超大直徑鋼管樁近海施工關(guān)鍵技術(shù)

張躍輝

（中交第三航務(wù)工程局江蘇分公司，江蘇 連云港 222042）

超大直徑鋼管樁近海施工關(guān)鍵技術(shù)

張躍輝

（中交第三航務(wù)工程局江蘇分公司，江蘇 連云港 222042）

近年海上風(fēng)電工程在國(guó)內(nèi)沿海得到大規(guī)模建設(shè)，作為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要承載力的樁基，普遍采用螺旋焊縫超大直徑鋼管樁。超大直徑鋼管樁沉樁施工對(duì)海上沉樁打樁錘及替打的選擇、沉樁穩(wěn)樁定位方式比常規(guī)沉樁工藝提出更高的要求。文章結(jié)合江蘇響水海上風(fēng)電工程鋼管樁打樁施工情況，闡述超大直徑鋼管樁施工主要關(guān)鍵技術(shù)，包括沉樁打樁設(shè)備選擇、工藝流程和技術(shù)措施及經(jīng)驗(yàn)等。工程施工效果良好，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，可在大型海上風(fēng)電工程、測(cè)風(fēng)塔工程和港口工程中推廣使用。

近海；風(fēng)電；超大直徑；鋼管樁；關(guān)鍵技術(shù)

近幾年我國(guó)建設(shè)的風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目大多處于近海海域，水文、氣象和地質(zhì)等環(huán)境復(fù)雜多變，這給海上風(fēng)電場(chǎng)施工帶來諸多難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)[1]。海上風(fēng)電基礎(chǔ)主要有單樁基礎(chǔ)、多樁承臺(tái)基礎(chǔ)和重力式基礎(chǔ)，單樁基礎(chǔ)主要為超長(zhǎng)超大直徑的鋼管樁[2]。本文以江蘇響水近海風(fēng)電場(chǎng)為例，以單樁鋼管樁施工為背景，介紹了超長(zhǎng)超大直徑鋼管樁的設(shè)計(jì)與制作、打樁船系統(tǒng)的組成、穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)、鋼管樁沉樁工藝等，對(duì)沉樁打樁錘的選擇、沉樁精度的控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較深入的分析。

1 工程概況

江蘇響水近海風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目位于響水縣外側(cè)海域，風(fēng)電場(chǎng)涉海面積34.7 km2，場(chǎng)區(qū)水深8～12 m。

地質(zhì)以砂土及淤泥質(zhì)土為主，粉土、粉砂及黏性土交互。樁持力層為⑧-2層粉細(xì)砂：灰色，飽和，密實(shí)，偶見貝殼碎屑。標(biāo)貫實(shí)測(cè)錘擊數(shù)為32～65擊，平均值47.2擊。

項(xiàng)目16臺(tái)風(fēng)機(jī)采用單樁鋼管樁基礎(chǔ)，鋼管樁采用下粗上細(xì)的變徑開口樁，主要參數(shù)見表1。

2 單樁施工特點(diǎn)和難點(diǎn)分析

2.1 單樁施工特點(diǎn)

1）單樁樁長(zhǎng)64～76 m，重520～620 t，全為超長(zhǎng)、超重大直徑直樁。

2）施工水域遠(yuǎn)離陸地，自然條件差，施工難度大，且要求樁身垂直度（樁頂法蘭面水平度）偏差≤0.3%，較港內(nèi)沉樁要求更高。

3）吊樁采用2艘起重船抬吊施工，施工中需要合理布置錨位。

4）分析地質(zhì)條件將單樁沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高需選擇大能量（600 kJ左右）的液壓錘，經(jīng)沉樁可行性分析，選擇S800液壓錘。

2.2 工程難點(diǎn)

1）本工程樁型適中，制樁對(duì)樁中線和樁頂平整度要求高。

2）考慮地質(zhì)條件的前提下，將近6 m直徑工程樁沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高需選擇大功率沖擊錘（500 kJ左右），因此沉樁作業(yè)重點(diǎn)在于選擇合適的錘型。

3）高強(qiáng)度的沉樁錘擊，易損壞樁頂法蘭。

4）部分樁基位置由于存在粉質(zhì)黏土夾粉土層，沉樁時(shí)有可能會(huì)產(chǎn)生溜樁

5）本工程的最主要難點(diǎn)在于工程樁的精度控制，要求沉樁完成后的基礎(chǔ)頂法蘭面水平度（樁軸線傾斜度）偏差≤0.3%；當(dāng)水平度偏差大于0.3%時(shí)，施工方應(yīng)聯(lián)系設(shè)計(jì)單位，協(xié)商解決方案。

