CN118273324A - 一种裙桩式导管架水下沉桩工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种裙桩式导管架水下沉桩工艺，首先在起重船上定出设计位置的方位，将导管架移动至设计位置附近进行导管架粗定位，然后在导管架上安装GNSS定位设备，通过GNSS定位设备指导管架放置在设计位置上实现精定位，接着在导管架上先去已知点及测站点，通过已知点与测站点到钢管桩的轴线的距离及方位角计算得到钢管桩的点坐标，然后对比点坐标与套筒的中心坐标，对钢管桩进行插桩操作，最后待所有钢管桩插桩完成后进行沉桩操作。本发明通过对钢管桩的位置进行精准定位，在水上即可指导水下钢管桩的插桩沉桩操作，简化了施工步骤，大大减少施工时间，提高了施工的效率，且提高了沉桩的精度。

Description

一种裙桩式导管架水下沉桩工艺

技术领域

本发明涉及导管架水下沉桩技术领域，具体涉及一种裙桩式导管架水下沉桩工艺。

背景技术

导管架作为海上升压站支撑和固定的关键结构，其裙桩式导管架在施工安放过程中，准确的定位对于设施的稳定性和可靠性至关重要。如图2所示，导管架包括架体1及套筒2，在沉桩前，钢管桩位于套筒2的上方，在钢管桩插桩沉桩过程中，首先将钢管桩***套筒2内完成插桩，再施打钢管桩直到满足钢管桩设计标高完成钢管桩的沉桩。然而，在海上放置导管架时，其套筒往往位于海平面以下位置，指挥人员无法通过直接观测的方式指导钢管桩插桩，极大的增加了钢管桩插桩沉桩的施工难度。

目前，有采用钢管桩与套筒拟合的方式进行钢管桩的插桩，其方式主要为：通过测量钢管桩的管底口与导管架套筒导向的相对位置，来指引浮吊船绞锚、起落钩头，引导管桩靠近导管架套筒导向口，直至顺利进入套筒导向内。具体为：观测钢管桩的上、下两个横切面，每个横切面圆周上选取8-10个点进行数据采集，将采集的数据进行拟合处理，利用最小二乘原理拟合该横切面，从而得到横切面中心的坐标及圆半径，剔除离拟合圆最远点的观测数据，再次拟合该横切面，得到横切面中心的坐标及圆半径，通过上述步骤计算出钢管桩倾斜度和倾斜方位。最后，将横切面圆半径与桩设计尺寸对比，如果满足要求，则认为此次测量结果有效；否则，重复以上测量操作直到满足要求为止。上述水下沉桩的方式步骤繁琐，需要大量的测量数据及计算量，而且所选取的测量点位于不够稳定的钢管桩上，在大量的拟合过程中容易出现误差，精度不高，无法满足现有海上钢管桩沉桩的施工要求。

发明内容

本发明目的在于提供一种裙桩式导管架水下沉桩工艺，通过在导管架选取已知点和测站点，通过已知点和测站点计算出钢管桩的位于轴线上的坐标，简化了数据采集及数据计算步骤，减少误差，且所选取的点位于更为稳定的钢管桩上，通过所选取的点计算得到的钢管桩的坐标精度更高，提高了施工的效率。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种裙桩式导管架水下沉桩工艺，包括以下步骤：

S1、导管架粗定位：在起重船上布设临时点位，测出所述临时点位的坐标，根据所述临时点位的坐标得到用于放置导管架的设计位置的方位，移动所述导管架，使所述导管架靠近所述设计位置；

S2、导管架精定位：在所述导管架上且位于同一水平面处安装至少三个GNSS定位设备，其中至少一个GNSS定位设备与其他GNSS定位设备不共线，获取每个所述GNSS定位设备的安装坐标，根据所述安装坐标计算得到所述导管架的与所述设计坐标对应的点位的坐标，通过比对所述导管架的点位的坐标与所述设计坐标，将所述导管架放置在所述设计位置上；

S3、钢管桩精定位：在导管架上选取一已知点及一测站点，所述已知点及所述测站点位于同一水平面上，获取所述已知点和所述测站点分别到钢管桩的轴线的距离以及已知点和测站点分别与钢管桩的轴线连线的方位角，根据所述距离及所述方位角计算得到位于钢管桩的轴线上的点坐标，该所述点坐标与所述已知点及所述测站点位于同一水平面；

S4、钢管桩插桩：通过比对所述点坐标与导管架的套筒的中心坐标，移动钢管桩，待所述钢管桩与所述导管架的套筒对齐后，下放所述钢管桩，使所述钢管桩***所述导管架的套筒内；

