JP2023056370A - 基礎構造および基礎構造の構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】上部構造の大型化に対応でき、多様な水域に施工可能な基礎構造および基礎構造の構築方法を提供する。【解決手段】基礎構造２２は、内部に複数の中空部２を有する基礎本体１と、基礎本体１の外縁部付近に形成された杭保持構造２０と、杭保持構造２０に設置されて基礎本体１を水底１３の地盤に固定する杭１５とを具備し、基礎本体１は、上面および隣り合う中空部２ａ、２ｂの隔壁６に空気抜き孔９、９ａと注排水孔１０、１０ａとが設けられる。基礎構造２２を構築するには、基礎本体１を所定の水域まで曳航した後、空気抜き孔９、９ａから空気を逃しつつ注排水孔１０、１０ａから複数の中空部２ａ、２ｂにバラスト水１４を注入して基礎本体１を水底１３に沈設し、杭保持構造２０に設置された杭１５で基礎本体１を水底１３の地盤に固定する。そして、基礎本体１の直上に設けられた接合部３にトランジションピース２１を接合する。【選択図】図７

Description

本発明は、基礎構造および基礎構造の構築方法に関するものである。

従来、着床式の洋上風力発電設備等の基礎形式は、モノパイルやジャケット等の杭式及び重力式コンクリート基礎が一般的である。また、重力式の底版と、底版を支持する複数の杭とを組み合わせた基礎構造も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９－１０００７０号公報

しかしながら、今後、設置海域が沖合に移行したり風車が大型化したりすると、従来の工法が採用できなくなる。例えば、モノパイル工法では、工場製作できるモノパイルのサイズや設置可能な水深に限界がある。また、現存するクレーン船やＳＥＰの能力では、大型化した風車に対応したサイズのモノパイルやジャケット基礎の施工は困難である。重力式基礎については、基礎が重いため製作場所から沖合の設置海域までの運搬が課題となる。

さらに、風車および基礎は、洋上風力発電設備の供用期間が過ぎた後に撤去する必要があるが、風車の大型化及び設置水域の大水深化に対応した基礎を海上作業によって解体して撤去しようとすると、工期が長くなり工費が嵩む。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすることは、上部構造の大型化に対応でき、多様な水域に施工可能な基礎構造および基礎構造の構築方法を提供することである。

前述した目的を達成するために第１の発明は、内部に複数の中空部を有する基礎本体と、前記基礎本体の外縁部付近に形成された基礎固定部保持構造と、前記基礎固定部保持構造に設置され、前記基礎本体を水底の地盤に固定する基礎固定部と、を具備し、前記基礎本体は、上面および隣り合う前記中空部の隔壁に空気抜き孔と注排水孔とが設けられることを特徴とする基礎構造である。

第１の発明では、内部に複数の中空部を有する基礎本体の上面および隣り合う中空部の隔壁に空気抜き孔と注排水孔とが設けられるため、基礎本体の浮体曳航や水底への沈設が可能であり、風車等の上部構造の大型化に対応した基礎構造を構築できる。また、起重機船や運搬台船等の作業船の能力による制約が少なく、基礎構造の設置水域が沖合であったり大水深であったりしても施工可能である。

前記基礎本体の直上に固定された接合部をさらに具備し、前記接合部の内側に、外径が前記接合部の内径よりも小さい着脱式の柱状材を配置可能であることが望ましい。また、前記接合部は、例えば上方に向けて縮径する筒状のスリップジョイントであり、前記柱状材の前記外径が前記スリップジョイントの最小部の内径よりも小さい。
柱状材を配置可能とすれば、柱状材を位置ガイドおよび挿入ガイドとして基礎上部を接合部に接合することができる。接合部をスリップジョイントとすれば、水中で基礎上部を接合部に嵌合して容易に接合することができる。

