CN103917716B - 用于衰减压力脉冲的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于当使用冲击机构（102）时衰减在海上打桩（608）期间生成的水压力脉冲的设备和方法，该海上打桩包括用于驱使至少一个桩子（104）进入海洋或湖泊（110）的底部（108）处的地层（106）的阶段，该桩子通过该冲击机构，桩子限定定义纵轴（z‑z）并且具有外周（116），同时沿该桩子的轴向延伸（123）的至少一部分（122），该桩子被海水或湖水（124）环绕，其中，利用具有内周（128；528）的管状外部套管126（126；526），沿该桩子的该轴向延伸（123）的所述部分（122）的至少一个片段，而环绕（603）该桩子，该外部套管12在该桩子的轴向方向上延伸；并且至少部分地沿该桩子的该轴向延伸的所述部分的所述段，在外部套管的内周与桩子的外周之间提供（604；605；606）一个被气体填充的空间（134；534）或多个被气体填充的空间（134；534）。该设备包括用于提供所述一个被气体填充的空间（134）或所述多个被气体填充的空间（134）的装置（132；232；332）。一种海上打桩系统包括上述设备。

Description

用于衰减压力脉冲的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于衰减当使用冲击机构在海上打桩期间生成的水压力脉冲的方法，该海上打桩包括用于驱使至少一个桩子进入海洋或湖泊的底部处的地层的阶段，该桩子借助该冲击机构限定纵轴并且具有外周，同时沿该桩子的轴向延伸的至少一部分，该桩子被海水或湖水环绕。本发明还涉及一种用于衰减当使用冲击机构驱动至少一个桩进入海或湖的底部的地层的海上打桩期间生成的水压力脉冲的设备，该桩子限定纵轴并且具有外周，同时沿该桩子的轴向延伸的至少一部分，该桩子被海水或湖水环绕。本发明还涉及一种包括上述设备的海上打桩系统。

背景技术

当在海上或湖中安装将要在海洋或湖泊的底部处由地层支撑的各种结构或构造例如桥梁、石油平台或风车地点时，可能使用海上打桩过程。海上打桩涉及驱使例如由钢制造的一个或多个桩子（柱状物）进入海洋的底部处的地层。桩子通常具有大型中空管道的形式，优选地具有圆形横截面，具有大约1-3米的外直径。在海上打桩期间通常使用具有纵向延伸的桩子，该纵向延伸超过了海洋的深度。可以借助可以用各种方式设计的撞击或冲击机构驱使桩子进入地层中。冲击机构可以包括连接在桩子的顶端处的锤砧，以及被配置为击打锤砧并且因此驱使桩子的底端进入海洋的底部处的地层的撞击或打桩锤。可以液压地或气动地驱动或者例如由其他手段驱动打桩锤。

大型打桩锤可能具有不到200吨的重量。当桩子基本上垂直地定位于水中并且打桩锤击打桩子的顶部以驱使桩子进入海洋的底部时，创建了压力脉冲，压力脉冲经过桩子传播并且将声压或水压辐射到水中。生成的水压脉冲经过水以远离桩子的径向方向传播。击打桩子的大型打桩锤可能在水中在距离桩子750米的径向距离处造成180-210dB范围内的峰值压力等级以及150-180dB范围内的暴露声级SEL。SEL的定义为在一秒钟上积分的单脉冲能量等级。近些年来，在750米的径向距离处测量的SEL已经成为了用于定义水中的最高可接受声音等级的最常用值。人们相信在例如海上打桩期间生成的高等级的声音或水压脉冲可能对于海洋生命/生物具有不利的影响。因而，存在使水声或噪声等级保持处于可接受等级的动机，并且当局已经开始设置在海上打桩期间不能超过的水声限制。根据海上打桩事件的750米处的160dB是在海上打桩期间不能超过的要求等级的一个示例。

可以利用在750米半径处低于160dB的SEL来打桩具有相对小（即小于1米）的外直径的小型桩子，而无需任何附加的或辅助的声音抑制措施。通常，用于风车和工业海上平台的具有大于1米的外直径的大型桩子需要更大的打桩锤输入能量并且在没有任何附加的或辅助的声音抑制措施的前提下不能利用在750米半径处低于160dB的SEL来打桩。

目前，存在多种已知的抑制方法或技术以用于衰减在海上打桩期间生成的水压脉冲来降低SEL。在低衰减区域（即低于4dB），打桩锤输入能量对土壤阻力的准确的打桩管理和结构桩子阻尼在大多数情况都是足够的。

通常通过自由地移动并且作为桩子周围的空气幕而应用的多个自由气泡来获得更大的衰减，即4-8dB。

对于还要更大的衰减，即8-12dB，建议了使用气泡的更成熟的技术，其使用具有特定直径并且被围绕在薄塑料壳体中的多个气泡，该薄塑料壳体被安装在大型网的特定位置处。建议在桩子周围应用该网并且该网围绕该桩子。

现有技术的抑制方法或技术具有的限制是其仅允许12-15dB的最大衰减，但是现有技术的该最大衰减需要准确的或最佳的打桩过程控制以及使用已知最复杂的技术。如果需要更大的衰减，则并没有安全和鲁棒的现有技术。

