潮間帶風(fēng)電場無過渡段單樁基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)

陳　強(qiáng)，劉鳳松，肖紀(jì)升

（天津港航工程有限公司，天津300457）

潮間帶風(fēng)電場無過渡段單樁基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)

陳強(qiáng)，劉鳳松，肖紀(jì)升

（天津港航工程有限公司，天津300457）

在國內(nèi)第一個(gè)潮間帶風(fēng)電場項(xiàng)目——江蘇龍?jiān)慈鐤|150 MW海上風(fēng)電場一期示范工程中，首次采用了無過渡段單樁作為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)。文中通過對該項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，介紹了潮間帶風(fēng)電場無過渡段單樁基礎(chǔ)施工工藝、船舶選型、打樁錘選擇、樁身垂直度測量與控制以及施工操作要點(diǎn)等關(guān)鍵技術(shù)，可為類似工程施工提供參考。

風(fēng)電；單樁基礎(chǔ)；過渡段；鋼管樁

0　引言

單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)具有材料省、造價(jià)低、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，在海上風(fēng)電場建設(shè)中被普遍采用，但由于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)頂部法蘭水平度的高精度要求，必須盡量控制在0.275%以內(nèi)，最大不得超過0.5%，因此一般采用帶過渡段的單樁基礎(chǔ)，利用過渡段來調(diào)整打樁帶來的偏差，過渡段與單樁之間通過高強(qiáng)灌漿料進(jìn)行連接，但這種施工方法增加了成本和工期，且易出現(xiàn)灌漿料連接部分發(fā)生微裂紋，導(dǎo)致過渡段滑移的質(zhì)量問題。

在國內(nèi)首個(gè)潮間帶風(fēng)電場項(xiàng)目——江蘇龍?jiān)慈鐤|150 MW海上風(fēng)電場一期示范工程中，首次進(jìn)行了無過渡段單樁基礎(chǔ)施工，通過不斷優(yōu)化工藝，實(shí)現(xiàn)了5.0 m直徑單樁基礎(chǔ)沉樁過程中有效導(dǎo)向和糾偏，保證基礎(chǔ)法蘭水平度誤差在0.5%以內(nèi)，形成了一套科學(xué)合理的無過渡段單樁基礎(chǔ)施工技術(shù)。

1　工程概況

該工程位于江蘇如東沿海的潮間帶上，泥面高程為-2.0～1.0m，平均高潮位時(shí)水深2～5 m，平均低潮位時(shí)露灘。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用無過渡段變直徑鋼管樁，如圖1所示，法蘭與樁焊接為一體，樁長為43～58 m，其中：上段4.5m直徑長3m，中間變徑段長8m，下段5.0 m直徑長32～47 m。樁頂標(biāo)高為+9.0 m，入土深度35～48m，鋼管樁壁厚為45～65 mm，總重量約為280～420 t。

圖1　無過渡段變直徑單樁基礎(chǔ)Fig.1 Monopile foundation w ithout changed diameter in transition

2　沉樁工藝選擇及流程

單樁基礎(chǔ)鋼管樁采用起重船吊大型液壓沖擊錘吊打施工[1]。由于基礎(chǔ)樁位處泥面較高，平均高潮位水深較小，且高潮歷時(shí)短，大部分時(shí)間低潮露灘，所以選擇專業(yè)坐底起重船低潮位坐灘打樁，高潮位移船駐位的工藝。為保證打樁操作安全及質(zhì)量控制，坐灘沉樁盡量安排在白天且退潮后露灘時(shí)間較長情況下進(jìn)行?；A(chǔ)施工流程如圖2。

圖2　施工工藝流程Fig.2 Technological process for construction

3　關(guān)鍵船舶設(shè)備選擇與設(shè)計(jì)

3.1起重船

在潮間帶進(jìn)行無過渡段單樁基礎(chǔ)鋼管樁施工，起重船必須具備坐灘功能，吃水盡可能小，保證在高潮位時(shí)有足夠的時(shí)間移船駐位，要對起重船吊機(jī)的吊重、吊高和作業(yè)半徑等起重性能進(jìn)行復(fù)核，最好是雙主鉤。在考慮起重船吊高時(shí)，要保證吊機(jī)能將液壓沖擊錘套入鋼管樁頂，見圖3。

圖3　起重船吊液壓沖擊錘示意圖Fig.3 Schematic diagram of hydraulic im pacthammer hoisted by a floating crane

