海上風電大直徑鋼管樁沉樁施工技術(shù)

時學海

(中國鐵建港航局集團有限公司第三工程分公司 山東青島 266000)

1 引言

海上風電擁有占地資源少、風力和風能密度大的優(yōu)勢，根據(jù)國家發(fā)展規(guī)劃，到2020年，海上風電開工建設(shè)1 000萬kW，確保建成500萬kW[1]。隨著國內(nèi)海上風電技術(shù)的發(fā)展，風電基礎(chǔ)施工技術(shù)日趨成熟，建設(shè)成本也在不斷下降，單機容量不斷向10 MW以上的大型化機組發(fā)展，海上風電場選址也逐步從淺海走向深海。

2 工程概況

2.1 工程簡介

中船重工大連市莊河海域海上風電場址Ⅱ(300 MW)項目風機基礎(chǔ)施工I標段工程位于莊河市石城島東側(cè)約11 km，場址涉海面積約48 km2。

本工程共計需完成30根非嵌巖單樁鋼管樁風機基礎(chǔ)[2-3]。鋼管樁樁徑6.0～6.8 m，樁頂標高+12.0 m，樁底標高-60.0～-65.0 m，樁長72～77 m，壁厚60～78 mm，單樁最大重量約860 t，全部為超長、超重型大直徑樁。

2.2 海況地質(zhì)條件

(1)海況條件

本項目為外海無掩護作業(yè)，平均水深約20 m。施工受季風氣候影響大：夏季盛行南風、東南風，易形成較大涌浪；冬季盛行北風、東北風，風力較大，吊裝作業(yè)無法進行，年有效作業(yè)天數(shù)僅有170 d左右。

(2)地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料顯示，海底地形較平緩，整體呈北高南低趨勢。深度范圍內(nèi)地層巖性為沖積、沖洪積、沖海積第四系堆積物與上元古界金縣群-五行山群、細河群灰?guī)r、砂巖與砂礫巖。場地覆蓋層厚度變化大，從北到南逐漸增大?；鶐r面起伏較大，北部基巖巖性以砂礫巖、砂巖為主，中部、南部基巖巖性以灰?guī)r為主夾泥灰?guī)r。

3 施工難點

3.1 設(shè)計夯擊能大、樁錘選型難

本工程樁基礎(chǔ)入土深度達42 m，單樁直徑及壁厚較大，沉樁施工需要克服的側(cè)阻力及端阻力較大，沉樁前需進行打入分析。目前國內(nèi)市場上滿足設(shè)計要求夯擊能的液壓錘資源緊缺，檔期緊張，短時間內(nèi)無法調(diào)配。

3.2 沉樁垂直度調(diào)整難度大

本工程單樁直徑大，垂直度調(diào)整難度大，傳統(tǒng)的打樁船配打樁架施工工藝[4]無法適用，沉樁需專用輔助平臺[5]對垂直度進行控制。

3.3 樁頂法蘭保護難度大

樁頂法蘭是連接樁基與上部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，大直徑鋼管樁沉樁施工所需的夯擊能一般較大，易對法蘭造成不可恢復的破壞。目前國內(nèi)常用的“L型”工裝替打法蘭[6]存在一定的局限性：替打法蘭及樁錘的直徑必須完全與樁頂法蘭相同。而同一工程樁頂法蘭直徑并不完全一致，同時現(xiàn)有的樁錘資源不一定能滿足施工要求。

3.4 施工精度要求高

鋼管樁沉樁后平面位置偏差≤500 mm，樁頂法蘭面水平度偏差≤3‰，高程偏差≤50 mm，精度要求高，沉樁過程中隨時觀測樁位變化情況[7]，實時調(diào)整樁體垂直度，控制難度大。

4 大直徑鋼管樁施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 沉樁打入分析錘型確定

為保證鋼樁沉樁順利、確保工期，進行了各樁位地勘資料分析、鉆孔土層分布及力學性能驗算；結(jié)合樁體結(jié)構(gòu)，采用GRLWEAP打樁分析軟件[8]，通過模擬鋼樁進入土層后受到的摩擦力、端阻力，計算沉樁所需夯擊能，單樁可打入分析如表1所示。

表1 42#樁可打入分析

根據(jù)本項目單樁可打入分析，并參考鄰近海域打樁經(jīng)驗對比驗證，最終確定選擇IHC S-1400液壓錘進行沉樁施工，該類型液壓打樁錘可充分利用液壓傳動的特點，使錘與樁的錘擊時間加長，加大了有效貫入能量，減少了打壞樁頭的機會，比較適合于具有較大管徑、較重質(zhì)量的單鋼管樁沉樁施工[9]。