2.3 針對(duì)工程難點(diǎn)制定應(yīng)對(duì)措施

1）經(jīng)沉樁可行性理論分析，選擇S800或S1800液壓錘可將工程樁沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

2）通過保護(hù)工裝法蘭的運(yùn)用，使單樁頂法蘭面上的應(yīng)力水平大大降低，保護(hù)單樁頂法蘭。

3）通過精確的GPS定位技術(shù)保證單樁的絕對(duì)位置和高程偏差在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)；采用2層鋼桁架作為定向?qū)蚣軄砜刂茊螛冻翗兜拇怪倍?，通過自重入土、壓錘入土、輕擊至可調(diào)土層3個(gè)階段的不斷調(diào)整確保單樁質(zhì)量指標(biāo)。

3 海上沉樁工藝流程與沉樁系統(tǒng)

3.1 海上沉樁工藝流程

根據(jù)工程的施工環(huán)境與技術(shù)要求制訂了鋼管樁吊打的施工工藝[3]，具體施工工藝見圖1。

3.2 海上沉樁定位平臺(tái)

為確保大直徑鋼管樁沉樁工作的順利進(jìn)行，需搭設(shè)單樁定位平臺(tái)（見圖2所示）。在平臺(tái)上留出樁位孔，利用平臺(tái)支架體系控制樁位偏差及樁身垂直度[4]。輔助平臺(tái)由4根輔助樁、平臺(tái)主體及平臺(tái)與樁的連接系統(tǒng)組成。輔助平臺(tái)設(shè)計(jì)尺寸17 m×15 m×6 m，上下2層桁架鋼結(jié)構(gòu)，總重約120 t，見圖2。定位平臺(tái)上設(shè)置1套由數(shù)個(gè)50 t千斤頂組成的頂撐系統(tǒng)，以調(diào)整大直徑鋼管樁的垂直度。定位平臺(tái)的安裝位置決定了以后鋼樁沉樁的樁位，故必須嚴(yán)格控制穩(wěn)樁平臺(tái)定位的準(zhǔn)確度，特別要控制下樁龍口的定位精度。

3.3 船機(jī)選擇

本項(xiàng)目中單樁長(zhǎng)度最大為76 m，按最不利低潮位-2 m考慮起重船吊鉤吊高，吊鉤離水面吊高最少需滿足平臺(tái)高度、吊鉤和鋼絲繩長(zhǎng)度和樁底安全距離要求，主吊船選用吊高超過90 m的1 500 t全回轉(zhuǎn)起重船，單樁起吊立樁時(shí)增加1艘500 t起重船輔助抬吊立樁。

3.4 打樁錘選擇

合理選擇打樁錘是沉樁施工成敗的關(guān)鍵，樁錘的選擇主要考慮以下兩點(diǎn)：1）樁的類型（是斜樁或是直樁）、樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（牽涉到樁的材質(zhì)——混凝土管樁或鋼管樁等）、樁的長(zhǎng)度、樁群密集程度及排布方式；2）沉樁區(qū)域的地質(zhì)條件、土體的密實(shí)程度（通常以標(biāo)貫擊數(shù)為指標(biāo)）不同所需樁錘的沖擊能量相差很大，從某種意義上來說，沉樁區(qū)域的地質(zhì)條件為沉樁錘擊設(shè)備選取的決定性因素[5]。

選擇夾砂層較厚達(dá)30 m的2座典型機(jī)位進(jìn)行沉樁可打性分析，結(jié)果如表2所示。

因此，本項(xiàng)目選用S800液壓錘進(jìn)行單樁施工，可順利將工程樁沉至預(yù)定標(biāo)高，但錘擊數(shù)偏高，擬采用樁底焊接破土環(huán)等措施減少錘擊數(shù)。

3.5 樁頂法蘭保護(hù)

IHC-S800液壓錘沉樁錘擊數(shù)偏高，必須采取措施對(duì)塔筒法蘭進(jìn)行保護(hù)，防止錘擊變形。施工時(shí)在樁頂增加了工裝替打法蘭，見圖3。通過保護(hù)工裝法蘭的運(yùn)用，使單樁頂法蘭面上的應(yīng)力水平大大降低，不會(huì)對(duì)法蘭面的平整度產(chǎn)生破壞，不會(huì)對(duì)法蘭的棱角產(chǎn)生塌角破壞，且在需要振動(dòng)錘振拔糾偏時(shí)，也能夠安全的保護(hù)單樁頂法蘭。

