導(dǎo)向架平臺(tái)吸力桶基礎(chǔ)施工過(guò)程控制關(guān)鍵技術(shù)

劉華全，李元松?，潘勝平，張?chǎng)?，趙勇

（1.中鐵大橋局集團(tuán)第五工程有限公司, 江西 九江 332000；2.武漢工程大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 湖北 武漢 430073）

吸力桶基礎(chǔ)因其施工時(shí)間短、工效高、可重復(fù)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。然而，相對(duì)于傳統(tǒng)的打入樁施工，其工藝更為復(fù)雜，涉及技術(shù)含量高，如何能保證吸力桶順利沉貫到設(shè)計(jì)深度，達(dá)到設(shè)計(jì)承載力及功能要求，是業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[2-3]?？v觀國(guó)內(nèi)外吸力桶的發(fā)展歷程與技術(shù)現(xiàn)狀[3-5]，吸力桶施工控制關(guān)鍵技術(shù)歸納為三個(gè)方面：（1）貫入阻力與控制指標(biāo)的計(jì)算；（2）控制參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與上傳；（3）成套的安裝設(shè)備與控制技術(shù)。

關(guān)于黏性土中沉貫阻力的計(jì)算相對(duì)較為成熟，API[6-7]和DNV GL-C212[8]中均推薦了具體計(jì)算方法。Houlsby[9]、Senders[10]等研究砂土中滲透破壞機(jī)理，提出臨界吸力計(jì)算公式，并應(yīng)用于桶型基礎(chǔ)沉貫施工和設(shè)計(jì)；丁紅巖[11]等開(kāi)展吸力桶在不同土質(zhì)中的模型試驗(yàn)，提出沉貫過(guò)程中應(yīng)控制吸力以避免滲透破壞或土塞隆起。在浪、流環(huán)境下對(duì)吸力桶沉貫進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制也是目前尚未很好解決的難題。朱儒弟[12]、丁忠軍[13]等分別在遙測(cè)遙控系統(tǒng)領(lǐng)域進(jìn)行了大量技術(shù)開(kāi)發(fā)。工程技術(shù)人員經(jīng)過(guò)多年的潛心研究，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，研制一套技術(shù)先進(jìn)，功能相對(duì)完善的施工安裝設(shè)備與控制系統(tǒng)，在廣東某海上風(fēng)電場(chǎng)施工取得圓滿成功，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)想效果。

本文以廣東沿海某海上風(fēng)電場(chǎng)導(dǎo)向架平臺(tái)基礎(chǔ)施工項(xiàng)目為背景，詳細(xì)探討吸力桶施工過(guò)程控制中的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，以供對(duì)類似吸力桶基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工時(shí)參考。

1 貫入/頂升可行性分析

貫入可行性分析是將待施工機(jī)位地層沿深度按一定厚度分層，驗(yàn)算各項(xiàng)控制指標(biāo)是否能達(dá)到順利貫穿的技術(shù)要求。其核心內(nèi)容是精確計(jì)算每層貫入阻力、臨界吸力、允許吸力和所需吸力。

1.1 貫入阻力

目前國(guó)內(nèi)外工程設(shè)計(jì)主要引用API和DNV推薦方法：靜力法和Based-CPTU法兩種，本次研究采用經(jīng)修正后的靜力法計(jì)算公式。

假定吸力桶內(nèi)外側(cè)壁摩擦系數(shù)相同，并不考慮土塞效應(yīng)，給定貫入深度Hn的貫入阻力計(jì)算統(tǒng)一表達(dá)式：

式中：

Qtot? 總貫入阻力（kN）；

Qside?桶側(cè)壁摩阻力（kN）；

Qtip?桶端部阻力（kN）；

n?分層計(jì)算的總層數(shù)；

Sui?第i分層土體不排水抗剪強(qiáng)度（kPa）；

K?側(cè)壓力系數(shù)，一般采用實(shí)測(cè)值。若無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于黏土，K=0；對(duì)于無(wú)黏性土，K=0.8，或按K=(1-?sinφ)計(jì)算；

φ土層內(nèi)摩擦角（°）；

δ?桶與土體之間的摩擦角（°）。當(dāng)沒(méi)有實(shí)測(cè)值時(shí)，δ?可按文獻(xiàn)[6]表1取值。

表1 吸力桶貫入/頂升裝備系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)Tab.1 Specification parameters of suction bucket penetration/jacking equipment system

