(57)【要約】【課題】軟弱層からなる表層と表層の下の堅い支持層とを有する水底地盤に構築可能であり、杭との接合部が長期信頼性を有する洋上風力発電施設の基礎構造、および、かかる基礎構造を構築するときに施工性向上・工程短縮・施工コスト低減を実現可能な施工方法を提供する。【解決手段】この洋上風力発電施設の基礎構造１０は、洋上風力発電施設を支持するために軟弱層からなる表層５１と表層の下の堅い支持層５２とを有する水底地盤５０に構築され、表層上に位置する重力式の底版１１と、底版を支持するように表層を貫通して支持層に貫入した複数の杭１２と、複数の杭の天端と底版とを接合するための接合部と、を備え、接合部は底版に形成された複数の孔を有し、杭の天端が底版の孔内に位置することで形成される被充填空間内に充填物Ｇが充填されることで杭と底版とが結合している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
洋上風力発電施設を支持するために軟弱層からなる表層と前記表層の下の堅い支持層とを有する水底地盤に構築される基礎構造であって、
前記表層上に位置する重力式の底版と、
前記底版を支持するように前記表層を貫通して前記支持層に貫入した複数の杭と、
前記複数の杭の天端と前記底版とを接合するための接合部と、を備え、
前記接合部は前記底版に形成された複数の孔を有し、
前記杭の天端が前記底版の孔内に位置することで形成される被充填空間内に充填物が充填されることで前記杭と前記底版とが結合している洋上風力発電施設の基礎構造。
【請求項２】
前記底版の前記孔の位置に鞘管が埋め込まれ、
前記接合部は、前記杭の天端が前記底版の前記鞘管内に位置することで構成される請求項１に記載の洋上風力発電施設の基礎構造
【請求項３】
前記底版は鉄筋コンクリートまたは鉄骨鉄筋コンクリートからなり、
前記鞘管の外周面に設けられた鉄筋定着部が前記底版の鉄筋と接合されている請求項２に記載の洋上風力発電施設の基礎構造。
【請求項４】
前記被充填空間を画定する、前記杭の天端の外周面と前記鞘管の内周面は、杭軸方向のズレ止めのためのシアキーを有する請求項２または３に記載の洋上風力発電施設の基礎構造。
【請求項５】
前記底版には前記洋上風力発電施設の基礎部が据え付けられている請求項１乃至４のいずれかに記載の洋上風力発電施設の基礎構造。
【請求項６】
洋上風力発電施設を支持するために軟弱層からなる表層と前記表層の下の堅い支持層とを有する水底地盤に構築される基礎構造を施工する方法であって、
前記基礎構造は、前記表層上に位置する重力式の底版と、前記底版を支持するように前記底版から前記表層を貫通して前記支持層へ延びる複数の杭と、前記複数の杭の天端と前記底版とを接合するための接合部と、を備え、前記接合部は前記底版に形成された複数の孔を有し、
前記底版を構築位置まで運搬する工程と、
前記底版を前記表層上に据え付ける工程と、
前記杭を前記底版の前記孔を通して前記支持層に貫入するように打設する工程と、
前記接合部において前記杭の打設により前記杭の天端と前記底版の孔との間に形成された被充填空間内に充填物を充填することで、前記杭と前記底版とを結合する工程と、を備える洋上風力発電施設の基礎構造の施工方法。
【請求項７】
洋上風力発電施設を支持するために軟弱層からなる表層と前記表層の下の堅い支持層とを有する水底地盤に構築される基礎構造を施工する方法であって、
前記基礎構造は、前記表層上に位置する重力式の底版と、前記底版を支持するように前記底版から前記表層を貫通して前記支持層へ延びる複数の杭と、前記複数の杭の天端と前記底版とを接合するための接合部と、を備え、前記接合部は前記底版に形成された複数の孔を有し、
前記杭を前記支持層に貫入するように打設する工程と、
前記底版を構築位置まで運搬する工程と、
前記底版の前記孔に前記杭の天端を通すようにして前記底版を据え付ける工程と、
前記接合部において前記据え付けにより前記杭の天端と前記底版の前記孔との間に形成された被充填空間内に充填物を充填することで、前記杭と前記底版とを結合する工程と、を備える洋上風力発電施設の基礎構造の施工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、洋上風力発電施設の基礎構造およびその施工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー政策の一環として再生可能エネルギーが注目されている中で風力発電は重要な電源確保策の一つとして位置付けられている。また、洋上風力発電は、陸上立地に比べて風況が良好であることや、居住区域から離れているため騒音等環境負荷が少ないことなどから、港湾区域を中心に洋上風力発電の導入が進みつつある。こうした洋上風力発電施設の基礎構造の形式としては、一般に水深50m程度まで着床式、水深50m以深では浮体式が用いられている。この内、着床式基礎構造としてはモノパイル式、ジャケット杭式、重力式があり、地盤条件や施工条件に応じて適用されている（特許文献１〜４参照）。
