工方法。

背景技術：
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我國潮間帶海域廣闊，適合建設海上風電場的資源比近海深水段區(qū)域更為豐富，但由于潮水漲落起伏的影響，潮間帶漲潮時平均水深只有1.5米，且一天中高水位持續(xù)時間只有兩三個小時，對風電基礎施工和安裝技術提出了新的要求。單樁基礎由于其重量大(一般樁徑大于4.5m、樁長40~70m、樁重250~600t)，需要大型起重及打樁設備，潮間帶水位無法供大型施工船進入，使得單樁基礎難以在潮間帶風電工程使用。

由于多樁導管架基礎鋼管樁尺寸及重量小，對施工設備要求低、技術較為成熟等特點，成為潮間帶風電工程的常用基礎類型。目前較為常用的多樁導管架的施工方法是先進行沉樁，但施工過程中難以保證樁與樁之間的準確位置，因此需要根據(jù)沉樁后的實際位置對導管架進行“量身定做”，該工藝需要多次移船駐位，導致施工效率低下、施工周期長。

中國專利授權公告號cn103981867b公布了一種潮間帶海上風電多樁導管架基礎沉樁施工方法，提出了一種橫截面形狀為圓形或多邊形且?guī)菟畟}的打樁限位架，通過打樁限位架對鋼管樁導向限位，保證了沉樁的垂直度，同時保證了每個基礎的各鋼管樁之間相對位置的精確性，實現(xiàn)了一次船舶駐位即可完成整臺風機基礎施工。但該技術所提的打樁限位架結構復雜、體積及重量大，限位架加工完成后沉樁數(shù)量及間距即已固定無法調節(jié)、不具有通用性，體內(nèi)設置多個容水倉其密閉性難以保證，且施工時需事先對沉樁區(qū)域灘面進行平整后再將打樁限位架平整的安放在灘面上，增加了額外的施工步驟，施工精度也難以保證。

可見，有必要探討簡單、實用的潮間帶海上風電工程多樁施工的精確定位裝置與施工方法，促進現(xiàn)有技術的革新與進步。

技術實現(xiàn)要素：
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為了彌補現(xiàn)有技術問題的不足，本發(fā)明的目的是提供一種海上潮間帶風電基礎沉樁限位架及其施工方法，其結構簡單、布置靈活、施工方便，為潮間帶風電工程的多樁精確定位與施工提供一種新方法。

本發(fā)明的技術方案如下：

海上潮間帶風電基礎沉樁限位架，其特征在于，包括中部的聯(lián)通管、限位架標準節(jié)、限位架非標準節(jié)、限位套筒，根據(jù)樁的數(shù)量及位置關系選擇相應的聯(lián)通管及限位架非標準節(jié)，聯(lián)通管各個管端部均連接有一個沉樁限位單元架；

每個沉樁限位單元架包括多個依次相連接的限位架標準節(jié)，最外端的限位架標準節(jié)端部依次連接有限位架非標準節(jié)、限位套筒；

每個沉樁限位單元架相對應位置的限位架標準節(jié)外壁上設有支架，支架上安裝有分布于限位架標準節(jié)兩側的浮筒。

所述的海上潮間帶風電基礎沉樁限位架，其特征在于，所述的聯(lián)通管呈正多邊形分布，根據(jù)沉樁的數(shù)量對應地分為三向聯(lián)通管、四向聯(lián)通管、五向聯(lián)通管、六向聯(lián)通管等，聯(lián)通管中部為對稱分布的鋼管，各鋼管的外端焊接有環(huán)形法蘭盤，且環(huán)形法蘭盤上對稱、均勻地設有螺栓孔。

所述的海上潮間帶風電基礎沉樁限位架，其特征在于，所述的限位架標準節(jié)整體呈軸對稱分布的圓柱體狀，由兩端的環(huán)形法蘭盤及二者之間對稱、均勻地焊接多個小鋼管構成。

