技術領域：

本發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：
：

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帶容水倉的打樁限位架，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量及間距即已固定無法調節、不具有通用性，體內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，促進現有技術的革新與進步。

技術實現要素：
：

為了彌補現有技術問題的不足，本發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，包括中部的聯通管、限位架標準節、限位架非標準節、限位套筒，根據樁的數量及位置關系選擇相應的聯通管及限位架非標準節，聯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，最外端的限位架標準節端部依次連接有限位架非標準節、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外壁上設有支架，支架上安裝有分布于限位架標準節兩側的浮筒。

所述的海上潮間帶風電基礎沉樁限位架，其特征在于，所述的聯通管呈正多邊形分布，根據沉樁的數量對應地分為三向聯通管、四向聯通管、五向聯通管、六向聯通管等，聯通管中部為對稱分布的鋼管，各鋼管的外端焊接有環形法蘭盤，且環形法蘭盤上對稱、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整體呈軸對稱分布的圓柱體狀，由兩端的環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，所述的聯通管、限位架標準節、限位架非標準節、限位套筒上的環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：

根據擬沉樁的直徑、數量及其相互位置關系，選擇相應限位套筒、聯通管的規格及限位架非標準節的長度，通過螺栓連接與固定相應螺栓孔實現各構件的相連，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。

本發明的有益效果是：

1、本發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、傳統的限位架加工完成后沉樁數量及間距即已固定無法調節，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；而本發明所提的沉樁限位架，可根據不同的沉樁的直徑、數量及其相互位置關系，更換中部聯通管、限位套筒即可，結構布置靈活多變。

4、傳統的限位架一般呈軸對稱狀態，結構單一，難以滿足不規則情況下的沉樁需要；而本發明所提的沉樁限位架可根據需要組裝成不規則形狀，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為本發明的限位架標準節結構示意圖。

圖2為本發明的四向聯通管結構示意圖。

圖3為本發明的限位套筒結構示意圖。

圖4為本發明的三向聯通管結構示意圖。

圖5為本發明的五向聯通管結構示意圖。

圖6為本發明的六向聯通管結構示意圖。

圖7為本發明的支架結構示意圖。

圖8為本發明的支架與浮筒連接示意圖。

圖9為本發明的支架與限位架連接示意圖。

圖10為本發明的浮筒組裝后結構示意圖。

圖11為本發明的各構件組裝示意圖。

圖12為本發明的等距四樁限位架軸測圖。

圖13為本發明的等距四樁限位架俯視圖。

圖14為本發明的不等距四樁限位架俯視圖。

圖15為本發明的等距三樁限位架軸測圖。

圖16為本發明的等距五樁限位架軸測圖。

圖17本發明的等距六樁限位架軸測圖。

圖18為本發明沉樁限位架與第一根樁連接示意圖。

圖19為本發明施工第二根樁示意圖。

圖20為本發明施工第三根樁示意圖。

圖21為本發明施工第四根樁示意圖。

圖22為本發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；2、環形法蘭盤；3、螺栓孔；4、四向聯通管；5、限位套筒；6、三向聯通管；7、五向聯通管；8、六向聯通管；9、支架；10、浮筒；11、限位架非標準節；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，包括中部的聯通管、限位架標準節1、限位架非標準節11、限位套筒5，根據樁的數量及位置關系選擇相應的聯通管及限位架非標準節，聯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1，最外端的限位架標準節端部依次連接有限位架非標準節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外壁上設有支架9，支架9上安裝有分布于限位架標準節1兩側的浮筒。

根據樁的數量及位置關系選擇相應的聯通管及限位架非標準節11的長度，組裝成聯通管在中央、各樁位方向由多個限位架標準節1、一個限位架非標準節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的數量和位置關系與待沉樁的數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場。

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

限位架標準節1整體呈軸對稱分布的圓柱體狀，為兩個環形法蘭盤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1的長度可取標準模數，如取80cm、100cm、120cm都可以。限位架標準節1可進行標準化、規格化制作。

限位架非標準節11與限位架標準節1的形狀完全相同，兩者僅長度不同。基樁到中部聯通管中點之間的中心距離，可分解為一個中心聯通管的一半、整數倍個限位架標準節1、一個限位架非標準節11與一個限位套筒5的長度之和。故限位架非標準節11是為了對基樁準確定位而設置的機動性配件，其長度根據需要而定，不同工程的限位架非標準節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11的長度小于限位架標準節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。

聯通管、限位架標準節1、限位架非標準節11、限位套筒5上的環形法蘭盤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實現各構件的相連，如圖12與圖13所示。

由于中部聯通管、限位架標準節1、限位架非標準節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的數量和位置關系與待沉樁的數量和位置關系完全相同。可見，本發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通管、限位架非標準節11、限位套筒5即可，而其它構件具有通用性。故本發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：

根據擬沉樁的直徑、數量及其相互位置關系，選擇相應限位套筒5、聯通管的規格及限位架非標準節11的長度，通過螺栓12連接與固定相應螺栓孔3實現各構件的相連，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的數量和位置關系與待沉樁的數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，對后續沉樁形成固定與約束，確保后續沉樁的鉛錘度與位置準確。

3）、打入第二根樁14：

根據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。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生浮動，進而影響沉樁作業。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，實現沉樁限位架的移除。

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