【０００３】
モノパイル式は、シンプルな構造であるため製作コストが安価である一方、風車の大型化や大水深への設置の際には作用力が増加するため、基礎の使用や諸元も大型化してしまう。ジャケット杭式は、トラス構造のため基礎の剛性が高く、波浪等の外力を受け難いため、大水深への適用が可能であるが、大きな引抜力が作用する場合は長尺な杭の施工が必要となり高コストになる。また、重力式は、堅固な地盤に適用が可能であるが、軟弱な地盤の場合は地盤改良等を実施して支持力を確保する必要があり、高コストとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2007-92406号公報
【特許文献２】特開2006-322400号公報
【特許文献３】特開2000-319849号公報
【特許文献４】特開2016-84660号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
洋上風力発電施設の着床式基礎構造として、上述のモノパイル式、ジャケット杭式、重力式のいずれかの構造形式が一般的であり、水底地盤が適度な強度を有し、構造成立性、施工性がともに良い場合は、上記３工法のいずれかを水深等の条件に合わせて選定することができる。しかし、水底地盤が数ｍの堆積層等の軟弱層からなる表層と、その下の岩盤等の堅い支持層とを有する場合、いずれの構造・施工には適用に問題がある。
【０００６】
すなわち、モノパイル式の場合、一般的に杭径が4m以上と非常に大きく、工数とコストがかかる。ジャケット杭式の場合、杭の引き抜き力に抵抗するために杭の根入長を大きくする必要があり、工数とコストがかかる。重力式の場合、表層の原地盤が軟弱な場合は支持力が不足するため地盤改良を実施する必要があり、工数とコストがかかる。
【０００７】
また、モノパイル式やジャケット杭式の場合、杭とタワーやジャケットとをグラウト等により接合する必要があるが、洋上風力発電施設の場合、甚大なモーメント荷重によってグラウト接合部に局所的な接触応力が繰り返し発生してしまう。このため、先行する欧州においても複数の損傷事例が報告されており、当該接合部に対して長期信頼性を有する設計施工技術が確立されたとは必ずしも言い難い状況にある。
【０００８】
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、軟弱層からなる表層と表層の下の堅い支持層とを有する水底地盤に構築可能であり、杭との接合部が長期信頼性を有する洋上風力発電施設の基礎構造、および、かかる基礎構造を構築するときに施工性向上・工程短縮・施工コスト低減を実現可能な施工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための洋上風力発電施設の基礎構造は、洋上風力発電施設を支持するために軟弱層からなる表層と前記表層の下の堅い支持層とを有する水底地盤に構築される基礎構造であって、前記表層上に位置する重力式の底版と、前記底版を支持するように前記表層を貫通して前記支持層に貫入した複数の杭と、前記複数の杭の天端と前記底版とを接合するための接合部と、を備え、前記接合部は前記底版に形成された複数の孔を有し、前記杭の天端が前記底版の孔内に位置することで形成される被充填空間内に充填物が充填されることで前記杭と前記底版とが結合している。
【００１０】
この洋上風力発電施設の基礎構造によれば、重力式の底版により基礎構造の剛性が高く、水底地盤内の支持層に貫入する杭構造により軟弱層からなる表層上に位置する底版を支持し、接合部において杭の天端と底版の孔との間の被充填空間内に充填物が充填されることで杭と底版とが結合する。波浪・風力・潮流・地震等の外力により基礎構造に作用する押し込みの鉛直力に対しては、支持層に貫入された杭の先端支持力と杭の周面摩擦力とにより抵抗し、同じく引き抜きの鉛直力に対しては、底版の重量と杭の周面摩擦力とにより抵抗し、水平力に対しては、杭の横抵抗力により抵抗することができる。このように、重力式底版と杭構造とによる新しい基礎構造によって、底版が杭構造に支持されるので、水底地盤の表層に軟弱層が存在しても構築可能な洋上風力発電施設の基礎構造を実現できる。また、表層の厚さに応じて杭長を設定することで幅広い表層厚に対応可能である。また、軟弱層からなる表層上に位置する底版は杭構造により支持されるので、表層における圧密による不同沈下を抑制できる。
【００１１】