所述的海上潮間帶風電基礎沉樁限位架，其特征在于，所述的限位套筒主體為鋼套筒，鋼套筒側壁通過鋼筒與環(huán)形法蘭盤焊接相連。

所述的海上潮間帶風電基礎沉樁限位架，其特征在于，所述的支架由三段半圓弧板構成，三段半圓護板呈對稱分布，中段半圓弧形板開口朝上且弧形尺寸與限位架標準節(jié)外輪廓尺寸相同，兩側半圓弧形板開口朝下且弧形尺寸與浮筒的外輪廓尺寸相同。

所述的海上潮間帶風電基礎沉樁限位架，其特征在于，所述的聯(lián)通管、限位架標準節(jié)、限位架非標準節(jié)、限位套筒上的環(huán)形法蘭盤與螺栓孔均相同，通過螺栓連接與固定相應螺栓孔實現(xiàn)各構件的相連。

所述的海上潮間帶風電基礎沉樁限位架，其特征在于，所述的沉樁限位架上限位套筒的內(nèi)徑大于待沉樁的外徑1~2cm。

一種海上潮間帶風電基礎沉樁限位架的施工方法，其特征在于，包括如下步驟：

1）、設計與制作沉樁限位架：

根據(jù)擬沉樁的直徑、數(shù)量及其相互位置關系，選擇相應限位套筒、聯(lián)通管的規(guī)格及限位架非標準節(jié)的長度，通過螺栓連接與固定相應螺栓孔實現(xiàn)各構件的相連，組裝形成沉樁限位架；并通過支架均勻、對稱地綁定多個浮筒，使沉樁限位架浮于海面；

2）、打入第一根樁：

在設計指定的潮間帶海域預先打入第一根樁，通過船舶把沉樁限位架浮于海面拉至施工現(xiàn)場，并把其中一個限位套筒套住已施工的第一根樁；

3）、打入第二根樁：

根據(jù)設計方案轉動調整沉樁限位架的位置，并起吊第二根樁套入與第一根樁相對稱的限位套筒中并打入海床；

4）、按照類似方法，依次打入其它各樁：

起吊第三根樁套入一個空置的限位套筒中并打入海床，再起吊第四根樁套入與第三根樁相對稱的限位套筒中并打入海床，以此類推把所有樁都基于限位架的限位套筒打入海床中；

5）、移除沉樁限位架：

完成各樁的打入施工后，取出沉樁限位架并浮于海面拉走，即完成多樁的準確打入海床施工工作。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明所提沉樁限位架能基于浮筒浮于海面，可通過繩索把沉樁限位架浮于海面拉至施工現(xiàn)場，不需船舶搭載與起吊設備，來去靈活，能很好地適應潮間帶的淺水位特征；

2、傳統(tǒng)的限位架使用靠液壓油缸提供動力的抱樁器，其在海上施工時需電力供應，且同一根樁至少需要兩個抱樁器才能保證樁的垂直度，設備復雜，使用過程繁瑣，而本發(fā)明所提沉樁限位架依靠限位套筒對樁進行固定，無需液壓油缸與電力，設備簡單，造價低廉；

3、傳統(tǒng)的限位架加工完成后沉樁數(shù)量及間距即已固定無法調節(jié)，不同的工程樁基設計方案需加工不同的限位架與之匹配，不具有通用性；而本發(fā)明所提的沉樁限位架，可根據(jù)不同的沉樁的直徑、數(shù)量及其相互位置關系，更換中部聯(lián)通管、限位套筒即可，結構布置靈活多變。

4、傳統(tǒng)的限位架一般呈軸對稱狀態(tài)，結構單一，難以滿足不規(guī)則情況下的沉樁需要；而本發(fā)明所提的沉樁限位架可根據(jù)需要組裝成不規(guī)則形狀，能適應非對稱情況下的沉樁需要，甚至能滿足多樁中樁徑不同的需要。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的限位架標準節(jié)結構示意圖。

