國(guó)電投濱海北H2海上升壓站安裝工程技術(shù)總結(jié)

文 | 畢遠(yuǎn)濤，鄧偉

工程概述

國(guó)電投濱海北H2海上升壓站（見圖 1）工程由國(guó)家電投集團(tuán)江蘇海上風(fēng)力發(fā)電有限公司投資建設(shè)，施工海域離岸距離22km，海底地形變化平緩，水深15m－18m。該220kV海上升壓站將35kV電壓升壓至220kV，經(jīng)220kV海底電纜將風(fēng)電機(jī)組所發(fā)電能輸送至陸上集控中心后，就近轉(zhuǎn)入電網(wǎng)系統(tǒng)。升壓站上部組塊由四腿導(dǎo)管架基礎(chǔ)支撐，上部組塊重量約3200T，導(dǎo)管架重1086T；導(dǎo)管架每個(gè)腿插入提前打好的鋼樁內(nèi)，通過(guò)灌漿工藝與四根鋼樁固定連接，鋼樁長(zhǎng)76m，外徑2896mm，壁厚45mm－65mm，每根重270T。

施工工藝

該升壓站是我國(guó)第一座完全采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的海上升壓站，是當(dāng)前亞洲容量最大、重量最大的海上升壓站。施工過(guò)程中所涉及的水下打樁、水下樁內(nèi)清泥、水下導(dǎo)管架插接、水下連接段灌漿等施工工藝均屬國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電行業(yè)首次。

（1）水下打樁使得鋼樁入水，無(wú)法用正常測(cè)量手段進(jìn)行鋼樁高程測(cè)量，本項(xiàng)目實(shí)際施工中以打樁錘為過(guò)渡段，測(cè)量打樁錘的高程來(lái)反推獲得鋼樁高程；

（2）為確保樁內(nèi)灌漿強(qiáng)度滿足要求，需對(duì)樁內(nèi)進(jìn)行清泥，施工方根據(jù)高壓噴沖負(fù)壓氣舉原理制作了水下樁內(nèi)清泥器，實(shí)際清泥效果令人滿意；

（3）該項(xiàng)目中樁頂在水面以下，因此導(dǎo)管架需水下插接至鋼樁內(nèi)，在無(wú)法用肉眼直視的條件限制下，借助三維實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)合理解決這一問(wèn)題；

（4）本工程中灌漿段在水面以下，無(wú)法直觀查看灌漿狀況，通過(guò)提前在導(dǎo)管架腿內(nèi)布置灌漿管線及借助潛水員判斷是否溢漿以完成水下灌漿施工。

因此本文將主要針對(duì)以上四個(gè)方面施工工藝進(jìn)行詳細(xì)分析介紹。

一、水下打樁

相比成熟的海工市場(chǎng)，水下打樁施工在海上風(fēng)電行業(yè)尚屬首次，該項(xiàng)目中，四根鋼樁設(shè)計(jì)樁頂高程為－10.5m（極端低潮位，下同），必須經(jīng)過(guò)水下打樁環(huán)節(jié)方可將鋼樁打至設(shè)計(jì)標(biāo)高。水上打樁部分同行業(yè)內(nèi)常用的多樁打樁工藝類似，借助輔助定位平臺(tái)先后將鋼樁打至海底豎立，期間通過(guò)輔助定位平臺(tái)內(nèi)置的千斤頂調(diào)整確保其位置及垂直度（3‰）滿足施工要求。該項(xiàng)目中，對(duì)四根鋼樁的施工精度要求如下：

圖1 濱海北H2海上升壓站

（1）鋼樁絕對(duì)位置允許偏差500mm；

（2）四根鋼樁高程允許偏差<50mm，樁軸線傾斜度偏差<3‰；

（3）對(duì)角線兩根樁中心之間的平面偏差不超過(guò)70mm；

（4）矩形邊兩根樁中心之間的平面偏差不超過(guò)50mm。

由于輔助定位平臺(tái)龍口大小無(wú)法通過(guò)打樁錘錘冒，打樁錘無(wú)法進(jìn)一步水下打樁，因此需將龍口移除，而此時(shí)鋼樁入泥深度約45m，樁周圍提供的水平承載力已大于千斤頂所能提供的頂推力，輔助定位平臺(tái)實(shí)質(zhì)上已不再具備調(diào)整垂直度的功能，因此可將整個(gè)輔助定位平臺(tái)拆除。并重新套樁、打樁，打樁錘入水后繼續(xù)打樁，此時(shí)鋼樁高程已無(wú)法通過(guò)觀察樁壁刻度線來(lái)測(cè)定。

