潮間帶風(fēng)電單樁基礎(chǔ)法蘭面水平度控制方法研究

文 | 馮小星

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，國外海上風(fēng)電場76%基礎(chǔ)采用大直徑單管樁結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是施工效率高、成本低；但單管樁沉樁的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)是單管樁法蘭面水平度控制。通常國外對于單樁的施工技術(shù)僅能達(dá)到法蘭面水平度≤5‰的施工標(biāo)準(zhǔn)要求，無法滿足風(fēng)電機(jī)組設(shè)備安裝對基礎(chǔ)水平度≤2.75‰的要求，故需要采用過渡段進(jìn)行灌漿調(diào)平。

但是采用灌漿調(diào)平工藝存在幾個問題：（1）灌漿后需要等待數(shù)天，當(dāng)灌漿材料強(qiáng)度達(dá)到施工要求才能進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組設(shè)備安裝，從開始沉樁到具備風(fēng)電機(jī)組設(shè)備吊裝條件至少需要7天，故施工效率相對較低；（2）適合于這種基礎(chǔ)形式的灌漿料完全依賴進(jìn)口，費(fèi)用高昂，大大增加海上風(fēng)電場建設(shè)成本；（3）灌漿料經(jīng)過長期承載后，容易疲勞失效，大大增加了風(fēng)電場后期維護(hù)成本。

為了克服傳統(tǒng)海上風(fēng)電場單管樁基礎(chǔ)形式的缺陷，提高施工效率，同時保證沉樁完畢后水平度（即單管樁傾斜度，以下簡稱傾斜度）要求達(dá)到≤2.75‰的目標(biāo)。本文改進(jìn)傳統(tǒng)單樁基礎(chǔ)形式，提出一種新型的無過渡段單樁基礎(chǔ)，研究了單樁基礎(chǔ)的建造、運(yùn)輸以及沉樁過程中的精度控制技術(shù)，最終建立起無過渡段單樁法蘭面水平度控制方法，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程中，取得了很好的效果。

單樁基礎(chǔ)建造過程中的控制技術(shù)

單樁在建造過程中，需要通過一定的建造工藝和技術(shù)來很好地控制結(jié)構(gòu)的制作誤差。本文采用新加工定型工藝、變形控制等技術(shù)開展單樁結(jié)構(gòu)在建造過程中的控制技術(shù)研究。

一、新型無過渡段單樁基礎(chǔ)

為提高施工效率、節(jié)約成本，對傳統(tǒng)的單樁海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)（如圖1所示）進(jìn)行改進(jìn)，提出一種無過渡段單管樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，將與上部風(fēng)電機(jī)組設(shè)備安裝連接的法蘭直接焊接在單管樁上端，如圖2所示。

圖1 國外海上風(fēng)電場帶過渡段單管樁基礎(chǔ)常用形式

圖2 新型無過渡段單管樁基礎(chǔ)形式

二、新型基礎(chǔ)的原材料定型、加工

由于單管樁長度為43～59m，需要由寬度為3m左右的鋼管節(jié)分別組裝而成，存在大量焊接，為了盡量減少焊接變形，每個鋼管節(jié)采用一整張定制鋼板進(jìn)行卷板焊接。而傳統(tǒng)工藝是采用2張鋼板進(jìn)行拼接，會增加一條縱向焊縫，給后道工序“卷圓”橢圓度控制帶來很大難度，見圖3。

定制鋼板在抽邊數(shù)控切割（長度方向留余量）后，采用四輥大型卷板機(jī)進(jìn)行卷制，然后將長度余量切割完畢后，開制坡口進(jìn)行組對焊接。

然后將鋼管節(jié)焊縫打磨平整后，送入四輥大型卷板機(jī)進(jìn)行復(fù)圓，將其橢圓度控制在±0.1%D以內(nèi)（D為單管樁外徑）。

圖3 管節(jié)拼接工藝

三、鋼管節(jié)組對

鋼管節(jié)采用1+1=2、2+2=4、4+4=8…的方式進(jìn)行組對，組對錯邊量不超過3mm，焊接采用自動焊接小車進(jìn)行焊接，最終保證直線度誤差不超過0.1%樁長且不大于30mm。