S5、钢管桩沉桩：重复上述S3-S4步骤，直到所有钢管桩插桩完成，最后根据每根钢管桩的设计标高对所有钢管桩进行施打沉桩。

作为本发明的进一步限定，在所述步骤S1中，所述导管架粗定位方法具体为：

通过RTK测量技术测出临时点位的坐标；

根据所述临时点位的坐标及所述导管架的设计位置的设计坐标定出所述导管架的摆放方向及所述起重船的驳船的位置；

将所述起重船驳船至驳船的位置，使所述导管架靠近所述设计位置。

作为本发明的进一步限定，在所述步骤S2中，所述GNSS定位设备的安装数量设为三个，其中两个所述GNSS定位设备间隔安装在所述导管架的第一长边上，另一所述GNSS定位设备安装在所述导管架的与所述第一长边相对的第二长边上。

作为本发明的进一步限定，所述GNSS定位设备包括但不限于GPS、BDS、GLONASS、GAL I LEO定位***。

作为本发明的进一步限定，在所述步骤S2中，所述动态坐标的计算方法包括步骤：

获取每一个所述GNSS定位设备的安装坐标，基于所有所述GNSS定位设备所在平面建立空间坐标系；

根据所述导管架的固定点位到所述GNSS定位设备的距离计算出所述固定点位的动态坐标。

作为本发明的进一步限定，在所述步骤S3中，所述已知点的选取方法包括步骤：

将其中一个所述GNSS定位设备的安装位置设为所述已知点；

通过所述GNSS定位设备获取所述已知点的坐标。

作为本发明的进一步限定，在所述步骤S3中，所述测站点的选取方法包括步骤：

利用全站仪中的后视点寻找所述已知点的位置，使所述后视点与所述已知点重合；

将所述后视点与所述已知点重合后的所述全站仪的位置作为测站点。

作为本发明的进一步限定，所述测站点到所述钢管桩的轴线的距离为所述全站仪所测的到所述钢管桩的距离与所述钢管桩的半经之和。

作为本发明的进一步限定，在步骤S3中，所述测站点到所述钢管桩的轴线的距离大于所述已知点到所述测站点的距离。

作为本发明的进一步限定，还包括点动沉桩方法，所述点动沉桩方法包括以下步骤：

待所有所述钢管桩均插设到对应的所述导管架的套筒内后，调整所述导管架的水平度，使所述导管架的四角的相对高差不大于2cm；

按所述导管架的四角的标高从高到低对位于对应所述导管架的套筒内的钢管桩进行施打沉桩，每沉桩5-10m，检查所述导管架的四角的标高，再按标高从高到低继续对钢管桩施打沉桩，直到所有钢管桩沉桩完成。

有益效果：

由以上技术方案可知，本发明的技术方案提供了裙桩式导管架水下沉桩工艺，该工艺通过在导管架上选取已知点及测站点并获取已知点与测站点的坐标，利用已知点与测站点的坐标计算出钢管桩的位于轴线上的坐标，通过比对钢管桩坐标与套筒上的设计坐标，即可指导钢管桩的插桩沉桩，简化了数据采集及数据计算步骤，减少误差，且所选取的点位于更为稳定的钢管桩上，通过所选取的点计算得到的钢管桩的坐标精度更高，提高了施工的效率。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不表示按照真实参照物比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为本发明的整体流程示意图；

图2为本发明的导管架的结构示意图；

图3为本发明的GNSS设备安装示意图；

图4为本发明的已知点和测站点选取示意图。

1、架体；2、套筒；3、第一GNSS定位设备；4、第二GNSS定位设备；5、第三GNSS定位设备；6、全站仪。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。除非另作定义,此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。同样,除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制,而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件,并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1所示，本发明公开了一种裙桩式导管架水下沉桩工艺，具体步骤包括：

S1、导管架粗定位：

具体的，导管架的粗定位设置在导管架吊放前，在主起重船上定出导管架的设计位置的粗略方位以对导管架进行粗定位。首先，在主起重船上布设临时点位，采用RTK测量技术测出临时点位的坐标，以定出东、西、南、北方位；然后，参照导管架的设计位置的设计坐标，定出导管架在实际海面上的摆放方向及主起重船驳船的位置，最后将主起重船移动到具体驳船位置，使导管架靠近设计点位，实现导管架的粗略定位。其中，导管架方位角以安装在导管架上的两个GNSS定位设备定出，例如，以第二GNSS定位设备至第一GNSS定位设备的方向为导管架的朝向。