解決方法為：提前在打樁錘錘頂固定位置做一標(biāo)記線，該標(biāo)記線距離樁冒內(nèi)頂部距離是固定值。該項(xiàng)目中，考慮壓樁之后，樁頂至標(biāo)記線距離為14.5m（如圖 2），由樁頂設(shè)計(jì)高程－10.5m知：只需觀察標(biāo)記線高程達(dá)到4m即可滿足施工高程要求。

鋼樁打完后，對(duì)其高程、相對(duì)位置及傾斜度進(jìn)行復(fù)測(cè)，結(jié)果均滿足施工技術(shù)要求（表 1）。

二、水下樁內(nèi)清泥

水下樁內(nèi)清泥施工工藝同樣在海上風(fēng)電行業(yè)首次應(yīng)用，根據(jù)該項(xiàng)目導(dǎo)管架和樁結(jié)構(gòu)圖（圖3）中高程數(shù)據(jù)可知：鋼樁沉樁后，樁頂位于海床泥面以上14.28m－10.5m=3.78m，而導(dǎo)管架坐落到基礎(chǔ)鋼樁上后，導(dǎo)管架插尖底部在泥線以下18.5m－14.28m=4.22m。由于導(dǎo)管架安裝到位后還需要對(duì)導(dǎo)管架樁腿與鋼樁的環(huán)形間隙內(nèi)進(jìn)行灌漿連接，因此要求在導(dǎo)管架安裝之前對(duì)鋼樁內(nèi)部進(jìn)行樁內(nèi)清泥?？紤]由于土塞效應(yīng)導(dǎo)致打樁后的樁內(nèi)泥質(zhì)上擠，實(shí)際樁內(nèi)清泥高度約6m。

圖2 水下測(cè)量樁頂標(biāo)高方式（單位：mm）

圖3 導(dǎo)管架和樁結(jié)構(gòu)圖（單位：m）

表1 鋼樁高程及傾斜度記錄表

根據(jù)高壓噴沖負(fù)壓氣舉原理（見圖 4）制作了專用的樁內(nèi)清泥設(shè)備，該設(shè)備主要有兩種目的，一是高壓噴沖淤泥，即通過(guò)高壓水將樁內(nèi)泥質(zhì)沖散；二是負(fù)壓氣舉，向設(shè)備中灌輸往上流通的壓縮空氣，隨著空氣的流通，被沖散的泥質(zhì)區(qū)域形成負(fù)壓，在壓力差的作用下，被沖散的泥質(zhì)通過(guò)專有的排泥管排出樁外，最終達(dá)到樁內(nèi)清泥的目的。

根據(jù)鉆孔揭露的地層結(jié)構(gòu)、巖性特征、埋藏條件及物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合原位測(cè)試成果、室內(nèi)試驗(yàn)和區(qū)域地質(zhì)資料，設(shè)計(jì)清泥深度范圍內(nèi)地層土壤性質(zhì)如表2所示。

從表2可以看出淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層的最大土層深度為6.74m、土體的最大不排水抗剪強(qiáng)度Cu為18kPa，粉質(zhì)粘土層的土層深度范圍為6.74m－7.69m、土體的最大不排水抗剪強(qiáng)度Cu為25kPa，所以高壓水作用到土體達(dá)到打散的效果，就需要作用于土體的水壓力不低于土層的不排水抗剪強(qiáng)度。

三、導(dǎo)管架水下插接

已打樁完成的四根鋼樁樁頂在水面以下10m（由圖3中樁頂標(biāo)高可知），導(dǎo)管架腿需在水面以下完成插接工作，依靠潛水員協(xié)助配合安裝不僅具有一定危險(xiǎn)性，而且潛水員實(shí)際很難控制引導(dǎo)將四個(gè)插尖同時(shí)插入至四個(gè)鋼樁內(nèi)。為解決此問(wèn)題，測(cè)量定位人員自主開發(fā)了三維實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)，進(jìn)行導(dǎo)管架水下插接工作。