前記基礎固定部は、例えば杭であり、前記基礎固定部保持構造は、前記基礎本体の上面から下面までを貫通するように前記基礎本体に形成された筒状部を有し、前記基礎固定部保持構造は、前記筒状部に前記上面側から挿入された前記杭を、上部が前記筒状部内に配置されて下部が前記下面から突出した状態で保持する。または、前記基礎固定部はサクションバケットであり、前記基礎固定部保持構造は、前記基礎本体の下面側に形成された開口部を有し、前記基礎固定部保持構造は、前記サクションバケットを、上部が前記基礎本体内に配置されて下部が前記開口部から前記基礎本体の下方に突出した状態で保持してもよい。
基礎固定部を杭とすれば、基礎本体を沈設した後に杭を設置して基礎本体を水底の地盤に固定することができる。基礎固定部をサクションバケットとすれば、基礎本体の沈設と同時に基礎本体を水底の地盤に固定することができる。

前記基礎本体は、平面視で十文字であることが望ましい。
これにより、十文字の四つの端部付近に設置された基礎固定部で基礎本体を安定して固定できる。

第２の発明は、内部に複数の中空部を有し、上面および隣り合う前記中空部の隔壁に空気抜き孔と注排水孔とが設けられた基礎本体を、所定の水域まで曳航する工程と、前記空気抜き孔から空気を逃しつつ前記注排水孔から複数の前記中空部にバラスト水を注入することにより、前記基礎本体を水底に沈設する工程と、前記基礎本体の外縁部付近に形成された基礎固定部保持構造に設置された基礎固定部を用いて、前記基礎本体を水底の地盤に固定する工程と、前記基礎本体の直上に設けられた接合部に基礎上部を接合する工程と、を具備することを特徴とする基礎構造の構築方法である。

第２の発明では、内部に複数の中空部を有する基礎本体の上面および隣り合う中空部の隔壁に空気抜き孔と注排水孔とを設け、基礎本体を浮体曳航して水底に沈設するため、風車等の上部構造の大型化に対応した基礎構造を構築できる。また、施工時に起重機船や運搬台船等の作業船の能力による制約が少なく、基礎構造の設置水域が沖合であったり大水深であったりしても施工可能である。

本発明によれば、上部構造の大型化に対応でき、多様な水域に施工可能な基礎構造および基礎構造の構築方法を提供できる。

基礎本体１を示す図。 基礎本体１を示す図。 基礎本体１を示す図。 基礎構造２２の構築方法を示す図。 基礎構造２２の構築方法を示す図。 基礎構造２２の構築方法を示す図。 基礎構造２２の構築方法を示す図。 基礎構造２２の撤去方法を示す図。 基礎構造の他の構成の例を示す図。 基礎本体１ａ及び基礎構造２２ａを示す図。

以下、図面に基づいて本発明の第１の実施形態について詳細に説明する。図１から図３は基礎本体１を示す図である。図２（ａ）は基礎本体１を上方から見た図、図２（ｂ）は図２（ａ）の線Ａ－Ａによる断面図、図３（ａ）は図２（ａ）の線Ｂ－Ｂによる断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の線Ｃ－Ｃによる断面図である。

基礎本体１は、例えば、洋上風力発電設備用等の基礎構造２２（図７、図８）を構成する躯体であり、図１から図３に示すように平面視で十文字である。基礎本体１は、内部に隔壁６で隔てられた複数の中空部２を有する。中空部２は、基礎本体１の中央部に位置する中空部２ａ、中空部２ａの外側に隣接する中空部２ｂ、中空部２ｂに隣接して基礎本体１の外縁部に位置する中空部２ｃからなる。基礎本体１は、例えばプレストレストコンクリート製である。

中空部２ｃには、基礎本体１を上面から下面まで貫通する筒状部３が配置される。筒状部３は、基礎本体１の上面から突出した部分に上方に向けて拡径する拡径部３１を有し、中空部２ｃ内では径が一定である。筒状部３は、例えば中空部２ｃに充填されたコンクリートによって基礎本体１に固定される。

基礎本体１は、中空部２ａの直上に接合部４が固定される。接合部４は、上方に向けて縮径する筒状のいわゆるスリップジョイントである。接合部４は、例えば外側が鋼製型枠を兼ねた鋼材で内部が鉄筋コンクリート製である。この場合、例えば、基礎本体１のコンクリート打設前に接合部４の鋼製型枠等を設置し、基礎本体１と接合部４のコンクリートを同時に打設することによって基礎本体１に接合部４を固定し、鋼製型枠を残置する。接合部４、中空部２ａ、２ｂには水底ケーブルを設置するためのケーブル用導管１１が配置される。