また、充填物が充填される接合部が重力式の底版内に構成されるので、接合部の周囲が堅く構成され接合部における剛性を確保できるので、外力による局所的な接触応力の発生を防止でき、長期信頼性を有する。
【００１２】
上記洋上風力発電施設の基礎構造において、前記底版の前記孔の位置に鞘管が埋め込まれ、この場合、前記接合部は、前記杭の天端が前記底版の前記鞘管内に位置することで構成される。
【００１３】
また、前記被充填空間を画定する、前記杭の天端の外周面と前記鞘管の内周面は、杭軸方向のズレ止めのためのシアキーを有することが好ましい。
【００１４】
また、前記底版には前記洋上風力発電施設の基礎部が据え付けられていることが好ましい。
【００１５】
上記目的を達成するための洋上風力発電施設の基礎構造の施工方法は、洋上風力発電施設を支持するために軟弱層からなる表層と前記表層の下の堅い支持層とを有する水底地盤に構築される基礎構造を施工する方法であって、前記基礎構造は、前記表層上に位置する重力式の底版と、前記底版を支持するように前記底版から前記表層を貫通して前記支持層へ延びる複数の杭と、前記複数の杭の天端と前記底版とを接合するための接合部と、を備え、前記接合部は前記底版に形成された複数の孔を有し、前記底版を構築位置まで運搬する工程と、前記底版を前記表層上に据え付ける工程と、前記杭を前記底版の前記孔を通して前記支持層に貫入するように打設する工程と、前記接合部において前記杭の打設により前記杭の天端と前記底版の孔との間に形成された被充填空間内に充填物を充填することで、前記杭と前記底版とを結合する工程と、を備えるものである。
【００１６】
この洋上風力発電施設の基礎構造の施工方法によれば、重力式の底版を運搬し、表層上に据え付け、杭を底版の孔に通して打設しその先端を支持層に貫入し、接合部において杭の打設により杭の天端と底版の孔との間に形成された被充填空間内に充填物を充填することで杭と底版とを結合することによって、水底地盤の表層に軟弱層が存在しても洋上風力発電施設の基礎構造を構築できる。底版は陸上で作製でき、構築位置での水中施工は、接合部における充填物の充填だけであること、また、底版の孔が杭打設時のガイドを兼用することなどから、施工性向上・工程短縮・施工コスト低減を実現可能である。また、充填物が充填される接合部が重力式の底版内に形成されるので、接合部の周囲が堅く構成され接合部における剛性を確保できるので、外力による局所的な接触応力の発生を防止でき、長期信頼性を有する。
【００１７】
上記目的を達成するためのもう１つの洋上風力発電施設の基礎構造の施工方法は、洋上風力発電施設を支持するために軟弱層からなる表層と前記表層の下の堅い支持層とを有する水底地盤に構築される基礎構造を施工する方法であって、前記基礎構造は、前記表層上に位置する重力式の底版と、前記底版を支持するように前記底版から前記表層を貫通して前記支持層へ延びる複数の杭と、前記複数の杭の天端と前記底版とを接合するための接合部と、を備え、前記接合部は前記底版に形成された複数の孔を有し、前記杭を前記支持層に貫入するように打設する工程と、前記底版を構築位置まで運搬する工程と、前記底版の前記孔に前記杭の天端を通すようにして前記底版を据え付ける工程と、前記接合部において前記据え付けにより前記杭の天端と前記底版の前記孔との間に形成された被充填空間内に充填物を充填することで、前記杭と前記底版とを結合する工程と、を備えるものである。
【００１８】
この洋上風力発電施設の基礎構造の施工方法によれば、杭を打設しその先端を支持層に貫入し、運搬された重力式の底版を杭の天端に据え付け、この据え付けにより接合部において杭の天端と底版の孔との間に形成された被充填空間内に充填物を充填することで杭と底版とを結合することによって、水底地盤の表層に軟弱層が存在しても重力式底版と杭構造との組み合わせによる洋上風力発電施設の基礎構造を構築できる。底版は陸上で作製でき、構築位置での水中施工は、接合部における充填物の充填だけであるから、施工性向上・工程短縮・施工コスト低減を実現可能である。また、充填物が充填される接合部が重力式の底版内に形成されるので、接合部の周囲が堅く構成され接合部における剛性を確保できるので、外力による局所的な接触応力の発生を防止でき、長期信頼性を有する。
【００１９】
