一种基于自升式平台船的水下稳桩系统及沉桩方法
阅读说明：本技术 一种基于自升式平台船的水下稳桩系统及沉桩方法 (Underwater pile stabilizing system and pile sinking method based on self-elevating platform ship ) 是由 张继彪 陆泽城 时蓓玲 胡灵斌 李靖 韦奋祥 夏月 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于自升式平台船的水下稳桩系统,包括自升式平台船和稳桩平台。自升式平台船上在两根前桩腿的前后方各自对称地设置两台铰车。稳桩平台包括平台框架、四个浮桶、两对抱桩器、四根打桩导向套管；平台框架的宽度小于自升式平台船的两根前桩腿的间距；四个浮桶均布地设在平台框架内；两对抱桩器对称地设在平台框架的宽度方向的两端,每对抱桩器均包括上抱臂和下抱臂,上抱臂和下抱臂各自铰接在平台框架的上、下层边钢管上,上抱臂通过上翻转机构可向下翻转,下抱臂通过下翻转机构可向上翻转；四根打桩导向套管通过水平向伸缩机构均布地安装在平台框架的边缘。本发明还公开了一种沉桩方法。本发明能提高沉桩精度和沉桩作业的效率。(The invention discloses an underwater pile stabilizing system based on a self-elevating platform ship. Two winches are respectively and symmetrically arranged in front of and behind two front pile legs on the self-elevating platform ship. The pile stabilizing platform comprises a platform frame, four floating barrels, two pairs of pile grippers and four pile driving guide sleeves; the width of the platform frame is smaller than the distance between two front pile legs of the self-elevating platform ship; the four floating barrels are uniformly distributed in the platform frame; the two pairs of pile grippers are symmetrically arranged at two ends of the platform frame in the width direction, each pair of pile grippers comprises an upper pile gripper arm and a lower pile gripper arm, the upper pile gripper arm and the lower pile gripper arm are respectively hinged on the upper layer edge steel pipe and the lower layer edge steel pipe of the platform frame, the upper pile gripper arm can be turned downwards through an upper turning mechanism, and the lower pile gripper arm can be turned upwards through a lower turning mechanism; four piling guide sleeves are uniformly arranged at the edge of the platform frame through a horizontal telescopic mechanism. The invention also discloses a pile sinking method. The invention can improve pile sinking precision and pile sinking operation efficiency.)