圖2為本發(fā)明的四向聯(lián)通管結構示意圖。

圖3為本發(fā)明的限位套筒結構示意圖。

圖4為本發(fā)明的三向聯(lián)通管結構示意圖。

圖5為本發(fā)明的五向聯(lián)通管結構示意圖。

圖6為本發(fā)明的六向聯(lián)通管結構示意圖。

圖7為本發(fā)明的支架結構示意圖。

圖8為本發(fā)明的支架與浮筒連接示意圖。

圖9為本發(fā)明的支架與限位架連接示意圖。

圖10為本發(fā)明的浮筒組裝后結構示意圖。

圖11為本發(fā)明的各構件組裝示意圖。

圖12為本發(fā)明的等距四樁限位架軸測圖。

圖13為本發(fā)明的等距四樁限位架俯視圖。

圖14為本發(fā)明的不等距四樁限位架俯視圖。

圖15為本發(fā)明的等距三樁限位架軸測圖。

圖16為本發(fā)明的等距五樁限位架軸測圖。

圖17本發(fā)明的等距六樁限位架軸測圖。

圖18為本發(fā)明沉樁限位架與第一根樁連接示意圖。

圖19為本發(fā)明施工第二根樁示意圖。

圖20為本發(fā)明施工第三根樁示意圖。

圖21為本發(fā)明施工第四根樁示意圖。

圖22為本發(fā)明四根樁施工完畢后結構示意圖。

附圖標記說明：1、限位架標準節(jié)；2、環(huán)形法蘭盤；3、螺栓孔；4、四向聯(lián)通管；5、限位套筒；6、三向聯(lián)通管；7、五向聯(lián)通管；8、六向聯(lián)通管；9、支架；10、浮筒；11、限位架非標準節(jié)；12、螺栓；13、第一根樁；14、第二根樁；15、第三根樁；16、第四根樁；a、海平面；b、海床面。

具體實施方式：

參見附圖：

海上潮間帶風電基礎沉樁限位架，包括中部的聯(lián)通管、限位架標準節(jié)1、限位架非標準節(jié)11、限位套筒5，根據(jù)樁的數(shù)量及位置關系選擇相應的聯(lián)通管及限位架非標準節(jié)，聯(lián)通管各個管端部均連接由一個沉樁限位單元架；

每個沉樁限位單元架包括多個依次相連接的限位架標準節(jié)1，最外端的限位架標準節(jié)端部依次連接有限位架非標準節(jié)11、限位套筒5；

每個沉樁限位單元架相對應位置的限位架標準節(jié)外壁上設有支架9，支架9上安裝有分布于限位架標準節(jié)1兩側的浮筒。

根據(jù)樁的數(shù)量及位置關系選擇相應的聯(lián)通管及限位架非標準節(jié)11的長度，組裝成聯(lián)通管在中央、各樁位方向由多個限位架標準節(jié)1、一個限位架非標準節(jié)11與一個限位套筒5相連的沉樁限位架，且沉樁限位架上限位套筒5的數(shù)量和位置關系與待沉樁的數(shù)量和位置關系完全相同；沉樁限位架上通過支架9均勻、對稱地綁定多個浮筒10后能浮于海面，可通過船舶把浮于海面的沉樁限位架拉至施工現(xiàn)場。

一般中部的聯(lián)通管呈正多邊形分布，根據(jù)沉樁的數(shù)量對應地選擇不同構型的聯(lián)通管。如是四樁軸對稱分布，則選擇圖2所示的四向聯(lián)通管4；如是三樁軸對稱分布，則選擇圖4所示的三向聯(lián)通管6；如是五樁軸對稱分布，則選擇圖5所示的五向聯(lián)通管7；如是六樁軸對稱分布，則選擇圖6所示的六向聯(lián)通管8。當然，也可根據(jù)需要加工非軸對稱分布的特殊聯(lián)通管，以滿足特殊情況下的需要。聯(lián)通管中部為中空鋼管，各鋼管的外端焊接有環(huán)形法蘭盤2，且環(huán)形法蘭盤2上對稱、均勻地設有螺栓孔3。

