潮間帶地區(qū)海上風(fēng)電高樁承臺(tái)斜樁吊打關(guān)鍵技術(shù)*

李 帥，許偉群，婁學(xué)謙

(1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230； 2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海)，廣東 珠海 519082； 3.中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524009)

1 工程概況

越南海上風(fēng)電項(xiàng)目朔莊風(fēng)電場(chǎng)位于越南南端朔莊省沿海地區(qū)，為10臺(tái)單機(jī)3.3MW、總裝機(jī)規(guī)模33MW的海上風(fēng)電項(xiàng)目。項(xiàng)目場(chǎng)址離岸距離1～3km，風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的泥面高程按越南國(guó)家高程平面計(jì)算為-0.800～-2.800m，場(chǎng)址的潮位區(qū)間為-2.120～2.180m。 風(fēng)機(jī)承臺(tái)采用高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，共10個(gè)承臺(tái)，每個(gè)承臺(tái)共設(shè)6根工程樁，斜率均為6∶1 (見圖1)。工程樁采用Q355B鋼材，直徑1 400mm，長(zhǎng)62～71m，其中樁頂36m以及樁端2m范圍內(nèi)鋼管樁厚度為25mm，其余中間位置鋼管樁厚度為20mm。鋼管樁由國(guó)內(nèi)專業(yè)廠家整體生產(chǎn)并海運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)。

圖1 鋼管樁承臺(tái)

2 海上風(fēng)電斜樁吊打總體施工工藝

由于朔莊風(fēng)電場(chǎng)位于潮間帶地區(qū)，無(wú)法采用常規(guī)的陸上沉樁方法或打樁船沉樁施工方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及船機(jī)性能，朔莊風(fēng)電場(chǎng)機(jī)位采用平板駁起重機(jī)船趁潮坐底后借助定位樁架進(jìn)行吊打沉樁的施工工藝。鋼管樁斜樁吊打基本施工流程為：船舶定位坐底→插打定位樁→導(dǎo)向架安裝→限位架安裝放樣→起重機(jī)泊位取樁→立樁→樁自沉→樁位側(cè)偏→振動(dòng)錘初打→液壓錘替打→沉樁至導(dǎo)向架頂部→拆除上限位架→沉樁至標(biāo)高→測(cè)樁偏位→同一機(jī)位樁基全部施打完成→拆除導(dǎo)向架→進(jìn)行下一機(jī)位沉樁。

3 船舶定位坐底

在主要作業(yè)流程施工前，先選定坐底區(qū)域掃海，通過(guò)掃海測(cè)量海床面標(biāo)高，同時(shí)確定船舶坐底區(qū)域有無(wú)凸起物或障礙物，如發(fā)現(xiàn)凸起物或障礙物及時(shí)安排清除，確保船舶坐底安全。選定坐底區(qū)域后，采用拖輪在GPS測(cè)量裝置的協(xié)助下趁高潮位將駁船拖至預(yù)定位置拋錨定位。對(duì)于潮位變化導(dǎo)致拋錨時(shí)間不夠的區(qū)域，應(yīng)考慮提前拋好備用錨并設(shè)好錨標(biāo)，趁潮將施工船拖到定位區(qū)域后帶纜與備用錨連接。由于施工船舶在潮間帶區(qū)域作業(yè)低潮時(shí)會(huì)擱淺坐底，船舶坐底前確保所有船錨位于船底以上位置處懸掛，防止船舶在擱淺坐底過(guò)程中船錨戳穿船體。由于樁位于船身一側(cè)時(shí)起重機(jī)起重跨距相對(duì)于船艏方向較小，起重機(jī)在同等吊重條件下負(fù)荷率較低，有利于起重安全(見圖2)。實(shí)施過(guò)程中將對(duì)平板駁船體下沉量和平1衡性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如側(cè)向吊裝對(duì)船體平衡有影響將改為船艏方向定位和吊裝。工程實(shí)踐證明，由于本項(xiàng)目斜樁吊打所用的 14 000t 平板駁船尺寸較大(110m(長(zhǎng))×32m(寬))，履帶式起重機(jī)側(cè)向吊樁所產(chǎn)生的偏心力矩對(duì)船體坐底不均勻下沉無(wú)太大影響，故采用樁位于船身一側(cè)進(jìn)行吊打沉樁合理。