四、劃線、貼標(biāo)尺

采用SolidWorks對單管樁進(jìn)行有限元分析，在自重的影響下單管樁會產(chǎn)生6mm的變形，如圖4所示。

為避免自重產(chǎn)生的變形對劃線造成的影響，采取以下措施：

（1）單管樁下方布置滾輪架數(shù)量不少于4個。

（2）采用激光經(jīng)緯儀進(jìn)行傾斜度控制線劃線時在單管樁上側(cè)面進(jìn)行，上側(cè)劃線完畢后將單管樁旋轉(zhuǎn)90°，再劃上側(cè)線，依次類推，直至單管樁周向均布4條傾斜度控制線，見圖5。

（3）劃線完畢后采用白色油漆噴繪出線條，寬度10mm。

通過以上措施可保證噴繪出的傾斜度控制線與理論垂線（與法蘭垂直）的誤差在20mm以內(nèi)。將該傾斜度控制線作為后道工序中“單管樁自沉”時傾斜度粗調(diào)基準(zhǔn)。

通過上述方法和工藝可大大減小單樁基礎(chǔ)在建造過程中的誤差，為單樁基礎(chǔ)法蘭面水平度精度控制奠定基礎(chǔ)。

單樁基礎(chǔ)運(yùn)輸過程中的變形控制

為消除運(yùn)輸過程中運(yùn)輸船搖擺對單管樁變形造成的影響，按圖6進(jìn)行綁扎運(yùn)輸，主要采取如下措施：

（1）單管樁下支撐點(diǎn)數(shù)量不少于3個，布置位置盡量等距均勻。

圖4 單管樁自重引起的變形有限元分析

圖5 傾斜度控制線劃線要求

圖6 單管樁基礎(chǔ)綁扎運(yùn)輸圖

圖7 單管樁換雙鉤豎立流程圖

（2）側(cè)面設(shè)橫檔，防止船舶搖晃引起單管樁橫向位移。

（3）利用鋼絲繩、葫蘆將單管樁與運(yùn)輸船甲板拉緊。

單樁基礎(chǔ)沉樁過程中的精度控制技術(shù)

沉樁過程是單樁基礎(chǔ)保證精度的關(guān)鍵部分，直接關(guān)系到單樁的最終傾斜度。本文從樁豎立方案、沉樁過程的精度控制、測量技術(shù)等方面開展單樁在入泥過程中的精度控制技術(shù)研究。

一、單樁豎立方案

為便于單管樁自沉過程中吊耳方向垂直度調(diào)整，需要單管樁豎立后采用雙鉤吊裝。但由于單管樁初始狀態(tài)是水平的，且起重機(jī)雙鉤與臂架垂直無法直接做到雙鉤起吊，需要按以下工藝流程操作：

（1）掛好吊裝索具，將單管樁抬起。

（2）將單管樁放置在起重船艉部空曠灘面上（潮間帶海域低潮可露灘）。

（3）施工人員下灘面將單管樁尾部索具拆除，再將單管樁上部單鉤索具更換為雙鉤。

（4）利用灘面作為單管樁尾部支點(diǎn)豎立單管樁；單管樁豎立后套入抱樁器。

二、沉樁過程精度控制

（一）自沉調(diào)整傾斜度（粗調(diào)）

單管樁套入抱樁器后，合攏上下抱樁器，通過上下抱樁器4個千斤頂伸縮動作，并配合800t起重機(jī)鉤頭起降和臂架起升動作調(diào)整單管樁傾斜度，使單管樁傾斜度滿足≤0.5‰后，緩慢下降800t起重機(jī)鉤頭，開始自沉。自沉過程中根據(jù)測量的傾斜度數(shù)據(jù)，實(shí)時通過抱樁器千斤頂和800t起重機(jī)配合來調(diào)整單管樁傾斜度，使其傾斜度直至自沉結(jié)束始終滿足≤0.5‰要求。通常自沉入土深度為2.5～7m。

