海上風(fēng)電超大型單樁沉設(shè)垂直度控制

鄒天城，劉星

0 引言

近幾年，國(guó)內(nèi)海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了快速發(fā)展，單機(jī)容量在逐步的擴(kuò)大，重力式、導(dǎo)管架、單樁等風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式也有了較成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但風(fēng)電場(chǎng)主要建設(shè)在潮間帶區(qū)域，沒(méi)有在外海真正的實(shí)施，尤其是采用無(wú)過(guò)渡段的單樁基礎(chǔ)形式，更對(duì)鋼管樁的沉設(shè)提出了高要求，樁頂法蘭水平度要求在0.3%以內(nèi)。因此除了沉樁船機(jī)設(shè)備的要求外，對(duì)垂直度的嚴(yán)格控制也不言而喻，下面以工程實(shí)例說(shuō)明海上風(fēng)電超大型單樁沉設(shè)垂直度的控制措施。

1 工程概述

本工程風(fēng)機(jī)布置區(qū)域的海底高程在-3.7耀-15.3 m（85高程基準(zhǔn)面）之間。總裝機(jī)容量為152 MW，共布置了38臺(tái)單機(jī)容量為4.0 MW的西門(mén)子風(fēng)機(jī)，海上配套1座110 kV升壓站，基礎(chǔ)形式均為無(wú)過(guò)渡段的法蘭式單樁基礎(chǔ)[1]。

單樁基礎(chǔ)為變截面鋼管樁，樁頂直徑均為5.5 m，通過(guò)變截面過(guò)渡到6耀6.5 m。鋼管樁最大直徑6.5 m、最大重量950 t、最大樁長(zhǎng)93 m。沉樁以標(biāo)高控制為主，樁頂標(biāo)高均為+14 m，沉設(shè)完成后安裝集成式附屬構(gòu)件，基礎(chǔ)防沖刷保護(hù)采用砂被鋪設(shè)形式。

本工程沉樁采用“導(dǎo)管架穩(wěn)樁平臺(tái)穩(wěn)樁，起重船吊打沉樁”的施工工藝，即4根工藝樁支撐導(dǎo)管架形成穩(wěn)樁定位平臺(tái)，超大型鋼管樁植樁后（見(jiàn)圖1）再通過(guò)起重船吊IHCS1800液壓錘進(jìn)行錘擊沉樁。

2 垂直度控制難點(diǎn)

如此大型的鋼管樁，首先是沉樁過(guò)程中樁體垂直度的監(jiān)測(cè)，然后輔以控制措施使垂直度滿足要求。以下根據(jù)工程特點(diǎn)及采用的導(dǎo)管架穩(wěn)樁平臺(tái)工藝，探討垂直度控制的難點(diǎn)。

圖1 吊樁、穩(wěn)樁Fig.1 Hanging pile,stabilizing pile

2.1 垂直度測(cè)量監(jiān)測(cè)難點(diǎn)

1）風(fēng)電場(chǎng)地處無(wú)遮蔽外海海域，無(wú)測(cè)量平臺(tái)，且風(fēng)機(jī)之間間距約1 000 m，若搭設(shè)固定的測(cè)量平臺(tái)，現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)無(wú)法涵蓋本工程39根單樁的垂直度測(cè)量控制；如按照機(jī)位搭設(shè)測(cè)量平臺(tái)，投入的成本較大，且建設(shè)工期長(zhǎng)。

2）本工程利用導(dǎo)管架平臺(tái)吊打鋼管樁的工藝，在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用，無(wú)配套的測(cè)量方案可借鑒。

3）沉樁時(shí)采用起重船吊打，起重船受風(fēng)浪的影響晃動(dòng)較大，不宜架設(shè)測(cè)量?jī)x器觀測(cè)。

4）鋼管樁樁徑大，長(zhǎng)度長(zhǎng)，并存在變截面，整體監(jiān)測(cè)較困難[2-3]。

5）市場(chǎng)上能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)垂直度的儀器掃描過(guò)程較長(zhǎng)，此類儀器及其配套軟件在制樁過(guò)程中已應(yīng)用，但面對(duì)外海的工況條件，其穩(wěn)定性要求太高，且實(shí)時(shí)反映數(shù)據(jù)能力較差。