Ncn?承載力系數(shù)，其取值與計(jì)算目的有關(guān)[6]；

Nqn承載力系數(shù)，對(duì)于黏土，一般取1.0；對(duì)于砂土參?見(jiàn)API[6]；

Suitip?桶端部不排水抗剪強(qiáng)度均值（kPa）；

Atip?桶端圓環(huán)面積（m2）；

αi安裝過(guò)程中土體的黏性系數(shù)，通常定義為重塑土與原狀土剪切強(qiáng)度的比值，為土體敏感性的倒數(shù)，當(dāng)沒(méi)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可按式（2）計(jì)算確定：

式中：

1.2 臨界吸力

1）黏性土。將引起桶端整體反向失效以及大量土體吸入桶內(nèi)的吸力定義為給定深度處的極限吸力ΔUcirt，其值按式（3）計(jì)算：

式中：

Ainside?桶壁的內(nèi)側(cè)面積（m2）；

Ain?桶內(nèi)圓截面積（m2），其余符號(hào)同前。

2）無(wú)黏性土。對(duì)于均勻無(wú)黏性土層，Sender和Randolph[10]等人給出經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：

D? 吸力桶直徑（m）；

H? 吸力桶高度（m）。

3）對(duì)于層狀土層夾無(wú)黏性土層。本文建議先按式（3）計(jì)算無(wú)黏性土層的直接上覆黏土層的臨界吸力，再按分層厚度代入式（4）計(jì)算無(wú)黏性土層的臨界吸力，兩者相加即為計(jì)算混合土層的臨界吸力。

1.3 允許吸力

考慮桶內(nèi)土體滲透破壞與氣穴效應(yīng)后，施加于桶的許用吸力ΔUallow按式（5）確定：

式中：

k?安全系數(shù)，推薦值為1.5；

γw?海水容重（kN/m3）；

h?吸力桶頂水深（m）。

1.4 所需吸力

吸力桶所需吸力ΔUreq按式（6）確定：

式中：

W′?吸力桶浮重及上部平臺(tái)分配的重量（kN）；

Ain? 吸力桶的有效凈截面積（m2）。

1.5 自重入泥深度

自重貫入深度LSWP是抽水系統(tǒng)啟動(dòng)前的控制點(diǎn)，此時(shí)，系統(tǒng)需靜置一段時(shí)間，使桶體內(nèi)部形成一定的封閉空間。入泥深度可由式（7）和式（8）通過(guò)試算得到：

式中：

Δhi?第i分層的層高（m）；

Sui?第i分層土的不排水抗剪強(qiáng)度（kPa）；

αui?第i分層土的計(jì)算系數(shù)；

D0?吸力桶體的平均直徑（m）；

Ncn、Nqn?第n分層土的計(jì)算系數(shù)；

W′ ?樁及其上部結(jié)構(gòu)的總有效重量（kN）。

2 施工過(guò)程控制

2.1 施工控制系統(tǒng)的組成

吸力桶安裝設(shè)備控制系統(tǒng)主要由：泵撬塊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和膠帶纜收放系統(tǒng)等三個(gè)子系統(tǒng)組成。

1）泵撬塊系統(tǒng)

泵撬塊系統(tǒng)主要由四部分組成：

電子艙：電子艙裝有吸力桶狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)桶體內(nèi)外壓力差、平臺(tái)架底座的水平度，并通過(guò)電纜傳輸?shù)剿现骺叵到y(tǒng)；液壓機(jī)構(gòu)：邏輯閥門控制系統(tǒng)；電動(dòng)水泵：負(fù)壓桶吸力貫入與頂升；鎖緊機(jī)構(gòu)：泵撬塊泵口與負(fù)壓桶管匯法蘭基座的鎖緊、解脫，如圖1所示。

圖1 泵撬塊與平臺(tái)架的聯(lián)接Fig.1 Connection between the pump skid and the platform frame

2）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)水平度、負(fù)壓桶內(nèi)外壓差、貫入深度等。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)調(diào)整泵撬塊控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安裝各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

3）膠帶纜收放系統(tǒng)

