一种水下多桩打桩导向装置及其使用方法与流程

1.本发明属于海洋工程的桩基施工技术领域，特别是涉及一种水下多桩打桩导向装置及其使用方法。


背景技术：

2.从浅水区域的港口码头、桥梁、海上风力发电场到深水区域的海洋导管架平台等海洋资源开采开发设备都离不开桩基的建设。浅水区工程桩沉桩往往采用水上打桩定位导向架进行施工，水上打桩定位导向架结构尺寸大，重量重，一般多采用防沉板结合辅助桩的坐底形式，通过沉打辅助桩进行定位调平；随着施工区域水深不断增加，海况地质情况复杂，采用水上打桩定位导向架的方式不再适用，因此需要设计水下打桩导向架。
3.目前现有的水下打桩导向架存在以下技术问题：1，导向架需要稳定的与海床固定，才能保证打桩过程中，对工程桩起到稳定的导向作用。因此，如何保证导向架与海床稳定的固定，是需要解决的技术问题；2，工程桩需要竖直打入海底，也就是说导向架上的导向筒要稳定的处于竖直状态，而海底并不是平坦的水平面，因此如何保证导向架与海床固定后导向架上的导向筒处于精确的竖直状态，是需要解决的技术问题；3，目前的水下打桩导向架，通常是只具有一个单桩导向筒，影响打桩效率。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种水下多桩打桩导向装置及其使用方法。
5.为实现本发明的目的所采用的技术方案是：一种水下多桩打桩导向装置，包括上层导向桁架、下层固定底座和偏置观测平台；上层导向桁架为正方形框架结构，在其四个顶角位置分别设置导向筒，在上层导向桁架的各边的中心位置分别设置连接柱；下层固定底座为正方形框架结构，在下层固定底座的四角位置的底部竖直设置有沉筒，在下层固定底座的四边上设置防沉板；下层固定底座的四角位置还分别设置有调载舱，每个调载舱包括一个配重舱和一个助浮舱；每个连接柱通过三个液压缸与下层固定底座相连接，通过调节这些液压缸来调节上层导向桁架相对于下层固定底座的倾角，以达到调平上层导向桁架的目的；所述偏置观测平台通过横向的支撑架固定在上层导向桁架的侧部。
6.在上述技术方案中，导向筒与上层导向桁架的正方形平面相垂直，导向筒用于穿入工程桩，对工程桩起到定位和导向作用。
7.在上述技术方案中，连接柱要与上层导向桁架的正方形平面相垂直。
8.在上述技术方案中，沉筒为筒状结构，工作时，沉筒插入海床。
9.在上述技术方案中，助浮舱位于配重舱的外侧，在配重舱内设置有配重，助浮舱顶
部连接有外部气管路系统，助浮舱底部侧壁上设置可控进出水阀门，通过对助浮舱进行注水排气或注气排水来实现控制助浮舱对整个水下多桩打桩导向装置产生的浮力大小。
10.在上述技术方案中，偏置观测平台的高度要高于上层导向桁架，工作时，上层导向桁架和下层固定底座位于水下，偏置观测平台的顶端露出水面，便于测量仪器安设和人员操作；由于偏置观测平台是偏置于上层导向桁架一侧的，因此可有效避免对打桩船造成干涉。
11.在上述技术方案中，通过调节下层固定底座上的四个配重舱的配重，使多桩打桩导向装置的重心在上层导向桁架的竖直中心线上，从而保证吊机吊着水下多桩打桩导向装置下沉过程中，水下多桩打桩导向装置能够保持平稳。
12.在上述技术方案中，在偏置观测平台上设置有倾角检测器，通过该倾角检测器检测上层导向桁架的倾角数据，根据倾角检测器实时检测的倾角数据，来控制与各连接柱连接的液压缸动作，实现上层导向桁架的调平。
13.在上述技术方案中，水下多桩打桩导向装置的使用方法如下：步骤1，将水下多桩打桩导向装置与吊机的吊绳连接，通过吊机将水下多桩打桩导向装置逐渐下沉至目标海床位置；步骤2，多桩打桩导向装置的下层固定底座的沉筒接触海床后，排空助浮舱的气量，使助浮舱内部充满水，将助浮舱的浮力调至最小，使得整个水下多桩打桩导向装置的压载为最大状态，并且保持压载最大状态设定的一段时间，使沉筒完全插入海床，并且使防沉板对海床产生预压作用，将海床压平，并且使海床达到一个合适的较大的承载力；然后再对助浮舱注气排水，适当的调大助浮舱的浮力，减小防沉板对海床的压力；步骤3，控制各液压缸动作，将上层导向桁架调平；步骤4，吊机将工程桩插入上层导向桁架的四个导向筒中，然后启动振锤，将工程桩打入目标深度位置；步骤5，吊机将多桩打桩导向装置上吊脱离工程桩。