傾斜度測量方法：按圖8布置兩個經(jīng)緯儀布置點(diǎn)，以傾斜度控制線為基準(zhǔn)，采用激光經(jīng)緯儀分別測量單管樁兩個垂直度方位傾斜度。

圖8中傾斜度控制線是在單樁基礎(chǔ)建造時，在單管樁周向劃線位置貼上長度200mm的防水標(biāo)尺，每隔5米1個標(biāo)尺，標(biāo)尺最小刻度5mm，見圖9。

（二）壓錘過程

1.確定精調(diào)基準(zhǔn)

自沉完畢后，通過浪風(fēng)繩將索具脫離吊耳，然后將所有索具拆卸至甲板上。再通過吊籃將測量人員吊至單管樁頂部平臺內(nèi)，采用激光經(jīng)緯儀直接測量法蘭傾斜度（圖10），兩個方向的測量數(shù)據(jù)記為F①n‰、F②n‰。然后根據(jù)下面測點(diǎn)位置（圖8）讀取每隔5米處的標(biāo)尺讀數(shù)，兩個測量點(diǎn)讀數(shù)分別記為B①1n、B①2n、B①3n…B②1n、B②2n、B②3n…

符號說明：F表示法蘭處直接測量的傾斜度；①表示1測量點(diǎn)方向；②表示2測量點(diǎn)方向；B表示下面2個測量點(diǎn)測量的標(biāo)尺讀數(shù)（單位mm）；1、2、3…分別表示從上至下第1、2、3…個標(biāo)尺的讀數(shù)；n表示第n次測量讀數(shù)，分別為 1、2、3…

按表1所示方法確定2個測量方向理論傾斜度控制線標(biāo)尺數(shù)據(jù)B①m標(biāo)＝B①m1－F①1*5*m、B②m標(biāo)＝B②m1－F②1*5*m，該數(shù)據(jù)作為后面工作中所有傾斜度調(diào)整的理論依據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)是該理論數(shù)據(jù)B①m標(biāo)、B②m標(biāo)可消除單管樁自身變形、劃線誤差等造成的積累誤差。

2.精調(diào)

若測量結(jié)果F①1‰、F②1‰超過0.5‰，則通過上下抱樁器4個千斤頂伸縮動作，并配合800t起重機(jī)鉤頭起降和臂架起升動作調(diào)整單管樁傾斜度，使法蘭傾斜度計(jì)算結(jié)果滿足≤0.5‰的要求。

3.壓錘控制

利用起重機(jī)將S800液壓沖擊錘套入單管樁頂部，緩慢下降S800液壓沖擊錘，直至重量完全壓在單管樁頂部。在壓錘過程中單管樁每下降0.5米計(jì)取一次標(biāo)尺讀數(shù)B①mn、B②mn，根據(jù)公式：

圖8 單管樁傾斜度測點(diǎn)布置

圖9 傾斜度控制線示意圖

圖10 測量人員至樁頂測量法蘭傾斜度

計(jì)算出法蘭傾斜度F①n‰、F②n‰，若計(jì)算結(jié)果超過0.5‰，則需要通過上下抱樁器4個千斤頂伸縮動作，如圖11所示，并配合800t起重機(jī)鉤頭起降和臂架起升動作調(diào)整單管樁傾斜度，使法蘭傾斜度計(jì)算結(jié)果始終≤0.5‰，直至自沉完畢。

表1 單樁傾斜度控制數(shù)據(jù)

（三）連續(xù)沉樁過程

S800沖擊錘以最低能量、流量單擊沉樁，每響一錘觀測一次傾斜度和貫入度，若傾斜度超過0.5‰，則采用可調(diào)節(jié)包樁器進(jìn)行調(diào)整。

