大直徑鋼管樁沉樁工藝及樁身垂直度控制

李 東，韋 冬，李銘志，顧健威，吳 凱

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032；2.天津中北港灣工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，天津 300222；3.華能江蘇清潔能源分公司，江蘇 南京 210000）

引 言

目前海上風(fēng)電工程的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)多采用無過渡段大直徑鋼管樁單樁基礎(chǔ)形式，其施工工藝與傳統(tǒng)的沉樁工藝存在區(qū)別。同時(shí)由于風(fēng)機(jī)塔筒垂直度及上部風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全需要，對單樁基礎(chǔ)的垂直度要求非常嚴(yán)苛，如何采用合適的沉樁工藝及保證單樁沉設(shè)的垂直度成為工程質(zhì)量保障的關(guān)鍵因素。

華能如東300 MW海上風(fēng)電場工程目前為亞州最大的海上風(fēng)電場工程，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式主要采用無過渡段大直徑鋼管樁基礎(chǔ)，單樁直徑6.0～6.7 m左右，平均樁重達(dá)680 t/根，樁基頂部直接用法蘭盤連接風(fēng)機(jī)塔筒，在塔筒安裝前沒有過渡段或承臺做基礎(chǔ)再次調(diào)整的空間。沉樁的成敗不僅需考慮船型、錘型的選擇，尚需重點(diǎn)把控沉樁過程中的垂直度控制。本文根據(jù)華能如東風(fēng)電工程的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對大直徑鋼管樁單樁沉設(shè)工藝及過程中的測量控制要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

1 船機(jī)設(shè)備選型

目前國內(nèi)常規(guī)單樁（直徑在2.5 m、樁長在90 m以下）的沉樁工藝較為成熟，均采用自帶樁架的傳統(tǒng)打樁船進(jìn)行施工，樁錘多為柴油錘，如浙樁8、三航樁16、雄程1號等，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)全國共有各類帶樁架的傳統(tǒng)打樁船達(dá)74艘。但傳統(tǒng)的打樁船設(shè)計(jì)的樁重、樁徑、樁錘適用己不能滿足大直徑鋼管樁的沉樁作業(yè)要求，采用全回轉(zhuǎn)起重船（帶抱樁器或穩(wěn)樁平臺）和錘籠組合而成的吊打沉樁工藝是大直徑大重量的單樁沉樁的必然選擇。

常規(guī)打樁船的樁身定位，無論直樁或斜樁，均以隨錘上下運(yùn)動(dòng)的替打樁帽及樁架下部的液壓抱樁器為樁身定位，也就是說基樁軸線始終與導(dǎo)軌平行，其平面和垂直面的角度隨樁架的定位而定。吊打沉樁的作業(yè)平臺不設(shè)置大型變幅樁架，包括吊樁在內(nèi)的各類起重作業(yè)均由施工平臺（船）上的起重機(jī)完成。直樁以自身定位，斜樁依靠導(dǎo)向定位架，故沉樁作業(yè)時(shí)對直樁的垂直度控制尤為重要。

目前國內(nèi)可進(jìn)行吊打沉樁的船型并不多，均是采用液壓錘吊打，但工藝各有不同，按沉樁工藝形式分主要有穩(wěn)樁平臺+起重船、支腿船帶抱樁器與起重船舷側(cè)自帶抱樁器吊打3種。本工程由于存在深水區(qū)，淺水區(qū)、潮間帶三種復(fù)雜地形，工程中用到的船型有以下3種：

1）華爾辰號全回轉(zhuǎn)起重船自帶穩(wěn)樁平臺（單套）、大申號起重船+獨(dú)立穩(wěn)樁平臺（可多套周轉(zhuǎn)）；

2）龍振2號支腿船帶雙層抱樁器于左舷；

3）華申號起重船左舷帶雙層抱樁器、龍振1號起重船左舷帶雙層抱樁器。

其中1、2三種船型用于深水區(qū)（水深≥5 m），第3類的2種船型適用于淺水區(qū)（水深＜5 m）與潮間帶（低潮時(shí)露灘），可坐灘吊打。

大功率液壓錘目前只有荷蘭、德國產(chǎn)可用，由于樁徑大樁身重，本工程根據(jù)試樁結(jié)果、可打性分析及作業(yè)面分布配備了兩種型號錘型：為IHC S-2000與IHC S-1800兩種荷蘭產(chǎn)液壓錘。