发明目的

本发明的发明人已发现使用自由气泡的技术遭受低衰减可靠性，因为气泡大小和气泡位置沿桩子的纵向延伸是不受控制的。此外，使用自由气泡的技术具有与海水环境有关的限制并且受到海水的横向移动的损害。此外，本发明的发明人已认识到与使用围绕在薄塑料壳体中的气泡和网相关的缺点。网可能是大体积的并且海上打桩现场的环境可能妨碍网完全地围绕桩子。当安装和去除网时利用被空气填充的壳体管理大型网也是复杂的，因为该壳体可能对于机械应力敏感。因而，在海上打桩期间需要水压脉冲的可靠的和有效的衰减。

本发明的目的因而在于改进海上打桩过程以及降低海上打桩对于周围海洋环境的影响。

另一个目标在于当使用冲击机构时改进在海上打桩期间生成的水压力脉冲的衰减。

发明内容

通过提供一种用于当使用冲击机构时衰减在海上打桩期间生成的水压力脉冲的方法来获得本发明的上述目标，该海上打桩包括用于驱动至少一个桩子进入海洋或湖泊的底部处的地层的阶段，通过该冲击机构，桩子定义纵轴并且具有外周，同时沿该桩子的轴向延伸的至少一部分，该桩子被海水或湖水环绕，其中，该方法包括以下步骤：

利用具有内周的管状外部套管，沿该桩子的轴向延伸的所述部分的至少一段而环绕该桩子，该外部套管在该桩子的轴向方向上延伸；并且

至少部分地沿该桩子的轴向延伸的所述部分的所述段，在外部套管的内周与桩子的外周之间提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间。

通过根据本发明的方法，有效地改进当使用冲击机构时在海上打桩期间生成的水压力脉冲的衰减。取决于桩子的尺寸，可以获得20和30dB之间或者可能更大的衰减。本发明的方法提供较不麻烦并且较不复杂的衰减程序，其节省了时间和成本。通过根据本发明的方法，借助外部套管，在桩子周围有效地引入并且维持衰减的被气体填充的空间或多个空间，并且被气体填充的空间或多个空间提供经过桩子生成的水压脉冲的有效的衰减，并且因此，以有效的方式衰减由海上打桩生成的声或水压脉冲。通过外部套管，衰减的被气体填充的空间或多个空间对横向海水移动不敏感，并且该方法因而提供可靠且鲁棒的衰减，其不需要大体积的结构。因而，通过根据本发明的方法，海上打桩的过程被改进并且其对于周围海洋环境的影响被降低。

有利地，在将桩子放置在它在外部套管中的操作位置之前使外部套管被放置在它的操作位置。可替换地，可以在将外部套管放置在它在桩子的外部和周围的操作位置之前使桩子被放置在它的操作位置。在操作位置，桩子和外部套管在海洋的底部与海洋的表面区域之间基本上竖直地延伸。可以用空气或任意其它气体或气体混合物填充该空间或多个空间。外部套管可以是例如由钢铁或任意其它合适材料制成的中空的管或者管道。可以在海上或者湖泊中执行该海上打桩。外部套管可以被定位从而外部套管和桩子基本上同轴。可以通过连接或接合多个套管来形成外部套管。

根据本发明的方法的一个有利的实施例，利用管状外部套管环绕该桩子的步骤包括利用管状外部套管，沿桩子的轴向延伸的所述部分的整个轴向延伸而环绕该桩子。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的方法的另一个有利的实施例，利用管状外部套管环绕该桩子的步骤包括利用管状外部套管沿桩子的轴向延伸的所述部分的至少整个轴向延伸而环绕该桩子。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的方法的另一个有利的实施例，提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间的步骤包括沿桩子的轴向延伸的所述部分的所述段的基本上整个轴向延伸，在外部套管的内周与桩子的外周之间提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间。通过该实施例，进一步改进衰减且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的方法的另一个有利的实施例，提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间的步骤包括沿桩子的轴向延伸的所述部分的所述段的至少整个轴向延伸，在外部套管的内周与桩子的外周之间提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间。通过该实施例，进一步改进衰减且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的方法的又一个有利的实施例，提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间的步骤包括在外部套管的内周与桩子的外周之间，沿着桩子的轴向延伸的所述部分的基本上整个轴向延伸，提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的方法的另一个有利的实施例，提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间的步骤包括在外部套管的内周与桩子的外周之间提供一个被气体填充的空间。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的方法的再一个有利的实施例，提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间的步骤包括将气体或气体混合物引入外部套管的内周与桩子的外周之间的一个空间或多个空间。通过该实施例，以有效的方式提供被气体填充的空间或多个空间。可以在压力之下引入气体或气体混合物，即压缩气体。可以通过气体压缩机提供该气体或气体混合物。有利地，当在基本上垂直地树立的桩子周围提供外部套管时可以在外部套管的顶端部分引入该气体或气体混合物。通过所引入的气体或气体混合物，出现在外部套管的内周与桩子的外周之间的水被推送/挤压出去。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的方法的又一个有利的实施例，提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间的步骤包括从外部套管的内周与桩子的外周之间的一个空间或多个空间提取水。通过该实施例，以有效的方式提供被气体填充的空间/多个空间。可以通过泵送例如通过泵来提取水。当在基本上竖直地树立的桩子周围提供外部套管时可以在外部套管的下部将泵连接到该空间或多个空间。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的方法的一个有利的实施例，提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间的步骤包括以下的组合：将气体或气体混合物引入外部套管的内周与桩子的外周之间的一个空间或多个空间，以及从所述空间或所述多个空间提取水。通过该实施例，以有效的方式提供被气体填充的空间/多个空间。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的方法的另一个有利的实施例，该方法特征在于检测所述空间或所述多个空间是否被气体填充，并且至少部分地基于所述空间或所述多个空间是否被气体填充的检测控制气体或气体混合物的引入和/或水的提取。通过该实施例，以有效的方式提供被气体填充的空间/多个空间。可以通过所述空间/多个空间中的一个或多个传感器或者通过位于该空间/多个空间外部的一个或多个检测器（例如位于水中例如位于750米径向半径处的水听器）执行所述检测。当使用泵来从该空间或多个空间提取水时，可以通过感应该泵的性能（例如该泵使用的功率、该泵的速率或经过经该泵的水流等等）的传感器或多个传感器来执行该检测。当该空间/多个空间被气体填充并且不再有水可泵送时，随着泵上的负载减少，泵需要更少的功率或者泵的速率将增加。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的方法的另一个有利的实施例，该方法包括通过在外部套管的内周与桩子的外周之间提供隔振支撑件来防止外部套管直接邻接桩子的步骤。桩子与外部套管之间的直接接触损害衰减并且应当被避免。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的又一个有利的实施例，外部套管的一部分沉入海洋或湖泊的底部处的地层中。通过该实施例，提供外部套管的底部部分处的密封。通过将外部套管适配为用于大约25-50米的深度，取决于外部套管的重量和地层的材料，该外部套管可以例如沉入地层中大约4-5米。