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1，本发明的水下多桩打桩导向装置，能够一次同时进行多个工程桩的施工，大大提高了施工效率；2，本发明的水下多桩打桩导向装置具有上层导向桁架、下层固定底座和偏置观测平台，其中，下层固定底座设计了沉筒、防沉板、配重舱和助浮舱等功能结构，在这些功能结构的综合作用下，能够将下层固定底座稳定固定在海床上（可根据海床土质情况调配配重，确保沉筒完全插入海床且防沉板位于海床表面），而且还可以通过调节助浮舱的浮力大小，对海床形成预压作用（即先调小助浮舱浮力并维持一段时间，再增大助浮舱浮力），增大海床的承载力，而又不会破坏海床；3，本发明的上层导向桁架是通过多个液压缸与上层导向桁架连接的，在下层固定底座稳定固定在海床的基础上，再通过调节液压缸实现上层导向桁架的调平，从而使得整个上层导向桁架和下层固定底座相对于海床都是稳定的，进而保证了上层导向桁架上的导向筒的竖直，即保证了工程桩的竖直导入。所述偏置观测平台通过横向的支撑架固定在上层导向桁架的侧部，偏置观测平台的高度要高于上层导向桁架，工作时，上层导向桁架和下层固定底座位于水下，偏置观测平台的顶端露出水面，便于测量仪器安设和人员操作；此
外，由于偏置观测平台是偏置于上层导向桁架一侧的，因此可有效避免对打桩船造成干涉。
附图说明
15.图1为本发明的水下多桩打桩导向装置的俯视结构示意图。
16.图2为本发明中的下层固定底座的俯视结构示意图。
17.图3为本发明的水下多桩打桩导向装置的侧视结构示意图。
18.图4为本发明中的控制液压缸的调平方法的示意图。
19.对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
20.以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.实施例一参见附图1-附图3，一种水下多桩打桩导向装置，包括上层导向桁架1、下层固定底座2、偏置观测平台3。
22.所述上层导向桁架1，包括四个导向筒1.1和四个连接柱1.2，具体的讲，上层导向桁架1为正方形框架结构，在其四个顶角位置分别设置导向筒1.1，导向筒1.1要与上层导向桁架1的正方形平面相垂直，导向筒1.1用于穿入工程桩，对工程桩起到定位和导向作用，以使工程桩能够竖直打入海底目标位置；在正方形上层导向桁架1的各边的中心位置分别设置连接柱1.2，连接柱1.2也要与上层导向桁架1的正方形平面相垂直。
23.所述下层固定底座2也为正方形框架结构，下层固定底座2位于上层导向桁架1的下方并且与上层导向桁架1呈90度交错设置。参见附图2， 在下层固定底座2的四角位置的底部竖直设置有沉筒2.4，沉筒2.4为短粗筒状结构，工作时，沉筒2.4插入海床；此外，在下层固定底座2的四边上设置防沉板2.1，防沉板2.1具有较大面积，能够使海床表面对其产生较强的支撑作用，防止整个下层固定底座2沉入海床；综上，在防沉板2.1和沉筒2.4的协同作用下，可以稳定的固定住下层固定底座2的位置，对下层固定底座2起到抗滑移和抗倾斜的作用。进一步的，下层固定底座2的四角位置还分别设置有调载舱，每个调载舱包括一个配重舱2.2和一个助浮舱2.3，优选的助浮舱2.3位于配重舱2.2的外侧，所述配重舱2.2内设置有配重，所述助浮舱2.3顶部连接有外部气管路系统，助浮舱2.3底部侧壁上设置可控进出水阀门，通过对助浮舱2.3进行注水排气或注气排水来实现控制助浮舱2.3对整个水下多桩打桩导向装置产生的浮力大小。
24.所述上层导向桁架1上的四个连接柱1.2分别对应下层固定底座2的四角位置，每个连接柱1.2通过三个液压缸4与下层固定底座2相连接，进而可通过调节这些液压缸来调节上层导向桁架1相对于下层固定底座2的倾角，以达到调平上层导向桁架1的目的。
25.所述偏置观测平台3通过横向的支撑架5固定在上层导向桁架1的侧部，偏置观测平台3的高度要高于上层导向桁架1，工作时，上层导向桁架1和下层固定底座2位于水下，偏置观测平台3的顶端露出水面，便于测量仪器安设和人员操作；此外，由于偏置观测平台3是偏置于上层导向桁架1一侧的，因此可有效避免对打桩船造成干涉。