限位架標準節(jié)1整體呈軸對稱分布的圓柱體狀，為兩個環(huán)形法蘭盤2之間對稱、均勻地焊接多個圓形空心小鋼管而成，如圖1所示。限位架標準節(jié)1的長度可取標準模數(shù)，如取80cm、100cm、120cm都可以。限位架標準節(jié)1可進行標準化、規(guī)格化制作。

限位架非標準節(jié)11與限位架標準節(jié)1的形狀完全相同，兩者僅長度不同?；鶚兜街胁柯?lián)通管中點之間的中心距離，可分解為一個中心聯(lián)通管的一半、整數(shù)倍個限位架標準節(jié)1、一個限位架非標準節(jié)11與一個限位套筒5的長度之和。故限位架非標準節(jié)11是為了對基樁準確定位而設置的機動性配件，其長度根據(jù)需要而定，不同工程的限位架非標準節(jié)11一般不相同，故需進行針對性加工與設計。通常，限位架非標準節(jié)11的長度小于限位架標準節(jié)1的長度。

限位套筒5主體為具有一定長度的中空鋼套筒，其側面中部通過鋼筒與環(huán)形法蘭盤2焊接相連，如圖3所示。限位套筒5上中空鋼套筒的內(nèi)徑大于待沉樁的外徑1~2cm。針對不同工程的不同樁徑，應設計與加工不同尺寸的限位套筒5與之匹配。限位套筒5的中空鋼套筒具有一定的長度，其對擬沉樁具有約束、定位作用，能保證擬沉樁的鉛錘度。中空鋼套筒的內(nèi)徑大于待沉樁的外徑1~2cm，能保證擬沉樁的順利插入與貫入。為了減少中空鋼套筒與擬沉樁之間的摩擦，可在中空鋼套筒的內(nèi)壁及擬沉樁的外壁上涂抹潤滑油。

支架9呈對稱分布，中部的弧形尺寸與限位架標準節(jié)的外輪廓尺寸相同，兩側的弧形尺寸與浮筒10的外輪廓尺寸相同，如圖7所示。圖8~圖10給出了支架9、浮筒10與限位架之間的連接關系。浮筒10為中空的鋼桶或塑料桶，為了節(jié)省造價，甚至可以采用廢舊但完好的大尺寸汽油桶。沉樁限位架上通過支架9均勻、對稱地綁定多個浮筒10后能浮于海面，可通過船舶把浮于海面的沉樁限位架拉至施工現(xiàn)場，不需船舶搭載與起吊設備，來去靈活，能很好地適應潮間帶的淺水位特征。

聯(lián)通管、限位架標準節(jié)1、限位架非標準節(jié)11、限位套筒5上的環(huán)形法蘭盤2與螺栓孔3完全相同，通過螺栓12連接與固定相應螺栓孔3實現(xiàn)各構件的相連，如圖12與圖13所示。

由于中部聯(lián)通管、限位架標準節(jié)1、限位架非標準節(jié)11、限位套筒5均呈對稱性，各構件的連接無方位性要求，故用螺栓12連接各構件的過程非常簡單。可根據(jù)需要組裝成對稱性限位架，也可組裝成非對稱性的特殊限位架。如圖13給出了四樁軸對稱分布的限位架，圖14給出了四樁非軸對稱、不等距分布的限位架。不管何種情況，均需保證沉樁限位架上限位套筒5的數(shù)量和位置關系與待沉樁的數(shù)量和位置關系完全相同?？梢姡景l(fā)明所提的限位架組裝靈活，形式多變，能夠滿足不同情況下的沉樁需要，甚至能滿足多樁中樁徑不同的需要。

不同工程、不同樁基分布方式，僅需更換相應的中部聯(lián)通管、限位架非標準節(jié)11、限位套筒5即可，而其它構件具有通用性。故本發(fā)明所提的限位架可以反復利用，結構布置靈活多變，能適應不同工程的需要。圖12給出了等距四樁限位架的軸測圖，圖15給出了等距三樁限位架的軸測圖，圖16給出了等距五樁限位架的軸測圖，圖17給出了等距六樁限位架的軸測圖。