接合部４の内側には、図２、図３に点線で示す円柱材１２を配置可能である。柱状材である円柱材１２は、外径が接合部４の最小部の内径よりも小さく、基礎本体１に対して着脱式である。円柱材１２は、基礎本体１の上面に固定されたずれ止め８に嵌め込まれ、接合部４の上端付近の内周に固定された支持部材５によって位置決めされる。なお、柱状材としては、断面が円形の物には限られない。

基礎本体１は、図３に示すように、上面に空気抜き孔９と注排水孔１０とが設けられる。注排水孔１０には中空部２ａの下部まで到達するパイプが取り付けられる。基礎本体１は、隣り合う中空部２ａと中空部２ｂとの隔壁６に空気抜き孔９ａと注排水孔１０ａとが設けられる。空気抜き孔９ａは隔壁６の上部に設けられ、注排水孔１０ａは隔壁６の下部に設けられる。

次に、基礎構造２２の構築方法について説明する。図４から図７は基礎構造２２の構築方法を示す図である。図４（ａ）は基礎本体１を曳航する工程を示す図、図４（ｂ）は基礎本体１を沈める工程を示す図である。図５（ａ）は基礎本体１を沈設した状態を示す図、図５（ｂ）は基礎本体１を水底１３に固定する工程を示す図である。図６（ａ）は基礎本体１を水底１３に固定した状態を示す図、図６（ｂ）は図６（ａ）の範囲Ｄの拡大図である。図７（ａ）はトランジションピース２１を接合する工程を示す図、図７（ｂ）は基礎構造２２を構築した状態を示す図である。

基礎構造２２を構築するには、まず基礎本体１を岸壁ヤードまたはドック内で製作する。そして、図４（ａ）に示すように基礎本体１を水面に浮かせ、タグボート等を用いて風車の設置水域まで曳航し、水上の作業船から円柱材１２を接合部４の内側に配置する。設置水域の水底１３は、予め砕石を撒くか掘削して概ね水平に均しておく。

次に、基礎本体１をクレーン船等で吊りながら、図４（ｂ）に示すように中空部２ａ、２ｂにバラスト水１４を注入することで基礎本体１を矢印の方向に沈めていく。このとき、基礎本体１に設けた図示しないスラスタを用いて基礎本体１を回転させて設置する向きを調整してもよい。そして、図５（ａ）に示すように基礎本体１を水底１３に設置する。

バラスト水１４の注水には図３に示す空気抜き孔９、９ａおよび注排水孔１０、１０ａを用いる。すなわち、バラスト水１４は、基礎本体１の上面の注排水孔１０に注水ホース等を接続して中空部２ａ内に注入され、中空部２ａ内から隔壁６の注排水孔１０ａを介して中空部２ｂ内にも注水される。中空部２ａ、２ｂ内では空気がバラスト水１４に置換され、中空部２ｂ内の空気は隔壁６の空気抜き孔９ａを介して中空部２ａ内に移動し、中空部２ａ内の空気は基礎本体１の上面の空気抜き孔９から基礎本体１の外に排出される。

基礎本体１を水底１３に設置したら、図５（ｂ）に示すように基礎本体１の上方から基礎固定部である杭１５を吊り降ろし、拡径部３１側から筒状部３に杭１５を挿入して水底１３に打設する。拡径部３１を設けることにより、杭１５の筒状部３への挿入が容易になる。

杭１５を打設したら、図６（ａ）に示すように基礎固定部保持構造である杭保持構造２０で杭１５を保持し、杭１５で基礎本体１を水底１３の地盤に固定する。そして、杭１５内への海洋生物等の侵入を防止するために杭１５に杭頭キャップ１９を被せる。杭頭キャップ１９は、杭１５に被せる深さを杭１５の径の１～１．５倍程度とし、杭１５に被せやすくするために下端を拡げることが望ましい。