圖2 樁基位于船側(cè)方向拋錨定位

為減小船舶擱淺坐底對(duì)海床的荷載，當(dāng)水深 <1.2m 時(shí)，14 000t平板駁船應(yīng)將壓載水減少到最小吃水狀態(tài)。為提高船舶坐底后的穩(wěn)定性，當(dāng)水深>1.2m時(shí)，平板駁船應(yīng)根據(jù)水深的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整壓載水重，保證調(diào)載后的等量吃水比對(duì)應(yīng)水深多1m，相當(dāng)于維持船底對(duì)海床面的平均荷載在約10kPa。平板駁船坐底后須進(jìn)行船體傾斜度測(cè)量，當(dāng)傾斜度<0.5% 時(shí)起重機(jī)可正常作業(yè)，當(dāng)傾斜度>0.5%時(shí)應(yīng)在履帶式起重機(jī)的履帶下方增加鋼板墊片調(diào)平起重機(jī)水平度后方可開展起重作業(yè)。

4 導(dǎo)向架設(shè)計(jì)與安裝

為了滿足風(fēng)機(jī)高樁承臺(tái)基礎(chǔ)斜樁吊打工藝的實(shí)施，設(shè)計(jì)了輔助沉樁的導(dǎo)向架。導(dǎo)向架由兩大部分組成，第1部分為錨樁基礎(chǔ)，第2部分為導(dǎo)向架和限位裝置。導(dǎo)向架采用直徑400mm、厚6mm鋼管制作平臺(tái)及支撐架，總高度為15m，在工廠按設(shè)計(jì)圖紙加工成型(見圖3)，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組拼。導(dǎo)向架根據(jù)樁自沉、振動(dòng)錘初打、液壓錘替打等主要工序進(jìn)行驗(yàn)算，確保其應(yīng)力、應(yīng)變穩(wěn)定性等均滿足要求。沉樁導(dǎo)向架頂層(見圖4)與底層(見圖5)設(shè)有導(dǎo)向輪，上、下導(dǎo)向輪相對(duì)位置與工程樁斜率要求相匹配，可實(shí)現(xiàn) 6∶1 斜率定位，且上、下導(dǎo)向輪樁架設(shè)置微調(diào)裝置，其中頂層內(nèi)側(cè)導(dǎo)向輪調(diào)節(jié)行程為180mm，其余導(dǎo)向輪調(diào)整行程約為140mm。通過(guò)上、下層限位架微調(diào)裝置結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)可調(diào)整樁的傾斜度，同時(shí)也可防止出現(xiàn)樁架蹩樁現(xiàn)象，便于樁架拆除。頂層限位架設(shè)置成可沿導(dǎo)向架中心轉(zhuǎn)動(dòng)的單片架，利用電動(dòng)減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)限位架移位，可實(shí)現(xiàn)6個(gè)樁位共用1個(gè)頂層限位架，通過(guò)伸縮調(diào)節(jié)構(gòu)造，每個(gè)樁位沉樁至導(dǎo)向架頂部時(shí)收起上層限位架后繼續(xù)將樁施打至設(shè)計(jì)標(biāo)高，如此沉樁導(dǎo)向架每次安裝后可同時(shí)實(shí)現(xiàn)6根工程樁的定位需求。

圖3 導(dǎo)向架整體示意

圖4 導(dǎo)向架頂層限位架布置

圖5 導(dǎo)向架底層平面布置

固定導(dǎo)向架的定位錨樁采用6根直徑為1 000mm、 總長(zhǎng)度約為27.5m的鋼管樁，呈六角形布置，在施工前測(cè)量放樣確定錨樁沉樁位置。錨樁采用Q235B鋼材，在工廠整體加工運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)使用。錨樁插打采用振動(dòng)錘沉樁，沉樁深度應(yīng)滿足計(jì)算要求，需同時(shí)保證承載力及振動(dòng)錘拔樁要求，理論計(jì)算及工程實(shí)踐證明，錨樁的沉樁深度約為25m。錨樁插打完成后，按設(shè)計(jì)標(biāo)高割平錨樁樁頭。采用1 4000t平板駁船上的800t起重機(jī)吊裝導(dǎo)向架，導(dǎo)向架與錨樁接觸處采用[28焊接加固。為保證導(dǎo)向架安裝方位正確，安裝前應(yīng)在錨樁樁頂上測(cè)量放樣出導(dǎo)向架的安裝位置，并在錨樁頂上與導(dǎo)向架接觸位置焊接限位卡槽。導(dǎo)向架平臺(tái)按設(shè)計(jì)標(biāo)高安裝完成后，按樁身傾斜度要求調(diào)整上、下層導(dǎo)向輪位置，為工程樁施工做好準(zhǔn)備。導(dǎo)向架安裝施工流程如圖6所示。