根据本发明的方法的另一个有利的实施例，该方法的特征在于通过利用外部套管沿桩子的轴向延伸的所述部分的至少一段而环绕桩子，使得桩子可相对于外部套管轴向地移动。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

此外，通过提供一种用于当使用冲击机构时衰减在海上打桩期间生成的水压力脉冲以驱动至少一个桩子进入海洋或湖泊的底部处的地层的设备来获得本发明的上述目标，该桩子定义纵轴并且具有外周，同时沿桩子的轴向延伸的至少一部分使桩子被海水或湖水环绕，其中，该设备包括具有内周的管状外部套管，其中沿桩子的轴向延伸的所述部分的至少一段，外部套管被布置为环绕桩子，同时在桩子的轴向方向上延伸，并且其中该设备包括用于在外部套管的内周与桩子的外周之间提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间的设备。

通过根据本发明的设备，有效地改进当使用冲击机构时在海上打桩期间生成的水压力脉冲的衰减。取决于桩子的尺寸，可以获得20和30dB之间或者可能更大的衰减。本发明的设备提供较不麻烦且较不复杂的衰减程序，其节省了时间和成本。通过根据本发明的设备，借助外部套管，在桩子周围有效地引入并且维持衰减的被气体填充的空间或多个空间，并且被气体填充的空间/多个空间提供由桩子生成的水压脉冲的有效的衰减，并且因此，以有效的方式衰减由海上打桩生成的声或水压脉冲。通过根据本发明的设备，衰减的被气体填充的空间/多个空间对横向海水移动不敏感，并且该设备因而提供可靠且鲁棒的衰减。该创造性设备还具有体积不大的结构。因而，通过根据本发明的设备，海上打桩的过程被改进并且其对于周围海洋环境的影响被降低。

可以用空气或任何其它气体或气体混合物填充该空间或多个空间。外部套管可以是例如由钢铁或任何其它合适材料制成的中空的管或者管道。外部套管的内横截面可以是圆形的，但是该横截面的其它形状例如椭圆形或矩形也是可能的。

根据本发明的设备的一个有利的实施例，外部套管被布置为沿桩子的轴向延伸的所述部分的基本上整个轴向延伸而环绕桩子。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的设备的另一个有利的实施例，该外部套管被布置为沿桩子的轴向延伸的所述部分的至少整个轴向延伸而环绕桩子。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的装备的另一个有利的实施例，所述装置被布置为沿桩子的轴向延伸的所述部分的所述段的基本上整个轴向延伸，在外部套管的内周与桩子的外周之间提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的设备的另一个有利的实施例，所述装置被布置为沿桩子的轴向延伸的所述部分的所述段的至少整个轴向延伸，在外部套管的内周与桩子的外周之间提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的设备的又一个有利的实施例，所述装置被布置为沿桩子的轴向延伸的所述部分的基本上整个轴向延伸，在外部套管的内周与桩子的外周之间提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的设备的再一个有利的实施例，所述装置被布置为沿桩子的轴向延伸的所述部分的至少整个轴向延伸，在外部套管的内周与桩子的外周之间提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的设备的一个有利的实施例，所述装置被布置为在外部套管的内周与桩子的外周之间提供一个被气体填充的空间或多个用于形成一个被气体填充的空间的被气体填充的隔间。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的装备的另一个有利的实施例，所述装置被布置为在外部套管的内周与桩子的外周之间提供一个被气体填充的空间。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的设备的另一个有利的实施例，所述装置包括气体引入装置，用于将气体或气体混合物引入在外部套管的内周与桩子的外周之间的一个空间或多个空间。通过该实施例，以有效的方式提供被气体填充的空间/多个空间。气体引入装置可以包括在压力之下引入气体或气体混合物即压缩气体的装置例如气体增压器。该设备可以包括至少一个入口，该入口连接到该空间/多个空间，并且气体引入装置可连接到该空间/多个空间。外部套管可以定义纵轴并且可以具有第一端部部分和第二端部部分，该纵轴延伸经过第一端部部分和第二端部部分。当外部套管处于它的操作状态时，第一端部部分是顶端部部分并且第二端部部分是底端部部分。外部套管的第一端部部分可以设置有所述入口。该设备可以包括连接到该空间或多个空间的至少一个出口。外部套管的第二端部部分可以设置有所述出口。气体引入装置可以被布置为将出现在外部套管的内周与桩子的外周之间的水经过该出口挤压/推送出去并且例如进入水中。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。气体引入装置可以被布置为维持该空间/多个空间中的至少一个压力。