在此系統(tǒng)中，四根鋼樁實(shí)際位置已確定，為四個(gè)已知固定點(diǎn)。提前建立導(dǎo)管架三維模型，吊裝之前在導(dǎo)管架頂部布置電羅經(jīng)、姿態(tài)儀及GPS，電羅經(jīng)可實(shí)時(shí)測(cè)定導(dǎo)管架艏向，姿態(tài)儀可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)管架縱橫搖姿態(tài)，GPS通過(guò)RTK系統(tǒng)實(shí)時(shí)給定導(dǎo)管架三維坐標(biāo)位置。在艏向、姿態(tài)及位置確定的前提下，導(dǎo)管架狀態(tài)被唯一確定，再結(jié)合導(dǎo)管架模型尺寸，可實(shí)時(shí)確定四個(gè)插尖的狀態(tài)及三維坐標(biāo)。此過(guò)程通過(guò)三維動(dòng)畫顯示在系統(tǒng)中（圖 5），操作人員通過(guò)對(duì)比四鋼樁及四插尖相對(duì)位置，可快速精確地指揮整個(gè)插接工作。

圖4 樁內(nèi)清泥原理

圖5 導(dǎo)管架安裝過(guò)程三維監(jiān)視界面

表2 設(shè)計(jì)清泥深度范圍內(nèi)的土層主要性質(zhì)參數(shù)

圖6 灌漿管線布置示意圖（單位：m）

圖7 輔助樁施工現(xiàn)場(chǎng)

圖8 鋼樁立樁

圖9 上部組塊安放

在無(wú)法水面觀察插接過(guò)程的情況下，將水下插接過(guò)程轉(zhuǎn)移至電腦顯示界面，在減少潛水員風(fēng)險(xiǎn)性的同時(shí)，可以更加直觀地進(jìn)行導(dǎo)管架插接工作。這一施工方案可謂開拓了海上風(fēng)電施工領(lǐng)域的先鋒，將先進(jìn)的測(cè)量定位技術(shù)應(yīng)用于方興未艾的海上風(fēng)電行業(yè)，必將促進(jìn)其快速健康地發(fā)展。

四、水下連接段灌漿

在以往的風(fēng)電機(jī)組高樁承臺(tái)基礎(chǔ)或升壓站基礎(chǔ)中，灌漿連接段均在水面以上，灌漿施工過(guò)程可視，操作方便。而該導(dǎo)管架安裝完畢后，需要灌漿的導(dǎo)管架腿與鋼樁內(nèi)壁間的環(huán)形區(qū)域段處在水面以下10m有余，無(wú)論是灌輸過(guò)程抑或溢漿判斷均有一定難度。

在導(dǎo)管架建造過(guò)程中，提前布設(shè)好灌漿管線（見圖 6），管線下端出漿口設(shè)計(jì)在導(dǎo)管架插尖底部與側(cè)面，管線上端進(jìn)料口設(shè)置在導(dǎo)管架頂部。實(shí)際灌漿時(shí)，灌漿設(shè)備的出漿管路直接對(duì)接導(dǎo)管架頂部接口即可，灌漿料通過(guò)施工船甲板之上的攪拌機(jī)、灌漿泵、輸送管路、灌漿管線等直接送至灌漿區(qū)域最下端。由于灌漿料密度遠(yuǎn)大于海水密度，灌漿料將頂著海水由下至上填滿整個(gè)灌漿區(qū)域，并最終達(dá)到灌漿的目的。

關(guān)于判斷溢漿方式，由于無(wú)法直接用肉眼觀看，只得借助潛水員下水觀察，且施工水域水質(zhì)渾濁，能見度極低，除肉眼觀察外，潛水員還必須借助手觸摸來(lái)感覺(jué)是否溢漿。

結(jié)語(yǔ)

濱海北H2海上升壓站是亞洲首座400兆瓦海上升壓站，通過(guò)樁錘劃定標(biāo)記線的辦法解決了水下打樁鋼樁高程無(wú)法測(cè)量的問(wèn)題；通過(guò)自行設(shè)計(jì)制作的高壓噴沖負(fù)壓氣舉的清泥設(shè)備完成清泥工作，快捷高效；通過(guò)三維實(shí)時(shí)顯示技術(shù)精確給出導(dǎo)管架狀態(tài)，快速精準(zhǔn)地完成插接工作；通過(guò)合理布置灌漿管線將灌漿料輸送至目標(biāo)區(qū)域，并借助潛水員判斷是否灌漿已滿。整個(gè)施工工程技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)多，施工經(jīng)驗(yàn)可借鑒性強(qiáng)，為國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電施工技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。