3.6 防溜樁措施

在單樁自重作用下，單樁下沉至泥面以下一定深度后停止下沉，但部分樁基位置由于存在粉質(zhì)黏土夾粉土層，沉樁時(shí)有可能會(huì)產(chǎn)生溜樁[6]。

為了防止單樁溜樁對(duì)穩(wěn)樁平臺(tái)龍口的破壞，杜絕船機(jī)、人員安全事故的發(fā)生，制定了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施：

1）單樁在自重入土穩(wěn)樁后，用起重船起吊S800錘及其錘底座進(jìn)行壓樁；

2）做好現(xiàn)場(chǎng)沉樁資料與地質(zhì)資料的分析，在單樁距離粉質(zhì)黏土夾粉土層1 m時(shí)，減少液壓錘錘擊能量和錘擊頻率；

3）根據(jù)碼頭沉樁施工經(jīng)驗(yàn)，可采取隔天復(fù)打，以檢驗(yàn)樁周土對(duì)樁基握裹的時(shí)效效應(yīng)；

4）液壓錘上鋼絲繩采取長(zhǎng)繩扣掛錘，以避免單樁突然溜樁下沉，將液壓錘帶下的情況發(fā)生。

4 沉樁施工過程控制措施

沉樁施工過程控制主要分為6個(gè)階段，分別為入龍口階段、自重下沉控制階段、開錘前垂直度確認(rèn)階段、正常沉樁垂直度可調(diào)階段、連續(xù)沉樁階段、樁頂標(biāo)高控制階段。

4.1 入龍口階段

樁入平臺(tái)口千斤頂頂?shù)轿缓?，采?20激光數(shù)顯水平尺靠在樁壁，調(diào)整樁的垂直度。樁垂直度滿足要求后開始下樁，至樁入泥1 m時(shí)千斤頂固定帶緊。

4.2 自重下沉控制階段

樁尖入泥后，在樁邊的延長(zhǎng)線上架設(shè)全站儀，2臺(tái)全站儀90°布設(shè)，全站儀架設(shè)在固定在平臺(tái)的支架上，固定時(shí)頂部用水平尺找平。在下沉階段每下沉1 m觀測(cè)1次，超過要求及時(shí)調(diào)整，觀測(cè)方法為儀器對(duì)準(zhǔn)底部的樁邊為0方向，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)分別觀測(cè)樁頂?shù)慕嵌龋俄攦蛇叄土硪粋?cè)的底部樁邊，根據(jù)實(shí)測(cè)角度和樁的高度計(jì)算樁的垂直度。為了更好的控制樁的垂直度，消除制樁過程中的誤差，2臺(tái)全站儀分別架設(shè)在樁的另外兩個(gè)方向，實(shí)測(cè)樁身垂直度。

4.3 開錘前垂直度確認(rèn)階段

液壓錘套錘階段需全程跟蹤觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)立即停止套錘并調(diào)整樁身垂直度。

4.4 連續(xù)沉樁垂直度可調(diào)階段

在保證單樁垂直度的情況下，開動(dòng)液壓錘，先以小能量液壓錘擊沉樁，點(diǎn)動(dòng)2～3錘，暫停一段時(shí)間，無異常后繼續(xù)點(diǎn)動(dòng)2～3錘，再次暫停一段時(shí)間，如此3～4次，并安排測(cè)量觀測(cè)樁身數(shù)據(jù)，調(diào)整樁身姿態(tài)；

完成樁身調(diào)整后觀測(cè)15 min，無變化后繼續(xù)沉樁，每隔1～2 m觀測(cè)、調(diào)整1次，當(dāng)樁繼續(xù)入土10 m時(shí)，改為每隔3～4 m觀測(cè)、調(diào)整1次，當(dāng)樁繼續(xù)入土10 m時(shí)，此時(shí)樁入土深度約30 m，調(diào)整措施已經(jīng)無法起到調(diào)整作用，改為正常液壓沉樁。

4.5 連續(xù)沉樁階段

在割除主吊耳時(shí)，繼續(xù)觀測(cè)垂直度。

4.6 樁頂標(biāo)高控制階段

沉樁前在上平臺(tái)龍口邊緣處用GPS測(cè)出頂面高程，把高程引測(cè)到下平臺(tái)龍口邊緣處，按樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高計(jì)算樁頂?shù)较缕脚_(tái)的高差，并在樁身上做好停錘標(biāo)記線，待停錘讀數(shù)和平臺(tái)高程一致時(shí)停錘。

5 結(jié)語(yǔ)

