灌注桩在深水中的立桩及施工方法与流程

1.本发明属于工程施工技术领域，尤其涉及一种灌注桩在深水中的立桩及施工方法。


背景技术：

2.钻孔灌注桩是深水桩基施工常用的方式，首先将护筒深入水中并竖直伸入水底土层后，然后在护筒内部浇筑混凝土，待混凝土浇筑完毕后，再拆除护筒。在实际施工中，为了使护筒能够竖直伸入水底土层，会先将护筒竖直设于水中(即立桩)，其中立柱是钻孔灌注桩施工的重要步骤，其直接影响到混凝土灌注桩垂直度。由于护筒长度较长，护筒在运输时通常都是将其水平放置，待运输至施工位置，再将护筒竖立并使竖立的护筒深入水中。现阶段多采取双起重船抬吊护筒，使其以一端为圆心在竖直平面内翻转，或者单台起重船配合翻桩器或者立桩小车进行立桩。对于深水灌注桩施工，由于护筒长度较大，对起重船的吊重和吊高也提出了更高要求，增加了立护筒的难度。在专利cn109853567a公开了一种海上风电嵌岩钢管桩的沉桩方法，其采用大型施工船舶，在水面上方将钢管桩竖直然后再将钢管桩竖直伸入水中，从而完成立桩工序。虽然采用大型施工船舶可以满足吊重和吊高的要求，实现护筒的竖立，但是大型施工船舶体积较大且结构复杂，造价较高，增加了施工成本，而且大型船舶庞大的体积也增加了施工所占用的面积。因此，现有的立桩方式不利于灌注桩在深水中施工。


技术实现要素：

3.针对相关技术中存在的不足之处，本发明提供了一种灌注桩在深水中的立桩及施工方法，以使灌注桩能够在浮力作用下竖直设于水中，以简化灌注桩的立柱方法。
4.本发明提供一种灌注桩深水立桩方法，包括以下步骤：
5.将漂浮在水面上的灌注桩沿施工船舶的左右方向由槽口伸入施工船舶的限位槽中并与施工船舶的旋转机构连接；
6.将对称设于槽口前后两侧的限位桩竖直向下设置，以使限位桩与漂浮在水面上的灌注桩相交设置；
7.调节灌注桩受到的浮力和/或重力，以使灌注桩以其与旋转机构的连接处为圆心在竖直平面内向下转动，直至灌注桩竖直设于水中。
8.本技术方案通过将灌注桩伸入限位槽中，以约束灌注桩在水面的位置；通过设置旋转机构，以便于灌注桩在水中沿竖直方向转动；通过设置限位桩，以约束灌注桩在水中转动时的方向，防止灌注桩沿施工船舶前后方向倾斜。
9.在其中一些实施例中，在灌注桩向下转动过程中，灌注桩与限位桩在竖直平面内投影相交并形成角度，角度的取值范围为45
°
～90
°
。
10.在其中一些实施例中，在灌注桩与限位桩在竖直平面内投影所成角度的取值范围小于45
°
时，限位桩与灌注桩既不相交也不平行，限位桩解除对灌注桩的方向约束。
11.在其中一些实施例中，还包括垂直度检测步骤，检测灌注桩在水中的垂直度是否符合要求；如果否，则调节灌注桩受到的浮力和/或重力，直至灌注桩在水中的垂直度符合要求。
12.在其中一些实施例中，在灌注桩向下转动过程中，吊钩向上提拉灌注桩，以防止灌注桩远离旋转机构的一端接触水底土层。
13.在其中一些实施例中，灌注桩内部设有用于形成混凝土桩的浇筑腔，通过调节浇筑腔中的进水量，以调节灌注桩受到的重力和/或浮力；在灌注桩向下转动过程中，灌注桩受到的浮力小于其受到的重力。
14.在其中一些实施例中，灌注桩包括可拆除护筒和永久护筒，可拆除护筒的一端伸入限位槽中并与旋转机构连接，可拆除护筒的另一端与永久护筒可拆卸连接，永久护筒远离可拆除护筒的一端插入水底土层中。
15.在其中一些实施例中，可拆除护筒与永久护筒内部分别设有通腔并且可拆除护筒的通腔与永久护筒的通腔相互连通，以共同形成浇筑腔。
16.在其中一些实施例中，可拆除护筒和永久护筒分别在漂浮在水面并借助浮力进行连接。
17.除此，本发明还提供了一种深水灌注桩施工方法，包括上述灌注桩深水立桩方法。
18.基于上述技术方案，本发明实施例中灌注桩深水立桩方法利用水的浮力作用使灌注桩水中旋转并竖直设置，以在水下完成立桩施工；并且整体结构简单、施工方便。
