鋼底模在海上風(fēng)電高樁承臺施工中的應(yīng)用

胡向鋒，臧洪帥，鄭曉彬

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116083）

0 引言

中國海上風(fēng)能資源豐富，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)高速高質(zhì)量發(fā)展，新型清潔能源海上風(fēng)力發(fā)電工程建設(shè)越來越多。大連莊河海上風(fēng)電場是東北區(qū)域首個海上風(fēng)電項目，是我國北方地區(qū)最大的海上風(fēng)電項目，也是我國境內(nèi)目前緯度最高的海上風(fēng)電場。莊河風(fēng)電場海域地質(zhì)條件較復(fù)雜，覆蓋層深淺不一，基巖差異較大，灰?guī)r、板巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖等混雜，且?guī)r層中下伏溶洞[1]。由于地質(zhì)原因?qū)е虏糠指邩冻信_基礎(chǔ)鋼管樁受力無法滿足設(shè)計需求，可通過抬高承臺基礎(chǔ)減少海水浮托力的方式滿足設(shè)計需求，為保證高樁承臺頂標(biāo)高不變采取鋼底模取代原有封底混凝土結(jié)構(gòu)，從而提高承臺底部標(biāo)高。通過鋼底模受力轉(zhuǎn)換順利完成上述方案實施，為后續(xù)工程提供技術(shù)支持。

1 工程概況

1.1 工程概述

三峽新能源大連市莊河Ⅲ（300 MW）海上風(fēng)電項目第2 批次風(fēng)電機組基礎(chǔ)及安裝工程共包括高樁承臺基礎(chǔ)14 座，其中60 號機位因地質(zhì)異常，基巖差異較大，泥巖、泥質(zhì)粉砂巖巖面較高，導(dǎo)致鋼管樁沉樁超高，為解決該問題，該機位采用取消封底混凝土、抬高承臺+鉆孔灌注樁的方案進(jìn)行處理，且混凝土承臺直徑由16 m 變更為15 m，高度5 m，設(shè)計底高程由+0.2 m 調(diào)整為+3.0 m，頂高程+8.0 m 保持不變，斷面圖見圖1。底標(biāo)高抬高2.8 m 后極大降低了高樁承臺的海水上浮力，改善了風(fēng)機運行條件。

圖1 60 號機位高樁承臺結(jié)構(gòu)斷面圖（設(shè)計高潮位+2.81 m）Fig.1 Structural section of high pile platform of No.60 machine position(design high tide level+2.81 m)

1.2 總體施工流程

由于封底混凝土取消，鋼套箱安裝無法通過封底混凝土加固[1]，需設(shè)計鋼底模（鋼底模強度和剛度滿足荷載要求）[2]，同時增加受力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)代替吊架，以保證拆除吊架后鋼套箱結(jié)構(gòu)狀態(tài)滿足承臺施工需求。

根據(jù)承臺結(jié)構(gòu)及莊河海域特點，同時考慮現(xiàn)有船機性能及施工能力，進(jìn)行鋼底模設(shè)計制作，并在碼頭前沿完成鋼底模與鋼套箱側(cè)模的拼裝，利用原有吊架，通過精軋螺紋鋼將吊架與鋼底模連接。起重船吊運裝船運輸至施工現(xiàn)場，海上吊裝到達(dá)預(yù)定位置后通過在樁間焊接牛腿及扁擔(dān)梁，采用精軋螺紋鋼與扁擔(dān)梁反吊鋼底模，完成受力轉(zhuǎn)換，隨后拆除吊架，鋼底模安裝施工見圖2。

圖2 鋼底模安裝施工圖Fig.2 Installation construction drawing of steel bottom formwork

2 鋼底模設(shè)計及制作

2.1 底模設(shè)計

圖3 鋼底模設(shè)計圖Fig.3 Design drawing of steel bottom formwork

2.1.1 荷載取值

鋼套箱自重為80 t，吊架自重20 t，鋼底模自重58.1 t，埋件及底板鋼筋總重16 t，1.0 m 高混凝土自重358 t。

2.1.2 工況

工況1：鋼套箱+吊架+鋼底模

總重=（80+20+58.1）t=158.1 t=1 581 kN

使用荷載=1.1×1.4×總重=2 434.74 kN

工況2：1.0 m 高混凝土澆筑后

總重=（80+58.1+16+358）t=512.1 t=5 121 kN

使用荷載=1.1×1.4×總重=7 886.34 kN

2.1.3 驗算結(jié)果

工況1：鋼套箱+吊腳放置于底模受力分析，采用MIDAS 軟件按照實際受力條件計算得出，型鋼所受最大組合應(yīng)力位于“井”字形連接橫梁處，450A 工字鋼所受最大應(yīng)力106.74 MPa ＜205 MPa。由JTS 152—2012《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]表3.2.8-1 可知，厚度16 mm ＜t≤40 mm的Q235[4]鋼材的設(shè)計抗拉強度為205 MPa，滿足規(guī)范要求。