2.2 垂直度控制難點(diǎn)

1）鋼管樁按照設(shè)計(jì)要求制作，垂直度存在著一定的偏差。

2）植樁過(guò)程中，在風(fēng)浪流的影響下，起重船產(chǎn)生晃動(dòng)，吊鉤與樁體的垂直度控制困難。

3）吊打過(guò)程中，由于浪涌、地質(zhì)、錘擊等多方面的影響，鋼管樁的垂直度會(huì)產(chǎn)生偏差。

3 垂直度監(jiān)測(cè)技術(shù)比選

3.1 監(jiān)測(cè)方法

1）全站儀觀測(cè)法

在導(dǎo)管架定位平臺(tái)的邊緣，正交方向架設(shè)2臺(tái)全站儀，即2條觀測(cè)視線分別與起重船吊臂軸線方向垂直和平行，并通過(guò)樁切邊（如圖2所示）。

通過(guò)全站儀觀測(cè)樁身切邊上2個(gè)不同高度（高差20 m以上，降低整體控制誤差）的水平投影差與高差計(jì)算該方向的樁身垂直度。

圖2 全站儀觀測(cè)示意圖Fig.2 Observation sketch of total station

2）激光垂準(zhǔn)儀觀測(cè)法

預(yù)先在樁上安裝激光垂準(zhǔn)儀托架和接收靶，同樣是在樁的兩個(gè)軸線方向，在整平的情況下，通過(guò)發(fā)射激光束來(lái)測(cè)量樁身的垂直度，見(jiàn)圖3。

圖3 激光垂準(zhǔn)儀觀測(cè)示意圖Fig.3 Observation sketch of laser verticality machine

3）鋼絲垂吊法

在鋼管樁變截面以下，避開(kāi)起吊因素的影響，在樁身的兩個(gè)正交軸線方向各懸掛1根4 mm的細(xì)鋼絲，下吊50 kg的重物，觀測(cè)高度在30~50 m。要求鋼絲提前穿過(guò)懸掛鋼板并臨時(shí)綁定，待測(cè)垂直度前在鋼絲上綁好重物及另一端固定到平臺(tái)的卷?yè)P(yáng)機(jī)上（如圖4所示）。

鋼絲在重力的作用下成豎直向下的鉛垂線，通過(guò)樁身與鋼絲的距離比較，計(jì)算出樁的垂直度。

4）水平尺觀測(cè)法

圖4 鋼絲垂吊法觀測(cè)示意圖Fig.4 Observation sketch of steel wire hanging method

采用數(shù)字高精度數(shù)顯水平尺（長(zhǎng)度1.2 m，垂直精度為1/1 145）貼在樁身上，可及時(shí)顯示數(shù)據(jù)反映局部樁身的垂直度情況。

5）激光掃平儀觀測(cè)法

采用激光掃平儀直接測(cè)量鋼管樁頂部法蘭的水平度，掃描結(jié)果可精確反映鋼管樁水平偏差。

3.2 監(jiān)測(cè)方法的缺點(diǎn)

1）平臺(tái)空間狹小，易晃動(dòng)，全站儀需在平臺(tái)較穩(wěn)定的時(shí)候觀測(cè)。

2）平臺(tái)晃動(dòng)會(huì)影響激光垂準(zhǔn)儀精度，一般用于樁身垂直度調(diào)整到位后校對(duì)。

3）垂線法易受錘擊和風(fēng)力等因素影響，精度受人為估算影響較大。

4）水平尺較短，制樁橢圓度對(duì)實(shí)測(cè)精度影響較大，適合對(duì)局部性測(cè)量，則用于下樁前快速檢測(cè)和最終的垂直度測(cè)定。