上記目的を達成するための別の洋上風力発電施設の基礎構造は、上記洋上風力発電施設の基礎構造の施工方法により構築されたものである。かかる基礎構造によれば、重力式の底版と杭構造とによる新しい基礎構造により、水底地盤の表層に軟弱層が存在しても構築可能な洋上風力発電施設の基礎構造を実現できる。また、充填物が充填される接合部が重力式の底版内に構成されるので、接合部の周囲が堅く構成され接合部における剛性を確保できるので、外力による局所的な接触応力の発生を防止でき、長期信頼性を有する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、軟弱層からなる表層と表層の下の堅い支持層とを有する水底地盤に構築可能であり、杭と底版との接合部が長期信頼性を有する洋上風力発電施設の基礎構造、および、かかる基礎構造を構築するときに施工性向上・工程短縮・施工コスト低減を実現可能な施工方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態による洋上風力発電施設の基礎構造を概略的に示す正面図（ａ）および底版の平面図（ｂ）である。
【図２】図１の底版の鞘管と杭天端との接合部を部分的に示す縦断面図である。
【図３】本実施形態の基礎構造における外力に起因する力と、その力に対する基礎構造による抵抗力を説明するための図１（ａ）と同様の正面図である。
【図４】従来の重力式構造の洋上風力発電施設の基礎構造を概略的に示す正面図である。
【図５】図１〜図３の基礎構造を水底地盤に構築するための本実施形態による主要な施工工程Ｓ０１〜Ｓ０７を説明するためのフローチャートである。
【図６】本実施形態によるもう１つの施工工程Ｓ１１〜Ｓ１７を説明するためのフローチャートである。
【図７】図５の杭打設工程Ｓ０６に適用して好ましい底版の鞘管の構成を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形態による洋上風力発電施設の基礎構造を概略的に示す正面図（ａ）および底版の平面図（ｂ）である。図２は図１の底版の鞘管と杭天端との接合部を部分的に示す縦断面図である。
【００２３】
図１（ａ）（ｂ）のように、洋上風力発電施設の基礎構造（以下、「基礎構造」と略す場合がある。）１０は、平面形状が正八角形状の重力式の底版１１と、鋼管からなる複数の杭１２と、を備え、堆積層等の軟弱層からなる表層５１と、表層５１の下の堅い岩盤等からなる支持層５２とを有する水底地盤５０上に構築される。底版１１は表層５１の上面に位置し、複数の杭１２は、底版１１から表層５１を貫通し支持層５２へ延びて貫入している。
【００２４】
底版１１は、鉄筋コンクリート等の重量物からなることで重量のある重力式に構成され、また、基礎構造１０の剛性を確保している。底版１１の上部に洋上風力発電施設のモノポール式の基礎部１３が配置され固定され、基礎部１３は底版１１により支持される。底版１１から斜め上方に延びた複数の補強部１４が基礎部１３を補強している。
【００２５】
底版１１とモノポール基礎部１３と補強部１４とが重力式モノポール構造を構成し、洋上風力発電施設の基礎構造物を構成する。図１の基礎構造１０は、基礎部１３を支持し、重力式モノポール構造を有する基礎構造物と複数の杭１２による杭構造との組み合わせによる新しい基礎構造である。
【００２６】
図１，図２のように、底版１１には、鋼管からなる鞘管１５が底版１１の板厚方向に貫通して予め配置されている。複数の杭１２に対応して複数の鞘管１５が設けられている。打設された杭１２は、底版１１の鞘管１５を貫通して支持層５２へと延びるように位置するが、このとき、杭１２の天端１２ａが鞘管１５内に位置して接合部１８が構成され、接合部１８で杭１２と底版１１とが接合するようになっている。すなわち、接合部１８において鞘管１５の内周面１５ｂと杭１２の天端１２ａの外周面１２ｂとの間に被充填空間１７が形成され、被充填空間１７内にグラウト材等の充填物Ｇ（図２にハッチングで示す）が充填されることで、底版１１と杭１２とが杭天端１２ａで結合される。底版１１と杭１２とは接合部１８で、好ましくは、充填物Ｇにより剛結合される。
【００２７】
底版１１は、鉄筋コンクリートからなり、図２の破線で示す底版１１の鉄筋Ｒは、鞘管１５の外周面から突き出るように設けられた板状等の鉄筋定着部１５ａと溶接等により底版１１のプレキャスト前に接合されている。このように、鞘管１５の外周面に設けた鉄筋定着部１５ａと底版１１の鉄筋Ｒとを接合することで底版１１において鉄筋の連続性を確保することができる。なお、底版１１は、鉄骨鉄筋コンクリート（SRC構造）から構成してもよい。
【００２８】
また、鞘管１５の内周面１５ｂおよび杭天端１２ａの外周面１２ｂは、多数の凸部からなるシアキー（図示省略）を有し、図２のようにグラウト材等の充填物Ｇが充填されると、杭１２と底版１１との杭軸方向のズレ止めを図ることができる。
【００２９】
接合部１８は、図２のように、鉄筋コンクリートや鉄骨鉄筋コンクリートのような剛性の高い底版１１内に構成されることで、接合部１８の周囲がコンクリートで堅く構成され、接合部１８における剛性を確保できるので、モーメント荷重のような外力による局所的な接触応力の発生を防止でき、長期信頼性を有する。
