氣舉反循環(huán)法在海上風電場超大鋼管樁糾偏中的應(yīng)用

王忠鋒 潘欣全 王華章

海上風力發(fā)電機組的基礎(chǔ)型式多種多樣，主要有樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、桶形基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)。就我國而言，包括單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、群樁基礎(chǔ)（高樁承臺基礎(chǔ)）等型式的樁基礎(chǔ)應(yīng)用最為廣泛。其中，單樁基礎(chǔ)因具有結(jié)構(gòu)簡單，施工簡便、快捷，成本較低且適應(yīng)性強等優(yōu)點而受到風電項目的青睞。由于受船機設(shè)備、天氣、海況等較多因素影響，加上海上風電場所用單樁基礎(chǔ)的重量和長度不斷增加，鋼管樁垂直度（單樁設(shè)計垂直度一般要求不超過3）超過設(shè)計值的情況時有發(fā)生。對于沉樁完成后發(fā)生垂直度超標的，經(jīng)設(shè)計復(fù)核滿足承載力要求后主要采用定制法蘭、定制塔筒、楔形墊片填塞等進行糾偏；在尚未錘擊或者沉樁初期發(fā)生垂直度超標的，一般采用位于穩(wěn)樁平臺或抱樁器上的液壓千斤頂頂推、吊機拔樁重新就位等手段糾偏，在上述方法失效的情況下可根據(jù)氣舉反循環(huán)的原理進行糾偏。由于當前氣舉反循環(huán)糾偏法在海上風電領(lǐng)域應(yīng)用較少，為增進行業(yè)認識，本文結(jié)合某海上工程實際案例對該方法進行了系統(tǒng)總結(jié)。

工程概況

廣東某風電場水深在27～30m之間，海床面標高大致在-25～-28m之間，海床較為平坦，其總體高度自北向南緩緩降低，海床底質(zhì)為淤泥底質(zhì)。該項目首根鋼管樁基礎(chǔ)沉樁使用2000t全回轉(zhuǎn)自升式支腿船作為主施工船：支腿船自帶雙層抱樁器進行穩(wěn)樁、調(diào)整垂直度；2000t浮吊船配合溜尾、翻身。由于現(xiàn)場粘貼測量標尺耽誤了施工窗口期時間，加上風力突然增大，涌浪加劇，鋼管樁垂直度偏差達到17.5，遠超設(shè)計標準3。施工單位遂用支腿船吊機始終保持10000kN起吊力拎著鋼管樁，防止其傾斜和下沉加劇。支腿船站位見圖1；抱樁器千斤頂布置見圖2；支腿船樁腿入泥深度見表1。該單樁樁頂法蘭直徑7.5m，樁身最大直徑8.5m，最大壁厚95mm，樁長95.54m，樁重1533t，其長度與重量在國內(nèi)同類型鋼管樁中首屈一指，如若棄樁，直接經(jīng)濟損失將超過2千萬元。

通過測量可知鋼管樁整體向 2#、3#千斤頂方向傾斜。鋼管樁底部高程在最近的3#、4#兩個樁腿上方0.75m和1.63m，鋼管樁與4#樁靴最短直線距離約為19m。

糾偏方案比選

由于鋼管樁入泥已達22m，抱樁器上部鋼管樁懸臂長、力矩大。經(jīng)設(shè)計、施工等各參建單位討論，形成以下4個方案：

方案1：將鋼管樁拔出泥面重新立樁。由于5000t以上的浮吊船吊高不夠，且檔期緊張，現(xiàn)場利用已有資源采用雙機抬吊方式：2000t浮吊掛住一個吊耳，2000t支腿船吊機掛住另外一個吊耳，兩艘船同時加載起吊。當兩艘船同步加載至20000kN時鋼管樁紋絲未動，該糾偏方案失敗。分析其主要原因是鋼管樁自重大、入泥深，等待施工窗口期多日后海底泥沙已固結(jié)，摩阻力增大。

方案2：絞吸船在鋼管樁傾斜的反方向吸泥或挖泥，達到一定深度后使用千斤頂進行頂推糾偏。該方案的弊端在于絞吸船施工成本高，對海床地貌破壞大，后期回填工程量大。若采用吸泥或挖泥方式糾偏將影響支腿承載力，嚴重時會造成支腿船的傾覆。

方案3：樁頂牽拉糾偏。在吊耳處拴鋼絲繩使用5000匹馬力以上的拖輪或錨艇拖拽鋼管樁。該方案的問題在于牽引力的增減依靠船舶發(fā)動機油門的大小，無法對牽引力進行線性控制；鋼絲繩斜向牽拉向下的分力會造成鋼管樁繼續(xù)下沉；鋼管樁存在突然起動的可能，此時如果牽引船未停止牽拉會導(dǎo)致鋼管樁反向傾斜，甚至會造成鋼管樁傾覆的嚴重后果。