5）液壓錘上不能配套安裝激光掃平儀，需提起液壓錘方能測(cè)量樁頂法蘭水平度，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，作業(yè)時(shí)間也較長(zhǎng)。

3.3 確定監(jiān)測(cè)方法

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作性，以及幾種垂直度監(jiān)測(cè)方法的特點(diǎn)和局限性，其中激光垂準(zhǔn)儀觀測(cè)法、鋼絲垂吊法均需預(yù)先在鋼管樁上安裝輔助設(shè)施，受樁體晃動(dòng)影響測(cè)量偏差大且實(shí)時(shí)性不高。從施工工藝、風(fēng)浪影響、實(shí)時(shí)性操作等角度考慮，最終采用“高精度數(shù)顯水平尺進(jìn)行粗調(diào)，全站儀進(jìn)行精調(diào)”的監(jiān)測(cè)技術(shù)，以及為消除制樁及錘擊時(shí)產(chǎn)生的偏差，開(kāi)錘前監(jiān)測(cè)垂直度要求在0.1%以內(nèi)，主要措施如下：

1）鋼管樁入泥前，采用2把高精度數(shù)顯水平尺（精度0.5 mm）測(cè)量樁身正交兩個(gè)軸線的垂直度，也可測(cè)量多個(gè)不同側(cè)面進(jìn)行比對(duì)；在入泥過(guò)程中實(shí)時(shí)反映測(cè)量數(shù)據(jù)，確保垂直度控制在0.1%以內(nèi)。

2）鋼管樁入泥后，采用2臺(tái)90毅方向布置的全站儀觀測(cè)樁身切邊傾斜度，并計(jì)算垂直度，在樁身垂直度臆0.1%條件下插樁；沉樁過(guò)程中按上述方法全程監(jiān)測(cè)。

4 垂直度控制措施

1）樁體質(zhì)量保障措施

鋼管樁制作過(guò)程中需嚴(yán)格控制樁體同軸度，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行驗(yàn)樁；運(yùn)輸工藝要保障樁體不受損傷、彎曲等。

2）起重船控制措施

起重船吊樁為雙鉤起吊，在入泥前首先調(diào)整吊鉤與樁身在同一條鉛垂線上，然后通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平衡2個(gè)吊鉤的受力，或者通過(guò)錨機(jī)稍作絞纜移船，在導(dǎo)管架定位平臺(tái)的輔助下保證樁身軸線的垂直度在0.1%以內(nèi)。

3）導(dǎo)管架定位平臺(tái)調(diào)整裝置

導(dǎo)管架定位平臺(tái)上設(shè)置可伸縮的調(diào)整裝置，以千斤頂受力；導(dǎo)管架上下兩層千斤頂朝樁心呈環(huán)狀均列布置，頂推箱梁的前端通過(guò)帶橡膠保護(hù)的滾輪與樁體接觸（千斤頂分2層，每層7個(gè)）。

在鋼管樁沉樁過(guò)程中，導(dǎo)管架定位平臺(tái)調(diào)整裝置是主要的控制措施，在鋼管樁穩(wěn)樁、插樁到自沉結(jié)束的過(guò)程中，均要求保證垂直度在0.1%以內(nèi)；在錘擊的過(guò)程中，樁尖未到設(shè)計(jì)承載土層前，尤其是淤泥質(zhì)、粉質(zhì)黏土等土體力學(xué)性質(zhì)較差土層，一定要加大觀測(cè)頻率，若發(fā)現(xiàn)偏差，及時(shí)調(diào)節(jié)千斤頂，邊打邊糾。

5 實(shí)踐情況

通過(guò)所述的沉樁垂直度控制措施，本工程39根超大型鋼管樁順利沉設(shè)完成，施工過(guò)程中垂直度可控，樁頂法蘭水平度驗(yàn)收后全部在0.3%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求[4-6]。