2 大直徑鋼管樁典型船型沉樁工藝應(yīng)用

2.1 支腿船沉樁

龍振2號支腿船：船長76.8 m、寬42 m、型深6 m、樁支腿長67 m，可在30 m內(nèi)水深海域作業(yè)，雙鉤360°全回轉(zhuǎn)最大吊重800 t，最大起重高度108 m，最大風(fēng)暴自存能力12級。該船于2014年6月投入使用。

龍振2號裝有垂直于舷邊線的抱樁器，分上下兩層，高差10 m，底座設(shè)于甲板左舷，可沿舷邊左右行程2 m移動(dòng)，離舷外伸縮行程2～9 m，抱臂中心位置可調(diào)，縱橫向最大糾偏±1 m。船舶定位后，可施打樁中心線距舷邊9 m以內(nèi)的樁。

作業(yè)時(shí)，先用拖船將龍振2號拖至預(yù)定水域后拋錨，船載GPS比對定位，放下支腿，將平臺撐起；將運(yùn)樁方駁拖至平臺旁定位，吊機(jī)將樁由方駁上吊起放入抱樁臂后，由經(jīng)緯儀控制上下抱樁臂前后移動(dòng)，控制樁的平面位置與垂直度，吊機(jī)松鉤進(jìn)行插樁及穩(wěn)樁；吊機(jī)將液壓錘吊起套在樁頭上面，經(jīng)測量無誤后，即可由控制臺啟動(dòng)樁錘進(jìn)行吊打，當(dāng)錘套即將到達(dá)抱樁器時(shí)，松開抱樁器繼續(xù)錘擊直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求的高程、貫入度停錘。錘擊過程中持續(xù)進(jìn)行垂直度觀測以確保符合設(shè)計(jì)要求。

龍振2號支腿船沉樁優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)精度高，基本不受風(fēng)浪流的影響，最大作業(yè)水深達(dá)30 m，通過調(diào)節(jié)支腿的下放長度可在高低不平的海床上保持平衡穩(wěn)定。在波高2 m，風(fēng)速15 m/s（相當(dāng)于7級）、潮差5 m的情況下仍可正常作業(yè)。缺點(diǎn)是對配合船機(jī)要求較高，需大功率的拖船和專用錨艇來協(xié)助移位、拋錨，要求配合施工的其他船舶（如運(yùn)樁船舶）亦要有相應(yīng)的抗風(fēng)浪能力，同時(shí)其插腿與升船保壓時(shí)間較長。相比用于淺水區(qū)可坐灘獨(dú)自沉樁的龍振1號或華申號，其工效相對較低，但淺水區(qū)兩種船型如用于深水區(qū)需配穩(wěn)樁平臺作業(yè)。

圖1 龍振2號沉樁實(shí)景

圖2 龍振1號沉樁實(shí)景

2.2 起重船+獨(dú)立穩(wěn)樁平臺

大申號起重船：船長118.6 m，寬32.2 m，型深8 m，吃水4 m，最大固定吊重1 500 t、全回轉(zhuǎn)吊重800 t，最大吊高97 m，抗風(fēng)能力8級。

施工前，先將穩(wěn)樁定位平臺拖至施工水域后拋錨定位，穩(wěn)樁平臺由平臺本體和4根工藝鋼管樁組成，由一艘起重船完成定位平臺搭設(shè)，平臺定位采用GPS定位系統(tǒng)定位，工藝樁沉樁采用APE600振動(dòng)錘。定位平臺搭設(shè)的平面、高程精度決定了鋼樁定位精度，必須嚴(yán)格控制平面準(zhǔn)確度，特別是下樁龍口的定位精度。為保證施工進(jìn)度，定位平臺一般制作多套，供現(xiàn)場連續(xù)施工和周轉(zhuǎn)使用。定位平臺上設(shè)有粗定位和精定位裝置，以確保沉樁時(shí)鋼樁的垂直度要求。沉樁結(jié)束后利用APE600振動(dòng)錘將工藝樁拔除，然后采用起重船拆除定位平臺至下一個(gè)機(jī)位。

沉樁施工時(shí)，大申號拖航至穩(wěn)樁平臺附近定位，采用“大申號”和另一艘起重船共同抬吊，完成豎樁立入穩(wěn)樁平臺操作。然后由大申號主鉤吊起液壓套在樁頭上經(jīng)測量無誤后開始吊打沉樁。

其優(yōu)點(diǎn)是適用于深水區(qū)沉樁且定位精準(zhǔn)，兩臺經(jīng)緯儀可架設(shè)在穩(wěn)樁平臺上進(jìn)行多余觀測，垂直度控制便利穩(wěn)定。缺點(diǎn)與支腿船相似，其穩(wěn)樁平臺的架設(shè)與撤離需要作業(yè)時(shí)間。