S2、导管架精定位：

导管架粗略定位之后，导管架的空间位置已与设计点位相差不远，为了提高施工精度，满足高质量施工要求，对导管架进行进一步精定位。具体的，在导管架上安装至少三个GNSS定位设备，每个GNSS定位设备均安装在导管架上的同一水平面上，且其中至少有一个GNSS定位设备与其他的GNSS定位设备不共线，以使所有的GNSS定位设备能确定一个平面，且该平面与水平面平行。需要说明的是，GNSS定位设备主要为获取该定位设备安装点位的安装坐标，GNSS定位设备包括但不限于GPS、BDS、GLONASS、GALI LEO定位***，本申请不作限定。

如图3所示，本实施例的GNSS定位设备的安装数量设为三个，分别为第一GNSS定位设备3、第二GNSS定位设备4及第三GNSS定位设备5，三个GNSS设备均安装在导管架的最上层平面上，其中第一GNSS定位设备3和第二GNSS定位设备4分别间隔安装在导管架的第一长边上，第三GNSS定位设备5安装在导管架的与第一长边相对的第二长边上，使得第一GNSS定位设备3、第二GNSS定位设备4及第三GNSS定位设备5形成L字形。三个GNSS定位设备安装在导管架的上层，同时决定了该上层平面，为得到导管架三维形态下各个点位的三维坐标，基于三个GNSS定位设备所确定的平面建立导管架的空间坐标系，将导管架的顶面坐标换算至导管架的底面坐标，即将实测得到的GNSS定位设备的空间坐标经过多步转换得到导管架上的各个点位的空间坐标，各个点位的空间坐标包括导管架上的与设计位置相对应的固定点位的动态坐标，以及导管架上的套筒2的中心坐标，导管架上的固定点位的动态坐标用于指导导管架放置在设计位置上，套筒2的中心坐标用于后续指导钢管桩的插桩。

具体的，为了获得导管架的各个点位的动态坐标，具体的计算方法如下：

首先，获取每个GNSS定位设备的实时坐标，以所有GNSS定位设备所确定的平面建立导管架的空间坐标系。

然后，测量每个导管架上的固定点位到GNSS定位设备的距离，通过GNSS定位设备的实时坐标与上述距离进行换算，即可得到每个固定点位的实时的动态坐标。

需要说明的是，为了在实际操作中减少计算时间及计算量，并提高计算的准确度，便于施工以提高施工效率。上述对于导管架的各个点位的动态坐标的计算均可在软件内执行。具体的，第一GNSS定位设备3、第二GNSS定位设备4及第三GNSS定位设备5与带有导管架定位软件的主机数据连接，通过第一GNSS定位设备3、第二GNSS定位设备4及第三GNSS定位设备5所采集到的坐标传输至计算机主机上，通过设置软件，将所设置与第一GNSS定位设备3对应的点GNSS1(X1、Y1、Z1)、与第二GNSS定位设备4对应的点GNSS2(X2、Y2、Z2)及与第三GNSS定位设备5对应的点GNSS3(X3、Y3、Z3)，这三个点的坐标输入到软件中的导管架参数的‘GNSS安装坐标’处，而GNSS定位设备为固定安装在导管架上的，GNSS定位设备与导管架上各个点位的距离为已知，也同样输入到该定位软件中，通过定位软件的内置程序自动测算出导管架的固定点位的动态坐标，从而实时显示导管架动态位置。

在获得导管架的动态位置的动态坐标后，测量人员比对导管架的动态位置的坐标和设计位置的设计坐标的差异，然后测量人员和指挥人员双方核准导管架移动方位及距离，移动导管架，直到误差在精度要求之内，最后通知指挥人员，确认可以松钩时确保浮吊各错缆都同时上力，指挥人员对接指令指挥浮吊缓缓松钩，将导管架放到指定位置上。导管架放置完成后，利用流动站的第四GNSS定位设备进行验核，确保第一GNSS定位设备3、第二GNSS定位设备4及第三GNSS定位设备5所标定的平面是导管架最上层平面。通过上述步骤，可将导管架准确的放置在设计位置上，这时，导管架的套筒2位于水面以下的位置。通过在导管架上架设GNSS定位设备，给定导管架所需平面厘米级的偏差值及倾斜量，为导管架进行精定位，实现导管架的精准放置。