図６（ｂ）に示すように、杭保持構造２０は、杭１５の上部が筒状部３内に配置されて下部が基礎本体１の下面から突出した状態で、筒状部３と杭１５との隙間にグラウト材１８を充填することによって杭１５を保持する。筒状部３の内周面にはせん断キー１６が、杭１５の上部の外周面にはせん断キー１７が設けられる。

基礎本体１を水底１３の地盤に固定したら、図７（ａ）に示すように基礎上部であるトランジションピース２１をクレーン船等で矢印の方向に吊り降ろし、トランジションピース２１を接合部４に設置する。トランジションピース２１は、接合部４の形態に対応させて、下部が下方に向けて拡径しており、上方に向けて縮径する接合部４に嵌合することで容易に水中接合できる。

トランジションピース２１は、円柱材１２を位置ガイド且つ挿入ガイドとして設置される。円柱材１２は水面上まで立ち上がっているため、水上からトランジションピース２１の設置予定位置を正確に把握できる。また、円柱材１２に沿ってトランジションピース２１を吊り降ろすことで接合部４にトランジションピース２１を確実に設置できる。円柱材１２は上記したように図２，図３に示す支持部材５およびずれ止め８で支持されているので、波浪を受けても位置が保持される。

トランジションピース２１を接合部４に接合したら、円柱材１２を引き抜いて図７（ｂ）に示す基礎構造２２を完成する。その後、ケーブル用導管１１を用いて水底ケーブルを敷設し、上部構造であるタワーや風車等を構築する。引き抜いた円柱材１２は、他の基礎構造の構築に転用される。なお、トランジションピース２１は１本で水面上の風車タワー設置面まで施工してもよいし、２本以上に分割して接合して施工してもよい。

図８は基礎構造２２の撤去方法を示す図である。図８（ａ）は杭１５を切断する工程を示す図、図８（ｂ）は杭１５の切断部付近の拡大図である。洋上風力発電設備の供用期間が過ぎたら、まず風車等の上部構造を撤去する。そして図８（ａ）に示すように杭１５の内部に切断装置２３を挿入し、杭１５の切断位置が水底１３よりも下方となるようにセットする。切断装置２３は、杭１５にジャッキ２５で固定され、回転装置２６でカッタ２４を杭１５の円周方向に回転させて杭１５を切断する。ジャッキ２５はカッタ２４による切断時の反力を受ける。

全ての杭１５を切断したら、トランジションピース２１内の排水を行う。次に、空気抜き孔９、９ａと注排水孔１０、１０ａを用いて基礎本体１の中空部２ａ、２ｂ内のポンプ排水と空気導入を実施し、基礎本体１に浮力を与えて浮上させる。浮上時には、必要に応じて小型のクレーン船やタグボート等で引き上げ補助や基礎本体１の位置制御を行う。基礎本体１が水面まで浮上したら、所定のヤードまで曳航して陸揚げし、解体する。

このように、第１の実施形態では、内部に複数の中空部２を有する基礎本体１の上面および隣り合う中空部の隔壁６に空気抜き孔９、９ａと注排水孔１０、１０ａとが設けられるため、基礎本体１の浮体曳航や水底１３への沈設が可能であり、風車等の上部構造の大型化に対応した基礎構造２２を構築できる。また、起重機船や運搬台船等の作業船の能力による制約が少なく、基礎構造２２の設置水域が沖合であったり大水深であったりしても施工可能である。

第１の実施形態では、基礎本体１の直上に接合部４が固定され、接合部４の内側に着脱式の円柱材１２を配置可能とし、接合部４をスリップジョイントとすることにより、トランジションピース２１を水上から正確な位置に吊り降ろして、水中で接合部４に容易に接合できる。また、基礎構造２２の撤去時に大型ＳＥＰや大型クレーンが不要であり、経済的である。

ジャケット工法では、プレパイリング時に各杭の間隔を正確に保つためにテンプレートを使用する必要があるが、第１の実施形態では基礎本体１の筒状部３をガイドにして杭１５を打設するのでテンプレートが不要となる。