圖3 定位平臺施工實(shí)例

圖4 “大申號”液壓錘沉樁施工實(shí)例

3 工程地質(zhì)分析及防溜樁控制

本工程位于江蘇省如東縣小洋口北側(cè)的爛沙海域附近，場區(qū)海底灘面地形變化較大，高程-18.6～0.6 m。場區(qū)北側(cè)發(fā)育一條近東西走向的潮溝，高程-18.6～-9.0 m，寬度約1.0 km；場區(qū)內(nèi)地基土表層以粉土、粉砂為主，屬南黃海濱海相沉積地貌單元。根據(jù)鉆孔揭露的地層結(jié)構(gòu)、巖性特征、埋藏條件及物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合原位測試成果、室內(nèi)試驗(yàn)和區(qū)域地質(zhì)資料，勘探深度內(nèi)（勘探孔最深70.8 m）均為第四系沉積物，為沖積、海積及河口～海陸相沉積?？碧缴疃葍?nèi)場區(qū)土按地質(zhì)時(shí)代、成因類型及工程特性，可分為6大層9個(gè)亞層，上部①～③層為第四系全新統(tǒng)（Q4）沖海相粉土、粉砂，下部為上更新統(tǒng)（Q3）陸相、濱海相沉積物。

根據(jù)地質(zhì)分析及附近類似工程實(shí)踐，由于粉砂層及軟弱土層的存在且樁重過大，本工程中發(fā)生溜樁的可能性很大。施工前需要根據(jù)每個(gè)機(jī)位的鉆孔柱狀圖（結(jié)合靜力觸探數(shù)據(jù)）及機(jī)位水深情況進(jìn)行一樁一議，充分認(rèn)識每層土質(zhì)的軟硬程度，對溜樁制定防范措施：

鋼樁自重入泥后，根據(jù)入泥深度對比鉆孔柱狀圖，對溜樁發(fā)生的可能性以及溜樁的距離進(jìn)行大致判斷。若自重入泥深度未穿透軟土層，發(fā)生溜樁可能性很大，此時(shí)應(yīng)采用帶底座（增重）壓錘的方式，使鋼管樁穿透軟土層。

若帶底座壓錘都未能穿透軟土層，應(yīng)采取液壓錘脫鉤沉樁的方法（防錘墜落時(shí)帶斷吊臂），鋼管樁和液壓錘替打樁帽應(yīng)預(yù)先開孔（在距離液壓錘頂部500 mm處開4個(gè)孔，孔徑200 mm，4個(gè)孔沿圓周方向均勻分布。在鋼管樁吊耳中心片對稱開2個(gè)孔，孔徑300 mm），以防溜樁過快使樁內(nèi)氣壓急劇增大而造成液壓錘脫出。

錘擊沉樁時(shí)，應(yīng)以最小能量開錘，并在開始擊錘后，觀察貫入度是否過大，貫入度超過20 mm時(shí)，發(fā)生溜樁的可能性較大，應(yīng)停錘等待一定時(shí)間，再開始錘擊。此段必須減小錘擊能量及錘擊速率，必要時(shí)采用單擊或2、3連擊，防備出現(xiàn)“溜樁”現(xiàn)象，待穿過粉砂層或軟弱土層后錘擊能量方可逐級增大并持續(xù)觀測貫入度。

4 施工過程中垂直度測量控制

海上風(fēng)電基礎(chǔ)鋼管樁打設(shè)精度要求較高，樁頂平面偏差不超過500 mm，縱軸線傾斜度偏差不超過0.3%，樁頂法蘭頂高程13.0 m±50 mm。

根據(jù)《水運(yùn)工程施工與驗(yàn)收規(guī)范》（JTS 257-2008）規(guī)定：單樁垂直度（樁尖對縱軸線偏斜）沉樁偏差驗(yàn)收要求為10 mm/m，即沉樁時(shí)垂直度是以1%樁長來控制的（10 mm/1 000 mm=1/100）。此標(biāo)準(zhǔn)在樁基上部有承臺結(jié)構(gòu)可調(diào)整風(fēng)機(jī)塔筒基礎(chǔ)環(huán)的平整度、不影響塔筒及風(fēng)機(jī)的安裝精度要求時(shí)可適用。而單樁基礎(chǔ)頂部只有法蘭盤連接風(fēng)機(jī)塔筒基礎(chǔ)環(huán)，無過渡段可調(diào)整，所以單樁的垂直度必然提出新的標(biāo)準(zhǔn)要求。