根据本发明的设备的又一个有利的实施例，所述装置包括水提取装置，用于从外部套管的内周与桩子的外周之间的一个空间或多个空间提取水。通过该实施例，以有效的方式提供被气体填充的空间/多个空间。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的设备的再一个有利的实施例，该水提取装置包括水泵。该水泵可以连接到所述出口。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的设备的一个有利的实施例，该外部套管具有外周；该水提取装置包括具有内周的管状第二外部套管；第二外部套管部分地沿桩子的轴向延伸的所述部分的所述段而环绕外部套管；在外部套管的外周与第二外部套管的内周之间形成室，该室与该空间或该多个空间彼此连通，并且该水泵被布置为从该室提取水以从该空间或该多个空间提取水。通过该实施例，以有效的方式安装水泵，并且当外部套管沉入海洋底部的地层中时防止泵沉入地层中。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

根据本发明的设备的另一个有利的实施例，该设备包括用于检测所述空间或所述多个空间是否被气体填充的至少一个检测器，以及被布置为至少部分地基于该至少一个检测器的检测来控制该气体引入装置和/或该水提取装置以用于控制气体或气体混合物的引入和/或水的提取的控制单元。通过该实施例，以该方式提供被气体填充的空间/多个空间。该至少一个检测器可以包括所述空间或多个空间中的一个或多个传感器或者通过位于该空间或多个空间外部的一个或多个检测器，例如位于水中的水听器。当使用泵从该空间或多个空间提取水时，至少一个检测器可以包括感应泵的性能例如该泵使用的功率、该泵的速率或经过经该泵的水流等等的传感器或多个传感器。当该空间或多个空间被气体填充并且不再有水可泵送时，随着泵上的负载减少，泵需要更少的功率，或者泵的速率将增大。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。水听器可以感应来自海上打桩的声压脉冲，并且当水听器感应到声压脉冲的等级的减小时，可以确定空间/多个空间已被气体填充。并且提供产生的衰减。控制单元可以包括CPU或计算机装置。该控制单元可以连接到至少一个检测器和气体引入装置和/或水提取装置。

根据本发明的设备的另一个有利的实施例，该设备包括在外部套管的内周与桩子的外周之间用于防止外部套管直接邻接桩子的隔振支撑件。桩子与外部套管之间的直接接触损害衰减并且应该被避免。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。在优选实施例的详细描述中公开了隔振支撑件的示例。此外，隔振支撑件有助于保持桩子与外部套管基本上同轴。

根据本发明的设备的又一个有利的实施例，该外部套管被布置为沿外部套管的桩子的轴向延伸的所述部分的至少一段而环绕桩子，以使得该桩子可相对于外部套管轴向地移动。通过该实施例，进一步改进衰减并且提供进一步改进的海上打桩过程。

通过一种海上打桩系统获得本发明的上述目标，该系统包括冲击机构，其用于驱动至少一个桩子进入海洋或湖泊的底部处的地层，同时沿桩子的轴向延伸的至少一部分使该桩子被海水或湖水环绕，其中，该系统包括至少一个如权利要求11到20中的任一项的设备。通过根据本发明的海上打桩系统，由于上文结合根据本发明的设备和该设备的各种实施例的公开所陈述的原因，提供改进的海上打桩系统。可以在海上或在湖中执行该海上打桩。

