吸力桩式重力基础及其安装装置和安装方法

摘要

本发明提供一种吸力桩式重力基础及其安装装置和安装方法，吸力桩式重力基础包括配重箱和至少一个吸力桩。吸力桩为下端开放，上端封闭的筒状结构；配重箱安装于吸力桩的上端。配重箱内部为空腔，顶部设置有混凝土浇筑接口、放气口，还设有连通吸力桩内腔的泵接口。吸力桩贯入施工地点时，配重箱内注有水；吸力桩完全贯入施工地点后，配重箱内浇筑有混凝土。吸力桩和配重箱均为圆形的筒状结构，配重箱的外径尺寸大于吸力桩的外径尺寸。本发明提供的吸力桩式重力基础将吸力桩技术与重力式基础相结合，既具有良好的水平承载力、抗压拔载荷能力，又具有抗倾覆弯矩载荷的能力，方便运输、安装简单、适用范围更广泛。

说明书

技术领域

本发明涉及一种海洋结构工程的基础结构工程，特别是涉及一种吸力桩式重力基础及其 安装装置和安装方法。

背景技术

吸力桩技术是20世纪60年代提出来的，80年代初才开始在工程世纪中得到应用。由于 吸力桩技术施工简单，并且能够回收重复使用的特点，备受人们的青睐，因此，国内各个研 究和施工单位对吸力桩技术倍加重视。

吸力桩是一种利用水压力将桩体压入土中的刚性短桩，它的基本结构型式是一种上端封 闭、下端开口的圆筒，因此吸力桩也称吸力锚、筒型基础或桶形基础。吸力桩的沉桩原理是： 吸力桩沉入水中，利用其自重产生一定贯入深度，形成一个封闭的腔体。吸力桩顶部开有连 接泵系统的水孔，使用泵系统抽吸腔内的水，使腔内产生低于腔外的水压，利用腔顶内、外 的负压差将桩筒压入泥中。吸力桩的起桩原理是：通过泵系统向筒内注水，利用腔顶内、外 的正压差将桩筒顶出泥面。

吸力桩被广泛应用到许多海洋工程中，除了可以回收重复使用外，相对于传统的打桩技 术而言，吸力桩的安装不需要打桩锤和浮吊，只需要泵等比较小巧的设备，是依靠负压静力 安装，没有打桩施工的振动噪音等，因此吸力桩安装置放比较精确方便。但是吸力桩是一种 刚性短桩，施工海底土壤不能太硬，太硬后吸力桩贯入难度增大。虽然吸力桩具有很好的水 平承载力、抗压承载力和抗拔承载力，但是如果外部载荷倾覆力矩太大，就容易导致整体结 构发生起伏的危险。例如在海上风电中，海上风机受到较强的风载荷，作用在较高的风机上 的倾覆载荷容易使风机安装塔将水下的吸力桩从软泥中连根拔起，发生倒塌的危险。

重力式基础是一种自重大于上拔力的基础，重量一般地在一千吨甚至几千吨以上，能够 很好地抵抗倾覆载荷，但运输过程中需要大型浮吊和大型运输船只，因而运输非常困难，特 别是在浅水区使用时运输困难尤为突出。而且置放重力式基础时还需要繁琐的施工步骤。在 置放重力基础前需要对海底进行预先的平整处理，凿开海床表层换以一层沙砾层，之后使用 驳船运送或漂浮拖驳将重力式基础运送至施工地点，重力式基础就位之后再用混凝土将其周 边固定。不适于在浅水区使用。因此，单一的重力基础在运输、施工、使用区域等各方面都 受到较大的限制，且运输费用较高。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种将吸力桩技术与 重力式基础相结合，既具有良好的水平承载力、抗压拔载荷能力，又具有抗倾覆弯矩载荷的 能力，还方便运输、安装简单、施工费用低，适用于区域广泛的吸力桩式重力基础及其安装 装置和安装方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种吸力桩式重力基础及其安装装置和安 装方法。吸力桩式重力基础包括：至少一吸力桩，为下端开放，上端封闭的筒状结构；配重 箱，安装于所述吸力桩的上端，所述配重箱内部为空腔，顶部设置有混凝土浇筑接口、放气 口，还设有连通所述吸力桩内腔的泵接口；所述吸力桩贯入施工地点时，所述配重箱内注有 水；所述吸力桩完全贯入所述施工地点后，所述配重箱内浇筑有混凝土。