4.2 獨立雙層穩(wěn)樁平臺沉樁調(diào)節(jié)技術(shù)

為保證沉樁垂直度，需通過海上穩(wěn)樁平臺來為鋼管樁沉樁提供可靠的平面定位和豎直導向，此類固定式鋼管樁平臺具有受水文變化影響小、作業(yè)方便、工效高等特點[10]，可有效保證鋼管樁沉樁質(zhì)量。

本工程采用雙層導管架式穩(wěn)樁平臺(見圖1)。該平臺支撐系統(tǒng)由4根φ2.42 m、長57 m、壁厚25 mm的鋼管樁組成，扎根于海床上，不受潮位變化影響；操作平臺采用雙層鋼結(jié)構(gòu)平臺，高差10 m；每層平臺上設(shè)抱樁器并配置4臺250 t液壓頂推缸，單個有效壓力約21 MPa。穩(wěn)樁平臺通過調(diào)節(jié)上下抱樁器間鋼管樁垂直度，從而控制整根鋼管樁垂直度。

圖1 雙層導管架式穩(wěn)樁平臺

穩(wěn)樁平臺依托大型穩(wěn)樁平臺船，定位時通過定位穩(wěn)樁平臺船實現(xiàn)穩(wěn)樁平臺精準定位[11]。

4.3 內(nèi)嵌式送樁器樁頂法蘭保護技術(shù)

本項目對傳統(tǒng)工裝替打法蘭工藝進行了優(yōu)化，采用內(nèi)嵌式送樁器(見圖2)，其頂口直徑與樁錘相適應(yīng)，底口直徑與樁頂法蘭內(nèi)徑相同，可將現(xiàn)有樁錘與鋼管樁連接，解決了樁錘與樁頂直徑不同無法連接問題；同時，錘擊力通過替打傳遞至樁頂法蘭后，直接垂直作用于樁壁上，從而保護法蘭不受破壞，一舉多得。

圖2 內(nèi)嵌式送樁器示意

4.4 大直徑鋼管樁法蘭面水平度測量控制技術(shù)

法蘭面水平度控制，即鋼管樁垂直度控制。在鋼管樁加工過程中，需嚴格控制樁體同軸度[12]，做好法蘭面與樁軸線垂直度的驗收工作，用以沉樁參考。在鋼管樁運輸過程中做好成品樁保護工作，防止鋼管樁變形。在沉樁過程中，充分利用雙層穩(wěn)樁平臺作用，分以下階段進行控制。

(1)喂樁過程

起重船將鋼樁喂入穩(wěn)樁平臺抱樁器，利用抱樁器及鋼樁上預(yù)先設(shè)置好的標記，控制鋼樁的平面轉(zhuǎn)角；利用抱樁器的液壓頂推缸的限位功能控制鋼樁平面位置。

當鋼管樁平面位置及轉(zhuǎn)角偏差滿足設(shè)計要求時，吊鉤卸力將樁下放至樁尖距泥面1 m距離(通過樁身刻度與實時水深數(shù)據(jù)推算)，通過上下兩層抱樁器液壓頂推缸調(diào)節(jié)樁身垂直度。為預(yù)防后續(xù)工序?qū)Υ怪倍仍斐捎绊?，本階段鋼管樁垂直度控制應(yīng)比設(shè)計要求更高，預(yù)控值為1‰以內(nèi)。

(2)鋼樁自沉階段

鋼樁入泥后，通過調(diào)整兩個鉤頭高度以調(diào)整垂直吊耳方向“垂線”垂直度，另一方向通過起重船扒桿調(diào)整方位使樁保持在垂直狀態(tài)，液壓頂推缸滾輪接觸管樁外壁稍受力即可；慢減吊荷慢松鉤頭，使樁沿著穩(wěn)樁平臺上下層定向平穩(wěn)自沉；同時，利用抱樁器上下兩層液壓頂推缸限位控制平面位置及垂直度。

