坐底式輔助樁穩(wěn)樁平臺在風電工程中的應用

顧世韌 中國鐵建港航局集團有限公司

1.引言

我國海岸線綿長，海上風能資源非常豐富，具備大規(guī)模發(fā)展海上風電的風資源條件，在節(jié)能減排、能源短缺、能源供應安全形勢日趨嚴峻的大形勢下，海上風電作為典型清潔能源越來越受到重視。根據(jù) BNEF（彭博新能源財經(jīng)）分析，中國將在 2022 年趕超海上風電大國中的德國和英國，成為海上風電累計裝機量最大的國家，海上風電累計裝機量將達到1000萬kW。隨著風電施工技術(shù)不斷進步和風機單機容量的的不斷擴大，風電場址已由起初的近海海域逐漸向離岸30～50km，水深30～50m的外海海域推進。風電場址水文、氣象和地質(zhì)等環(huán)境復雜多變，給海上風電施工帶來諸多難點和風險，特別是大直徑超長超重的鋼管樁單樁基礎(chǔ)，對施工質(zhì)量、垂直度控制等要求較高，給施工單位船機設備選用和施工組織等帶來較大考驗。本文以汕頭某風電項目為例，介紹超大型鋼管樁沉樁施工中坐底式穩(wěn)樁平臺的對比選用，穩(wěn)樁平臺施工的注意事項和樁錘選用等施工技術(shù)。

2.工程概況

2.1 工程簡介

汕頭某風電項目位于廣東省汕頭市海門鎮(zhèn)南面海域，場址涉海面積約48km2，水深范圍30m～35m，場址離岸距離約23～38km，總裝機容量273MW。

本工程39 臺風機基礎(chǔ)為非嵌巖單樁鋼管樁結(jié)構(gòu)，樁頂標高+18.0 m，最大樁長108 m，樁徑6.0m～8.5m（變徑），鋼管樁壁厚65～90mm，單樁最大重量約1700t，鋼管樁樁頂設有法蘭盤與風機塔筒連接。鋼管樁樁周設有40cm厚防沖刷砂被，鋼管樁樁頂設置有附屬構(gòu)件，包含靠船防撞構(gòu)件、爬梯、內(nèi)平臺、外平臺、陰極保護、電纜等。

2.2 工程地質(zhì)

風電場位于汕頭市海門鎮(zhèn)東南側(cè)海域，中心點距陸地距離約29km，海域?qū)掗?，附近未見島嶼、礁石分布，水深約30.9m～37.1m。水下地形較平緩，屬沖海積地貌單元，從上至下分別為淤泥層、粉砂混淤泥層、粉質(zhì)黏土層、粉砂混黏土層、粉質(zhì)黏土層、中砂層、粉質(zhì)黏土層、中砂混黏性土層、粉質(zhì)黏土層和中粗砂層。

3.沉樁施工工藝

3.1 沉樁施工工藝流程

本工程沉樁采用“穩(wěn)樁平臺定位穩(wěn)樁，起重船吊打沉樁”的施工工藝，即穩(wěn)樁平臺定位穩(wěn)樁時分別通過GPS定位系統(tǒng)和兩臺全站儀對鋼管樁平面位置及樁身垂直度進行定位監(jiān)測，待鋼管樁各項指標滿足設計要求并穩(wěn)定后，由起重船吊液壓錘錘擊沉樁。具體施工工藝流程見圖1。

3.2 船機選擇原則

（1）起重船。起重船的選擇應滿足吊重、吊高和吃水的要求。本工程選用4000t固定臂架起重船。

（2）液壓錘。液壓錘的選擇應根據(jù)樁參數(shù)、鉆孔柱狀圖和樁錘性能等由專用計算軟件作出液壓錘可打性分析，確定沉樁用錘大小。根據(jù)沉樁可打性分析計算結(jié)果本工程選用IHCS-3000型液壓錘。