6 注意事項(xiàng)及優(yōu)化

垂直度測(cè)量控制方法適用于穩(wěn)樁平臺(tái)吊打鋼管樁施工工藝，在觀測(cè)平臺(tái)較穩(wěn)定的工況下也基本適應(yīng)，在垂直度控制中部分事項(xiàng)應(yīng)引起重視。

1）由于全站儀、數(shù)顯水平尺等都屬于高精度、敏感性高的儀器，故需做好保護(hù)，平時(shí)做好鑒定及校核工作。如在錘擊沉樁時(shí)，儀器均需拆下放好，做好防震措施；水平尺在潮濕的環(huán)境中易損壞，應(yīng)做好防護(hù)工作，宜多備備用尺。

2）全站儀在平臺(tái)上的位置做好固定支架，由于樁太長(zhǎng)以及存在變截面，可能觀測(cè)角度、長(zhǎng)度等存在差異，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的比對(duì)。數(shù)顯水平尺數(shù)據(jù)隨著樁的晃動(dòng)跳動(dòng)較大，需待樁基本穩(wěn)定的情況下讀數(shù)，并在數(shù)據(jù)上下浮動(dòng)較小時(shí)取值。

3）起重船的下樁過(guò)程中應(yīng)緩慢進(jìn)行，除測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)反饋外，2個(gè)吊鉤的重量亦要同時(shí)關(guān)注，保持同速下鉤。

4）導(dǎo)管架定位平臺(tái)的調(diào)整裝置中多備墊板，隨時(shí)注意千斤頂?shù)氖芰靶谐?，并與測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

5）鋼管樁最終要求的是樁頂法蘭水平度偏差臆0.3%，可在制作時(shí)將法蘭與樁身的偏差位置做好標(biāo)識(shí)，在沉樁時(shí)可針對(duì)樁身的垂直度進(jìn)行適當(dāng)預(yù)控，即測(cè)量樁頂直線管段垂直度時(shí)，向反方向調(diào)整偏差。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)鋼管樁垂直度監(jiān)測(cè)技術(shù)的探討與實(shí)踐，選用數(shù)顯尺粗調(diào)、全站儀精調(diào)的技術(shù)，在導(dǎo)管架平臺(tái)吊打大型鋼管樁工藝中適用性強(qiáng)，對(duì)儀器要求低，操作簡(jiǎn)單且實(shí)時(shí)性佳，在本工程已得到良好的應(yīng)用和體現(xiàn)，該施工方法對(duì)類似工程具有一定的推廣價(jià)值。

[1]華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司.中廣核如東150 MW海上風(fēng)電場(chǎng)示范項(xiàng)目施工圖設(shè)計(jì)[R].2015.Huadong Engineering Co.,Ltd.Design of construction drawings for CGNPC Rudong 150 MW offshore wind farm demonstration project[R].2015.

[2] 梁奎，鄒天城，葉路明，等.一種穩(wěn)樁定位平臺(tái)支腿架：中國(guó)，ZL201521140113.8[P].2016.LIANG Kui,ZOU Tian-cheng,YE Lu-ming,et al.A platform for stabilizing pile:China,ZL201521140113.8[P].2016.

[3]中國(guó)科學(xué)院上?？萍疾樾伦稍冎行?近海風(fēng)電場(chǎng)超大型單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉樁技術(shù)科技查新報(bào)告[R].2016.Shanghai Science and Technology Consulting Center of China Academy of Sciences.Sci-tech novelty retrieval report for the super large single pile fan foundation pile sinking technology of the off原shore wind farm[R].2016.

[4]GB 50026—2007，工程測(cè)量規(guī)范[S].GB 50026—2007,Code for engineering surveying[S].

[5]JTS 131—2012，水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范[S].JTS 131—2012,Specifications for port and waterway engineering survey[S].

[6]GB/T 50571—2010，海上風(fēng)力發(fā)電工程施工規(guī)范[S].GB/T 50571—2010,The code for construction of offshore wind power project[S].