【００３０】
次に、図３を参照して本実施形態の基礎構造における外力に対する抵抗力について説明する。図３は、本実施形態の基礎構造における外力に起因する力と、その力に対する基礎構造による抵抗力を説明するための図１（ａ）と同様の正面図である。なお、図３に基礎部１３の上部に連結される風車設備２０を併せて示す。
【００３１】
図３のように、基礎構造１０に作用する波浪・風力・潮流・地震等の外力Ｆに起因して作用する押し込みの下向きの鉛直力ＶＦ１に対しては、支持層５２に貫入された杭１２の先端支持力ＦＴと、杭１２の外周面と表層５１との間の周面摩擦力ＦＣとにより抵抗する。また、引き抜きの上向きの鉛直力ＶＦ２に対しては、周面摩擦力ＦＣと、重力式の底版１１の重量ＷＴとにより抵抗する。また、水平力ＨＦに対しては、杭１２の横抵抗力ＨＲにより抵抗する。
【００３２】
なお、基礎部１３を含めた基礎構造１０の転倒に対しては、底版１１の重量ＷＴに加えて杭１２の周面摩擦力ＦＣで抵抗できるので、モノポール基礎部１３の重量を低減できる可能性がある。
【００３３】
図３に示すように、底版１１に固定された基礎部１３の上部には風車設備２０が連結される。風車設備２０は、必要な高さを確保するように鉛直上方に延びるタワー部２１と、タワー部２１の天端に配置され発電機やインバータ等の各種装置を収容する風車ナセル２２と、風車ナセル２３の横方向の一端に取り付けられて風を受けて回転する複数の風車ブレード２３と、を備える。洋上風力発電施設は、風車設備２０等から構成され、基礎構造１０により支持される。
【００３４】
上述のように、本実施形態の基礎構造１０によれば、重力式底版と杭構造との組み合わせにより、水底地盤５０の表層５１に軟弱層が存在しても構築可能な洋上風力発電施設の基礎構造を実現することができる。すなわち、水底地盤５０の表層５１が軟弱で底版１１の支持力が不足する場合でも、この支持力不足を杭構造により解消でき、重力式底版と杭構造とによる新しい基礎構造を成立させることができる。
【００３５】
水底地盤５０における表層５１（軟弱層）の数ｍ程度の層厚は、従来のモノポール式・ジャケット杭式・重力式の各基礎構造では不利となる層厚であるのに対し、本実施形態の基礎構造１０では、表層５１の層厚に応じて杭長を設定することで幅広い層厚に対応可能である。また、軟弱層からなる表層５１上に位置する底版１１は杭１２により支持されるので、従来の重力式と比べると表層５１における圧密による不同沈下を抑制できる。
【００３６】
図４に従来の重力式構造の洋上風力発電施設の基礎構造６０を示す。従来の基礎構造６０の底版６１は、岩盤等の堅い支持層７０の上に捨石により構築された基礎マウンドＭ上に配置され、底版６１の上には洋上風力発電施設の基礎部６２が補強部６３により補強されて固定される。図４のように、従来の重力式構造の基礎構造６０では捨石による基礎マウンドＭが必要であるのに対し、本実施形態の基礎構造１０では、かかる基礎マウンドは不要である。このため、基礎マウンド構築のための捨石の投入およびマウンド面の均しの各工程を削減できる。
【００３７】
次に、図１〜図３の基礎構造を水底地盤に構築するための主要な施工工程Ｓ０１〜Ｓ０７について図５のフローチャートを参照して説明する。
【００３８】
まず、底版１１を陸上の工場等でプレキャストする（Ｓ０１）。図２の鞘管１５や鉄筋Ｒ等を型内に配置し、鞘管１５の外周面の鉄筋定着部１５ａと鉄筋Ｒとを溶接等により接合してから、型内にコンクリートを打設する。
【００３９】
次に、図１のように底版１１上で基礎部１３の組み立てを行う（Ｓ０２）。すなわち、底版１１上に底版１１から突き出た中心部材１６に差し込むようにして基礎部１３を取り付け、基礎部１３を補強部１４により補強する。このように基礎部１３と補強部１４とが一体になった構造物を底版１１に組み立てる。
【００４０】
次に、基礎部１３を取り付けた底版１１を運搬船等により設置位置まで運搬する（Ｓ０３）。
【００４１】
上記工程Ｓ０３までの間に、設置位置の水底地盤５０上に不陸等がある場合、表層５１において基面の修正を行う（Ｓ０４）。
【００４２】
次に、クレーン船等を用いて底版１１を水底地盤５０の表層５１上の所定位置に据え付ける（Ｓ０５）。
【００４３】
次に、表層５１上に据え付けられた底版１１の鞘管１５に杭１２を通して打設する（Ｓ０６）。すなわち、杭１２を、鞘管１５を通して打設することで表層５１を貫通させ、その先端を支持層５２に貫入させる。
【００４４】
次に、図２のように、鞘管１５の内周面１５ｂと杭１２の天端１２ａの外周面１２ｂとの間の被充填空間１７内にグラウト材からなる充填物Ｇを充填する（Ｓ０７）。充填物Ｇの充填により底版１１と杭１２とが杭天端１２ａで結合する。