膠帶纜收放系統(tǒng)由膠帶絞車、電纜組成。主要用于連接水下泵撬塊系統(tǒng)與水上主控制系統(tǒng)的通訊電纜。因防水、防腐蝕、防摩擦、防碰撞等要求，需進(jìn)行鎧裝。

吸力桶貫入/頂升裝備系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 吸力桶施工控制標(biāo)準(zhǔn)

考慮到導(dǎo)向架基礎(chǔ)臨時(shí)性特點(diǎn)，施工控制按如下標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行：

1）土塞隆起量小于 200 mm。

2）吸力桶貫入施工過(guò)程中，實(shí)際吸力在任何情況下不能超過(guò)屈曲控制線。

3）貫入過(guò)程中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)吸力桶的內(nèi)外壓差、貫入度、傾斜度、桶體狀況。

4）多桶導(dǎo)向架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)貫入下沉應(yīng)以標(biāo)高控制，基礎(chǔ)須貫入至設(shè)計(jì)高程。

5）多桶導(dǎo)向架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)貫入下沉，應(yīng)控制下沉速率：

（1）自重下沉：0~2 m，貫入速率v≤3 cm/min；2 m至自重下沉階段完成，v≤5 cm/min。（2）負(fù)壓下沉：v≤2.5 cm/min。6）樁位允許偏差：

絕對(duì)位置允許偏差<500 mm；高程允許偏差（?500 mm，100 mm）；水平度偏差≤2‰。

3 四樁導(dǎo)向架基礎(chǔ)安裝實(shí)例

3.1 基礎(chǔ)條件

某海上風(fēng)電機(jī)組施工四樁導(dǎo)向架平臺(tái)吸力桶基礎(chǔ)（WT42），平臺(tái)架尺寸、永久樁位與吸力桶平面布置平面如圖2所示。貫入時(shí)桶頂荷載 776 kN，吸力桶浮重 410 kN。桶直徑 5 m，壁厚 30 mm，設(shè)計(jì)貫入深度6.5 m。樁位水深29 m，地層及計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 WT42平臺(tái)樁位地層及計(jì)算參數(shù)Tab.2 The stratum and calculation parameters of WT42 platform

圖2 四樁平臺(tái)架布置Fig.2 Four-pile platform frame arrangement

3.2 監(jiān)測(cè)傳感器

1）桶內(nèi)外壓力差監(jiān)測(cè)。通過(guò)抽水泵口壓力傳感器與吸力桶內(nèi)頂端壓力傳感器的讀數(shù)，可觀測(cè)到每個(gè)桶內(nèi)外壓力差。壓力傳感器通過(guò)安裝在導(dǎo)向平臺(tái)底部管匯系統(tǒng)接入泵撬塊系統(tǒng)，再通過(guò)臍帶纜與船上主控制系統(tǒng)聯(lián)接。

2）垂直度監(jiān)測(cè)。泵撬塊系統(tǒng)中，安裝有高精度雙軸傾角傳感器與方位電羅經(jīng)，通過(guò)傾角讀數(shù)與方位可換算出平臺(tái)架系統(tǒng)的空間姿態(tài)。同時(shí)，配合導(dǎo)向架平臺(tái)頂3個(gè)GPS（利用RTK技術(shù)）測(cè)點(diǎn)的3D坐標(biāo)變化，進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn)。

3）貫入深度監(jiān)測(cè)。貫入深度監(jiān)測(cè)有兩種方式，一種是直接用平臺(tái)架頂GPS測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)換算得到，目前這種方式?jīng)]有納入吸力桶主控系統(tǒng)；另一種是通過(guò)壓力傳感器間接測(cè)量。其監(jiān)測(cè)原理如圖3所示。

圖3 沉貫參數(shù)監(jiān)測(cè)原理Fig.3 Principle of penetration parameter monitoring

4）土塞高度監(jiān)測(cè)。由于貫入過(guò)程中吸力桶處封閉狀態(tài)，難以用傳統(tǒng)的方法直接觀測(cè)桶內(nèi)泥面高度。本次研究提出利用壓力傳感器間接測(cè)量的方法。