可以在大约20-60米的深度（海的深度）处使用本发明的方法、设备和系统。也可以在其它深度处使用本发明的方法、设备和系统。

可以用各种可能的方式组合方法、设备和系统的各自的上述特征和实施例，以提供进一步有利的实施例。

从实施例的详细描述中看出根据本发明的方法、设备和系统各自的进一步有利的实施例以及本发明的进一步的优点

附图说明

为了示例的目的，现在将通过实施例并且参考附图来更详细地描述本发明，其中：

图1是根据本发明的应用于海上打桩系统和桩子的设备的第一实施例的示意性侧剖面图；

图2是根据本发明的应用于海上打桩系统和桩子的设备的第二实施例的示意性侧剖面图；

图3是根据本发明的应用于海上打桩系统和桩子的设备的第三实施例的示意性侧剖面图；

图4是图1的第一实施例的示意性俯视剖面图；

图5是根据本发明的应用于海上打桩系统和桩子的设备的第四实施例的示意性俯视剖面图；以及

图6是示出了根据本发明的方法的方面的流程图。

具体实施例

图1示意性地示出了根据本发明的应用于桩子的设备的第一实施例。此外，图1示意性地图示了根据本发明的海上打桩系统的第一实施例的方面，其包括该设备的第一实施例。海上打桩系统包括用于驱动至少一个桩子104进入海洋或湖泊110的底部108处的地层106的冲击机构102。桩子104具有顶端112和底端114并且定义了延伸经过桩子104的顶端112和底端114的纵轴z-z。桩子104具有外周116并且可以具有圆形横截面。桩子104可以是管状的并且中空的并且可以由钢铁或任意其他合适的材料制造。冲击机构102可以包括可连接到桩子104的顶端112的锤砧118，以及被布置为击打锤砧118并且因而驱动桩子104的底端114进入海洋110的底部108处的地层106的冲击或打桩锤120。可以液压地或气动地驱动或者例如由其他手段驱动打桩锤120。在驱动桩子104进入地层106之前，桩子104总体被定位为在基本上竖直的方向上延伸。

冲击机构102以及用于将桩子104定位在操作位置中以准备被驱动进入地层106的附加装备可以具有本领域技术人员已知的各种设计，并且可以被安装到本领域技术人员已知的诸如船121之类的平台例如浮动平台上，因而不做详细讨论。

在每桩3000-6000次击打的海上打桩序列中，由打桩锤的轴向冲击造成的径向桩张力是每次撞击的声源。辐射声谱由冲击力谱、桩共振和桩子辐射效率而形成。在700与300Hz之间的频率范围内可能出现最大声能。必须考虑在沿桩子104的相位中的径向桩子表面速度振动以及来自桩子呼吸模式（又被称为张力模式、环模式或零模式）的共振放大。桩子呼吸模式是当桩子104或桩子104的周长由于打桩锤120的撞击而在径向方向上向外伸展以及随后在径向方向上向内收缩时。

根据本发明的设备被布置为当使用冲击机构102以用于驱动至少一个桩子104进入地层106，同时沿桩子104的轴向延伸123的桩子104被海水或湖水124所环绕的至少一部分122时，衰减在海上打桩期间生成的水压脉冲。该设备包括具有内周128的管状外部套管126。外部套管126可以是例如由钢铁或任意其它合适的材料制造的中空的管或管道。外部套管126被布置为沿桩子104的轴向延伸123的所述部分122的至少一段130环绕桩子104，同时在桩子104的轴向上延伸。外部套管126定义了纵轴z-z，并且外部套管126可以被定位为使得外部套管126和桩子104基本上同轴。有利地，外部套管126被布置为沿桩子104的轴向延伸123的所述部分122的至少一段130环绕桩子104，以使得桩子104相对于外部套管126可轴向地移动。该设备包括用于至少部分地沿桩子104的轴向延伸123的所述部分122的所述段130，在该外部套管126的内周128与桩子104的外周116之间提供一个被气体填充的空间134或多个被气体填充的空间134的设备132。借助所述被气体填充的空间/多个空间134，当使用冲击机构时，提供在海上打桩期间生成的水压脉冲的有效衰减。所述设备132可以包括气体引入装置136，用于将气体或气体混合物引入外部套管126的内周128与桩子104的外周116之间的一个空间134或多个空间134。气体引入装置136可以包括用于引入处于压力之下气体或气体混合物（即压缩气体）的设备，该设备例如气体压缩机138。引入的气体或气体混合物可以是单一气体或气体混合物（例如空气）。该设备可以包括至少一个入口140，该入口140直接或间接连接到空间134或多个空间134，并且气体引入装置136可经由例如导管141（诸如管或管道）连接到空间134或多个空间134。气体引入装置136可以被布置为维持空间/多个空间134中的至少一个压力。外部套管126可以具有第一端部部分142和第二端部部分144，外部套管126的纵轴z-z可以延伸经过第一端部部分142和第二端部部分144。当外部套管126处于它的操作位置时，第一端部部分142是顶端部并且第二端部部分144是底端部。外部套管126的第一端部部分142可以设置有所述入口140。该设备可以包括直接或间接地连接到空间/多个空间134的至少一个出口146。外部套管126的第二端部部分144可以设置有所述出口146。气体引入装置136可以被布置为将出现在外部套管126的内周128与桩子104的外周116之间的水经过出口146挤压出去且例如进入海洋110中。所述设备132可以包括设置在外部套管126的第一端部部分142处的密封元件148，以在外部套管与桩子104之间进行密封以用于将空间/多个空间134与外部套管126外部的大气150密封。

参考图1，外部套管126可以被布置为至少沿桩子104的轴向延伸123的所述部分122的整个轴向延伸而环绕桩子。所述设备132可以被布置为沿该桩子104的轴向延伸123的所述部分122的基本上整个或至少整个轴向延伸，在外部套管126的内周128与桩子104的外周116之间提供一个被气体填充的空间134或多个被气体填充的空间134。可替换地，外部套管126可以被布置为沿桩子104的轴向延伸123的所述部分122的一段环绕桩子，其中该段在轴向上短于所述部分122。可替换地，所述设备132可以被布置为沿着或至少部分地沿着桩子104的轴向延伸123的所述部分122的一段，在外部套管126的内周128与桩子104的外周116之间提供一个被气体填充的空间134或多个被气体填充的空间134，其中该段在轴向上短于所述部分122。