在沉樁過程中，鋼管樁每下沉1～2 m，停止吊鉤卸力，進行垂直度測量，直至到沉樁作業(yè)結(jié)束。

沉樁施工中，利用GPS接收機放樣出兩條垂線。采用2臺全站儀呈90°角同時觀測鋼管樁垂直度，觀測鋼管樁是否垂直(見圖3)。

圖3 全站儀觀測

鋼管樁自沉至穩(wěn)定后，吊送測量人員至樁頂，利用水準儀復測樁頂法蘭水平度，同時測量人員在穩(wěn)樁平臺上使用全站儀測量實時鋼管樁垂直度偏差，校核法蘭面水平度與鋼管樁垂直度的關(guān)系，將關(guān)系值作為沉樁過程控制鋼管樁垂直度的依據(jù)。當法蘭面水平度偏差調(diào)整至＜1‰后允許摘鉤，進行錘擊沉樁施工。

為防止溜樁、保障操作人員安全，同時有效提高鋼樁平面位置及垂直度控制精度，整個沉樁過程中吊鉤卸力應(yīng)緩慢進行；此外，需密切觀察抱樁器，利用GPS對穩(wěn)樁平臺平面位置進行復測，如平臺位置發(fā)生偏移應(yīng)停止插樁，查明具體原因及偏差大小，擬定補救措施。

(3)壓錘及錘擊沉樁階段

本階段垂直度控制以液壓頂推缸調(diào)整為主，調(diào)整方法及測量方法同自沉階段。隨著鋼管樁入泥深度的增加，液壓頂推缸調(diào)節(jié)能力越差，每一次調(diào)節(jié)必須將垂直度控制在1‰以內(nèi)，確保沉樁后法蘭面水平度滿足＜3‰的設(shè)計要求。

5 大直徑鋼管樁沉樁施工流程及操作要點

5.1 施工流程(見圖4)

圖4 沉樁施工工藝流程

5.2 穩(wěn)樁平臺定位安裝

(1)穩(wěn)樁平臺船定位

根據(jù)樁位坐標及錨纜長度，事先確定船舶定位軸線及錨位坐標，拋錨后通過調(diào)節(jié)錨纜，使船舶中心線與既定軸線一致。船位調(diào)整全程數(shù)字化顯示，數(shù)據(jù)直觀、操作簡便(見圖5)。

圖5 船舶定位數(shù)字化顯示

為保證定位精度，采用天寶SPS855型GPS接收機。該型號GPS接收機采用外掛模式電臺，當最遠距離為30 km時，高程偏差≤3 cm，水平偏差≤2.4 cm，完全滿足施工要求。

(2)穩(wěn)樁平臺及臨時支撐樁的吊裝

穩(wěn)樁平臺由主起重船整體提升至預(yù)定的高度，安放于穩(wěn)樁平臺船支撐座上，然后分別將4根支撐樁插入穩(wěn)樁平臺導管內(nèi)。

(3)穩(wěn)樁平臺支撐樁沉樁

穩(wěn)樁平臺支撐樁使用主起重船和振動錘進行沉樁，沉樁深度根據(jù)樁位地質(zhì)確定，入泥深度不低于16 m，四根支撐樁樁頂大致平齊，高差小于30 cm。

(4)穩(wěn)樁平臺提升與固定

平臺標高設(shè)置參照風機鋼管樁標高，下層平臺較擬施工鋼管樁樁頂?shù)? m左右即可。穩(wěn)樁平臺提升到位后，即進行精確調(diào)平，四角高差不大于10 mm。鎖定全部吊掛結(jié)構(gòu)，用鋼楔塊將穩(wěn)樁平臺架與支撐樁間縫隙固定，形成獨立、穩(wěn)定的鋼結(jié)構(gòu)框架平臺。

穩(wěn)樁平臺提升前應(yīng)在支撐鋼管樁上做出標記，提升過程必須保證整齊平行提升，全程觀察平臺四角的提升高度，防止平臺與支撐樁別卡，造成提升困難或結(jié)構(gòu)損壞。

5.3 船舶選擇與定位

主起重船選用“秦航工68”(1 100 t)，輔助起重船選用“利通起重9”(500 t)。船舶定位順序為：穩(wěn)樁平臺船→主起重船→輔助起重船→運樁船，最終駐位如圖6所示。

圖6 船舶駐位

5.4 鋼管樁立樁

根據(jù)鋼管樁重心、主吊耳位置及立樁起重船吊裝能力核算立樁吊耳位置，并根據(jù)核算結(jié)果在鋼管樁加工廠焊接立樁吊耳。鋼管樁上部主吊耳共兩個，通過鋼絲纜與主起重船雙主鉤連接；立樁吊耳通過卸扣及鋼絲繩與輔助起重船主鉤連接。

連接固定后，水平試吊20 min，確認吊索具、吊耳等安全后，運樁船撤離。主起重船主鉤加力緩緩上升，輔助起重船主鉤減力緩緩下降，通過兩條起重船配合完成立樁，見圖7。