S3、钢管桩精定位：

导管架放置完成后，在导管架上选取一已知点及一测站点，已知点及测站点均位于导管架上的同一水平面上，获取已知点和测站点分别到钢管桩的轴线的距离以及已知点和测站点分别与钢管桩的轴线连线的方位角，根据距离及方位角计算得到钢管桩的位于轴线上的点坐标。

具体的，首先，为了减少施工步骤，提高施工效率，根据待插钢管桩的位置，将已知点设置在其中一个GNSS定位设备的安装点上，例如如图4所示，位于靠近的钢管桩，根据该钢管桩的位置，选取第三GNSS定位设备5的安装点作为已知点，通过第三GNSS定位设备5获取该点的坐标；然后根据该已知点，在导管架上利用全站仪6的后视定向技术寻找该已知点，使全站仪6内显示的后视点与该已知点重合，在后视点与已知点重合后的点位上架设好全站仪6，将架设全站仪6的点作为测站点，利用全站仪6可测量出全站仪6到钢管桩表面的距离及方位角，通过全站仪6到钢管桩表面的距离加上钢管桩的半径即可得到测站点到钢管桩的轴线的距离。需要说明的是，为了便于计算及施工，在选取已知点及测站点过程中，确保测站点到所述钢管桩的轴线的距离大于所述已知点到所述测站点的距离。

具体的，为了获得钢管桩的位于轴线上的点坐标，具体的计算方法如下：

将已知点、测站点及钢管桩的轴线进行连线，形成平行于水平面的三角形；

获取已知点及测站点的坐标，已知点的坐标由GNSS定位设备获得，测站点的坐标通过RTK测量技术测量；

根据已知点的坐标及测站点的坐标计算出已知点与测站点的距离以及已知点和测站点连线的方位角；

计算已知点和测站点分别到钢管桩的轴线的距离以及已知点、测站点分别与钢管桩连线的方位角；

最后根据上述所计算数据计算出钢管桩的轴线与已知点、测站点连线的交点的坐标，即为钢管桩的点坐标。

需要说明的是，为了施工方便，以上对钢管桩的点坐标的计算均可通过主机上的定位软件计算得到，在实际施工中，对于各方位角及距离，均可通过全站仪6进行直接测量得到，只需将所测数据输入到定位软件中，即可直接计算得到钢管桩的点坐标。采用上述方案可简便快捷的得到钢管桩的点坐标，便于后续钢管桩的插桩，精准度高，而且施工步骤简单，大大提高了施工效率。

S4、钢管桩插桩：

具体的，获得钢管桩的轴线的点坐标后，测量人员通过将点坐标与导管架的套筒2的中心坐标进行比对，指挥人员根据测量人员的反馈指挥钢管桩移动，待点坐标与中心坐标拟合后，也即钢管桩与套筒2对齐后，下放钢管桩，使钢管桩准确***导管架的套筒2内，完成钢管桩的插桩。

S5、钢管桩沉桩：

重复上述S3-S4步骤，直到所有钢管桩插桩完成，最后根据每根钢管桩的设计标高对所有钢管桩进行施打沉桩。

进一步的，在施打沉桩的过程中，为了控制沉桩速度和时间，保证施工质量可控，采用点动沉桩方法对钢管桩进行施打沉桩，点动沉桩方法步骤具体为：

在沉桩前分析钻孔资料，分析研究溜桩的可能性，加强对溜桩风险的控制，在预判到达软弱夹层高程位置，先立即停锤，观察分析后，小能量点动沉桩。

在沉桩过程中，定期跟踪测量导管架水平度，保证导管架的四角的相对高差按不大于2cm。

根据每次的导管架水平度的测量结果，对套管高程较高处的钢管桩进行施打沉桩，具体为：以导管架四角的标高从高到低依次沉桩，每沉桩5m之后检查四角标高，控制高差在2cm以内，循环作业至沉桩完成。通过控制沉桩速度和时间，保证施工质量可控。

在钢管桩沉桩完成后，启动卡桩器将钢管桩与导管架临时连结，避免发生不均匀沉降。

本发明的钢管桩的轴线上的点坐标可通过仪器在水上进行测量计算获得，只需将钢管桩的点坐标与设计坐标进行比对即可，无需潜水人员潜入水中进行观测再指导钢管桩与套筒2对齐，简化了施工步骤，极大的缩短了施工时间，操作简便快捷，且提高了沉桩的精度，具有较强的适应性和广阔的应用前景。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种裙桩式导管架水下沉桩工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、导管架粗定位：在起重船上布设临时点位，测出所述临时点位的坐标，根据所述临时点位的坐标得到用于放置导管架的设计位置的方位，移动所述导管架，使所述导管架靠近所述设计位置；