桶內(nèi)負(fù)壓值Δp，為吸力桶頂內(nèi)外壓力差，分別由1#傳感器和2#傳感器測(cè)量：

沉貫深度HAS，為桶底與泥面高差，可通過(guò)0#傳感器和1#傳感器測(cè)量：

式中：

Hb? 桶高（m）；

γw?海水重度（m）。

土塞高度HAT，可由2#傳感器和3#傳感器所測(cè)壓力通過(guò)計(jì)算確定：

5）其它還有電子艙溫度、電機(jī)頻率。均通過(guò)安裝在泵撬塊系統(tǒng)中電子艙內(nèi)的傳感器，與主控制臺(tái)聯(lián)系，實(shí)時(shí)監(jiān)控電子艙內(nèi)的環(huán)境與吸力桶的工作狀態(tài)。

3.3 貫入過(guò)程控制

1）導(dǎo)向架吊裝入水。將吸力桶導(dǎo)向架起吊，移至擬安裝位置，吊裝設(shè)備松鉤、將導(dǎo)向架放入水中，在吸力桶底端剛接觸到泥面時(shí)，暫停松鉤。在此過(guò)程中，吸力泵排水口打開(kāi)，使得桶內(nèi)的水可自由排出。通過(guò)操作吊裝設(shè)備的扒桿動(dòng)作、卷?yè)P(yáng)機(jī)輔助調(diào)整牽引繩或移船等操作，使吸力桶進(jìn)行小范圍移動(dòng)調(diào)整；同時(shí)通過(guò)水下電羅經(jīng)監(jiān)測(cè)吸力桶導(dǎo)向架基礎(chǔ)的方位角，通過(guò)短基線定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)吸力桶導(dǎo)管架的坐標(biāo)，直到方位角和坐標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，停止移動(dòng)導(dǎo)向架基礎(chǔ)，如圖4所示。

圖4 四樁平臺(tái)架吊裝Fig.4 Four pile platform frame hoisting

2）自重入泥。吊裝設(shè)備繼續(xù)緩緩松鉤，吸力桶導(dǎo)向架靠自重使其吸力桶貫入海床土體。吸力桶下放至自重入泥時(shí)，監(jiān)控入泥深度和結(jié)構(gòu)平臺(tái)水平度，調(diào)整在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。嚴(yán)格控制桶體下沉速度 ≤3 m/h。當(dāng)?shù)鯔C(jī)重量約為30 t時(shí)，視為自重入泥結(jié)束。保持約30 t吊重以保證結(jié)構(gòu)在初始貫入時(shí)的水平度。靜置20～30 min，保證形成初始密封條件。

3）負(fù)壓貫入。自重入泥結(jié)束后，啟動(dòng)泵撬塊系統(tǒng)，開(kāi)始吸力貫入作業(yè)。貫入過(guò)程中根據(jù)測(cè)控設(shè)備監(jiān)控水平度、貫入深度、桶體內(nèi)外壓差等參數(shù)。同時(shí)也可通過(guò)水下姿態(tài)儀和水下ROV等設(shè)備進(jìn)行確認(rèn)，直到吸力桶導(dǎo)向架基礎(chǔ)貫入深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。若沉貫過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)傾斜度超過(guò)允許值時(shí)，通過(guò)控制各自吸力桶上吸力泵的流量來(lái)控制吸力桶的貫入速度來(lái)調(diào)節(jié)水平度，直至吸力桶導(dǎo)向架安裝到位及完成水平調(diào)節(jié)。

4）土塞高度控制。土塞是指吸力桶在沉貫入土過(guò)程中，吸力桶內(nèi)的土體在內(nèi)外壓力差和滲流的作用下向上抬升，提前與吸力桶的頂板接觸，阻礙了吸力桶基礎(chǔ)繼續(xù)下沉。通過(guò)智能化、數(shù)字化的吸力泵系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，嚴(yán)格控制以使土體不致形成過(guò)大土塞和發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。對(duì)于黏性土層只要控制桶內(nèi)外壓差不超過(guò)臨界吸力，沉貫速率小于5 cm/min，土塞高度很小或不明顯；對(duì)于無(wú)黏性土，尤其是粉土，應(yīng)控制吸力在計(jì)算允許吸力80%以內(nèi)[14]，同時(shí)應(yīng)密切關(guān)注壓力傳感器2與3的壓差變化，一旦出現(xiàn)土塞，應(yīng)及時(shí)控制吸力，以降低沉貫速率。