附图说明
19.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1为本发明灌注桩深水立桩方法一个实施例中灌注桩与施工船舶装配时的结构示意图；
21.图2为本发明灌注桩深水立桩方法一个实施例中灌注桩与施工船舶装配时另一角度的结构示意图；
22.图3为图2中a处局部放大图；
23.图4为本发明灌注桩深水立桩方法一个实施例中施工船舶的结构示意图；
24.图5为本发明深水灌注桩施工方法一个实施例中运桩步骤的示意图；
25.图6为本发明深水灌注桩施工方法一个实施例中限位桩竖直设于水中的示意图；
26.图7为本发明深水灌注桩施工方法一个实施例中立桩步骤的示意图；
27.图8为本发明深水灌注桩施工方法一个实施例中打桩步骤的示意图；
28.图9为本发明深水灌注桩施工方法一个实施例中打桩步骤的示意图；
29.图10为本发明深水灌注桩施工方法一个实施例中拆除可拆除护筒步骤的示意图；
30.图11为本发明深水灌注桩施工方法一个实施例中可拆除护筒水平移动的示意图；
31.图12为本发明深水灌注桩施工方法一个实施例中可拆除护筒竖直向上转动的示意图；
32.图13为本发明深水灌注桩施工方法一个实施例中可拆除护筒竖直向上转动一段时间后的示意图；
33.图14为本发明深水灌注桩施工方法一个实施例中可拆除护筒漂浮在水面上的示意图。
34.图中：
35.1、灌注桩；2、船体；3、龙门架；4、第一卷扬机；5、冲击锤；6、旋转机构；7、钻机；8、限位桩；9、第一钢丝绳；10、水底土层；
36.11、可拆除护筒；12、永久护筒；13、抗剪块；
37.111、护筒连接部；112、第二吊耳；113、第三吊耳；121、第一吊耳；21、第二卷扬机；22、连接件；23、限位槽；
38.31、吊钩。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
41.术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.如附图1-图14所示，在本发明一种灌注桩深水立桩方法的一个示意性实施例中，该灌注桩深水立桩方法包括以下步骤：
44.将漂浮在水面上的灌注桩1沿施工船舶的左右方向由槽口伸入施工船舶的限位槽23中并与施工船舶的旋转机构连接。
45.将对称设于槽口前后两侧的限位桩8竖直向下设置，以使限位桩8与漂浮在水面上的灌注桩1相交设置，防止灌注桩1沿施工船舶的前后方向倾斜；需要说明的是，两个限位桩8分别位于灌注桩1的前后两侧，并且限位桩8与灌注桩1在竖直平面内投影相交并形成角度α。
46.调节灌注桩1受到的浮力和/或重力，以使灌注桩1以其与旋转机构6的连接处为圆心在竖直平面内向下转动，直至灌注桩1竖直设于水中；需要说明的是，在灌注桩1向下转动过程中，限位桩8下端与灌注桩1远离旋转机构6的一端在竖直平面内投影所成角度α是不断变化的，角度α的取值范围为45
°
～90
°
，其原因是：灌注桩1与水平方向所成角度β小于45
°
时，灌注桩1在竖直向下转动过程中受海水流动等因素影响较大，容易沿船体2的前后方向发生倾斜，需要限位桩8对灌注桩1进行方向约束，以防止灌注桩1沿船体2的前后方向发生倾斜；当灌注桩1与水平方向所成角度β大于45
°
时，海水流动等因素对灌注桩1影响较小，灌注桩1不易沿船体2的前后方向发生倾斜，此时，可取消限位桩8对灌注桩1的方向约束。根据三角形定律可知，限位桩8与灌注桩1在竖直平面内投影所成角度α的取值范围在小于45
°
时，灌注桩1不需要限位桩8进行方向约束，限位桩8与灌注桩1既不相交也不平行；还需要说明的是，限位桩8与灌注桩1在竖直平面内投影所成角度α角度越小，限位桩8的长度越大；此外，还需要说明的是，在灌注桩1开始竖直向下转动时，吊钩31向上提拉可拆除护筒11远离永久护筒12的一端，以防止永久护筒12与水底土层10接触，而损伤永久护筒12。