该设备可以包括用于检测所述空间/多个空间134是否被气体填充的至少一个检测器152。该至少一个检测器152可以包括被布置为感应来自海上打桩的声压脉冲的水听器154。当水听器154感应到声压脉冲的等级的减小时，可以确定空间/多个空间134已经被气体填充并且提供了创造性的衰减。如上所述的其它检测器也是可能的。该设备可以包括控制单元156，其被布置为至少部分地基于该至少一个检测器152的检测来控制气体引入装置136，以用于控制气体或气体混合物的引入。控制单元156可以包括CPU157。控制单元156可以连接到至少一个检测器152和气体引入装置136。

图2示意性地示出了根据本发明的应用于桩子104的设备的第二实施例。此外，图2示意性地图示了根据本发明的海上打桩系统的第二实施例的方面，其包括该设备的第二实施例。在该设备的第二实施例中，用于在外部套管126的内周128与桩子104的外周116之间提供一个被气体填充的空间134或多个被气体填充的空间134的设备232包括水提取装置236，用于从在外部套管126的内周128与桩子104的外周116之间的一个空间134或多个空间134提取水。水提取装置236包括水泵238。外部套管126具有外周129。水提取装置236可以包括具有内周260的管状第二外部套管258。第二外部套管258部分地沿桩子104的轴向延伸123的所述部分122的所述段130而环绕外部套管126，并且第二外部套管258可以在顶部或底部闭合。可以与外部套管126的第二端部部分144的区域相邻地安装第二外部套管258。在外部套管126的外周129与第二外部套管258的内周260之间形成室262，该室262与该空间/多个空间134彼此连通。水泵238可以被布置为从室262提取水以从该空间或多个空间134提取水。水提取装置236可以包括连接到水泵238并且至少部分地设置在室262中的抽吸管263。可替换地，水泵238可以无需第二外部套管258而连接到外部套管126。该设备的第二实施例可以包括用于检测所述空间/多个空间134是否被气体填充的至少一个检测器252，以及被布置为至少部分地基于至少一个检测器252的检测来控制水提取装置236以用于控制来自空间/多个空间134的水的提取的控制单元256（例如，包括CPU257）。至少一个检测器252可以包括用于感应水泵238的性能，例如水泵238使用的功率、水泵238的速率或经过经该水泵238的水流等等的传感器254。当该空间/多个空间被气体填充并且不再有水可泵送时，随着水泵上的负载减少，水泵需要更少的功率或者水泵的速率将增加。在第二端部部分144处，外部套管126可以设置有密封单元268或过滤单元269，以防止地层材料例如沙子、水或它们的混合物进入在外部套管126的内周128与桩子104的外周116之间的空间/多个空间134。

图3示意性地示出了根据本发明的应用于桩子104的设备的第三实施例。此外，图3示意性地示出了根据本发明的海上打桩系统的第三实施例的方面，其包括该设备的第三实施例。第三实施例是如上文公开的根据本发明的设备的第一实施例和第二实施例的组合。因而，在该设备的第三实施例中，用于在外部套管126的内周128与桩子104的外周116之间提供一个被气体填充的空间134或多个被气体填充的空间134的设备332包括结合图1公开的气体引入装置136和结合图2公开的水提取装置236。气体引入装置136和水提取装置236可以同时使用。可替换地，借助该实施例，可以使用气体引入装置136和水提取装置236中的一个，同时另一个可以是不活跃的并且仅在故障时用作备份。该设备的第三实施例可以包括与上文结合图2所公开的检测器对应的至少一个检测器252。该设备的第三实施例可以包括被布置为至少部分地基于至少一个检测器252的检测来控制气体引入装置136和水提取装置236以便控制气体或气体混合物的引入以及水的提取的控制单元356，例如包括CPU357。

图4是图1的第一实施例的俯视剖面图，显示桩子104、环绕桩子104的外部套管126和形成在外部套管126的内周128与桩子104的外周116之间的被气体填充的空间134。虽然桩子104和外部套管126的横截面是圆形的，但是每个横截面可能是其它形状的。当使用具有2.5米的外直径的桩子104时，外部套管126的内直径可以是2.6米，如果桩子104与外部套管126基本上同轴，则这导致在外部套管126的内周128与桩子104的外周116之间大约5厘米的径向间隔。然而，其它尺寸也是可能的。

图5是根据本发明的应用于桩子104的设备的第四实施例的示意性俯视剖面图。第四实施例可以基本上对应于如上所述的第一、第二或第三实施例，或它们的混合，但是另外在外部套管526的内周528与桩子104的外周116之间提供有隔振支撑件570来防止外部套管526的内周528且因而外部套管526直接邻接桩子104，并且来维持被气体填充的空间534。隔振支撑件570还可以助于保持桩子104与外部套管526基板上同轴。隔振支撑件570可以包括三个围着外部套管526的内周528分布的隔振支撑件570。每个隔振支撑件570可以包括附接到外部套管526的内周528并且至少部分地沿外部套管526的轴向延伸而轴向地延伸的保持件572。每个保持件572可以保持引导件574。引导件574可以由可忽略的或低硬度的材料例如合适的聚合物制造，因而不经过引导件574传播振动。借助隔振支撑件570，有效地确保桩子104与外部套管526之间的被气体填充的空间534。每个隔振支撑件570可以沿外部套管526的基板上整个轴向延伸而延伸。可替换地，隔振支撑件可以附接到桩子104。隔振支撑件570的其它设计也是可能的。