圖6 導(dǎo)向架安裝施工流程

5 沉樁吊打

充分考慮現(xiàn)場(chǎng)工作條件及各種錘型的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合對(duì)本工程進(jìn)行的可打性分析，選用1臺(tái)ICE44B型振動(dòng)錘和1臺(tái)YC40型液壓沖擊錘進(jìn)行初打及替打，振動(dòng)錘及液壓錘參數(shù)如表1，2所示。斜樁吊打施工使用到的主要施工設(shè)備包括1艘 14 000t 平板駁船及布置在其甲板上的800t履帶式起重機(jī)和320t履帶式起重機(jī)。

表1 振動(dòng)錘參數(shù)

表2 液壓沖擊錘參數(shù)

本工程沉樁采用等級(jí)高且信號(hào)半徑覆蓋范圍大的中海達(dá)IRTK5X進(jìn)行測(cè)量控制，為便于沉樁過(guò)程樁位和標(biāo)高監(jiān)測(cè)，在沉樁位附近安裝臨時(shí)測(cè)量平臺(tái)，使用GPS在臨時(shí)測(cè)量平臺(tái)上建立臨時(shí)控制點(diǎn)，采用全站儀交會(huì)法監(jiān)測(cè)鋼管樁位置。測(cè)量平臺(tái)采用3根800mm鋼管樁搭設(shè)，樁頂搭設(shè)臨時(shí)測(cè)量平臺(tái)。鋼管樁吊打總體施工流程如圖7所示。

圖7 鋼管樁吊打施工流程

5.1 吊樁與立樁

導(dǎo)向架安裝完成后，運(yùn)樁船趁高潮位靠吊打駁船定位，利用吊打駁船上的800t履帶式起重機(jī)和320t履帶式起重機(jī)從運(yùn)樁船抬吊取樁和翻身立樁(見圖8)。吊索具連接后，由2臺(tái)履帶式起重機(jī)配合抬吊和翻身立樁。樁身上設(shè)有4個(gè)吊耳，抬吊時(shí)主起重機(jī)(800t履帶式起重機(jī))吊鉤鋼絲繩通過(guò)平衡滑輪掛樁頂側(cè)的S1，S2號(hào)吊耳，副起重機(jī)(320t履帶式起重機(jī))鋼絲繩通過(guò)平衡滑輪掛樁端側(cè)S3，S4號(hào)吊耳，為四點(diǎn)吊工況。立樁時(shí)副起重機(jī)緩緩下放，副起重機(jī)解鉤后，鋼管樁靠主起重機(jī)連接吊點(diǎn)受力，為兩點(diǎn)吊工況。為方便高空解鉤，鋼絲繩與樁身吊耳通過(guò)卸扣和自動(dòng)脫鉤器連接。

圖8 雙起重機(jī)聯(lián)合吊樁

5.2 工程樁定位

立樁完成后800t履帶式起重機(jī)將鋼管樁吊至導(dǎo)向架進(jìn)行定位。先將樁端套入導(dǎo)向架下平臺(tái)限位口，復(fù)核調(diào)整下限位架位置固定樁位，再調(diào)整吊臂使鋼管樁傾斜套入導(dǎo)向架上平臺(tái)限位口，起重機(jī)慢慢松放吊繩下樁。為防止導(dǎo)向架拆除后工程樁在自重作用下發(fā)生位置偏移，在螺旋千斤頂配合下調(diào)節(jié)導(dǎo)向架頂層導(dǎo)向輪使樁身向外預(yù)留偏位約150mm。樁身入土前測(cè)量復(fù)核鋼管樁的傾斜度及坐標(biāo)，確認(rèn)無(wú)誤或調(diào)整位置后起重機(jī)緩慢松鉤使樁身在自重作用下下沉穩(wěn)定，當(dāng)樁下沉穩(wěn)定并復(fù)測(cè)樁身偏位后解除連接樁身的吊索。

5.3 振動(dòng)錘初打

為了增加鋼管樁錘擊前的入土深度和穩(wěn)定性，先采用ICE44B型振動(dòng)錘將鋼管樁沉到一定深度再改用YC40型液壓沖擊錘進(jìn)行后續(xù)沉樁。為避免溜樁及樁身偏位等影響，振動(dòng)錘斜樁吊打過(guò)程中應(yīng)始終保持鉤頭具有足夠的帶力。沉樁過(guò)程中始終保持監(jiān)測(cè)鋼管樁位置和傾斜度，如有較大偏差應(yīng)在千斤頂和起重機(jī)共同作用下及時(shí)調(diào)整。隨著樁身入土深度的不斷增加，起重機(jī)鉤頭緩慢下放，同時(shí)時(shí)刻觀察鋼管樁與導(dǎo)向架的接觸情況，當(dāng)導(dǎo)向架有振動(dòng)時(shí)，及時(shí)調(diào)整扒桿的幅度和鉤頭帶力。