优选地，所述吸力桩和所述配重箱均为圆形的筒状结构，所述配重箱的外径尺寸大于所 述吸力桩的外径尺寸。

优选地，所述配重箱的顶部均匀布设有多个所述混凝土浇筑接口。

所述吸力桩式重力基础的安装装置包括一施工船、设置于所述施工船上的水上监控系统 和混凝土浇筑装置，还包括设置于所述配重箱顶部的水下监控系统和注排水动力系统；所述 水上监控系统通过线缆与所述水下监控系统和所述注排水动力系统连接，所述注排水动力系 统与所述泵接口连接；所述混凝土浇筑装置通过混凝土浇筑管线连接于所述混凝土浇筑接口。

优选地，所述水上监控系统包括控制器、连接于所述控制器的通信模块和动力电源；所 述水下监控系统包括均连接于所述通信模块的倾角仪、电罗经、内压力传感器和外压力传感 器；所述内压力传感器装设在所述泵接口内侧，所述外压力传感器装设在所述泵接口外侧； 所述注排水动力系统包括至少一台与所述动力电源连接的潜水泵，连接于所述潜水泵与所述 泵接口之间的换向阀装置，一端连接于所述控制器的液压系统，所述换向阀装置还连接于所 述液压系统的另一端。

进一步优选地，所述倾角仪和所述电罗经放置于一密封舱内。

进一步优选地，所述换向阀装置包括第一三通球阀、第二三通球阀和两通球阀；所述第 一三通球阀的第一个端口与所述潜水泵的进水端连通，第二个端口与外界连通，第三个端口 通过所述两通球阀与所述泵接口连通；所述第二三通球阀的第一个端口与所述潜水泵的排水 端连通，第二个端口与外界连通，第三个端口通过所述两通球阀与所述泵接口连通。

优选地，所述混凝土浇筑装置包括通过混凝土输送管线依次连接的混凝土搅拌机、混凝 土储料罐、混凝土输送泵、混凝土输送机，所述混凝土输送机通过混凝土浇筑管线与所述混 凝土浇筑接口连接。

所述吸力桩式重力基础的安装方法先进行对所述吸力桩的安装，再进行对所述配重箱的 混凝土浇筑施工，包括以下步骤：

1）在陆地码头上，密封所述配重箱上的所述泵接口、所述混凝土浇筑接口和所述放气口， 用吊机将所述吸力桩式重力基础吊装至海水中，依靠所述吸力桩式重力基础的自身浮力浮在 水面上，利用拖船将所述吸力桩式重力基础拖航至施工地点；

2）到达所述施工地点后，通过三只定位船调整所述吸力桩式重力基础的位置坐标，所述 位置坐标达到设计值后，将注排水动力系统与泵接口连接，在配重箱顶部安装水下监控系统， 打开所述混凝土浇筑接口、所述放气口，令水注入所述配重箱内；

3）所述吸力桩式重力基础随着所述配重箱中水量的增加逐渐沉入水中，到达海底泥面形 成初始入泥条件，对所述吸力桩进行贯入施工，通过水下监控系统测量所述吸力桩式重力基 础的安装参数，通过水上监控系统和注排水动力系统调整所述吸力桩的注水和排水状态，直 至各所述安装参数达到设计要求，所述吸力桩安装完成；