47.上述灌注桩深水立桩方法中，还包括垂直度检测步骤，检测灌注桩1在水中的垂直度是否符合要求；如果否，则调节灌注桩1受到的浮力和/或重力，直至灌注桩1在水中的垂直度符合要求；如果是，则将灌注桩1的下端插入水底土层10中。
48.上述灌注桩深水立桩方法通过减小灌注桩1受到的浮力和/或重力，使灌注桩1远离旋转机构6的一端竖直向下转动，以使灌注桩1在水下竖直设置，从而减小对施工船舶的吊重和吊高要求。
49.需要说明的是，当灌注桩1受到的浮力大于其受到的重力时，灌注桩1漂浮在水面上，当灌注桩1受到浮力小于其受到的重力时，灌注桩1沉在水中；当灌注桩1受到的重力增加，灌注桩1以其与施工船舶的连接处为圆心在竖直平面内向下转动；浮力的调节属于公知常识技术，此处不再赘述；还需要说明的是，通过调节灌注桩1内部浇筑腔中的进水量，可以调节灌注桩1受到的浮力和/或重力，从而控制灌注桩1的运动。
50.上述灌注桩深水立桩方法中，如图1和图4所示，施工船舶用于运输灌注桩11、使灌注桩11竖直设于水中；施工船舶包括船体2、龙门架3、旋转机构6和两个限位桩8；船体2开设有沿水平方向延伸的限位槽23，限位槽23用于限制灌注桩1在水面的位置，限位槽23沿竖直方向贯穿船体2设置，龙门架3安装于船体2并位于限位槽23上方，龙门架3连接有用于吊装或拖拉灌注桩1的吊钩31；旋转机构6连接于灌注桩1并支撑其旋转；旋转机构6转动连接于船体2并靠近限位槽23设置，旋转机构6与灌注桩1连接，以使分体式结构1通过旋转机构6与船体2转动连接；旋转机构6属于现有技术，此处不再赘述；需要说明的是，限位槽23设有沿水平方向开设的槽口，槽口开设于船体2并朝远离旋转机构6的方向延伸；限位槽23沿船体2的前后方向延伸，两个限位桩8相对设置并转动连接于船体2；两个限位桩8对称设于限位槽23的前后两侧。
51.上述灌注桩深水立桩方法中，如图2所示，船体2上还安装有抱桩器和冲击锤5，抱桩器用于抱紧灌注桩1，抱桩器与灌注桩1远离旋转机构6的一端连接并且靠近限位槽23设置；冲击锤5用于对灌注桩1施加向下的作用力，以将灌注桩1插入水底土层10中；船体2上还安装有钻机7，钻机7靠近龙门架3设置，由于仅靠冲击锤5的冲击作用可能无法将永久护筒12插入到特定深度，尤其在水底土层10含有岩石等情况下，通过钻机7钻击岩石，以辅助冲击锤5将灌注桩1插入至水底土层10中的指定深度。
52.在实际应用中，为了便于将灌注桩1未插入水底土层10的那一部分拆除，将灌注桩1设计为分体式结构，如图1-图3所示，灌注桩1包括永久护筒12和可拆除护筒11；永久护筒12与可拆除护筒11可拆卸连接，可拆除护筒11远离永久护筒12的一端与施工船舶连接，永
久护筒12远离可拆除护筒11的一端插入水底土层10中；可拆除护筒11与永久护筒12共轴线设置，可拆除护筒11和永久护筒12内部分别设有沿其轴向延伸的通腔，并且可拆除护筒11内部的通腔与永久护筒12内部的通腔相连通并形成浇筑腔；通过向浇筑腔中浇筑混凝土，以形成混凝土桩；需要说明的是，可拆除护筒11靠近永久护筒12的一端设有护筒连接部111，护筒连接部111与永久护筒12可拆卸地套接，以使可拆除护筒11与永久护筒12连接。