5.4 液壓沖擊錘沉樁

鋼管樁在自身入土錨固和導(dǎo)向架共同作用穩(wěn)定后，換用YC40型液壓沖擊錘進(jìn)行后續(xù)沉樁(見圖9)。液壓沖擊錘沉樁分成2個(gè)步驟：第1步是將鋼管樁施打至導(dǎo)向架上平臺(tái)頂部約3m位置，第2步是待拆除、挪開頂層限位架后將鋼管樁施打至樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高。為便于套樁，應(yīng)調(diào)節(jié)連接液壓沖擊錘的吊索長(zhǎng)度使之傾斜角度與工程樁一致。為進(jìn)一步保證整個(gè)導(dǎo)向架的穩(wěn)定性，當(dāng)1根工程樁施工完成后，后續(xù)應(yīng)施打該樁位所對(duì)稱的另一根工程樁，直至3對(duì)工程樁全部沉樁完畢。

圖9 液壓沖擊錘沉樁

為提高導(dǎo)向架的整體穩(wěn)定性，防止鋼管樁發(fā)生溜樁現(xiàn)象及減小工程樁受力和位移，在鋼管樁入土較淺時(shí)，液壓沖擊錘采取低能量沉樁方法，起始階段采用手動(dòng)擋低跳高錘擊，待工程樁貫入度較小后再改用自動(dòng)擋錘擊，同時(shí)根據(jù)貫入度變化情況再逐漸增加跳高施打。當(dāng)?shù)蹉^不受力時(shí)，樁錘自重直接作用于樁頂，會(huì)使鋼管樁受力過(guò)大，呈現(xiàn)較大撓度，因此在鋼管樁施打過(guò)程中，當(dāng)入土深度較小時(shí)，起重機(jī)吊鉤要保持一定的帶力，起重機(jī)操作手應(yīng)根據(jù)鋼管樁貫入度大小下放吊鉤使鋼絲繩處于輕微帶力狀態(tài)，以此來(lái)減小樁錘自重對(duì)鋼管樁撓曲變形和錘擊偏心的影響。

5.5 定位樁拆除

按上述方法施工完一個(gè)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的全部基樁后，利用平板駁船將打樁導(dǎo)向架拆除吊放在駁船上進(jìn)行下一機(jī)位安裝。拆除前需將導(dǎo)向架與錨樁的連接槽鋼割除，割除后，先將導(dǎo)向架用起重機(jī)吊放至平板駁船上，再用振動(dòng)錘拔除錨樁。

6 實(shí)施效果

經(jīng)項(xiàng)目實(shí)踐得到單個(gè)承臺(tái)沉樁各作業(yè)工序時(shí)間，如表3所示，從表中可看出，每個(gè)承臺(tái)樁基沉樁施工所需時(shí)間為86～98h，平均每根樁施工用時(shí)14～16h。

表3 單個(gè)承臺(tái)沉樁作業(yè)工時(shí)分析

7 結(jié)語(yǔ)

1)采用沉樁導(dǎo)向架輔助吊打的施工工藝，可有效解決打樁船無(wú)法在潮間帶地區(qū)沉樁作業(yè)問(wèn)題。

2)導(dǎo)向架頂層限位架加裝滑輪裝置，可實(shí)現(xiàn)6個(gè)樁位共用1個(gè)頂層限位架，同時(shí)滿足6根工程樁的定位需求，很大限度地減少了導(dǎo)向架的制作、安裝成本；且導(dǎo)向架的上、下層限位架的導(dǎo)向輪裝置可調(diào)節(jié)樁身位置，能有效避免樁身偏位、蹩樁等現(xiàn)象。

3)工程樁入土前，調(diào)節(jié)導(dǎo)向架頂層導(dǎo)向輪使樁身上端往外偏移150mm，可有效抵消導(dǎo)向架拆除后樁身在自重作用下產(chǎn)生的下?lián)稀?/p>

4)平板駁船坐底施工過(guò)程中，根據(jù)潮位動(dòng)態(tài)調(diào)整壓載水重，可有效減小船舶擱淺坐底對(duì)海床的荷載、提高船舶坐底后的穩(wěn)定性。

5)施工過(guò)程中先采用振動(dòng)錘將鋼管樁沉到一定深度再改用液壓沖擊錘進(jìn)行后續(xù)沉樁，能有效保證鋼管樁錘擊前的入土深度和穩(wěn)定性。

6)在斜樁吊打過(guò)程初期，始終保持鉤頭具有足夠的帶力，能避免錘重過(guò)大導(dǎo)致出現(xiàn)溜樁、樁身出現(xiàn)較大撓度等問(wèn)題。