方案4：氣舉反循環(huán)糾偏。該方法是利用風管將空壓機產(chǎn)生的壓縮空氣混同高壓水送入泥沙中，由于攪拌形成的氣體與泥沙混合物密度較低，在貼近泥面不停輸送的高壓水和壓縮空氣作用下，混合物向上流動，在鋼管樁外形成一段垂直的、僅有海水的空腔，從而減小鋼管樁下部地基的推力，在沖刷過程中抱樁器上的 2#、3#千斤頂嘗試頂推調(diào)整，最終完成糾偏。該方案存在的風險是需潛水員下水檢查氣管和水管的就位情況，水管和氣管下沉到一定深度后孔口可能淤積泥沙。

綜合考慮施工成本、效率、風險及可行性等因素，施工單位最終決定采用方案4進行糾偏作業(yè)。

糾偏工裝制作

為了節(jié)省成本、加快進度，在方案實施前期曾采用以強力磁鐵固定φ25鋼管作為高壓氣管和水管的導(dǎo)向管，導(dǎo)向管中間穿φ20鋼管用于高壓水和空氣的輸送。在下放鋼管過程中由于氣壓和水壓反作用力以及涌浪沖刷，強力磁鐵無法有效固定導(dǎo)向管致使操作失敗。因此，需現(xiàn)場制作輸送高壓水和壓縮氣體的工裝：

（1）在甲板上把 32 根φ25×2×6000鋼管兩兩對焊組成16根12m鋼管，再將12m圓管分別彎成8根r=4425mm A型和8根r=4475mm B型的圓弧管，A型圓弧管之間用鋼板兩兩焊接成4個加強弧形管片，B型圓弧管采用同樣操作。A型和B型加強弧形管片之間再用50mm鋼板焊接在一起，形成4個組合管片。兩個組合管片間距1700mm并用方鋼作為斜撐焊接，最終形成兩個弧形桁架結(jié)構(gòu)骨架。

（2）把 108 根 φ20×2×6000 鋼管焊接成 27 根 24m豎管。由于三角形為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，故每三根一組（如圖4）焊接共形成九道加強豎管。加強豎管中一根為高壓氣體通道，一根為高壓水通道。

（3）加強弧形管片之間50mm鋼板均勻開孔供豎管通過，豎管間距1.14m，并與桁架可靠焊接（對局部薄弱部位如鋼管對接處進行補強焊接），形成一個沖刷工裝。

（4）利用吊機將桁架與豎管整體起吊下放至泥面（見圖7）。將潛水泵及空壓機設(shè)備的軟管與制作的工裝管道進行連接（見圖8），潛水泵打出2.0MPa的水壓沖刷樁身外壁的土層，空壓機打出0.7MPa的氣壓在海底形成氣泡將高壓水沖散的淤泥和黏土帶出，同步向下沉放沖刷工裝加深土層與鋼管樁之間的間隙。

糾偏方案實施及改進

抱樁器抱緊管樁，支腿船雙鉤起吊至18000kN防止管樁下沉。當沖刷深度達到14m時，工裝下沉速度非常慢，抱樁器2#、3#千斤頂向外頂推有輕微晃動，在排除部分軟管破損、鋼管堵塞等故障后采用反復(fù)提起、下放的方式繼續(xù)沉放工裝，擴大管樁與土層間隙深度，抱樁器上的千斤頂同步進行頂推調(diào)整。當工裝入泥深度達到19m時鋼管樁垂直度偏差調(diào)整到0.5，糾偏成功。

工裝以桁架弧形管來制作是利用了已運輸?shù)酱系奈镔Y，實際上也可使用方鋼進行制作，直接在較大尺寸的方鋼上開孔安裝立管。此外，在工裝下放前及沖刷過程中需派潛水員下水摸排，施工人員的安全措施必須到位，應(yīng)急方案應(yīng)完善可靠。

膠管與鋼管連接處容易脫落或漏氣漏水，屬薄弱部位。在條件允許的情況下可在鋼管端頭車絲安裝快速接頭，膠管端頭也配套使用快速接頭，這樣可實現(xiàn)快速連接且密封可靠。

結(jié)語

氣舉反循環(huán)糾偏方法具有簡單易行、成本低、效果好等優(yōu)點，對處于淤泥質(zhì)海床底質(zhì)情況下的鋼管樁糾偏效果顯著，其他粉砂質(zhì)、黏土等類似底質(zhì)情況下的構(gòu)筑物糾偏亦可參考實施。

（作者單位：王忠鋒， 王華章：中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司；潘欣全：中國廣核新能源控股有限公司）