技术领域
本发明涉及一种基于自升式平台船的水下稳桩系统及沉桩方法。
背景技术
目前，在建造海上风机基础时，需要先将多根工程桩沉桩到海底，这时，要先通过吊装，将工程桩吊至沉桩点，然后再进行沉桩。为了使工程桩能顺利入泥插桩及沉桩过程中确保桩身垂直度在3‰以内，往往要利用稳桩平台对工程桩进行稳桩。有采用自升式平台船进行插桩及沉桩施工。随着海上风机项目逐渐向深远海靠近，自升式平台船沉桩的深度越来越大，难度逐渐增加，由于波浪流等原因导致稳桩困难，沉桩精度较低，经常出现沉桩失败的情况，施工费用较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种基于自升式平台船的水下稳桩系统及沉桩方法，它能借助自升式平台船上的桩腿和绞车实现精确下沉，达到稳桩目的，从而能提高沉桩精度和沉桩施工效率。
实现本发明目的的一种技术方案是：一种基于自升式平台船的水下稳桩系统，包括自升式平台船、稳桩平台、姿态监测系统和操控系统；
所述自升式平台船通过两根前桩腿和两根后桩腿站立在海床上；该自升式平台船的甲板上在两根前桩腿的前后方各自对称地设置两台铰车；该自升式平台船的甲板的前端还设置打桩器；
所述稳桩平台包括平台框架、四个浮桶、两对抱桩器和四根打桩导向套管；其中，
所述平台框架是由圆形钢管构成的空间桁架结构，并且该平台框架的宽度小于自升式平台船的两根前桩腿的间距；
四个浮桶均布地设在平台框架内，每个浮桶的下部均设有进排水口阀门；
两对抱桩器对称地设在平台框架的宽度方向的两端，每对抱桩器均包括呈半圆环的上抱臂和下抱臂，上抱臂和下抱臂一一对应地铰接在平台框架的上层边钢管上和下层边钢管上，上抱臂通过上翻转机构可向下翻转，下抱臂通过下翻转机构可向上翻转；上抱臂的内壁面上和下抱臂的内壁面上各自相对地设置一对抱爪；
四根打桩导向套管通过水平向伸缩机构均布地安装在平台框架的边缘并各自与两对抱桩器错开45°；
所述姿态监测系统安装在所述稳桩平台上；
所述操控系统通过信号线分别与四台绞车、四个浮桶上的进排水口阀门、两对抱桩器、上翻转机构、下翻转机构、水平向伸缩机构和姿态监测系统连接；
所述稳桩平台在水面上被拖入所述自升式平台船的两根前桩腿之间后，通过两对抱桩器与两根前桩腿初步限位，通过自升式平台船上的四个绞车各自通过缆绳与所述稳桩平台连接，使稳桩平台沿两根前桩腿下放或提升；当稳桩平台下放至设计标高位置时，通过两对抱桩器抱紧两根前桩腿，使稳桩平台固定在自升式平台船的两根前桩腿之间。
上述的基于自升式平台船的水下稳桩系统，其中，所述平台框架呈十字形，所述四根打桩导向套管一一对应地设在平台框架的四个凹进的角部。
上述的基于自升式平台船的水下稳桩系统，其中，所述抱爪带有伸缩机构。
实现本发明目的的另一种技术方案是：一种基于自升式平台船的沉桩方法，采用上述本发明的基于自升式平台船的水下稳桩系统实现，并包括以下步骤：
步骤一，自升式平台船就位后，利用吊机把稳桩平台整体下水，此时稳桩平台在浮桶的作用下处于漂浮状态，此时两对抱桩器处于收缩状态，且四根打桩导向套管也处于回收状态，此时整个稳桩平台的最大宽度小于自升式平台船的两根前桩腿的间距；
步骤二，利用辅助船舶，将稳桩平台拖带到自升式平台船下方的指定位置，再展开两对抱桩器，将两对抱桩器一一对应地与两根前桩腿初步限位，此时稳桩平台应能小范围平移并能沿两根前桩腿上下运动，使两根前桩腿为稳桩平台的下沉做限位导向，然后伸出打桩导向套管至设定位置；