参考图6，图示了用于示出根据本发明的用于当使用冲击机构时衰减在海上打桩期间生成的水压脉冲的方法的方面的流程图。海上打桩包括用于借助冲击机构驱动例如如上所述的至少一个桩子104进入海洋或湖泊的底部处的地层106的阶段，同时沿桩子的轴向延伸的至少一部分，桩子被海水或湖水环绕。首先，在步骤601，如上文结合图1-5所述的管状外部套管基本上竖直地位于海或湖中并且外部套管的一部分沉入地层中。在步骤602，桩子104从上插入到外部套管中，从而桩子104也基本上竖直地延伸。外部套管然后在桩子的轴向上延伸。在步骤603，利用管状外部套管沿桩子的轴向延伸的所述部分的至少一段环绕桩子，使得桩子在轴向上可关于外部套管移动，外部套管在桩子的轴向方向上延伸。可替换地，桩子可以首先位于其基本上竖直的操作位置上，并且随后外部套管可以围绕桩子放置。当桩子和外部套管就位时，海水可能最初位于它们之间。通过以下步骤，至少部分地沿桩子的轴向延伸的所述部分的所述段，在外部套管的内周与桩子的外周之间提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间：

（a）在步骤604，在外部套管的内周与桩子的外周之间的一个空间或多个空间引入气体或气体混合物；或

（b）在步骤605，从在外部套管的内周与桩子的外周之间的一个空间或多个空间提取水；或

（c）在步骤606，既在外部套管的内周与桩子的外周之间的一个空间或多个空间引入气体或气体混合物且也从在外部套管的内周与桩子的外周之间的一个空间或多个空间提取水。引入的气体可以是单一气体或气体混合物（例如空气）且可以在压力之下引入气体。

在步骤607，检测所述空间或所述多个空间是否被气体填充。如果检测到所述空间/所述多个空间被气体填充，则在步骤608，以足够的衰减执行海上打桩，其包括驱动桩子进入地层的阶段。如果检测到所述空间/多个空间未被气体填充，则在步骤609，至少部分地基于所述检测，通过上述步骤604-606中的任意一个，控制气体或气体混合物的引入和/或水的提取。可以通过所述空间/多个空间中的一个传感器或通过位于外部套管的外部例如750米的半径距离处的水中的水听器执行所述检测。当使用泵从该空间/多个空间提取水时，可以通过用于感应该泵的性能例如该泵使用的功率、该泵的速率或经过经该泵的水流等等的至少一个传感器来执行该检测。该方法可以包括用于通过在外部套管的内周与桩子的外周之间提供例如图5中公开的隔振支撑件来防止外部套管直接邻接桩子的步骤。

虽然上述桩子104被公开为中空管状元件，但是该桩子也可以是实心的。

本发明不应该被视为限于所示出的实施例，而是可以在不脱离所附权利要求的范围的前提下被本领域技术人员以多种方式修改和变化。

Claims (21)

1.一种用于当使用冲击机构(102)时衰减在海上打桩(608)期间生成的水压力脉冲的方法，所述海上打桩包括通过所述冲击机构驱动至少一个桩子(104)进入海洋或湖泊(110)的底部(108)处的地层(106)的阶段，所述桩子定义纵轴(z-z)并且具有外周(116)，同时沿所述桩子的轴向延伸(123)的至少一部分(122)，所述桩子被海水或湖水(124)环绕，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

利用具有内周的管状外部套管，沿所述桩子的所述轴向延伸(123)的所述部分(122)的至少一段(130)而环绕(603)所述桩子，所述外部套管在所述桩子的轴向方向上延伸；并且

至少部分地沿所述桩子的所述轴向延伸的所述部分的所述段，在所述外部套管的所述内周与所述桩子的所述外周之间提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用管状外部套管(126)环绕(603)所述桩子(104)的所述步骤包括利用所述管状外部套管，沿所述桩子的所述轴向延伸(123)的所述部分(122)的整个轴向延伸而环绕所述桩子。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供一个被气体填充的空间(134)或多个被气体填充的空间(134)的所述步骤包括沿所述桩子(104)的所述轴向延伸(123)的所述部分(122)的所述段(130)的整个轴向延伸，在所述外部套管(126)的所述内周(128)与所述桩子的所述外周(116)之间提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，提供一个被气体填充的空间(134)或多个被气体填充的空间(134)的所述步骤包括沿所述桩子(104)的所述轴向延伸(123)的所述部分(122)的整个轴向延伸，在所述外部套管(126)的所述内周(128)与所述桩子的所述外周(116)之间提供一个被气体填充的空间或多个被气体填充的空间。

5.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，其特征在于，提供一个被气体填充的空间(134)或多个被气体填充的空间(134)的所述步骤包括在所述外部套管(126)的所述内周(128)与所述桩子(104)的所述外周(116)之间提供一个被气体填充的空间。