連續(xù)3～5次單擊過程無溜樁、垂直度偏差變大等異常情況后，開始連續(xù)沉樁，沉樁過程中適當(dāng)加大沖擊錘能量和流量，控制貫入度在20～50mm范圍內(nèi)（說明：貫入度過大容易導(dǎo)致傾斜產(chǎn)生較大偏差，不利于調(diào)整。）

在整個沉樁過程中，根據(jù)式（1）、（2）計(jì)算出的傾斜度數(shù)據(jù)分別不能超過0.5‰（入土10m范圍內(nèi)）、1‰（入土10～20m）、1.5‰（入土20m以上），否則應(yīng)立刻停錘通過上下抱樁器左右前后動作、千斤頂伸縮動作和800t起重機(jī)起降等動作配合，將傾斜度控制在指定范圍內(nèi)。

（四）最終數(shù)據(jù)

沉樁完畢后，通過800t起重機(jī)將液壓沖擊錘吊卸至甲板面。測量人員進(jìn)入單管樁頂部采用激光經(jīng)緯儀直接測量法蘭傾斜度并作為最終驗(yàn)收數(shù)據(jù)。

工程應(yīng)用案例

將上述方法和工藝應(yīng)用于如東海上潮間帶項(xiàng)目、中廣核如東項(xiàng)目以及福建南日島項(xiàng)目等海上風(fēng)電場的單樁基礎(chǔ)施工中。如東海上潮間帶風(fēng)電場場區(qū)布置于洋口港環(huán)港作業(yè)區(qū)以東、劉埠閘溝槽以西的海域，風(fēng)電場邊沿距海堤約4.5km，北為外海側(cè)。場區(qū)地貌為沿海潮間帶，地面高程一般為1.0～-2.2m（1985 國家高程基準(zhǔn)），平均高潮位時水深1～4m，平均低潮位時露灘，露灘時間約4～6h。該風(fēng)電場布置40臺2.3MW風(fēng)電機(jī)組，基礎(chǔ)形式均為無過渡段單管樁結(jié)構(gòu)：外徑4.7～5.2m，板厚45～65mm，長度43～59m，重量320～400t，結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖11 可調(diào)節(jié)的包樁器

為控制無過渡段單管樁在沉樁完畢后傾斜度誤差，需重點(diǎn)控制鋼結(jié)構(gòu)加工制作、運(yùn)輸綁扎方案、現(xiàn)場豎立方案和沉樁過程四個方面，滿足了單管樁沉樁完畢后傾斜度≤2.75‰的要求。該方法和工藝得到了驗(yàn)證，效果良好。

結(jié)論

本文提出了一種潮間帶海域無過渡段單管樁沉樁傾斜度控制工藝方法，主要采取了以下措施：（1）鋼結(jié)構(gòu)加工制作過程中在材料規(guī)格選取、組裝焊接控制、劃線方法選定等方面進(jìn)行控制，以保證粗調(diào)基準(zhǔn)（傾斜度控制線）的精度；該基準(zhǔn)偏差越小越有利于單管樁自沉過程中傾斜度的調(diào)整；（2）單管樁豎立后的吊裝方法，選定了雙鉤吊裝方式，其優(yōu)點(diǎn)是有利于通過升降雙鉤調(diào)整單管樁吊耳方向的傾斜度；（3）通過標(biāo)尺讀數(shù)計(jì)算精調(diào)基準(zhǔn)，該基準(zhǔn)可以完全消除粗調(diào)基準(zhǔn)的誤差；（4）雙層液壓抱樁器的設(shè)計(jì)應(yīng)用，區(qū)別于國外單層抱樁器，更有利于單管樁傾斜度調(diào)整。

采用該方法，其傾斜度均滿足≤2.75‰要求，平均傾斜度為1‰。通過實(shí)踐證明本文闡述的海上潮間帶無過渡段單管樁沉樁傾斜度控制方式是可行的、高效的、低成本的，超越了國外同行技術(shù)水平≤5‰，值得在國內(nèi)潮間帶海域風(fēng)電場項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。