步骤三，先将自升式平台船甲板上的四台铰车各自通过缆绳各自与稳桩平台连接，用于下放或提升稳桩平台，再打开四个浮桶下部的进排水口阀门，使海水进入浮桶，稳桩平台的浮力消失，由四台铰车同步配合，下放稳桩平台；当稳桩平台下放至设计标高位置时，停止下放，打开两对抱桩器，使稳桩平台与自升平台船的两根前桩腿固定，此时将工程桩吊入打桩导向套管内，通过自升式平台船上的打桩器进行沉桩作业；
步骤四，沉桩作业完成后，打开两对抱桩器，由四台铰车通过缆绳提升稳桩平台，稳桩平台提升至水面以上，等四个浮桶内的海水排尽，关闭进排水口阀门，再将稳桩平台下放到水面上，此时稳桩平台处于漂浮状态；解除稳桩平台上的缆绳，再收起两对抱桩器，并收缩四根打桩导向套管，再利用辅助船拖出稳桩平台，回收即可完成作业。
上述的基于自升式平台船的沉桩方法，其中，进行所述步骤三和步骤四时，所述操控系统根据姿态监测系统检测稳桩平台的姿态信息控制各台铰车下放缆绳的速度，以保证稳桩平台平稳提升和下放。
本发明的基于自升式平台船的水下稳桩系统及沉桩方法具有以下特点：
1)本发明的水下稳桩系统中的稳桩平台借助自升式平台船的桩腿能在沉桩作业过程中进行稳桩；
2)本发明的水下稳桩系统中的稳桩平台具有极易实现的自浮性，在吊装设备辅助下能完成与自升式平台船的桩腿的抱桩作业，且能与自升式平台船的桩腿实现固定；
3)本发明的水下稳桩系统中的稳桩平台能借助自升式平台船上的绞车实现精确下沉，达到稳桩目的，从而能提高沉桩精度；
4)本发明的水下稳桩系统中的稳桩平台一次下沉即可打设四根工程桩，既能打单桩也能打导管架基础桩，并能精确定位桩位
5)本发明的水下稳桩系统中的稳桩平台结构简单，回收方便，从而能有利于提高沉桩作业的效率。
6)本发明的沉桩方法，能提高效率和沉桩的精度。
附图说明
图1是本发明的基于自升式平台船的水下稳桩系统的结构示意图；
图2是本发明的水下稳桩系统中的稳桩平台的结构示意图；
图3是本发明的基于自升式平台船的沉桩方法中进行步骤二的状态图；
图4是本发明的基于自升式平台船的沉桩方法中进行步骤三的状态图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1至图4，本发明的基于自升式平台船的水下稳桩系统，包括自升式平台船10、稳桩平台20、操控系统和姿态检测系统。
自升式平台船10通过两根前桩腿11和两根后桩腿12站立在海床上；该自升式平台船10的甲板上在两根前桩腿11的前后方各自对称地设置两台铰车31；该自升式平台船10的甲板的前端还设置打桩器(图中未示)。
稳桩平台20包括平台框架21、四个浮桶22、两对抱桩器23和四根打桩导向套管24；其中，
平台框架21是由圆形钢管构成的空间桁架结构，并且该平台框架21的宽度小于自升式平台船10的两根前桩腿11的间距；
四个浮桶22均布地设在平台框架21内，每个浮桶22的下部均设有进排水口阀门；
两对抱桩器23对称地设在平台框架21的宽度方向的两端，每对抱桩器23均包括呈半圆环的上抱臂231和下抱臂232，上抱臂231的内壁面上和下抱臂232的内壁面上各自相对地设置一对抱爪230，每个抱爪230均带有伸缩机构；上抱臂231和下抱臂232一一对应地铰接在平台框架21的上层边钢管上和下层边钢管上，上抱臂231通过上翻转机构233以上边钢管为铰轴由水平方向向下翻转90°，下抱臂232通过下翻转机构234以下边钢管为铰轴由水平方向向上翻转90°；上翻转机构233和下翻转机构234可以是油缸、气缸等机构；
四根打桩导向套管24通过水平向伸缩机构240均布地安装在平台框架21的边缘并各自与两对抱桩器23错开45°；水平向伸缩机构240也可以是油缸、气缸等机构；
平台框架21的平面形状呈十字形、正方形或圆形；
本实施例的平台框架21的平面形状呈十字形，是由长度向条框和宽度向条框垂直交叉构成的，两对抱桩器23一一对应地设在该平台框架21的宽度向条框的两端；四根打桩导向套管24一一对应地设在该平台框架21的四个凹进的角部(见图2)；
姿态监测系统安装在稳桩平台20上，并由多个姿态传感器构成，用于检测稳桩平台20在整个沉桩过程中的姿态；
操控系统通过信号线分别与四台绞车31、四个浮桶22上的进排水口阀门、两对抱桩器23、上翻转机构233、下翻转机构234、水平向伸缩机构240和姿态监测系统连接；操控系统根据姿态监测系统检测稳桩平台20的姿态信息，控制稳桩平台20平稳提升和下放以及在水中的稳定性。