【００４５】
以上のように、本実施形態の図５の施工方法によれば、水底地盤５０の表層５１に軟弱層が存在しても重力式底版と杭構造との組み合わせによる洋上風力発電施設の基礎構造１０を構築できる。底版１１が陸上で施工可能なプレキャストによる鉄筋コンクリート構造であるのでコンクリートは場所打ち式ではなく、このため、構築位置での水中施工は、杭１２の天端１２ａと底版１１の鞘管１５との間にグラウト材等の充填物Ｇを充填する最小限の施工で済み、また、底版１１の鞘管１５が杭打設時のガイドを兼用することから、施工性の向上、工程短縮および施工コスト低減を実現可能である。また、コンクリートの場所打ちがないため、設置位置の周辺水域における濁りの発生を抑制できる。
【００４６】
次に、図５の底版１１の据え付け後の杭打設工程Ｓ０６における好ましい構成について図７を参照して説明する。図７は図５の杭打設工程Ｓ０６に適用して好ましい底版の鞘管の構成を示す要部断面図である。図７のように、鞘管１５に底版１１の上面から上側に向けて拡がる形状のガイド部１９を設ける。ガイド部１９は、所謂ラッパ形状のような拡径形状を有し、鞘管１５と溶接等により一体化されているが、着脱可能に構成してもよい。ガイド部１９を有する鞘管１５が組み込まれた底版１１を水底に据え付け、次に、杭打設のため杭１２がクレーン船等により吊り下げられて降下されるが、このとき、杭１２の下端１２ｃが図７の破線のように、上部に向けて拡がったガイド部１９の内面１９ａに当接することでガイドされ、下端１２ｃが鞘管１５内に向けて案内されることにより、杭１２はその下端１２ｃが図７の実線のように鞘管１５内に対し位置決めされる。このように、鞘管１５の上部にガイド部１９が配置されることで、杭打設時の杭１２の位置決めが容易となり、施工効率が向上する。なお、杭打設完了後、ガイド部１９は水中切断等（着脱式の場合は分離）により取り外される。
【００４７】
次に、図１〜図３の基礎構造を水底地盤に構築するためのもう１つの施工工程Ｓ１１〜Ｓ１７を説明するためのフローチャートを図６に示す。図５の施工工程は、底版１１を設置してから底版１１の鞘管１５を通して杭１２を打設するポストパイル式であったが、図６の施工工程は、複数の杭１２を打設してから、杭天端１２ａに対し底版１１を差し込んで表層５１上に設置するプレパイル式によるもので、この点以外は、基本的に図５の施工工程と同様である。
【００４８】
すなわち、設置位置の水底地盤５０上に不陸等がある場合、表層５１において基面の修正を行い（Ｓ１１）、次に、複数の杭１２を打設することで表層５１を貫通させ、その先端を支持層５２に貫入させる（Ｓ１２）。
【００４９】
一方、底版１１を陸上の工場等でプレキャストし（Ｓ１３）、図１のように底版１１上で基礎部１３の組み立てを行い、基礎部１３と補強部１４とが一体になった構造物を底版１１に組み立てる（Ｓ１４）。次に、基礎部１３を取り付けた底版１１を運搬船等により設置位置まで運搬する（Ｓ１５）。
【００５０】
次に、クレーン船等を用いて底版１１を鞘管１５を通して、表層５１から突き出た杭１２の天端１２ａに差し込んで水底地盤５０の表層５１上の所定位置に据え付ける（Ｓ１６）。
【００５１】
次に、図２のように、鞘管１５の内周面１５ｂと杭１２の天端１２ａの外周面１２ｂとの間の被充填空間１７内にグラウト材からなる充填物Ｇを充填する（Ｓ１７）。充填物Ｇの充填により底版１１と杭１２とが杭天端１２ａで結合する。
【００５２】
本実施形態の図６の施工方法によれば、水底地盤５０の表層５１に軟弱層が存在しても重力式底版と杭構造との組み合わせによる洋上風力発電施設の基礎構造１０を構築できる。底版１１が陸上で施工可能なプレキャストによる鉄筋コンクリート構造であるのでコンクリートは場所打ち式ではなく、このため、構築位置での水中施工は、杭１２の天端１２ａと底版１１の鞘管１５との間にグラウト材等の充填物Ｇを充填する最小限の施工で済むので、施工性の向上、工程短縮および施工コスト低減を実現可能である。
【００５３】
なお、底版据付工程Ｓ１６では、杭打設工程Ｓ１２で使用したヤットコ等の打設補助部材を水面上まで出してガイド部材として残しておき、このガイド部材に対し底版１１をクレーン船等で吊り下げて降下させ、底版１１の鞘管１５を位置合わせしガイドするようにして底版１１を据え付けることができる。このように、ガイド部材が水面上に出ていることで、水上での目視による位置決めが可能となり施工効率が向上する。また、ガイド部材が水面上に出ていることで、波や潮流等の影響を受けずに位置決めが可能となり施工効率が向上する。なお、ガイド部材は必ずしもすべての杭に設ける必要はないが、対角の２本またはそれ以上とすることが望ましい。また、ガイド部材は、杭打設後に別途取り付けてもよい。