なお、基礎構造２２の構成は第１の実施形態で示したものに限らない。例えば、基礎本体１の形状は平面視で十文字形状に限らず、円形や多角形やこれらを組み合わせた形状としてもよい。また、杭１５は４本に限らず、必要な杭１５の本数に対応した数の筒状部３を基礎本体の外縁部付近に設けることによって基礎構造を経済的な設計とできる。接合部４は１カ所に限らず基礎本体の複数箇所に固定してもよい。本発明の基礎構造は施工時に作業船の能力による制約が少ないため、設計の自由度が高く、現場の条件に応じて合理的な形状を選択できる。

図９は基礎構造の他の構成の例を示す図である。図９（ａ）は基礎本体１ｂを示す図である。基礎本体１ｂは、平面視で矩形状であり、矩形の四隅に筒状部３が設けられ、中央部に接合部４が固定される。図９（ｂ）は基礎本体１ｃを示す図である。基礎本体１ｃは、平面視で放射状であり、放射状に延びた３つの部分の端部付近に筒状部３が設けられ、３カ所の筒状部３の中央部寄りに接合部４が固定される。基礎本体１ｃのように接合部４を複数箇所に固定すれば、モノパイルのトランジションピースの直径が製作限界を超えて大きくなった場合にもトリパイル形式等を採用して対応可能である。

図９（ｃ）はトランジションピース２１ａと接合部４を示す図である。トランジションピース２１ａのように最大部の内径２９を接合部４の最大部の外径３０よりも大きくすることにより、接合部４にトランジションピース２１ａを容易に嵌合することができる。なお、第1の実施形態では接合部４をスリップジョイントとしトランジションピース２１を嵌合して接合したが、接合方法はこれに限らずグラウト接合等で接合してもよい。

次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では第１の実施形態と異なる点について説明し、同様の構成については図等で同じ符号を付すなどして説明を省略する。

図１０は基礎本体１ａ及び基礎構造２２ａを示す図である。図１０（ａ）は基礎本体１ａを上方から見た図、図１０（ｂ）は基礎構造２２ａの鉛直断面図（図１０（ａ）の線Ｅ－Ｅ断面図）である。第２の実施形態の基礎構造２２ａは、基礎固定部がサクションバケット１５ａであり、基礎固定部保持構造がサクションバケット保持構造２０ａである点で第１の実施形態の基礎構造２２と主に異なる。

図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、基礎本体１ａの外縁部の中空部２ｃには、サクションバケット１５ａが配置される。サクションバケット保持構造２０ａは、サクションバケット１５ａの上部が中空部２ｃ内に配置されて、下部が基礎本体１ａの下面側に形成された開口部２８から基礎本体１ａの下方に突出した状態で、サクションバケット１５ａを保持する。サクションバケット保持構造２０ａは、例えば中空部２ｃに充填されたコンクリート７によってサクションバケット１５ａを基礎本体１ａに固定する。サクションバケット１５ａは、基礎本体１ａの上面から突出した上端部にホース２７が取り付けられる。

図１０（ｂ）に示す基礎構造２２ａを構築するには、まず図１０（ａ）に示す基礎本体１ａを岸壁ヤードまたはドック内で製作する。そして、基礎本体１ａを水面に浮かせて風車の設置水域まで曳航する。基礎本体１ａは、サクションバケット１５ａが一体化された状態で曳航される。

次に、第１の実施形態と同様に、接合部４内に円柱材を配置し、空気抜き孔から空気を逃しつつ注排水孔から中空部２ａ、２ｂにバラスト水を注入することにより、基礎本体１ａを水底１３の方向に沈めていく。第２の実施形態では、サクションバケット１５ａの下端が水底１３に到達したら、ホース２７に図示しないポンプ等を接続してサクションバケット１５ａの内部の水を汲み出すことにより、図１０（ｂ）に示すようにサクションバケット１５ａを水底１３の地盤に貫入して基礎本体１ａを水底１３の地盤に固定する。サクションバケット１５ａは拡径した部分の上端付近が水底１３に達するまで貫入され、貫入が完了したら水の汲み出しを停止してサクションバケット１５ａに杭頭キャップ１９ａを被せる。