圖7 立樁施工

5.5 鋼管樁沉樁

(1)喂樁

鋼管樁豎直穩(wěn)定后，主起重船絞錨移動，將鋼管樁喂入穩(wěn)樁平臺抱樁器。閉合抱箍，調(diào)整鋼管樁高度至樁尖距泥面約1 m處。

(2)自沉

吊鉤卸力，鋼管樁在重力作用下自沉，過程中每自沉1～2 m，即停止卸力，觀測一次垂直度，如偏差超過1‰，及時調(diào)整，直至自沉完成。

(3)壓錘

在甲板上將送樁器與液壓錘進行組合，整體吊至樁頂壓錘。壓錘時間視樁尖所在土層土質(zhì)及壓錘總沉降量而定，直至樁體穩(wěn)定、不再下沉。

(4)錘擊沉樁及驗收

啟錘沉樁前放松吊錘吊繩，整個沉樁過程吊繩應(yīng)始終保持松弛狀態(tài)，松繩幅度0.5 m左右，不要喪失對錘體的保險作用。當?shù)鯔C吊鉤的下落速度不及沉樁速度時，應(yīng)進行間歇停錘，錘擊沉樁見圖8。

圖8 錘擊沉樁

沉樁初始打擊能量必須設(shè)定為IHC S-1400液壓錘的最小能量140 kJ。前三錘必須實施單擊，每擊一錘后即停錘檢查貫入度、垂直度變化、樁身與液壓頂推缸上導向輪的接觸情況。

當貫入度在10～50 mm時開始手動連擊，剛開始宜采用輕擊、小貫入度沉樁，使樁平穩(wěn)下沉，以防樁有較大傾斜。IHC S-1400液壓錘連續(xù)錘擊頻率一般控制在30～35擊/min。

施工過程中應(yīng)密切關(guān)注地質(zhì)變化，當樁底標高接近軟弱土層時，必須減小錘擊能量及頻率，必要時采用單擊或2、3連擊，防止“溜樁”現(xiàn)象。

每沉樁1～2 m即停錘，采用全站儀測量樁體垂直度，如偏差值超出1‰，立即利用液壓頂推缸進行調(diào)節(jié)，具體調(diào)節(jié)控制技術(shù)見4.4節(jié)，調(diào)整合格后，持續(xù)沉樁。

終錘時，通過GPS在下層平臺上標記設(shè)計樁頂標高。當樁頂距設(shè)計標高1 m左右時，每250 mm停錘觀測一次垂直度；待樁頂接近設(shè)計標高時，采用全站儀測量記錄樁頂高程；錘擊結(jié)束后，測量人員通過臨時作業(yè)平臺復測樁頂高程，并進行驗收。

6 結(jié)束語

中船重工大連市莊河海域海上風電場址Ⅱ(300 MW)項目工程地質(zhì)條件復雜，風機基礎(chǔ)單樁直徑大、長度長、重量重。通過對錘、穩(wěn)樁平臺、替打及垂直度控制等關(guān)鍵設(shè)備、工藝的研究，解決了主要的重難點問題，工程順利實施。

通過可打入分析，工程所選用的IHC S-1400液壓錘，在施工中完全能夠滿足超長、超大直徑鋼管樁在中砂、粗砂等較硬土質(zhì)中的沉樁要求。該錘最大夯擊能1 400 kJ，對比實際施工中使用的950 kJ最大夯擊能尚有富余。整個沉樁過程順利，貫入度均在可控范圍內(nèi)。

導管架式雙層穩(wěn)樁平臺垂直度調(diào)節(jié)技術(shù)，在實際施工中同樣取得了良好的效果。一是定位準、垂直度調(diào)整效果好：所有樁基平面位置偏差小，法蘭面水平度均滿足偏差值＜3‰的設(shè)計要求，大多數(shù)樁基垂直度可控制在1‰以內(nèi)。二是工效高：單次垂直度測量調(diào)整平均用時不到6 min，從立樁直至完成沉樁整個過程平均用時僅5 h。

優(yōu)化后的內(nèi)嵌式送樁器，在巨大的錘擊力作用下，成功地保護了樁頂法蘭。經(jīng)驗收，樁頂法蘭無損檢測合格率100%，焊縫檢測全部合格。

依托本工程總結(jié)的海上風電大直徑鋼管樁沉樁施工技術(shù)，對以后類似海上超長、超大直徑鋼管樁施工具有一定的指導意義。