【００５４】
以上のように本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。たとえば、本実施形態の図１，図２の底版１１に固定される基礎部１３と補強部１４は、モノポール式構造であったが、本発明はこれに限定されず、たとえば、トラス構造やジャッケット構造等であってもよい。
【００５５】
また、本実施形態の洋上風力発電施設は、好ましくは海上に設置されるが、本発明はこれに限定されず、たとえば、湖上に設置されてもよいことはもちろんである。
【００５６】
また、図１の底版１１の平面形状は、正八角形状としたが、これに限定されず、円形状や多角形状であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明によれば、洋上風力発電施設の基礎構造を、重力式の底版により基礎構造の剛性を確保し、表層を貫通し支持層に貫入した杭構造により底版を支持することで、軟弱層からなる表層と表層の下の堅い支持層とを有する水底地盤に構築できるので、水底地盤に関する洋上風力発電施設の設置上の制約を緩和でき、洋上風力発電施設を広範囲な水域範囲に設置可能となる。また、かかる基礎構造を構築するときに施工性向上・工程短縮・施工コスト低減を実現できるので、洋上風力発電施設の普及に寄与できる。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 基礎構造
１１ 底版
１２ 杭
１２ａ 天端、杭天端
１２ｂ 杭天端の外周面
１３ 洋上風力発電施設の基礎部、モノポール基礎部
１５ 鞘管
１５ａ 鉄筋定着部
１５ｂ 鞘管の内周面
１７ 被充填空間
１８ 接合部
２０ 風車設備
５０ 水底地盤
５１ 表層
５２ 支持層
Ｇ 充填物
Ｒ 鉄筋
Ｆ 外力
ＦＣ 周面摩擦力
ＦＴ 先端支持力
ＨＲ 横抵抗力
ＷＴ 底版の重量
【図１】
2019100070.tif 000003
【図２】
2019100070.tif 000004
【図３】
2019100070.tif 000005
【図４】
2019100070.tif 000006
【図５】
2019100070.tif 000007
【図６】
2019100070.tif 000008
【図７】
2019100070.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成31年2月25日(2019.2.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
洋上風力発電施設を支持するために軟弱層からなる表層と前記表層の下の堅い支持層とを有する水底地盤に構築される基礎構造であって、
前記表層上に位置する重力式の底版と、
前記底版を支持するように前記表層を貫通して前記支持層に貫入した複数の杭と、
前記複数の杭の天端と前記底版とを接合するための接合部と、を備え、
前記接合部は前記底版に形成された複数の孔を有し、
前記杭の天端が前記底版の孔内に位置することで形成される被充填空間内に充填物が充填されることで前記杭と前記底版とが結合し、
前記基礎構造に作用する引き抜きの鉛直力に対し前記底版の重量と前記杭の周面摩擦力とにより抵抗する洋上風力発電施設の基礎構造。
【請求項２】
前記底版の前記孔の位置に鞘管が埋め込まれ、
前記接合部は、前記杭の天端が前記底版の前記鞘管内に位置することで構成される請求項１に記載の洋上風力発電施設の基礎構造
【請求項３】
前記底版は鉄筋コンクリートまたは鉄骨鉄筋コンクリートからなり、
前記鞘管の外周面に設けられた鉄筋定着部が前記底版の鉄筋と接合されている請求項２に記載の洋上風力発電施設の基礎構造。
【請求項４】
前記鞘管に前記底版の上面から上側に向けて拡がる形状の拡径部を設ける請求項２または３に記載の洋上風力発電施設の基礎構造。
【請求項５】
前記底版には前記洋上風力発電施設の基礎部が据え付けられている請求項１乃至４のいずれかに記載の洋上風力発電施設の基礎構造。
【請求項６】
洋上風力発電施設を支持するために軟弱層からなる表層と前記表層の下の堅い支持層とを有する水底地盤に構築される基礎構造を施工する方法であって、
前記基礎構造は、前記表層上に位置する重力式の底版と、前記底版を支持するように前記底版から前記表層を貫通して前記支持層へ延びる複数の杭と、前記複数の杭の天端と前記底版とを接合するための接合部と、を備え、前記接合部は前記底版に形成された複数の孔を有し、前記基礎構造に作用する引き抜きの鉛直力に対し前記底版の重量と前記杭の周面摩擦力とにより抵抗し、
前記底版をプレキャストする工程と、
前記底版を構築位置まで運搬する工程と、
前記底版を前記表層上に据え付ける工程と、