基礎本体１ａを水底１３の地盤に固定したら、第１の実施形態と同様にして円柱材をガイドとしてトランジションピース２１を接合部４に設置し、円柱材を引き抜いて基礎構造２２ａを完成する。

第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、第２の実施形態では、サクションバケット１５ａをサクションバケット保持構造２０ａに設置した状態で基礎本体１ａを曳航するので、基礎本体１ａの沈設と同時にサクションバケット１５ａで基礎本体１ａを水底１３の地盤に固定することができる。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、基礎本体はプレストレストコンクリート製に限らず浮体曳航ができるものであればよく、鋼製でもよい。また、基礎本体は、沈設せずに浮体式の基礎に用いてもよいし、沈設した後に中空部の少なくとも一部に砂やコンクリートを充填して重力式基礎としてもよい。基礎構造の撤去時に用いる切断装置２３は図８に示すものに限らず、アブレイシブジェット工法、水中溶断工法、ディスクカッタなどの適切な方法で基礎固定部を切断すればよい。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ………基礎本体
２、２ａ、２ｂ、２ｃ………中空部
３………筒状部
４………接合部
５………支持部材
６………隔壁
７………コンクリート
８………ずれ止め
９、９ａ………空気抜き孔
１０、１０ａ………注排水孔
１１………ケーブル用導管
１２………円柱材
１３………水底
１４………バラスト水
１５………杭
１５ａ………サクションバケット
１６、１７………せん断キー
１８………グラウト材
１９、１９ａ………杭頭キャップ
２０………杭保持構造
２０ａ………サクションバケット保持構造
２１、２１ａ………トランジションピース
２２、２２ａ………基礎構造
２３………切断装置
２４………カッタ
２５………ジャッキ
２６………回転装置
２７………ホース
２８………開口部
２９………内径
３０………外径
３１………拡径部

Claims (7)

1. 内部に複数の中空部を有する基礎本体と、
   前記基礎本体の外縁部付近に形成された基礎固定部保持構造と、
   前記基礎固定部保持構造に設置され、前記基礎本体を水底の地盤に固定する基礎固定部と、
   を具備し、
   前記基礎本体は、上面および隣り合う前記中空部の隔壁に空気抜き孔と注排水孔とが設けられることを特徴とする基礎構造。
2. 前記基礎本体の直上に固定された接合部をさらに具備し、
   前記接合部の内側に、外径が前記接合部の内径よりも小さい着脱式の柱状材を配置可能であることを特徴とする請求項１記載の基礎構造。
3. 前記接合部は、上方に向けて縮径する筒状のスリップジョイントであり、
   前記柱状材の前記外径が前記スリップジョイントの最小部の内径よりも小さいことを特徴とする請求項２記載の基礎構造。
4. 前記基礎固定部は杭であり、
   前記基礎固定部保持構造は、前記基礎本体の上面から下面までを貫通するように前記基礎本体に形成された筒状部を有し、
   前記基礎固定部保持構造は、前記筒状部に前記上面側から挿入された前記杭を、上部が前記筒状部内に配置されて下部が前記下面から突出した状態で保持することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の基礎構造。
5. 前記基礎固定部はサクションバケットであり、
   前記基礎固定部保持構造は、前記基礎本体の下面側に形成された開口部を有し、
   前記基礎固定部保持構造は、前記サクションバケットを、上部が前記基礎本体内に配置されて下部が前記開口部から前記基礎本体の下方に突出した状態で保持することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の基礎構造。
6. 前記基礎本体は、平面視で十文字であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の基礎構造。
7. 内部に複数の中空部を有し、上面および隣り合う前記中空部の隔壁に空気抜き孔と注排水孔とが設けられた基礎本体を、所定の水域まで曳航する工程と、
   前記空気抜き孔から空気を逃しつつ前記注排水孔から複数の前記中空部にバラスト水を注入することにより、前記基礎本体を水底に沈設する工程と、
   前記基礎本体の外縁部付近に形成された基礎固定部保持構造に設置された基礎固定部を用いて、前記基礎本体を水底の地盤に固定する工程と、
   前記基礎本体の直上に設けられた接合部に基礎上部を接合する工程と、
   を具備することを特徴とする基礎構造の構築方法。

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