（3）穩(wěn)樁平臺。有一定抗風浪能力且滿足沉樁穩(wěn)定性要求，本工程經(jīng)比選選用坐底式穩(wěn)樁平臺。

4.穩(wěn)樁平臺比選

國內(nèi)風電項目單樁施工穩(wěn)樁平臺一般有駁船改裝穩(wěn)樁平臺、自升式多功能平臺、坐底式輔助樁穩(wěn)樁平臺、自動化移動式穩(wěn)樁平臺和起重穩(wěn)樁一體式穩(wěn)樁平臺等幾種型式。自動化移動式穩(wěn)樁平臺和起重穩(wěn)樁一體式穩(wěn)樁平臺因社會可利用資源較少及租金較高等原因使用較少，大多數(shù)風電項目采用前三種穩(wěn)樁平臺進行單樁施工。

4.1 駁船改裝穩(wěn)樁平臺

該種穩(wěn)樁平臺主要是在駁船艉部進行開槽處理，并配置抱樁器，通過船舶的精確定位及插打臨時支撐樁從而形成穩(wěn)定、可靠的海上穩(wěn)樁平臺。

優(yōu)點：①平臺4根支撐鋼管樁深入持力層，適合不同施工區(qū)域，抗風等級較高；②平臺由駁船改裝，移動、定位靈活，作業(yè)效率較高。

缺點：①支撐樁沉樁、拔樁需要采用液壓振動錘沉樁作業(yè)；②整個平臺需要采用大型起重船吊裝作業(yè)；③國內(nèi)現(xiàn)有資源較少，且最大抱樁器直徑小于8m。

4.2 自升式多功能平臺

該種穩(wěn)樁平臺主要是通過在自升式平臺船上配置抱樁器從而作為海上大直徑單樁施工的穩(wěn)樁平臺。

優(yōu)點：平臺支撐樁帶有樁靴，適合不同施工區(qū)域，定位速度快、效率高。

缺點：①本工程地表主要為淤泥及粉質(zhì)黏土，平臺樁靴坐穩(wěn)后，可能因荷載變化而發(fā)生不均勻沉降移位現(xiàn)象；②平臺支撐樁進入覆蓋層較淺，抗風浪等級較低；③平臺租賃或建造費用較高。

4.3 坐底式輔助樁穩(wěn)樁平臺

該種穩(wěn)樁平臺主要由穩(wěn)樁平臺結(jié)構(gòu)、油缸導向裝置、輔助樁、平臺掛件、梯子平臺、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等組成，包括上部導向架結(jié)構(gòu)、下部立柱結(jié)構(gòu)。

上部導向架結(jié)構(gòu)為24m×23m×12m的空間立方體桁架結(jié)構(gòu)，主要由箱梁及鋼管焊接而成，結(jié)構(gòu)四個邊角設置有輔助樁導向結(jié)構(gòu)，用于輔助樁插打時的導向以及施工作業(yè)時將導向架與輔助樁連接。下部立柱結(jié)構(gòu)為鋼管焊接的桁架結(jié)構(gòu)，立柱上部與導向架下底面連接，立柱下部為“凹”字形桁架結(jié)構(gòu)，平面下層鋪設防沉板以保證穩(wěn)樁平臺結(jié)構(gòu)整體放入海底后的穩(wěn)定。

優(yōu)點：①平臺4根輔助鋼管樁深入持力層，適合不同施工區(qū)域，坐底后穩(wěn)定性較好；②平臺重量較輕，租賃或建造費用較低。

缺點：①輔助樁打設、拔除需要采用大型振動錘沉樁作業(yè)；②整個平臺需要采用大型起重船吊裝作業(yè)；③平臺定位較難。

結(jié)合本項目地質(zhì)情況、船機設備的使用率、工藝的可行性和工程造價等綜合分析，選擇坐底式輔助樁穩(wěn)樁平臺進行沉樁施工。

5.穩(wěn)樁平臺施工注意事項

穩(wěn)樁平臺的工字鋼、牛腿等構(gòu)件的強度和剛度，由設計單位根據(jù)工程地質(zhì)、受力荷載等按一般材料力學和結(jié)構(gòu)力學原理進行驗算，滿足相關(guān)要求并由專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠家制作生產(chǎn)。