4）拆除所述水下监控系统和所述注排水动力系统，密封所述泵接口；对所述配重箱进行 混凝土浇筑施工，将混凝土浇筑管线的一端连接于混凝土浇筑装置，另一端连接到所述混凝 土浇筑接口上，通过所述混凝土浇筑接口向所述配重箱内浇筑混凝土，混凝土逐渐将所述配 重箱内的水通过所述放气口排出，直至所述配重箱内完全注满混凝土；

5）拆除所述混凝土浇筑管线，密封所述混凝土浇筑接口、所述放气口。

优选地，在设计阶段计算空的所述配重箱是否能够提供满足拖航所述吸力桩式重力基础 的浮力，如果满足，执行所述步骤1）；如果不满足，在执行所述步骤1）时，在所述吸力桩 内注气以增加浮力。

如上所述，本发明的吸力桩式重力基础及其安装装置和安装方法，具有以下有益效果：

1.通过将吸力桩与重力式基础合理地结合，既发挥了吸力桩水平承载力、抗压承载力和 抗拔承载力强的优势，又充分利用了重力式基础良好的抗倾覆弯矩载荷的能力，使整个基础 更为牢固；

2.将空的配重装置作为浮箱与吸力桩一起浮拖至施工地点，无需大型浮吊和大型运输船 只，运输方便，节约费用，可适用于浅水区域，应用范围更广；

3.通过采用吸力桩式重力基础的安装装置和安装方法，安装简单，施工时间短，便于在 海上比较恶劣的天气间隙施工；施工安装的位置度、倾斜度、水平度等安装参数容易精确调 整，安装精度高。

附图说明

图1显示为本发明的吸力桩式重力基础的主视图。

图2显示为本发明的吸力桩式重力基础浮拖拖航时的主视图。

图3显示为本发明的吸力桩式重力基础浮拖拖航时的俯视图。

图4显示为本发明的吸力桩式重力基础的吸力桩的安装示意图。

图5显示为本发明的吸力桩式重力基础的配重箱内浇筑混凝土的安装示意图。

图6显示为本发明的吸力桩式重力基础的水上监控系统、水下监控系统、注排水动力系 统的结构示意图。

图7显示为本发明的吸力桩式重力基础在排水状态下换向阀装置的示意图。

图8显示为本发明的吸力桩式重力基础在注水状态下换向阀装置的示意图。

图9显示为本发明的吸力桩式重力基础的混凝土浇筑装置的示意图。

图10显示为本发明的吸力桩式重力基础的三船定位的示意图。

图11显示为本发明的吸力桩式重力基础安装完成后的示意图。

元件标号说明

1        吸力桩

2        配重箱

21       混凝土浇筑接口

22       放气口

23       人孔

24       泵接口

241      泵连接通道

3        水上监控系统

31       控制器

32       通信模块

33       动力电源

4        水下监控系统

41       倾角仪

42       电罗经

43       内压力传感器

44       外压力传感器

5        注排水动力系统

51       潜水泵

511      进水端

512      排水端

52       换向阀装置

521      第一三通球阀

522      第二三通球阀

523      两通球阀

53       液压系统

531      液压缸

54       线缆

6        混凝土浇筑装置

61       混凝土搅拌机

62       混凝土储料罐

63       混凝土输送泵

64       混凝土输送机

65       混凝土浇筑管线

66       混凝土输送管线

7        拖船

8        定位船

9        施工船

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图11。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明 的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状 及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局 型态也可能更为复杂。

图1至图3显示了本发明提供的吸力桩式重力基础的结构。如图1至图3所示，该吸力 桩式重力基础包括吸力桩1和配重箱2。吸力桩1为下端开放，上端封闭的筒状结构，配重 箱2安装于吸力桩1的上端。配重箱2的内部为空腔，配重箱2的顶部设置有混凝土浇筑接 口21、放气口22。为安装方便，配重箱2的顶部还设有泵接口24，泵接口24通过泵连接通 道241连通吸力桩1的内腔。泵接口拖船7将空的配重箱2作为浮箱与吸力桩1一起浮拖至 施工地点，无需大型浮吊和大型运输船只，降低了运输成本，施工费用。