前記杭を前記底版の前記孔を通して前記支持層に貫入するように打設する工程と、
前記接合部において前記杭の打設により前記杭の天端と前記底版の孔との間に形成された被充填空間内に充填物を充填することで、前記杭と前記底版とを結合する工程と、を備える洋上風力発電施設の基礎構造の施工方法。
【請求項７】
洋上風力発電施設を支持するために軟弱層からなる表層と前記表層の下の堅い支持層とを有する水底地盤に構築される基礎構造を施工する方法であって、
前記基礎構造は、前記表層上に位置する重力式の底版と、前記底版を支持するように前記底版から前記表層を貫通して前記支持層へ延びる複数の杭と、前記複数の杭の天端と前記底版とを接合するための接合部と、を備え、前記接合部は前記底版に形成された複数の孔を有し、前記基礎構造に作用する引き抜きの鉛直力に対し前記底版の重量と前記杭の周面摩擦力とにより抵抗し、
前記杭を前記支持層に貫入するように打設する工程と、
プレキャストされた前記底版を構築位置まで運搬する工程と、
前記底版の前記孔に前記杭の天端を通すようにして前記底版を据え付ける工程と、
前記接合部において前記据え付けにより前記杭の天端と前記底版の前記孔との間に形成された被充填空間内に充填物を充填することで、前記杭と前記底版とを結合する工程と、を備える洋上風力発電施設の基礎構造の施工方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上記目的を達成するための洋上風力発電施設の基礎構造は、洋上風力発電施設を支持するために軟弱層からなる表層と前記表層の下の堅い支持層とを有する水底地盤に構築される基礎構造であって、前記表層上に位置する重力式の底版と、前記底版を支持するように前記表層を貫通して前記支持層に貫入した複数の杭と、前記複数の杭の天端と前記底版とを接合するための接合部と、を備え、前記接合部は前記底版に形成された複数の孔を有し、前記杭の天端が前記底版の孔内に位置することで形成される被充填空間内に充填物が充填されることで前記杭と前記底版とが結合し、前記基礎構造に作用する引き抜きの鉛直力に対し前記底版の重量と前記杭の周面摩擦力とにより抵抗するものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
また、前記鞘管に前記底版の上面から上側に向けて拡がる形状の拡径部を設けることが好ましい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
上記目的を達成するための洋上風力発電施設の基礎構造の施工方法は、洋上風力発電施設を支持するために軟弱層からなる表層と前記表層の下の堅い支持層とを有する水底地盤に構築される基礎構造を施工する方法であって、前記基礎構造は、前記表層上に位置する重力式の底版と、前記底版を支持するように前記底版から前記表層を貫通して前記支持層へ延びる複数の杭と、前記複数の杭の天端と前記底版とを接合するための接合部と、を備え、前記接合部は前記底版に形成された複数の孔を有し、前記基礎構造に作用する引き抜きの鉛直力に対し前記底版の重量と前記杭の周面摩擦力とにより抵抗し、前記底版をプレキャストする工程と、前記底版を構築位置まで運搬する工程と、前記底版を前記表層上に据え付ける工程と、前記杭を前記底版の前記孔を通して前記支持層に貫入するように打設する工程と、前記接合部において前記杭の打設により前記杭の天端と前記底版の孔との間に形成された被充填空間内に充填物を充填することで、前記杭と前記底版とを結合する工程と、を備えるものである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
上記目的を達成するためのもう１つの洋上風力発電施設の基礎構造の施工方法は、洋上風力発電施設を支持するために軟弱層からなる表層と前記表層の下の堅い支持層とを有する水底地盤に構築される基礎構造を施工する方法であって、前記基礎構造は、前記表層上に位置する重力式の底版と、前記底版を支持するように前記底版から前記表層を貫通して前記支持層へ延びる複数の杭と、前記複数の杭の天端と前記底版とを接合するための接合部と、を備え、前記接合部は前記底版に形成された複数の孔を有し、前記基礎構造に作用する引き抜きの鉛直力に対し前記底版の重量と前記杭の周面摩擦力とにより抵抗し、前記杭を前記支持層に貫入するように打設する工程と、プレキャストされた前記底版を構築位置まで運搬する工程と、前記底版の前記孔に前記杭の天端を通すようにして前記底版を据え付ける工程と、前記接合部において前記据え付けにより前記杭の天端と前記底版の前記孔との間に形成された被充填空間内に充填物を充填することで、前記杭と前記底版とを結合する工程と、を備えるものである。