26.进一步的讲，由于偏置观测平台3是偏置于上层导向桁架1一侧的，会导致整个水下多桩打桩导向装置的重心偏移，因此在吊机吊着水下多桩打桩导向装置下沉时（在四个连接柱1.2的顶部分别设置吊耳），水下多桩打桩导向装置会发生倾斜，从而不利于水下多桩打桩导向装置的精确定位和平稳下放；为此，需要调节下层固定底座2上的四个配重舱2.2的配重，以使多桩打桩导向装置的重心在上层导向桁架1的竖直中心线上，从而保证吊机吊着水下多桩打桩导向装置下沉过程中，水下多桩打桩导向装置能够保持平稳。此外，配重舱2.2还有以下作用：为了确保沉筒能够插入海床，可以根据海床土质情况调配配重舱2.2的配重，以使沉筒能够完全插入海床且防沉板位于海床表面。
27.在偏置观测平台3上设置有倾角检测器6，通过该倾角检测器6检测上层导向桁架1的倾角数据（由于偏置观测平台3和上层导向桁架1是一体连接的，因此偏置观测平台3上的倾角检测器6检测的倾角数据也就是偏置观测平台3的倾角数据），根据倾角检测器6实时检测的倾角数据，来控制与各连接柱1.2连接的液压缸4动作，实现上层导向桁架1的调平（调平是指调节至水平状态）。
28.上述水下多桩打桩导向装置的使用方法如下：步骤1，将水下多桩打桩导向装置与吊机的吊绳连接，通过吊机将水下多桩打桩导向装置逐渐下沉至目标海床位置；步骤2，多桩打桩导向装置的下层固定底座的沉筒2.4接触海床后，排空助浮舱2.3的气量，使助浮舱2.3内部充满水，即，将助浮舱2.3的浮力调至最小，使得整个水下多桩打桩导向装置的压载为最大状态，并且保持压载最大状态1小时，使沉筒2.4完全插入海床，并且使防沉板对海床产生预压作用，将海床压平，并且使海床达到一个合适的较大的承载力；1小时后，然后再对助浮舱2.3注气排水，适当的调大助浮舱2.3的浮力，减小防沉板对海床的压力，从而防止由于防沉板对海床施加持续的重压而破坏海床；最终使下层固定底座稳定的固定在海床上，并且使海床具有了较大的承载力；步骤3，根据倾角检测器实时检测的倾角数据，控制各液压缸4动作，将上层导向桁架1调平；步骤4，吊机将工程桩插入上层导向桁架1的四个导向筒1.1中，然后启动振锤，将工程桩打入目标深度位置；步骤5，吊机将多桩打桩导向装置上吊脱离工程桩。
29.实施例二本实施例提供一种控制实施例一所述的液压缸4的调平方法。
30.参见附图4，偏置观测平台3上的倾角检测器6采用双轴倾角检测器（即二维倾角检测器），能够检测倾角检测器所在安装面相对于水平面的绕x轴的倾角和绕y轴的倾角。
31.该倾角检测器的布设方式为：倾角检测器的x轴要与四个连接柱中第一组相对的两个连接柱1.21的连线相平行；倾角检测器的y轴要与四个连接柱中第二组相对的两个连接柱1.22的连线相平行。图4中，xo1y是倾角检测器的安装坐标系。
32.并且，每个连接柱的三个液压缸的布设方式为：每个连接柱的三个液压缸沿该连接柱圆周等间隔分布，并且其中位于最外侧的一个液压缸4要与该连接柱所在的正方形上层导向桁架1的边相垂直，也就是说，第一组相对的两个连接柱1.21的三个液压缸中位于最外侧的液压缸要沿x轴设置，第二组相对的两个连接柱1.22的三个液压缸中位于最外侧的
液压缸要沿y轴设置。
33.调平分两步进行：首先调平x轴的倾角：根据倾角检测器的x轴倾角正负情况找到第二组相对的两个连接柱1.22的处于向下倾斜一侧的最外侧的液压缸（处于水平面时倾角为0，通过倾角的正负能够得知向哪侧倾斜），将该液压缸作为主动伸长控制，其他的液压缸则根据其自身压力值变化进行跟随伸长控制（该主动伸长控制的液压缸伸长时，与其相邻的液压缸压力值会减小，压力值减小则控制液压缸伸长），直至倾角检测器的x轴倾角为0或者达到设定的调平阈值；然后调平y轴的倾角：根据倾角检测器的y轴倾角正负情况找到第一组相对的两个连接柱1.21的处于最低位的最外侧的液压缸，将该液压缸作为主动伸长控制，其他的液压缸则根据其自身压力值变化进行跟随伸长控制（该主动伸长控制的液压缸伸长时，与其相邻的液压缸压力值会减小，压力值减小则控制液压缸伸长），直至倾角检测器的y轴倾角为0或者达到设定的调平阈值。