起重船起吊高度可以按如下公式計(jì)算：

式中：H為起重船在抱樁器處甲板面以上起吊高度，m；L為樁長，m；h0為液壓沖擊錘高度，m；h1為鋼管樁自沉后入泥深度，m；h2為吊錘時(shí)，錘套筒最下端到樁頂?shù)母叨?，一般?.0m；h3為錘的吊點(diǎn)中心到鉤頭的高度，一般取6.0m；h4為起重船型深，m；h5為由于起重船自重和沖刷，起重船坐灘后陷入泥面的深度，m。

3.2液壓打樁錘

風(fēng)電單樁基礎(chǔ)鋼管樁直徑和重量大、承載力要求高，必須選用大型液壓沖擊錘、柴油錘或振動(dòng)錘進(jìn)行施工，由于液壓沖擊錘具有打擊能量大、效率高、操作靈活簡單等優(yōu)點(diǎn)，一般選用大型液壓沖擊錘進(jìn)行施工。大型液壓沖擊錘目前世界上只荷蘭IHC公司和德國MENCK公司可以生產(chǎn)，最大液壓沖擊錘已達(dá)到3 500 kN·m，可以施打直徑7.0 m的鋼管樁。無過渡段單樁基礎(chǔ)鋼管樁施工為標(biāo)高控制，必須將鋼管樁打入到設(shè)計(jì)標(biāo)高，選擇合適的打樁錘是關(guān)鍵，可以采用海利公式、波動(dòng)方程理論等進(jìn)行計(jì)算[2-4]，并結(jié)合打樁經(jīng)驗(yàn)選擇打樁錘。本工程設(shè)計(jì)要求樁端進(jìn)入標(biāo)貫擊數(shù)60～64擊的粉砂層至少3 m，選用IHC公司S800型液壓沖擊錘（表1），通過波動(dòng)方程理論計(jì)算[5]，該錘使用90%打擊能量可以將鋼管樁打到設(shè)計(jì)標(biāo)高，最小貫入度為5.9mm/擊，鋼管樁的最大壓應(yīng)力為111.7 MPa，最大拉應(yīng)力為48.1 MPa，最大總錘擊數(shù)為3 558擊。

表1　 IHC公司S800型液壓沖擊錘主要參數(shù)Table 1 M ajor parametersof IHC S800 hydraulic im pact hammer

IHC公司S800型液壓沖擊錘配的錘帽直徑5 200 mm，最大可施工直徑5 100 mm的鋼管樁，而本工程華銳3 MW風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)樁頂法蘭直徑為4 500 mm，為保證錘帽和樁的同心度，在錘帽套筒內(nèi)加焊12塊導(dǎo)向筋板，如圖4所示，將錘帽和鋼管樁外壁間隙控制在7 mm以內(nèi)，避免打樁時(shí)產(chǎn)生偏擊，影響垂直度。

圖4　樁帽結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural diagram of pile capp ing

3.3導(dǎo)向及糾偏裝置

無過渡段單樁基礎(chǔ)鋼管樁采用吊打施工，為保證樁頂法蘭水平度不大于0.5%，在沉樁過程中需對鋼管樁進(jìn)行有效導(dǎo)向和垂直度調(diào)節(jié)，可在起重船甲板上設(shè)置2層抱樁器作為導(dǎo)向及糾偏裝置。抱樁器的垂直度調(diào)節(jié)能力可以把鋼管樁視為剛性短樁，在抱樁器最大水平力作用下，計(jì)算鋼管樁最大轉(zhuǎn)角位移，受力如圖4，計(jì)算公式為：

式中：β為深度h處基礎(chǔ)側(cè)面土的地基反力系數(shù)與基礎(chǔ)底地基反力系數(shù)之比，當(dāng)?shù)鼗脸蓪訒r(shí)，m值采用地面以下hm=2（d+1）深度范圍內(nèi)各土層的m加權(quán)平均值；ΣM為地面以上所有水平外力和偏心豎向力N對基礎(chǔ)底面重心總彎矩，H為水平力合力；d為在作用力平行方向的基礎(chǔ)直徑或邊長；W0為基礎(chǔ)底面的抵抗矩；bp為基礎(chǔ)的計(jì)算寬度；h為鋼管樁入土深度。

本工程導(dǎo)向及糾偏裝置如圖5所示，下層抱樁器設(shè)置在船甲板上，上層抱樁器距離甲板面12.5 m，2層抱樁器間距12 m。每層抱樁器帶2個(gè)可以張開和合攏的大臂，抱樁器的大臂上設(shè)置4個(gè)50 t千斤頂，千斤頂前端安裝滾輪。