吸力桩1分为单桩或多桩的型式，吸力桩1的数量多少根据承受载荷的大小确定。于实 施例中，吸力桩式重力基础采用三个相同的吸力桩1。吸力桩1和配重箱2均为圆形的筒状 结构，且配重箱2的外径尺寸大于吸力桩1的外径尺寸。为方便混凝土的浇筑施工，配重箱 2的顶端均匀布设有多个混凝土浇筑接口21。为配合检测维修，配重箱2的顶端还设置有人 孔23。实际应用中，吸力桩式重力基础上还设有与其他设备连接的其他接口（未在图中显示）， 如与海上风机的安装塔架和基础的连接接口等，这些接口可根据实际工程的需要增设。

吸力桩1在施工地点处沉向水下、贯入泥面时，配重箱2内注有水；吸力桩1完全贯入 施工地点的泥面后，配重箱2内浇筑有混凝土以增加重量形成配重。

在施工地点安装整个吸力桩式重力基础需要专用的安装装置。图4和图5分别显示为吸 力桩1安装和向配重箱2内浇筑混凝土的安装示意图。如图4和图5所示，吸力桩式重力基 础的安装装置包括施工船9、水上监控系统3、水下监控系统4、注排水动力系统5和混凝土 浇筑装置6。水上监控系统3和混凝土浇筑装置6设置于施工船9上。为便于安装，水下监 控系统4和注排水动力系统5设置于配重箱2的顶部。水上监控系统3通过线缆54与水下监 控系统4和注排水动力系统5连接，注排水动力系统5与泵接口24连接，混凝土浇筑装置6 通过混凝土浇筑管线65与混凝土浇筑接口21连接。

图6显示为本发明的吸力桩式重力基础的水上监控系统3、水下监控系统4、注排水动力 系统5的结构示意图。

水上监控系统3安装在施工船9的控制间内，如图6所示，水上监控系统3包括控制器 31、连接于控制器31的通信模块32和动力电源33。水下监控系统4包括均连接于通信模块 32的倾角仪41、电罗经42、内压力传感器43和外压力传感器44。倾角仪41和电罗经42用 于测量吸力桩式重力基础的位置度、倾斜度和方位角。内压力传感器43装设在泵接口24内 侧，外压力传感器44装设在泵接口24外侧，两者用于测量吸力桩1内外的压力差。倾角仪 41采用高精度倾角仪，倾角仪41和电罗经42放置在一个密闭舱内。

吸力桩1向海底下沉，其自重和配重箱2内水的重力使吸力桩1在海底泥面上产生一定 的贯入深度，令吸力桩1与海底泥面之间形成一个封闭的腔体。注排水动力系统5在排水状 态下从吸力桩1的腔内向腔外排水，使吸力桩1腔内的压力低于腔外的压力，通过吸力桩1 腔体的内外压差将吸力桩1压入泥中，从而实现吸力桩1的负压沉贯。注排水动力系统5在 注水状态下从吸力桩1的腔外向腔内注水，使吸力桩1腔内压力高于腔外压力，从而实现吸 力桩1的顶升。

在吸力桩1沉贯入泥的过程中，通过水上监控系统3和水下监控系统4测量整个吸力桩 式重力基础的位置度、倾斜度、方位角及吸力桩1腔内腔外的压力，通过注排水动力系统5 调整各个吸力桩1的注水和排水状态，进而调节吸力桩式重力基础的安装参数。

注排水动力系统5包括至少一台与动力电源33连接的潜水泵51、连接于潜水泵51与泵 接口24之间的换向阀装置52，还包括控制换向阀装置内水流换向的液压系统53。液压系统 53一端连接于控制器31，另一端连接于换向阀装置52。于实施例中，液压系统53可包括液 压缸531和液压控制电磁阀。