設(shè)計(jì)要求單樁沉樁時(shí)垂直度控制在3 ‰樁長，相應(yīng)的抱樁自沉、插樁穩(wěn)樁階段垂直度必須精準(zhǔn)在1 ‰以內(nèi)才能確保達(dá)到最終標(biāo)準(zhǔn)。所以單樁沉樁過程中的垂直度控制是沉樁質(zhì)量控制必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4.1 垂直度監(jiān)控測量設(shè)備安裝

沉樁全過程對單樁垂直度及高程進(jìn)行監(jiān)測。垂直度采用經(jīng)緯儀人工測量和“高精度雙軸傾角測量”方法同時(shí)監(jiān)測。本工程使用的高精度雙軸傾角測量的誤差傾斜度誤差為0.1 ‰。

1）利用高精度雙軸傾角傳感器測量過渡替打底面（假設(shè)過渡替打底面與樁頂平面是重合的）前后、左右兩個(gè)方向的傾斜角度。

2）利用無線電臺把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程電腦，通過傾角測量軟件，實(shí)時(shí)計(jì)算出樁的實(shí)際傾斜角度、坡比及樁頂偏移量。

3）雙軸傾角傳感器預(yù)裝在不銹鋼安裝箱里。

4）在過渡替打側(cè)面焊接一塊400×400的鋼板，鋼板平面與替打底面平行。將不銹鋼安裝箱安裝到鋼板上。數(shù)據(jù)電纜沿替打壁敷設(shè)，并與錘上的管線并行。電纜的另一端連接至（發(fā)射電臺+鋰電池）安裝箱。

5）（發(fā)射電臺+鋰電池）安裝箱安裝在與船體固定的塔架上，便于人員維護(hù)的地方。

6）計(jì)算機(jī)、接收電臺（含天線）安裝在操控室內(nèi)，電臺天線延伸到室外。

4.2 傳感器傾角標(biāo)定

測量前，必須對傳感器傾角進(jìn)行標(biāo)定。

將過渡鋼管底面調(diào)整到水平狀態(tài)，在計(jì)算機(jī)軟件上按照操作說明打開測量軟件，測量軟件設(shè)計(jì)成三維立體模型的形式，形象、直觀。操作者可利用鼠標(biāo)控制模型的大小和方向，按自己喜歡的姿態(tài)呈現(xiàn)。樁頂高程及平面位置通過船載GPS系統(tǒng)監(jiān)測。高程允許偏差50 mm，樁頂絕對位置允許偏差500 mm。

傳感器安裝及測量軟件監(jiān)控屏幕如圖5、圖6。

圖5 測量儀器安裝示意

圖6 測量軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出界面示意

4.3 垂直度復(fù)核測量

高精度雙軸傾角傳感器測量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)測量手段，并且優(yōu)點(diǎn)明顯，可以直接讀出法蘭水平度并實(shí)時(shí)顯示樁體在沉樁時(shí)的傾斜狀態(tài)，施工中垂直度的調(diào)整主要依據(jù)高精度雙軸傾角傳感器測量數(shù)據(jù)；但為確保測量準(zhǔn)確，特別是為了防止精密的測量儀器（雙軸測斜儀）在使用過程中損壞而不自知，造成測量事故，故同時(shí)采用傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行多余觀測，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。

施工中，采用2臺經(jīng)緯儀（全站儀）呈90°角同時(shí)觀測鋼管樁垂直度（單樁出廠時(shí)用激光測距儀呈90°畫好兩條測量刻度線），定性觀測鋼管樁是否垂直，同時(shí)與高精度雙軸傾角傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)不一致后立即重新標(biāo)定、更換或修復(fù)高精度雙軸傾角傳感器。兩臺經(jīng)緯儀（全站儀）中放置于定位導(dǎo)向平臺上，大致呈90°方向布置，以確保觀測數(shù)據(jù)科學(xué)合理。

4.4 調(diào)整控制單樁垂直度

定位導(dǎo)向平臺上兩層抱箍高差約11 m，每層抱箍均布設(shè)有4個(gè)千斤頂，沿圓周均勻布設(shè)，用以調(diào)整鋼樁垂直度。為避免鋼樁涂裝被別蹭，千斤頂端部均設(shè)有橡膠滾輪。

調(diào)整垂直度時(shí)，按照先上后下的順序進(jìn)行，即先操作上抱箍千斤頂使鋼樁豎直，橡膠滾輪與樁壁頂緊；后操作下抱箍千斤頂至橡膠滾輪與樁壁稍稍接觸即可。