稳桩平台20在水面上被拖入自升式平台船10的两根前桩腿11之间后，通过两对抱桩器23与两根前桩腿11初步限位，通过自升式平台船10上的四个绞车30各自通过缆绳31与稳桩平台20连接，使稳桩平台20沿两根前桩腿11下放或提升；当稳桩平台20下放至设计标高位置时，通过两对抱桩器23抱紧两根前桩腿11，使稳桩平台20固定在自升式平台船10的两根前桩腿11之间。
本发明的基于自升式平台船的水下稳桩系统，其中的稳桩平台具有自浮性能，通过辅助船舶能方便地到达水面上的指定位置，并通过一对抱桩器与自升式平台船的两根前桩腿进行限位，并能方便快捷地实现抱桩或脱桩，再通过自升式平台船上的四台绞车沿自升式平台船的两根前桩腿进行升降运动，实现稳桩作用。稳桩平台通过浮桶能方便和快速地实现漂浮和稳定下沉，该稳桩平台具有体积小、重量轻、灵活性高的特点。
本发明的基于自升式平台船的水下稳桩系统，适用于大多数钢桩码头及以钢桩作为支撑结构的平台。整套系统通过众多传感器及整套自动化控制系统，所有动作均可根据参数设定，实现自动化施工作业。
请参阅图3和图4，本发明的基于自升式平台船的沉桩方法，采用本发明的基于自升式平台船的水下稳桩系统实现，并包括以下步骤：
步骤一，自升式平台船10就位后，利用吊机把稳桩平台20整体下水，此时稳桩平台20在浮桶22的作用下处于漂浮状态，此时两对抱桩器23上的上翻转机构233和下翻转机构234均处于收缩状态，且控制四根打桩导向套管24伸缩的水平伸缩机构240处于回收状态，此时整个稳桩平台20的最大宽度小于自升式平台船10的两根前桩腿11的间距；
步骤二，利用辅助船舶，将稳桩平台20拖带到自升式平台船10下方的指定位置，即将稳桩平台20拖到两根前桩腿11之间，再通过上翻转机构233和下翻转机构234展开两对抱桩器23的上抱臂231和下抱臂232，将两对抱桩器23的上抱臂231和下抱臂232一一对应地卡在两根前桩腿11上进行初步限位，上抱臂231上的一对抱爪230和下抱臂232上的一对抱爪230均不收紧，此时稳桩平台20还能小范围平移并能沿两根前桩腿11上下运动，使两根前桩腿11为稳桩平台20的下沉做限位导向，然后通过水平伸缩机构240伸出四根打桩导向套管24至设定位置(见图3)；
步骤三，先将自升式平台船10甲板上的四台铰车30各自通过缆绳31与稳桩平台20的四个角部连接，用于下放或提升稳桩平台20，再打开四个浮桶22下部的进排水口阀门，使海水进入浮桶22，稳桩平台20的浮力消失，由四台铰车30同步配合，下放稳桩平台20；稳桩平台20在下放过程中，操控系统根据姿态监测系统检测稳桩平台20的姿态信息控制各台铰车30下放缆绳31的速度，以保证稳桩平台20平稳下放；当稳桩平台20下放至设计标高位置时，停止下放，收紧两对抱桩器23上的抱爪230，使稳桩平台20与自升平台船10的两根前桩腿11固定(见图4)，此时将工程桩吊入打桩导向套管24内，通过自升式平台船10上的打桩器进行沉桩作业；根据工程桩的打设位置控制水平伸缩机构240，使四根打桩导向套管24位于工程桩的打设位置，以保证稳桩精度；
步骤四，沉桩作业完成后，打开两对抱桩器23，使稳桩平台20脱离自升平台船10的两根前桩腿11，接着由四台铰车30通过缆绳31提升稳桩平台20，稳桩平台20提升至水面以上，等四个浮桶22内的海水排尽，关闭进排水口阀门，再将稳桩平台20下放到水面上，此时稳桩平台20处于漂浮状态；解除稳桩平台20上的缆绳31，再通过上翻转机构233和下翻转机构234收起两对抱桩器23的上抱臂231和下抱臂232，并通过水平伸缩机构240收缩四根打桩导向套管24，然后利用辅助船将稳桩平台20从自升式平台船10的下方拖出(见图1)，回收即可完成作业；稳桩平台20在提升和下放过程中，操控系统根据姿态监测系统检测稳桩平台20的姿态信息控制各台铰车30下放缆绳31的速度，以保证稳桩平台20平稳提升和下放。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。