图7和图8所示分别为排水状态和注水状态下注排水动力系统5中的换向阀装置52的结 构示意图。如图7和图8所示，换向阀装置52包括第一三通球阀521、第二三通球阀522和 两通球阀523；第一三通球阀521的第一个端口与潜水泵51的进水端511连通，第二个端口 与外界连通，第三个端口通过两通球阀523与泵接口24连通；第二三通球阀522的第一个端 口与潜水泵51的排水端512连通，第二个端口与外界连通，第三个端口通过两通球阀523与 泵接口24连通。

两通球阀523的数目根据泵接口24的数目而定，泵接口24的数目根据吸力桩1的数目 而定。于实施例中，吸力桩式重力基础具有三个吸力桩1，因而换向阀装置52中有三个两通 球阀523。

第一三通球阀521、第二三通球阀522和两通球阀523各由一个液压缸531控制，液压 缸531与液压控制电磁阀相连接，液压控制电磁阀连接于控制器31，并与倾角仪41、电罗经 42放置于同一密封舱内。水下监控系统4将采集到的吸力桩式重力基础的位置度、倾斜度、 方位角及吸力桩1内外的水压差等测量信号传送到通信模块32，通信模块32再传送到控制 器31，控制器31根据获得的测量信号控制液压控制电磁阀和动力电源33。液压控制电磁阀 控制液压缸531的动作，动力电源33控制潜水泵51的动作。

如图7所示，在排水状态下，液压缸531动作使第一三通球阀521与外界连通的端口关 闭，第二三通球阀522与外界连通的端口开启。吸力桩1腔内的水经泵接口24和两通球阀 523进入换向阀装置52，流经第一三通球阀521和潜水泵51，在潜水泵51的动力作用下从 第二三通球阀522与外界连通的端口排出。吸力桩1腔内的水压逐渐小于腔外的水压，吸力 桩1逐渐贯入泥中。

如图8所示，在注水状态下，液压缸531动作使第一三通球阀521与外界连通的端口开 启，第二三通球阀522与外界连通的端口关闭。吸力桩1腔外的水经第一三通球阀521进入 换向阀装置52，流经潜水泵51和第二三通球阀522，在潜水泵51的动力作用下经两通球阀 523和泵接口24泵入吸力桩1腔内。吸力桩1腔内的水压逐渐增加，当腔内的水压大于腔外 的水压时，吸力桩1逐渐顶升，从泥中拔起。

图9为混凝土浇筑装置6的构成图，混凝土浇筑装置6包括通过混凝土输送管线66依次 连接的混凝土搅拌机61、混凝土储料罐62、混凝土输送泵63、混凝土输送机64。混凝土输 送机64通过混凝土浇筑管线65与配重箱2顶端的混凝土浇筑接口21连接。混凝土浇筑装置 6还包括吊机等辅助设备。

以下介绍吸力桩式重力基础的安装方法，本发明提供的安装方法先进行吸力桩1的安装， 再进行对配重箱2的混凝土浇筑施工，包括以下步骤：

1）在陆地码头上，用盲板法兰等密封配重箱2上的泵接口24、混凝土浇筑接口21、放 气口22和人孔23等与外界连通的接口，用吊机将吸力桩式重力基础吊装至海水中，依靠吸 力桩式重力基础的自身浮力浮在水面上，利用拖船7将吸力桩式重力基础拖航至施工地点。

在设计阶段计算空的配重箱2是否能够提供满足拖航所需的浮力，如果满足，可直接执 行步骤1），如果浮力足够大，还可以不密封配重箱2上与外界连通的接口；如果浮力不足， 在执行步骤1）时，需要向吸力桩1内注气以增加浮力。