S2、导管架精定位：在所述导管架上且位于同一水平面处安装至少三个GNSS定位设备，其中至少一个GNSS定位设备与其他GNSS定位设备不共线，获取每个所述GNSS定位设备的安装坐标，根据所述安装坐标计算得到所述导管架的与所述设计坐标对应的点位的坐标，通过比对所述导管架的点位的坐标与所述设计坐标，将所述导管架放置在所述设计位置上；

S3、钢管桩精定位：在导管架上选取一已知点及一测站点，所述已知点及所述测站点位于同一水平面上，获取所述已知点和所述测站点分别到钢管桩的轴线的距离以及已知点和测站点分别与钢管桩的轴线连线的方位角，根据所述距离及所述方位角计算得到位于钢管桩的轴线上的点坐标，该所述点坐标与所述已知点及所述测站点位于同一水平面；

S4、钢管桩插桩：通过比对所述点坐标与导管架的套筒的中心坐标，移动钢管桩，待所述钢管桩与所述导管架的套筒对齐后，下放所述钢管桩，使所述钢管桩***所述导管架的套筒内；

S5、钢管桩沉桩：重复上述S3-S4步骤，直到所有钢管桩插桩完成，最后根据每根钢管桩的设计标高对所有钢管桩进行施打沉桩。

2.根据权利要求1所述的裙桩式导管架水下沉桩工艺，其特征在于，在所述步骤S1中，所述导管架粗定位方法具体为：

通过RTK测量技术测出临时点位的坐标；

根据所述临时点位的坐标及所述导管架的设计位置的设计坐标定出所述导管架的摆放方向及所述起重船的驳船的位置；

将所述起重船驳船至驳船的位置，使所述导管架靠近所述设计位置。

3.根据权利要求1所述的裙桩式导管架水下沉桩工艺，其特征在于，在所述步骤S2中，所述GNSS定位设备的安装数量设为三个，其中两个所述GNSS定位设备间隔安装在所述导管架的第一长边上，另一所述GNSS定位设备安装在所述导管架的与所述第一长边相对的第二长边上。

4.根据权利要求3所述的裙桩式导管架水下沉桩工艺，其特征在于，所述GNSS定位设备包括但不限于GPS、BDS、GLONASS、GALILEO定位***。

5.根据权利要求1所述的裙桩式导管架水下沉桩工艺，其特征在于，在所述步骤S2中，所述动态坐标的计算方法包括步骤：

获取每一个所述GNSS定位设备的安装坐标，基于所有所述GNSS定位设备所在平面建立空间坐标系；

根据所述导管架的固定点位到所述GNSS定位设备的距离计算出所述固定点位的动态坐标。

6.根据权利要求1所述的裙桩式导管架水下沉桩工艺，其特征在于，在所述步骤S3中，所述已知点的选取方法包括步骤：

将其中一个所述GNSS定位设备的安装位置设为所述已知点；

通过所述GNSS定位设备获取所述已知点的坐标。

7.根据权利要求6所述的裙桩式导管架水下沉桩工艺，其特征在于，在所述步骤S3中，所述测站点的选取方法包括步骤：

利用全站仪中的后视点寻找所述已知点的位置，使所述后视点与所述已知点重合；

将所述后视点与所述已知点重合后的所述全站仪的位置作为测站点。

8.根据权利要求7所述的裙桩式导管架水下沉桩工艺，其特征在于，所述测站点到所述钢管桩的轴线的距离为所述全站仪所测的到所述钢管桩的距离与所述钢管桩的半经之和。

9.根据权利要求1所述的裙桩式导管架水下沉桩工艺，其特征在于，在步骤S3中，所述测站点到所述钢管桩的轴线的距离大于所述已知点到所述测站点的距离。

10.根据权利要求1所述的裙桩式导管架水下沉桩工艺，其特征在于，还包括点动沉桩方法，所述点动沉桩方法包括以下步骤：

待所有所述钢管桩均插设到对应的所述导管架的套筒内后，调整所述导管架的水平度，使所述导管架的四角的相对高差不大于2cm；

按所述导管架的四角的标高从高到低对位于对应所述导管架的套筒内的钢管桩进行施打沉桩，每沉桩5-10m，检查所述导管架的四角的标高，再按标高从高到低继续对钢管桩施打沉桩，直到所有钢管桩沉桩完成。