6.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，其特征在于，提供一个被气体填充的空间(134)或多个被气体填充的空间(134)的所述步骤包括将气体或气体混合物引入到在所述外部套管(126)的所述内周(128)与所述桩子(104)的所述外周(116)之间的一个被气体填充的空间中。

7.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，其特征在于，提供一个被气体填充的空间(134)或多个被气体填充的空间(134)的所述步骤包括从在所述外部套管(126)的所述内周(128)与所述桩子(104)的所述外周(116)之间的一个空间(134)或多个空间(134)提取水。

8.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，其特征在于，提供一个被气体填充的空间(134)或多个被气体填充的空间(134)的所述步骤包括以下的组合：将气体或气体混合物引入到在所述外部套管(126)的所述内周(128)与所述桩子(104)的所述外周(116)之间的一个空间(134)或多个空间(134)中，以及从所述空间或所述多个空间提取水。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，检测所述空间(134)或所述多个空间(134)是否被气体填充，并且至少部分地基于所述空间或所述多个空间是否被气体填充的检测，控制气体或气体混合物的引入和/或水的提取。

10.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，其特征在于，利用所述外部套管(126)，沿所述桩子(104)的所述轴向延伸(123)的所述部分(122)的至少一段(130)而环绕所述桩子，从而所述桩子关于所述外部套管可轴向移动。

11.一种用于当使用冲击机构(102)时衰减在海上打桩期间生成的水压力脉冲以用于驱动至少一个桩子(104)进入海洋或湖泊(110)的底部(108)处的地层(106)的设备，所述桩子定义纵轴(z-z)并且具有外周(116)，同时沿所述桩子的轴向延伸(123)的至少一部分(122)，所述桩子被海水或湖水(124)环绕，其特征在于，所述设备包括具有内周的管状外部套管，其中沿所述桩子的所述轴向延伸(123)的所述部分(122)的至少一段(130)，所述外部套管被布置为环绕所述桩子，同时在所述桩子的所述轴向方向上延伸，并且其中所述设备包括用于在所述外部套管的所述内周与所述桩子的所述外周之间，至少部分地沿着所述桩子的所述轴向延伸的所述部分的所述段，提供一个被气体填充的空间(134)或多个被气体填充的空间(134)的装置(132；232；332)。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述外部套管(126)被布置为沿所述桩子(104)的所述轴向延伸(123)的所述部分(122)的整个轴向延伸而环绕所述桩子。

13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述装置(132；232；332)被布置为沿所述桩子(104)的所述轴向延伸(123)的所述部分(122)的整个轴向延伸，在所述外部套管(126)的所述内周(128)与所述桩子的外周(116)之间提供一个被气体填充的空间(134)或多个被气体填充的空间(134)。

14.根据权利要求11到13中的任一项所述的设备，其特征在于，所述装置(132；232；332)包括气体引入装置(136)以用于将气体或气体混合物引入到所述在所述外部套管(126)的所述内周(128)与所述桩子(104)的所述外周(116)之间的一个空间(134)或多个空间(134)中。

15.根据权利要求11到13中的任一项所述的设备，其特征在于，所述装置(132；232；332)包括水提取装置(236)以用于从在所述外部套管(126)的所述内周(128)与所述桩子(104)的所述外周(116)之间的一个空间(134)或多个空间(134)提取水。

16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述水提取装置(236)包括水泵(238)。

17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述外部套管(126)具有外周(129)，其中所述水提取装置(236)包括具有内周(260)的管状第二外部套管(258)，其中所述第二外部套管部分地沿所述桩子(104)的所述轴向延伸(123)的所述部分(122)的所述段(130)而环绕所述外部套管，其中在所述外部套管的所述外周与所述第二外部套管的所述内周之间形成室(262)，所述室与所述空间(134)或所述多个空间(134)彼此连通，并且其中所述水泵(238)被布置为从所述室提取水以便于从所述空间或所述多个空间提取水。

18.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述装置(132；232；332)包括水提取装置(236)以用于从在所述外部套管(126)的所述内周(128)与所述桩子(104)的所述外周(116)之间的一个空间(134)或多个空间(134)提取水，所述设备包括用于检测所述空间(134)或所述多个空间(134)是否被气体填充的至少一个检测器(152；252)，以及被布置为至少部分地基于所述至少一个检测器的检测来控制所述气体引入装置(136)和/或所述水提取装置(236)以用于控制气体或气体混合物的引入和/或水的提取的控制单元(156；256；356)。

19.根据权利要求11到13中的任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括在所述外部套管(526)的所述内周(528)与所述桩子(104)的所述外周(116)之间用于防止所述外部套管直接邻接所述桩子的隔振支撑件(570)。

20.根据权利要求11到13中的任一项所述的设备，其特征在于，所述外部套管(126)被布置为沿所述桩子(104)的所述轴向延伸(123)的所述部分(122)的至少一段(130)而环绕所述桩子，从而所述桩子可相对于所述外部套管轴向地移动。

21.一种海上打桩系统，包括冲击机构(102)，用于驱动至少一个桩子(104)进入海洋或湖泊(110)的底部(108)处的地层(106)，同时沿所述桩子的轴向延伸(123)的至少一部分(122)，所述桩子被海水或湖水(124)环绕，其中，所述系统包括至少一个根据权利要求11到20中的任一项所述的设备。