響水近海風(fēng)電項(xiàng)目，針對(duì)項(xiàng)目地質(zhì)實(shí)際情況和施工工期緊的特點(diǎn)，采用鋼管樁基礎(chǔ)，螺旋焊管工廠化程度高，制作速度快，質(zhì)量有保證。經(jīng)過最多7 000次的連續(xù)錘擊，沒有出現(xiàn)焊縫開裂、變形和樁尖卷口等問題，樁頂達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，樁身垂直度均小于0.3%要求。通過該項(xiàng)目的施工實(shí)踐，說明設(shè)計(jì)選擇的超長(zhǎng)超大直徑的管樁施工進(jìn)度快，質(zhì)量好，證明這一選擇是正確的。

在浪高、流急、地質(zhì)條件復(fù)雜的條件下沉大直徑超長(zhǎng)鋼管樁，沉樁設(shè)備是關(guān)鍵。為沉樁選擇合適的打樁船和打樁錘對(duì)順利沉樁起了關(guān)鍵性的作用。

采用穩(wěn)樁控制平臺(tái)對(duì)鋼管樁定位，具有精度高，速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度低的特點(diǎn)，成功地解決了海上沉樁垂直度和法蘭精度控制標(biāo)準(zhǔn)高的問題。因此，該項(xiàng)目沉樁工程的順利完成為以后海上超長(zhǎng)大直徑鋼管樁沉樁施工奠定了基礎(chǔ)。

[1]黃增財(cái)，彭立志，吳健.海上超長(zhǎng)大直徑鋼管樁基礎(chǔ)施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2005（S1）：164-167. HUANGZeng-cai,PENGLi-zhi,WUJian.Constructiontechnologies for marine construction of foundations of ultra-long large diameter steel pipe piles[J].Construction Technology,2005(S1):164-167.

[2]王永東，楊勝龍.全旋轉(zhuǎn)打樁船“海力801”超長(zhǎng)超重鋼管樁沉樁技術(shù)[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2011（2）：42-46，75. WANG Yong-dong,YANG Sheng-long.Technology for sinking the ultra-long-weight steel pipe piles of"HaiLi 801"whole rotating piping ship[J].China Harbour Engineering,2011(2):42-46,75.

[3]蔡基農(nóng)，劉煒，陸妙龍，等.大直徑鋼管樁吊打工藝沉樁技術(shù)運(yùn)用[J].港口科技，2007（11）：13-17. CAI Ji-nong,LIU Wei,LU Miao-long,et al.The application of the technology for driving tubular steel piles with major diameter by hangingandhammering[J].Science&Technology of Ports,2007(11): 13-17.

[4]張連江，孫建波，徐波.移動(dòng)導(dǎo)向架高精度沉樁技術(shù)在外海橋梁工程中的應(yīng)用[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2015，35（6）：46-50. ZHANG Lian-jiang,SUN Jian-bo,XU Bo.Application of moving guide frame method for high precision pile-sinking in offshore bridge engineering[J].China Harbour Engineering,2015,35(6): 46-50.

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[6] 范期錦.多臺(tái)大型液壓振動(dòng)錘聯(lián)動(dòng)工作的同步性問題[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2003（2）：1-4，25. FAN Qi-jin.Synchronization of large hydraulic vibrators when working together[J].China Harbour Engineering,2003(2):1-4,25.

Key technologies for offshore construction of super large diameter steel pipe piles

ZHANG Yue-hui
（Jiangsu Branch of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Lianyungang,Jiangsu 222042,China）

In recent years,offshore wind power projects in China's coastal areas have been large-scale construction.As the foundation of the main bearing capacity,the pile foundation generally used in large diameter spiral welded steel pipe pile.The construction of super large diameter steel pipe pile driving puts forward higher requirements for the selection of piling hammer and replacement,the positioning method of stabilizing pile compare to the conventional pile driving technology.Combined with the steel pipe pile driving construction of Jiangsu Xiangshui offshore wind engineering,we introduced the key technology of the construction of large diameter steel pipe piles,including piling equipment,technological process and technical measures,and introduced some experiences on piling of offshore super large diameter steel pipe pile.The construction has good effect,meet the requirements of design and specification,can be applied for large-scale offshore wind power projects,wind tower engineering and port engineering.

offshore;wind power;super large diameter;steel pipe pile;key technology

U655.55

B

2095-7874（2017）03-0057-04

10.7640/zggwjs201703012

2016-09-28

2016-12-20

張躍輝（1962— ），男，江蘇連云港人，高級(jí)工程師，副總工程師，主要從事港口、海岸及近海風(fēng)電工程施工研究。E-mail：2428009845@qq.com