傳統(tǒng)的限位架使用靠液壓油缸提供動力的抱樁器，其在海上施工時需電力供應，且同一根樁至少需要兩個抱樁器才能保證樁的垂直度，設備復雜，使用過程繁瑣。而本發(fā)明所提沉樁限位架依靠限位套筒對樁進行固定，無需液壓油缸與電力，設備簡單，造價低廉。

一種海上潮間帶風電基礎沉樁限位架的施工方法，詳細描述如下：

1）、設計與制作沉樁限位架：

根據(jù)擬沉樁的直徑、數(shù)量及其相互位置關系，選擇相應限位套筒5、聯(lián)通管的規(guī)格及限位架非標準節(jié)11的長度，通過螺栓12連接與固定相應螺栓孔3實現(xiàn)各構件的相連，組裝形成沉樁限位架。并通過支架9均勻、對稱地綁定多個浮筒10，使沉樁限位架浮于海面。

等距三樁限位架如圖15所示，等距四樁限位架如圖11所示，等距五樁限位架如圖16所示，等距六樁限位架如圖17所示，不等距四樁限位架如圖14所示。通過各構件的組裝，確保沉樁限位架上限位套筒5的數(shù)量和位置關系與待沉樁的數(shù)量和位置關系完全相同。

2）、打入第一根樁13：

在設計指定的潮間帶海域預先打入第一根樁13，通過船舶把沉樁限位架浮于海面拉至施工現(xiàn)場，并把其中一個限位套筒5套住已施工的第一根樁13，如圖18所示。

第一根樁13的鉛錘度應滿足要求，否則影響后續(xù)沉樁的精度。沉樁限位架套住第一根樁13，兩者共同形成整體，對后續(xù)沉樁形成固定與約束，確保后續(xù)沉樁的鉛錘度與位置準確。

3）、打入第二根樁14：

根據(jù)設計方案轉動調整沉樁限位架的位置，并起吊第二根樁14套入與第一根樁13相對稱的限位套筒5中并打入海床，如圖19所示。

打樁之前，應在待沉樁的外表涂抹潤滑油，減少樁與限位套筒5之間的摩擦，方便沉樁作業(yè)。選擇與第一根樁13相對稱的限位套筒5套入第二根樁14，是因為該方位沉樁限位架的約束剛度最大，有利于提高后續(xù)沉樁的精度。

施工第二根樁14時，沉樁限位架可能受到波浪的影響而發(fā)生浮動，進而影響沉樁作業(yè)。故第二根樁應選擇在風浪較小的時候進行施工。但完成多根樁施工后，沉樁限位架已與多根樁固定連接，后續(xù)施工受風浪的影響較小。

4）、按照類似方法，依次打入其它各樁：

起吊第三根樁15套入一個空置的限位套筒5中并打入海床，再起吊第四根樁16套入與第三根樁15相對稱的限位套筒5中并打入海床，以此類推把所有樁都基于限位架的限位套筒打入海床中，如圖20、圖21所示。

隨著沉樁數(shù)量的增多，沉樁限位架把更多的樁連接在一起，整體剛度更大，對后續(xù)施工的控制更有效。施工過程中應保持沉樁限位架的水平性，即不能發(fā)生傾斜與扭曲。

5）、移除沉樁限位架：

完成各樁的打入施工后，取出沉樁限位架并浮于海面拉走，即完成多樁的準確打入海床施工工作，如圖22所示。

由于施工過程中的變形與應力集中，若使沉樁限位架整體從各樁上方取出存在困難，可卸下各限位套筒5與限位架連接處的螺栓，逐個把限位套筒5取出，實現(xiàn)沉樁限位架的移除。

本發(fā)明不局限于上述具體實施方式，根據(jù)上述內(nèi)容，按照本領域的普通技術知識和慣用手段，在不脫離本發(fā)明上述基本技術思想前提下，本發(fā)明還可以做出其它多種形式的等效修改、替換或變更，均落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。