上下層抱箍各設(shè)一獨(dú)立的液壓泵站，每臺千斤頂油路均為一閉合回路。

初步調(diào)整鋼樁垂直度在插樁入位過程中進(jìn)行，鋼樁調(diào)整尤為重要。由于單樁重量大，糾偏難度大，鋼樁插樁并完成自重入泥過程中，要及時(shí)完成垂直度調(diào)控，為預(yù)防后續(xù)工序?qū)Υ怪倍仍斐捎绊懀倦A段鋼樁傾斜度控制值應(yīng)比設(shè)計(jì)要求更高，垂直度預(yù)控值為1 ‰。

4.5 監(jiān)控調(diào)整垂直度

通過垂直度調(diào)控后，基礎(chǔ)鋼樁自重豎立于海床上，由雙層導(dǎo)向抱箍支撐穩(wěn)定。下一步要進(jìn)行壓錘過程中垂直度調(diào)控。

本工程鋼樁沉樁設(shè)備為大功率液壓打樁錘。吊裝前，將錘體和替打整體安裝，連接好液壓管。然后，利用船載吊機(jī)進(jìn)行整體吊裝。液壓錘吊裝應(yīng)先調(diào)整好錘體中心位置，使之盡量與樁中心接近。當(dāng)錘體擺動(dòng)穩(wěn)定后，吊鉤慢檔下落，錘靴套入樁頂。

由于在鋼樁頂壓錘過程中鋼樁會繼續(xù)下沉，可能會造成鋼樁垂直度發(fā)生變化，因此，當(dāng)樁頂壓錘前、后，應(yīng)再次測量樁身的傾斜度，當(dāng)樁身傾斜度＞2 ‰時(shí)，必須重新進(jìn)行調(diào)整。傾斜度控制值仍以1 ‰為準(zhǔn)。

液壓錘連續(xù)錘擊頻率一般控制在30擊/min。沉樁全過程必須進(jìn)行測量觀測，發(fā)現(xiàn)樁身貫入度變化較大或貫入度異常，應(yīng)立即停錘分析原因并校核垂直度。

5 單樁垂直度驗(yàn)收與后期監(jiān)測方案

5.1 單樁垂直度驗(yàn)收

單樁垂直度最終驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)給定的3 ‰。根據(jù)相似三角形原理，樁身對縱軸線傾斜（垂直度）可轉(zhuǎn)化為樁頂法蘭面水平度測量結(jié)果得到。

沉樁結(jié)束后基礎(chǔ)環(huán)法蘭面水平度測量可用兩種方式測得：

1）用水準(zhǔn)儀（精度等級DS05）和標(biāo)尺在法蘭面相隔45°的8個(gè)方向上測量，水準(zhǔn)儀架設(shè)于樁內(nèi)上部布置的內(nèi)平臺中心，從法蘭面位置引豎尺讀數(shù)，每個(gè)方向最少測量兩次并記錄數(shù)據(jù)，取8點(diǎn)相對連線（4條）中的最大值與最小值相減所得數(shù)值除以樁頂法蘭直徑，即為樁頂法蘭水平度（基礎(chǔ)樁垂直度）≤3 ‰。

2）激光掃平儀測量：用德國進(jìn)口的激光掃平儀可以快速精準(zhǔn)的測定法蘭平整度，可克服常規(guī)測量方式的系統(tǒng)誤差和偶然誤差。其測量數(shù)據(jù)可直觀讀出，連接電腦可打印輸出。

5.2 后期監(jiān)測方案

由于風(fēng)電場工程均外于外海無掩護(hù)水域，變形觀測網(wǎng)建立困難，故后期監(jiān)測目前一般采用預(yù)埋監(jiān)測設(shè)備的原型觀測方案（JTJ 218-2005）對樁基的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀收集分析。具體采用在樁頂布置幾何水準(zhǔn)點(diǎn)、靜力水準(zhǔn)點(diǎn)和傾角儀進(jìn)行不均勻沉降和傾斜監(jiān)測，設(shè)備可直接接入監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)觀測。

6 結(jié) 語

海上風(fēng)電正在起步發(fā)展階段，隨著風(fēng)電新能源的蓬勃發(fā)展，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)大直徑鋼管樁應(yīng)用將越來越廣。大直徑管樁的沉樁基本控制要點(diǎn)與傳統(tǒng)的沉樁質(zhì)控要點(diǎn)相同無需贅述，本文側(cè)重于吊打工藝所涉及的船型及直樁的垂直度質(zhì)控總結(jié)，代表了當(dāng)前國內(nèi)大直徑大噸位鋼管樁吊打施工工藝的先進(jìn)性。通過對大直徑鋼管樁海上施工工藝的經(jīng)驗(yàn)積累總結(jié)，為后續(xù)海上風(fēng)電樁基施工提供一定的指導(dǎo)與借鑒作用。