53.在一些实施例中，如图1所示，可拆除护筒11与永久护筒12通过第一钢丝绳9连接，第一钢丝绳9连接于安装在船体2上的第一卷扬机4，第一卷扬机4收卷第一钢丝绳9，以增加可拆除护筒11与永久护筒12连接的牢固性；第一卷扬机4释放第一钢丝绳9，又可以使可拆除护筒11与永久护筒12柔性连接，以在拆卸可拆除护筒11对其进行溜尾；需要说明的是，船体2安装有两个第一卷扬机4，两个第一卷扬机4对称设于限位槽23前后两侧；两个第一卷扬机4与两个第一钢丝绳9对应连接并分别通过对应的第一钢丝绳9与灌注桩1连接，以使灌注桩1受力平衡；还需要说明的是，永久护筒12设有第一吊耳121，可拆除护筒11设有第二吊耳112和第三吊耳113，第一钢丝绳9远离第一卷扬机4的一端穿设于第一吊耳121、第二吊耳112；第一吊耳121对称设于永久护筒12远离水底土层10的一端外周，第二吊耳112与第一吊耳121位置对应设置并对称设于可拆除护筒11与永久护筒12连接的一端外周；第三吊耳113与第二吊耳112位置对应设置并对称设于可拆除护筒11远离永久护筒12一端的外周；还需要说明的是，为了防止钻机7钻击岩石过程中，可拆除护筒11与永久护筒12沿轴向发生相对转动，可拆除护筒11与永久护筒12之间设有抗剪块13；此外，还需要说明的是，可拆除护筒11包括若干护筒节段，若干护筒节段首尾可拆卸连接，以使可拆除护筒11长度可根据实际施工需要进行拼接，以满足不同水深要求；护筒节段具有第一端和第二端，第二端设有节段连接部，节段连接部与相邻护筒节段的第一端套接；相邻护筒节段间采用密封件连接密封连接，以防止浇筑时混凝土从相邻护筒节段间的缝隙泄露。
54.基于上述灌注桩深水立桩方法，本发明还提供了一种深水钻孔灌注桩施工方法，包括上述灌注桩深水立桩方法。
55.下面以青海省引黄济宁工程引水工程取水口施工为例，详细介绍利用灌注桩进行深水钻孔灌注桩施工方法以及灌注桩在深水中的立桩方法，该深水钻孔灌注桩施工方法具体包括以下步骤：
56.s1将可拆除护筒11、永久护筒12在漂浮在水面并借助浮力进行将二者连接为一体，并通过拖轮将连接为一体的可拆除护筒11、永久护筒12(即灌注桩1)从槽口伸入限位槽23中，限制灌注桩1在水面上的运动；将可拆除护筒11远离永久护筒12的一端与旋转机构6、吊钩31连接，以在吊钩31的拉力和深水浮力作用下将灌注桩1运送至施工位置；
57.s2将两个限位桩8竖直向下设置并对应位于灌注桩1的前后两侧；减小灌注桩1受到的浮力和/或增加灌注桩1受到的重力，使灌注桩1竖直向下转动直至灌注桩1竖直设于水中；在灌注桩1开始竖直向下转动时，吊钩31向上提拉可拆除护筒11远离永久护筒12的一端，以防止永久护筒12与水底土层10接触，而损伤永久护筒12。
58.s3待灌注桩1的垂直度检测完毕后且灌注桩1的垂直度符合施工要求后，第一卷扬机4收卷第一钢丝绳9，以拉紧第一钢丝绳9，使可拆除护筒11与永久护筒12被牢固绑定；抱桩器抱紧可拆除护筒11、冲击锤5锤击可拆除护筒11，以将永久护筒12插入水底土层10；冲击锤5锤击可拆除护筒11一段时间后，若永久护筒12插入水底土层10的深度不变且未达到
施工设计深度，则钻机7钻击水底土层10，冲击锤5继续锤击可拆除护筒11，以使永久护筒12插入水底土层10的深度符合施工要求。
59.s4浇筑混凝土：通过施工船舶设置的注浆管向灌注桩中浇筑混凝土，以形成混凝土桩；
60.s5拆除可拆除护筒：将限位桩8竖直向上设置，第一卷扬机4释放第一钢丝绳9，并且吊钩31竖直向上提拉可拆除护筒11，直至可拆除护筒11与混凝土桩分离，然后施工船舶水平移动，以带动可拆除护筒11水平移动；增加可拆除护筒11的浮力，可拆除护筒11与永久护筒12连接的一端沿竖直方向向上转动，直至可拆除护筒11沿水平方向漂浮在水面上；解除第一钢丝绳9与第三吊耳113的连接，第一卷扬机4收卷第一钢丝绳9，使第一钢丝绳9与第一吊耳121、第二吊耳112脱离，从而解除可拆除护筒11与永久护筒12的连接。
61.上述深水钻孔灌注桩施工方法通过施工船舶对灌注桩1进行运输、立桩和拆除施工，通过施工船舶的冲击锤5将永久护筒12插入水底土层10中；通过在施工完成后，将可拆除护筒11与永久护筒12分离，可实现可拆除护筒11的回收利用，从而降低施工成本；并且永久护筒12与可拆除护筒11的拆卸分离方法简单易操作。