圖5　導(dǎo)向及糾偏裝置Fig.5 Guiding and deviation-rectifying device

鋼管樁平面位置及垂直度粗調(diào)時(shí)通過抱樁器大臂張開或合攏來調(diào)節(jié)，精調(diào)時(shí)通過4個(gè)千斤頂來調(diào)節(jié)。通過計(jì)算：鋼管樁入泥7 m時(shí)，可以將垂直度偏差在0.96%的鋼管樁糾正，鋼管樁入泥10 m時(shí)，可以將垂直度偏差在0.27%的鋼管樁糾正，如果考慮打樁振動(dòng)對砂性土的影響，實(shí)際糾偏能力會(huì)更大。

4　操作要點(diǎn)

4.1船舶駐位

在潮間帶潮位滿足起重船和運(yùn)輸船吃水要求時(shí)，起重船根據(jù)船上配置的GPS打樁定位系統(tǒng)指示，在設(shè)計(jì)樁位處拋錨粗略定位，運(yùn)輸船在起重船駐位后靠泊至起重船。在退潮后起重船即將坐灘時(shí)，通過絞錨調(diào)整起重船位置，使抱樁器中心對準(zhǔn)設(shè)計(jì)樁位中心，保證起重船坐灘后樁位偏差在允許范圍內(nèi)。船舶定位應(yīng)遵循海水漲落潮規(guī)律，使船身與退潮水流方向一致，減少水流對船位的影響。起重船和運(yùn)輸船平行布置，同時(shí)調(diào)整運(yùn)輸船位置，保證起重船吊機(jī)旋轉(zhuǎn)中心與鋼管樁重心對齊。

4.2鋼管樁吊樁及立樁

在距離樁頂一定高度處焊接兩吊耳。吊耳采用圓形鋼管加橢圓蓋板的形式，可以保證鋼管樁在起吊過程中鋼絲繩沿圓形鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)且鋼絲繩不會(huì)滑出吊耳，保證起吊安全。在鋼管樁吊入抱樁器，吊樁鋼絲繩放松以后，通過預(yù)先系在鋼絲繩上的溜繩，起重船甲板上的工人將吊樁鋼絲繩拉出吊耳，實(shí)現(xiàn)吊樁鋼絲繩自動(dòng)脫鉤，避免人工高空作業(yè)。

吊樁時(shí)先將鋼管樁從運(yùn)輸駁船水平吊到泥灘上，放在起重船前方。起重船吊鉤轉(zhuǎn)到吊耳上方，當(dāng)扒桿與鋼管樁軸線基本垂直時(shí)，由800 t全回轉(zhuǎn)吊機(jī)的2個(gè)鉤頭吊起鋼管樁上端的2個(gè)吊耳。兩鉤同時(shí)緩慢起升，樁頂逐漸被吊離灘面，吊機(jī)慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)扒桿，使鋼管樁逐漸處于豎直狀態(tài)，直到鋼管樁完全被吊離灘面立直。最后將樁送入抱樁器，插樁穩(wěn)定后解除吊索具。

4.3自沉、壓錘及錘擊沉樁

吊機(jī)將鋼管樁吊入抱樁器后，調(diào)節(jié)抱樁器千斤頂?shù)那岸藵L輪與鋼管樁外壁間隙1～2 cm；吊機(jī)鉤頭緩慢下降使鋼管樁入泥30～50 cm，調(diào)整樁頂法蘭水平度到0.2%以內(nèi)，抱樁器千斤頂前端滾輪將鋼管樁頂緊，此時(shí)，上、下層抱樁器的8個(gè)千斤頂前端滾輪已將鋼管樁在平面4個(gè)方向上完全限位；最后起重船吊機(jī)緩慢松鉤，鋼管樁開始自沉入泥。鋼管樁自沉入泥過程中，根據(jù)樁頂傾角傳感器的指示，及時(shí)用抱樁器千斤頂調(diào)節(jié)樁頂法蘭水平度。

鋼管樁自沉入泥穩(wěn)定后，將樁頂傾角傳感器拆除。起重船吊機(jī)吊液壓沖擊錘套入鋼管樁，開始壓錘，每入泥10 cm用經(jīng)緯儀觀測1次垂直度，如有變化，則通過千斤頂進(jìn)行調(diào)整。

壓錘穩(wěn)樁后，開始錘擊沉樁，初始錘擊時(shí)采用小能量輕擊，每入泥10 cm觀測1次垂直度，如有變化，則通過千斤頂進(jìn)行糾偏；在鋼管樁入泥達(dá)到一定深度后，如果每打擊一錘垂直度變化不大，則逐漸加大能量，每貫入50 cm觀測1次垂直度，直至將鋼管樁打到設(shè)計(jì)標(biāo)高，并在吊耳接近抱樁器1.0 m左右時(shí)將抱樁器打開。鋼管樁沉樁施工應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，不宜中途停頓，以免鋼管樁周圍的土壤恢復(fù)而增加沉樁阻力。沉樁完成后應(yīng)及時(shí)測定樁頂標(biāo)高和樁身垂直度，并做好記錄。