5）水平度調(diào)整。吸力桶平臺(tái)因各桶入泥深度不同而出現(xiàn)整體傾斜，當(dāng)傾斜角大于允許值時(shí)需及時(shí)調(diào)整。自重沉貫階段，平臺(tái)整體傾斜可依靠吊機(jī)扶正；負(fù)壓沉貫階段，通過(guò)改變各桶的內(nèi)外壓差，改變沉貫速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)入泥深度，達(dá)到整體調(diào)平的目的。

6）吸力桶頂升。作業(yè)結(jié)束后，將導(dǎo)向架頂升回收。啟動(dòng)泵撬系統(tǒng)鎖緊裝置，將泵撬塊與桶體連接。吊機(jī)掛鉤導(dǎo)向架，并預(yù)帶大于導(dǎo)向架自重50%的提升力。開(kāi)啟泵撬塊系統(tǒng)將負(fù)壓桶導(dǎo)向架平臺(tái)緩慢頂升，頂升過(guò)程中吊機(jī)需要與頂升作業(yè)協(xié)同配合，隨著導(dǎo)向架平臺(tái)頂升高度增加，吊機(jī)緩慢增加提升力。當(dāng)頂升力逐漸減小時(shí)，吊機(jī)提升力大于導(dǎo)向架自重1倍以上。吊機(jī)逐漸加大提升力，將導(dǎo)向架負(fù)壓桶全部提升到脫離泥面，頂升作業(yè)結(jié)束。

典型吸力桶貫入下沉、頂升回收過(guò)程吸力與注水壓力深度曲線分別見(jiàn)圖5和圖6。平均貫入用時(shí)2.5 h，頂升回收用時(shí) 1.5 h。

如圖5所示控制曲線可以看出，在特定地質(zhì)環(huán)境條件下，自重貫入深度一般3～4 m，達(dá)到設(shè)計(jì)貫入深度的50%～60%；實(shí)測(cè)貫入吸力圍繞理論計(jì)算值上下波動(dòng)，但距允許吸力還差一段距離，其冗余度與計(jì)算值基本一致。

圖5 貫入下沉阻力、吸力控制曲線Fig.5 Penetration resistance and suction control curve

如圖6吸力桶頂升高度-時(shí)程曲線，吸力桶啟動(dòng)階段用時(shí)較長(zhǎng)，0～2 m 段近 40 min，平均速率3 cm/min，其余長(zhǎng)度段速率約為 9 cm/min。桶體啟動(dòng)壓力最大，達(dá)到 110 kPa，換算成頂升力約為 2.355 MN，扣除吊機(jī)作用力與平臺(tái)架重力，與理論計(jì)算值完全相符。

圖6 吸力桶頂升過(guò)程曲線Fig.6 Jacking process curve of suction bucket

2020年5月26日至2021年8月23日，47臺(tái)導(dǎo)向架樁平臺(tái)吸力桶基礎(chǔ)使用這套計(jì)算分析方法與過(guò)程監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)整吸力泵的壓力，改變吸力桶下沉速度，保證平臺(tái)傾斜角度始終在1°以內(nèi)，有效地控制沉貫速度和質(zhì)量，保證主體工程達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)論

本文以廣東沿海某海上風(fēng)電場(chǎng)導(dǎo)向架平臺(tái)基礎(chǔ)施工項(xiàng)目為背景，系統(tǒng)地介紹了吸力桶貫入/頂升可行性分析方法；給出施工過(guò)程控制參數(shù)、控制標(biāo)準(zhǔn)與控制技術(shù)、吸力桶狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)方法；探討貫入阻力、上部結(jié)構(gòu)荷載、負(fù)壓以及負(fù)壓有效作用面積之間的關(guān)系等吸力桶施工過(guò)程控制中的關(guān)鍵技術(shù)。工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，上述控制方法與相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，真實(shí)反映吸力桶基礎(chǔ)施工過(guò)程中控制參數(shù)的變化特征，具有良好的控制效果。項(xiàng)目的成功實(shí)施，為豐富吸力桶應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)積累成功案例，為吸力桶基礎(chǔ)進(jìn)一步的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。