穩(wěn)樁定位施工前作業(yè)人員需根據(jù)項目地質(zhì)情況及平臺重量等驗算確定輔助樁沉樁入土深度和振動錘型號大小，使輔助樁能沉樁至一定入土深度且滿足承載力要求，保證作業(yè)安全和工程樁沉樁施工質(zhì)量。

本項目選用的穩(wěn)樁平臺總重約1 000 t，鋼管樁樁長80 m，樁徑2200mm，壁厚25mm，每根支撐樁樁重約108.5t。

5.1 輔助樁入土深度承載力驗算

圖1 沉樁工藝流程圖

圖2 坐底式輔助樁穩(wěn)樁平臺

穩(wěn)樁平臺總重約1 000 t，4個輔助樁按3 點受力驗算（1 根輔助樁和坐底防沉板受力作為安全儲備），每根樁承重約1000/3=333.3t，輔助樁鋼管周長U=πD=3.14×2.2=6.908m，根據(jù)地質(zhì)勘察報告，參考《建筑施工手冊手冊》，海床自上而下各層的樁側(cè)極限摩擦力標準值如表1。

5.2 輔助樁沉樁振動錘大小驗算

振動錘需滿足三個條件方可沉樁成功，根據(jù)類似工程施工經(jīng)驗，本項目選用永安YZ-300液壓振動錘進行輔助樁打設和拔除，具體驗算如下：

（1）振動錘的激振力Fmax大于支撐樁與土層的動側(cè)摩阻力Qst；

（2）振動系統(tǒng)的工作振幅A大于振沉到要求深度所需的最小振幅；

（3）振動系統(tǒng)的總質(zhì)量Q0大于支撐樁的動端阻力R。

表1 輔助樁承載力驗算

5.2.1 激振力驗算

根據(jù)日本經(jīng)驗公式，振動錘沉樁所需滿足的條件如下：

式中η 為振動加速度比；黏土μmin=0.13；鋼材的β 值為0.52；Qs=9436.33。

根據(jù)YZ-300振動錘技術(shù)參數(shù)可計算：

μ=μmin+（1-μmin）e-βη=0.1328

Qst=μQs=0.1328＊UσfiLi=1253.14kN＜3000kN，

YZ-300振動錘激振力滿足施工要求。

5.2.2 工作振幅驗算

工作振幅A=偏心力矩/振動質(zhì)量=1 300＊10^3/（108.46＊10^4）=1.2mm＞1mm，滿足要求。

式中，水下粉砂混黏土標貫N=1～7時，最小振幅A0=1mm。

YZ-300振動錘工作振幅滿足施工要求。

5.2.3 動端阻力驗算

R=3.14＊2.2＊0.025＊0.1328＊200=4.58(KN)

式中，含砂粉質(zhì)黏土地基承載力基本容許值為200kPa。

YZ-300 振動錘系統(tǒng)總質(zhì)量16t=160kN＞R=4.58kN，

滿足施工要求。

6.結(jié)束語

穩(wěn)樁平臺輔助樁的入土深度承載力和沉樁振動錘必須經(jīng)實際計算驗證，為作業(yè)安全和工程樁施工質(zhì)量提供保障。

本項目通過綜合比選選用的坐底式輔助樁穩(wěn)樁平臺定位精度滿足設計要求，作業(yè)效率較高，成功地解決了海上沉樁垂直度和法蘭精度控制標準高的問題。因此，該項目沉樁工程的順利完成為以后海上超長大直徑鋼管樁沉樁施工起到借鑒作用。