2）如图10所示，拖船7将吸力桩式重力基础托航到施工地点后，通过三只定位船8调 整吸力桩式重力基础的位置坐标。位置坐标达到设计值后，将注排水动力系统5与泵接口24 连接，将水下监控系统4中的内压力传感器43和外压力传感器44分别装设在泵接口24的内 外两侧，倾角仪41、电罗经42等装设在配重箱2顶端。打开混凝土浇筑接口21、放气口22、 人孔23等接口，令水注入配重箱2内。如果水不能直接进入配重箱2，需要从配重箱2外部 连接管路，向配重箱2内注水。

3）如图4所示，随着配重箱2中水量的增加，吸力桩式重力基础逐渐沉入水中，到达海 底泥面形成初始入泥条件，开始对吸力桩1进行贯入施工。通过水下监控系统4中的倾角仪 41、电罗经42、内压力传感器43、外压力传感器44等装置测量吸力桩式重力基础的安装参 数，通过水上监控系统3和注排水动力系统5调整吸力桩1的注水和排水状态，直至各安装 参数达到设计要求，吸力桩1完全贯入泥中，吸力桩1的安装完成。

吸力桩式重力基础的安装参数包括：位置度、倾斜度、方位角和吸力桩1腔体内外的水 压等。吸力桩式重力基础安装前由于重量较轻，不需要进行地基处理等施工环节。如果必要， 只需进行海底浮泥的吹泥施工，吹走海底表面的浮泥，以提高海底泥面的承载力和水平度。 施工安装的位置度、倾斜度、水平度等安装参数容易精确调整，具有较高的安装精度。

4）吸力桩1的安装完成后，潜水员下水拆除配重箱2顶部的水下监控系统4和注排水动 力系统5，密封泵接口24，并协助回收安装装置。接下来对配重箱2进行混凝土浇筑施工。 如图5所示，混凝土浇筑管线65的一端连接于施工船9上的混凝土浇筑装置6，另一端连接 于配重箱2顶端的混凝土浇筑接口21，连接好后启动混凝土浇筑装置6，通过混凝土浇筑接 口21向配重箱2内浇筑混凝土。

为了能实现快速浇筑，防止混凝土凝固，并使配重箱2内浇筑的混凝土应分布均匀，因 此浇筑时通过均匀分布在配重箱2顶端的多个混凝土浇筑接口21同时进行浇筑。这样可以缩 短施工时间，因此可以在海上比较恶劣的天气间隙进行施工，节省了施工成本，还降低了施 工风险。由于混凝土只是起到配重的作用，不承受任何载荷，因此浇筑时无需普通混凝土浇 筑过程中的震荡设备和工序。为了增加重量，混凝土中砂石的比重可以增加。随着浇筑量的 增加，浇筑的混凝土逐渐将配重箱2内的水通过放气口22、人孔23等接口排出，直至配重 箱2内完全注满混凝土。

5）潜水员下水拆除混凝土浇筑管线65，用盲板法兰密封混凝土浇筑接口21、放气口22、 人孔23等接口。图11所示为安装完成的吸力桩式重力基础，吸力桩1完全贯入泥中，配重 箱2内完全注满混凝土。

吸力桩和重力式基础各自具有显著的特点，吸力桩具有良好的水平承载力和抗压拔承载 力，重力式基础依靠自重具有很好的抗倾覆弯矩载荷的能力。本发明提供的吸力式重力基础 将吸力桩技术与重力式基础相结合，不但具有更好的抗压拔载荷和承受水平载荷的能力，同 时还能够抵抗风浪流等对海上平台、海上风机等设备造成的倾覆弯矩载荷，整个基础更为牢 固可靠。利用空的配重箱和吸力桩自身提供的浮力实现海上浮拖，不需要调用大型浮吊和运 输船只，运输方便，节省了人力物力。在安装过程中省去了传统重力式基础安装时地基处理 的施工环节，通过采用吸力桩式重力基础的安装装置和安装方法，安装参数可精确调整，安 装简便、施工时间短。本发明提供的吸力式重力基础可适用于小于70米浅水区域，适合做海 上风电风机，海上测风塔，采油平台等的基础。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。