工況2：澆筑1.0 m 高混凝土后主梁受力分析，采用MIDAS 軟件按照實際受力條件計算得出，型鋼所受最大組合應(yīng)力位于“井”字形連接橫梁處，450A 工字鋼所受最大應(yīng)力198.5 MPa＜205 MPa。由JTS 152—2012《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]表3.2.8-1 可知，厚度16 mm＜t≤40 mm 的Q235 鋼材的設(shè)計抗拉強度為205 MPa，滿足要求。

2.2 底模制作

圖4 井字梁工字鋼焊接加強措施（mm）Fig.4 Welding strengthening measures for I-beam of double-cross beam(mm)

3 鋼套箱陸地吊裝

鋼底模制作完成后，提前進(jìn)行測量放線，將4 片鋼套箱拼裝在鋼底模上部，模板拼裝后，安裝吊架，為了保證吊架運輸及吊裝過程中的穩(wěn)定，在鋼套箱側(cè)模內(nèi)沿提前焊接4 個支座，用于固定吊架防止晃動。鋼底模+鋼套箱采用16 根直徑36 mm 的精軋螺紋鋼與吊架連接整體起吊，吊架及鋼底模在450A 雙拼工字鋼中間位置均提前開孔，上、下孔通過精軋螺紋鋼、加強墊片及精軋螺紋鋼套筒連接，形成一個整體后整體起吊，墊片尺寸為200 mm×200 mm×20 mm 厚鋼板。

在吊架安裝之前，鋼套箱安裝后加固所用的一切材料提前裝入鋼套箱，避免鋼套箱安裝后材料無法送入鋼套箱內(nèi)而影響整體施工。

4 鋼套箱海上安裝加固

4.1 鋼套箱安裝技術(shù)要點

鋼套箱安裝的測量控制：以鋼套箱吊架鋼主梁邊線為基準(zhǔn)進(jìn)行控制，安裝前在鋼管樁樁頂標(biāo)出鋼套箱安裝定位的標(biāo)記，并在樁頂焊接導(dǎo)向板，以便于安裝鋼套箱時順著導(dǎo)向板就位。

鋼套箱安裝施工應(yīng)選擇海況較好的天氣進(jìn)行[5-6]，落潮時安裝，起重船駐位后起吊鋼套箱，每個孔位由專人觀測樁位與孔洞偏差，各孔位應(yīng)統(tǒng)一調(diào)整，待樁與孔洞全部基本對齊后，下放鋼套箱將鋼管樁落入對應(yīng)的預(yù)留孔內(nèi)。待吊架完全落于樁頂后，測量人員測量鋼套箱與鋼管樁間相對位置，以及鋼套箱垂直度，保證鋼套箱中心位置及側(cè)壁垂直度滿足規(guī)范要求，如超出規(guī)范要求需起鉤繼續(xù)調(diào)整，直至滿足要求后拆除吊索具。

鋼套箱安裝完成后，吊架坐落在樁頂依靠吊架底部橫梁與鋼底模之間精軋螺紋鋼承受全部鋼套箱重量，各樁截樁時要保證樁頂平整，且在統(tǒng)一標(biāo)高，避免樁頂不平整造成套箱安裝后出現(xiàn)偏斜情況。

4.2 鋼套箱加固技術(shù)要點

鋼套箱安裝完成后首先進(jìn)行樁側(cè)壁牛腿焊接，其次完成牛腿上扁擔(dān)梁焊接，最后通過16 根精軋螺紋鋼將底模與扁擔(dān)梁連接進(jìn)行受力轉(zhuǎn)換，鋼套箱加固受力轉(zhuǎn)換完成后，拆除吊架。通過新安裝的16 根精軋螺紋鋼吊鋼底模將鋼套箱及一層混凝土重量轉(zhuǎn)換至牛腿上端扁擔(dān)梁處。待一層混凝土施工完成達(dá)到設(shè)計強度后即可拆除鋼底模。

1）鋼套箱加固

牛腿采用2 cm 厚鋼板焊接而成，箱型結(jié)構(gòu)，長40 cm，寬30 cm，高30 cm。牛腿焊接完成后，測量相鄰兩根鋼管樁牛腿的水平距離，根據(jù)其水平距離現(xiàn)場放樣，下料切割450A 雙拼工字鋼，將切割好的450A 雙拼工字鋼通過手拉葫蘆放置在鋼管樁側(cè)壁上的牛腿頂面，人工調(diào)整450A 雙拼工字鋼位置，保證其居于牛腿頂面中間位置，完成后焊接工字鋼與牛腿，四周滿焊，并在側(cè)面焊接加強肋板保證強度。

2）限位措施

本工程處于外海無掩護(hù)海域，且承臺底處于高潮位，為了防止在施工期間受到高潮、大風(fēng)大浪等不利情況的影響，在鋼套箱安裝后需進(jìn)行防止鋼套箱上浮、移位的限位措施，保證施工期間鋼套箱整體穩(wěn)定。