4.4鋼管樁垂直度測量及控制

為了滿足無過渡段單樁基礎(chǔ)樁頂法蘭水平度高精度要求，鋼管樁施工采用高靈敏度的傾角傳感器和經(jīng)緯儀直角交匯相結(jié)合的方法進(jìn)行測量。鋼管樁出廠前，在樁身準(zhǔn)確劃出縱向軸線，沿樁身軸線每隔5 m貼1道20 cm長的橫向標(biāo)尺，標(biāo)尺量程刻度為-10～+10 cm，最小精度為5mm，標(biāo)尺“0”對齊樁身軸線。鋼管樁在起吊前，在鋼樁法蘭頂面安裝高靈敏度的傾角傳感器。

在鋼管樁吊入抱樁器完成自沉入泥過程中，由傾角傳感器測量法蘭水平度，根據(jù)測量結(jié)果調(diào)整鋼管樁的垂直度。鋼管樁自沉入泥完畢后，由2臺經(jīng)緯儀采用直角交匯觀測鋼管樁的垂直度，記錄傾角傳感器偏差數(shù)值及每個(gè)刻度條原始數(shù)值，吊液壓打樁錘前拆除傾角傳感器，壓錘及錘擊沉樁過程中，經(jīng)緯儀觀測標(biāo)尺的讀數(shù)與初始讀數(shù)比較，計(jì)算鋼管樁的垂直度偏差，指導(dǎo)調(diào)節(jié)垂直度。

5　實(shí)施效果

本工程17臺無過渡段風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)，平均2個(gè)有效工作日完成1臺基礎(chǔ)，第1天初步拋錨定位，第2天潮水合適時(shí)完成精確定位，船舶坐灘后開始進(jìn)行吊樁，一般船舶移船駐位需要2～3 h，吊樁、立樁、錘擊過程大約需6 h，施工速度較快；施工質(zhì)量良好，17臺基礎(chǔ)平面位置和頂標(biāo)高均滿足設(shè)計(jì)要求，停錘時(shí)貫入度符合要求；樁頂法蘭水平度只有3根樁超過0.275%，但在0.5%范圍以內(nèi)，需要通過底節(jié)塔筒來調(diào)節(jié)。各基礎(chǔ)實(shí)測數(shù)據(jù)見表2。

表2　基礎(chǔ)實(shí)測數(shù)據(jù)Table2 M easured data ofmonopile foundation

6　結(jié)語

通過江蘇如東首個(gè)潮間帶風(fēng)電場項(xiàng)目的順利實(shí)施，證實(shí)了海上風(fēng)電場采用無過渡段單樁基礎(chǔ)是可行的，將開辟我國海上風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)的新篇章，并將國內(nèi)施打大直徑管樁的能力提升一個(gè)臺階，達(dá)到國內(nèi)外同行業(yè)先進(jìn)水平。隨著我國海上風(fēng)電逐漸向近海發(fā)展，將面臨自然環(huán)境更惡劣，施工條件更差，施工難度更大等問題，需要大膽創(chuàng)新，不斷優(yōu)化施工工藝，提高施工技術(shù)水平，為海洋新能源開發(fā)做出貢獻(xiàn)。

[1]《樁基工程手冊》編寫委員會(huì).樁基工程手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995. Pile foundation engineering handbook Writing Committee.Pile foundation engineeringhandbook[M].Beijing:China Building Industry Press,1995.

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[5]董偉.打樁分析軟件[D].天津：天津大學(xué)，2006. DONGWei.Software for pile driving analysis[D].Tianjin:Tianjin University,2006.

Key technologies for construction ofmonopile foundation w ithout transition in w ind farm in intertidal zone

CHENQiang,LIU Feng-song,XIAO Ji-sheng
（Tianjin Port&Channel Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300457,China）

The pilotworks for the firstphase ofRudong 150MW offshorewind farm was the firstdomestic wind farm project in the intertidal zone,and themonopile foundation without transition wasused in this projectas the wind turbine foundation for the first time.By the summary ofexperience in the implementation of the project,key technologies formonopile foundation without transition in the intertidal zone such as the construction technology,selection of shipsand hammers,measurement and controlof pile verticality,and the key points of construction and operation were introduced,which will provide a valuable reference for similar projects.

wind power;monopile foundation;transition;steel tube pile

U655.544

B

2095-7874（2016）06-0056-04

10.7640/zggw js201606014

2016-03-16

陳強(qiáng)（1979—），男，湖北武漢市人，碩士，工程師，港口與航道工程專業(yè)。E-mail：tjgh_ksb@126.com