34.以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种水下多桩打桩导向装置，其特征在于：包括上层导向桁架、下层固定底座和偏置观测平台；上层导向桁架为正方形框架结构，在其四个顶角位置分别设置导向筒，在上层导向桁架的各边的中心位置分别设置连接柱；下层固定底座为正方形框架结构，在下层固定底座的四角位置的底部竖直设置有沉筒，在下层固定底座的四边上设置防沉板；下层固定底座的四角位置还分别设置有调载舱，每个调载舱包括一个配重舱和一个助浮舱；每个连接柱通过三个液压缸与下层固定底座相连接，通过调节这些液压缸来调节上层导向桁架相对于下层固定底座的倾角，以达到调平上层导向桁架的目的；所述偏置观测平台通过横向的支撑架固定在上层导向桁架的侧部。2.根据权利要求1所述的水下多桩打桩导向装置，其特征在于：导向筒与上层导向桁架的正方形平面相垂直，导向筒用于穿入工程桩，对工程桩起到定位和导向作用。3.根据权利要求1所述的水下多桩打桩导向装置，其特征在于：连接柱要与上层导向桁架的正方形平面相垂直。4.根据权利要求1所述的水下多桩打桩导向装置，其特征在于：沉筒为筒状结构，工作时，沉筒插入海床。5.根据权利要求1所述的水下多桩打桩导向装置，其特征在于：助浮舱位于配重舱的外侧，在配重舱内设置有配重，助浮舱顶部连接有外部气管路系统，助浮舱底部侧壁上设置可控进出水阀门，通过对助浮舱进行注水排气或注气排水来实现控制助浮舱对整个水下多桩打桩导向装置产生的浮力大小。6.根据权利要求1所述的水下多桩打桩导向装置，其特征在于：偏置观测平台的高度要高于上层导向桁架，工作时，上层导向桁架和下层固定底座位于水下，偏置观测平台的顶端露出水面。7.根据权利要求1所述的水下多桩打桩导向装置，其特征在于：通过调节下层固定底座上的四个配重舱的配重，使多桩打桩导向装置的重心在上层导向桁架的竖直中心线上。8.根据权利要求1所述的水下多桩打桩导向装置，其特征在于：在偏置观测平台上设置有倾角检测器，通过该倾角检测器检测上层导向桁架的倾角数据，根据倾角检测器实时检测的倾角数据，来控制与各连接柱连接的液压缸动作，实现上层导向桁架的调平。9.根据权利要求1-8之一所述的水下多桩打桩导向装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将水下多桩打桩导向装置与吊机的吊绳连接，通过吊机将水下多桩打桩导向装置逐渐下沉至目标海床位置；步骤2，多桩打桩导向装置的下层固定底座的沉筒接触海床后，排空助浮舱的气量，使助浮舱内部充满水，将助浮舱的浮力调至最小，使得整个水下多桩打桩导向装置的压载为最大状态，并且保持压载最大状态设定的一段时间，使沉筒完全插入海床，并且使防沉板对海床产生预压作用；然后再对助浮舱注气排水，适当的调大助浮舱的浮力，减小防沉板对海床的压力；步骤3，控制各液压缸动作，将上层导向桁架调平；步骤4，吊机将工程桩插入上层导向桁架的四个导向筒中，然后启动振锤，将工程桩打
入目标深度位置；步骤5，吊机将多桩打桩导向装置上吊脱离工程桩。

技术总结
本发明公开了一种水下多桩打桩导向装置及其使用方法，包括上层导向桁架、下层固定底座和偏置观测平台；下层固定底座设计了沉筒、防沉板、配重舱和助浮舱等功能结构，能够将下层固定底座稳定固定在海床上；上层导向桁架是通过多个液压缸与上层导向桁架连接的，在下层固定底座稳定固定在海床的基础上，再通过调节液压缸实现上层导向桁架的调平，从而使得整个上层导向桁架和下层固定底座相对于海床都是稳定的，进而保证了上层导向桁架上的导向筒的竖直，即保证了工程桩的竖直导入，而且上层导向桁架设置多个导向筒，能够一次同时进行多个工程桩的施工，大大提高了施工效率；偏置观测平台是偏置于上层导向桁架一侧的，可有效避免对打桩船造成干涉。对打桩船造成干涉。对打桩船造成干涉。


技术研发人员：毛以雷 杜瑞刚 田博宇 许白龙 张兵 李亚军 梁博 张刚
受保护的技术使用者：中交第一航务工程局有限公司总承包工程分公司
技术研发日：2023.09.01
技术公布日：2023/10/7