施工過程中，在每根樁基周圍均勻焊接6 根10 號槽鋼，槽鋼底部與鋼底模底部160 工字鋼焊接，槽鋼與樁基連接部分滿焊。待一層鋼筋綁扎完成后，澆筑一層混凝土前，將加固限位6 根槽鋼切除，以保證承臺混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層，槽鋼拆除后立即進(jìn)行混凝土澆筑。

5 承臺鋼筋及混凝土施工

5.1 十字連接件安裝

鋼套箱加固完成后，進(jìn)行破樁切縫，鋼管樁與過渡段塔筒通過十字連接件采用焊接方式進(jìn)行連接固定。首先采用半自動切割機沿鋼管樁兩條中心線切十字縫，縫寬為6～7 cm，然后采用方駁吊機將十字連接件順著切縫安插在鋼管樁內(nèi)，并將十字連接件與鋼管樁沿切縫焊接連接，焊縫等級I 級，焊接完成后進(jìn)行第三方焊縫檢測。

5.2 一層鋼筋施工

十字連接件焊縫檢測合格后進(jìn)行一層鋼筋綁扎，先進(jìn)行底板鋼筋綁扎，同時按照塔筒安裝位置安放塔筒調(diào)整座、支撐座等預(yù)埋件。

一層鋼筋綁扎時[7]，提前與設(shè)計溝通，在牛腿位置適當(dāng)將樁周圍環(huán)形筋間距加大，但保證環(huán)形筋整體鋼筋數(shù)量不變。

5.3 承臺混凝土澆筑

本工程承臺采用C45F300 海工高性能混凝土，混凝土使用拌合船（一次備料最大澆筑方量1 000 m3）拌制，泵送澆筑入模，通過合理安排澆筑時間，選擇當(dāng)天溫度相對較低的時間段進(jìn)行澆筑[8]。承臺分2 次澆筑成型，第一層澆筑厚度1.0 m，共149 m3。拌合船進(jìn)行混凝土澆筑時，2個布料桿對稱均勻澆筑，先在吊桿位置沿圓周均勻澆筑，后進(jìn)行中區(qū)域補料，避免偏載，混凝土澆筑分層厚度不超過0.5 m。同時澆筑期間安排專人加強鋼套箱結(jié)構(gòu)的安全檢查，發(fā)現(xiàn)異常及時中止?jié)仓?/p>

6 控制要點

6.1 鋼底模制作

取消預(yù)制封底混凝土后，一層混凝土施工期間所有荷載均在鋼底模上，鋼底模加工制作時，要保證各主梁拼接焊縫質(zhì)量、拼接加強措施等焊接質(zhì)量，保證施工期間鋼套箱整體安全穩(wěn)定。

6.2 牛腿焊接

牛腿焊接在樁側(cè)壁，受力轉(zhuǎn)換完成后，鋼套箱整體的重量及一層混凝土重量均由牛腿承擔(dān)，要保證牛腿與樁之間焊縫質(zhì)量。牛腿焊接之前將樁側(cè)壁防腐層打磨干凈，保證焊接質(zhì)量，防止施工時因牛腿焊縫質(zhì)量不滿足要求出現(xiàn)安全隱患。

6.3 精軋螺紋鋼

受力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要通過精軋螺紋鋼連接，在精軋螺紋鋼兩側(cè)端頭均設(shè)置套筒及墊片。受力轉(zhuǎn)換所用精軋螺紋鋼在套箱吊裝前鋼底模處安裝套筒連接點，精軋螺紋鋼穿過工字鋼主梁，同時設(shè)置墊片及套筒，待牛腿上部扁擔(dān)梁安裝后與上部安裝精軋螺紋鋼連接。

為防止精軋螺紋鋼套筒在套箱運輸及安裝過程中松動脫落，在底部套筒安裝防脫落膠套筒。

7 應(yīng)用效果

1）該工藝成功解決了海上風(fēng)電高樁基礎(chǔ)承臺無封底混凝土施工的難題。在減少封底混凝土成本同時，降低鋼套箱起吊重量，節(jié)約大型起重設(shè)備吊裝費用。

2）鋼底模工藝取消了封底混凝土與鋼管樁間濕接縫澆筑工序，減少拌合船等配套船組的使用，降低船機設(shè)備及人員的施工成本。

3）該工藝的受力體系轉(zhuǎn)換科學(xué)高效，承臺澆筑期間未出現(xiàn)受力不均等現(xiàn)象，施工過程安全可靠，目前該機位運行良好。

8 結(jié)語

通過對承臺的底模進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，有效解決了60 號機位因地質(zhì)異常導(dǎo)致基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變更的施工難題，承臺底模結(jié)構(gòu)設(shè)計思路明確，合理選取了結(jié)構(gòu)尺寸和加固形式，采取的施工工藝合理可靠。目前60 號機位已整體施工完成，本方案安全性高，施工質(zhì)量較好，效果顯著，為以后類似高樁承臺施工提供借鑒。