62.最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
63.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

技术特征：
1.一种灌注桩深水立桩方法，其特征在于，包括以下步骤：将漂浮在水面上的灌注桩沿施工船舶的左右方向由槽口伸入施工船舶的限位槽中并与所述施工船舶的旋转机构连接；将对称设于槽口前后两侧的限位桩竖直向下设置，以使所述限位桩与漂浮在水面上的所述灌注桩相交设置；调节所述灌注桩受到的浮力和/或重力，以使所述灌注桩以其与所述旋转机构的连接处为圆心在竖直平面内向下转动，直至所述灌注桩竖直设于水中。2.根据权利要求1所述的灌注桩深水立桩方法，其特征在于，在所述灌注桩向下转动过程中，所述灌注桩与所述限位桩在竖直平面内投影相交并形成角度，所述角度的取值范围为45
°
～90
°
。3.根据权利要求2所述的灌注桩深水立桩方法，其特征在于，在所述灌注桩与所述限位桩在竖直平面内投影所成角度的取值范围小于45
°
时，所述限位桩与所述灌注桩既不相交也不平行，所述限位桩解除对所述灌注桩的方向约束。4.根据权利要求3所述的灌注桩深水立桩方法，其特征在于，还包括垂直度检测步骤，检测所述灌注桩在水中的垂直度是否符合要求；如果否，则调节所述灌注桩受到的浮力和/或重力，直至所述灌注桩在水中的垂直度符合要求。5.根据权利要求1所述的灌注桩深水立桩方法，其特征在于，在所述灌注桩向下转动过程中，所述吊钩向上提拉所述灌注桩，以防止所述灌注桩远离所述旋转机构的一端接触水底土层。6.根据权利要求1所述的灌注桩深水立桩方法，其特征在于，所述灌注桩内部设有用于形成混凝土桩的浇筑腔，通过调节所述浇筑腔中的进水量，以调节所述灌注桩受到的重力和/或浮力；在所述灌注桩向下转动过程中，所述灌注桩受到的浮力小于其受到的重力。7.根据权利要求6所述的灌注桩深水立桩方法，其特征在于，所述灌注桩包括可拆除护筒和永久护筒，所述可拆除护筒的一端伸入所述限位槽中并与所述旋转机构连接，所述可拆除护筒的另一端与所述永久护筒可拆卸连接，所述永久护筒远离所述可拆除护筒的一端插入水底土层中。8.根据权利要求7所述的灌注桩深水立桩方法，其特征在于，所述可拆除护筒与所述永久护筒内部分别设有通腔并且所述可拆除护筒的通腔与所述永久护筒的通腔相互连通，以共同形成所述浇筑腔。9.根据权利要求7所述的灌注桩深水立桩方法，其特征在于，所述可拆除护筒和所述永久护筒分别在漂浮在水面并借助浮力进行连接。10.一种深水灌注桩施工方法，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的灌注桩深水立桩方法。

技术总结
本发明涉及一种灌注桩在深水中的立桩及施工方法，属于工程施工技术领域，该灌注桩深水立桩方法包括以下步骤：将漂浮在水面上的灌注桩沿施工船舶的左右方向由槽口伸入施工船舶的限位槽中并与施工船舶的旋转机构连接；将对称设于槽口前后两侧的限位桩竖直向下设置，以使限位桩与漂浮在水面上的灌注桩相交设置；调节灌注桩受到的浮力和/或重力，以使灌注桩以其与旋转机构的连接处为圆心在竖直平面内向下转动，直至灌注桩竖直设于水中。该灌注桩深水立桩方法利用浮力作用将灌注桩在水中旋转并竖直设置，以在水下完成立桩施工；并且整体结构简单、施工方便。施工方便。施工方便。


技术研发人员：鞠鹏 刘德进 王翔 冯甲鑫 曲俐俐 王传鹏 王明玉
受保护的技术使用者：中交一航局第二工程有限公司
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/7/22