自升式穩(wěn)樁平臺(tái)單樁施工技術(shù)研究與應(yīng)用

王俊杰，黃艷紅，張成芹

（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137）

0 引言

在我國海上風(fēng)電場建設(shè)中單樁基礎(chǔ)由于其海上施工工效高、可工廠化制作等優(yōu)勢，得以廣泛應(yīng)用。但在風(fēng)、浪、流以及地質(zhì)條件等因素的共同作用下，為保證單樁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量（平面位置偏差≤50 cm，垂直度偏差≤0.3%），沉樁穩(wěn)樁技術(shù)在整個(gè)單樁基礎(chǔ)施工過程中尤為關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)海上風(fēng)電工程中，單樁施工主要有兩種施工方案，一是采用起重船搭設(shè)導(dǎo)管架穩(wěn)樁平臺(tái)，通過穩(wěn)樁平臺(tái)上的定位油缸來調(diào)整沉樁垂直度，但這種方法沉樁工序復(fù)雜，輔助船機(jī)配套多；另一種方法是采用專用自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)，在平臺(tái)一端配備雙層抱樁器，以調(diào)整控制樁身的豎直度，這種方法工序簡單，但自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的船機(jī)成本高。

因此，本文針對(duì)海上風(fēng)電工程單樁基礎(chǔ)，提出了一種自升式穩(wěn)樁平臺(tái)施工方法，并成功應(yīng)用于國華東臺(tái)四期（H2）300 MW 海上風(fēng)電場工程。

1 工程概況

國華東臺(tái)四期（H2）300 MW 海上風(fēng)電場工程位于東沙北條子泥，離岸距離約42 km。風(fēng)場總裝機(jī)規(guī)模302.4 MW，共布置63 臺(tái)上海電氣4.0 MW風(fēng)機(jī)及12 臺(tái)遠(yuǎn)景能源4.2 MW 的風(fēng)電機(jī)組。

工程共包含75 臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，其中47 號(hào)、66號(hào)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為已施工完成的試樁高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，其余73 臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)均采用無過渡段單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，單樁直徑5.5 m，樁頂高程+11.0 m（85 高程系，下同），樁長 57～76 m，樁重 446～623 t，樁端進(jìn)入⑥-2 層粉細(xì)砂、⑦層粉質(zhì)黏土或⑧層粉細(xì)砂[1]。

根據(jù)《國華東臺(tái)四期（H2）300 MW 海上風(fēng)電項(xiàng)目工程地質(zhì)勘察報(bào)告》[2]，該地區(qū)的土體參數(shù)情況如表1 所示。

2 自升式穩(wěn)樁平臺(tái)研制

為優(yōu)化單樁穩(wěn)樁措施，提高施工工效，降低施工成本，研制了一種簡易的自升式穩(wěn)樁平臺(tái)“穩(wěn)樁1 號(hào)”。平臺(tái)總平面布置如圖1 所示[3]，自升式穩(wěn)樁平臺(tái)主要參數(shù)見表2。

表1 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1 Design parameters of pile foundation

圖1 自升式穩(wěn)樁平臺(tái)總平面布置Fig.1 General plan layout of jack-up stable pile platform

表2 自升式穩(wěn)樁平臺(tái)參數(shù)Table 2 Parameters of jack-up stable pile platform

自升式穩(wěn)樁平臺(tái)艏部布置一套穩(wěn)樁系統(tǒng)，用以控制單樁沉樁垂直度，穩(wěn)樁系統(tǒng)采取雙層抱樁形式，上下兩層高差7 m，每層4 個(gè)定位液壓油缸，每個(gè)液壓油缸抱樁能力為70 t，穩(wěn)樁直徑范圍為5.5～7.5 m；平臺(tái)艉部設(shè)置舵槳系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)場區(qū)內(nèi)自主移船和進(jìn)點(diǎn)粗定位；穩(wěn)樁平臺(tái)四角各設(shè)1 套錨泊定位系統(tǒng)，配合DGPS 實(shí)現(xiàn)精確駐位；穩(wěn)樁平臺(tái)設(shè)置升降系統(tǒng)，其中樁腿布置在平臺(tái)兩舷，從而增加甲板有效面積，樁靴可拆卸以適應(yīng)不同的海床，液壓插銷式升降系統(tǒng)能夠保持工作平穩(wěn)、安全可靠；穩(wěn)樁平臺(tái)中部采用局部加強(qiáng)，便于加裝200 t 履帶式吊機(jī)兼顧其他施工作業(yè)。

3 自升式穩(wěn)樁平臺(tái)單樁施工工藝研究

3.1 插樁深度計(jì)算

本次施工過程不安裝樁靴，因此只進(jìn)行樁腿插樁深度的計(jì)算[4]。計(jì)算依據(jù)JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》，計(jì)算方法如下。

式中：Qd為單樁軸向承載力的設(shè)計(jì)值，kN；γR為單樁軸向承載力的分項(xiàng)系數(shù)，取2.0；U 為樁身截面外周長，m；qfi為單樁第i 層土極限側(cè)摩阻力的標(biāo)準(zhǔn)值，kPa，沒有當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)值時(shí)，可按表1 取值；li為樁身穿過第i 層土的長度，m；η 為承載力折減系數(shù)，可按《港口工程樁基規(guī)范》表4.2.4-3取值；qR為單樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa，可按《港口工程樁基規(guī)范》表4.2.4-2 取值；A 為樁端外周面積，m2[5]。

考慮如下4 種工況：

1）工況一：樁腿初始預(yù)壓400 t。

2）工況二：樁腿初始預(yù)壓310 t。

3）工況三：考慮4 m 的沖刷，同時(shí)保證樁腿的極限承載力400 t。

4）工況四：考慮4 m 的沖刷，同時(shí)保證樁腿的極限承載力310 t。

插樁深度計(jì)算的結(jié)果詳見表3 所示。

表3 插樁深度計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation result of cutting depth

由于樁端持力層所處土層屬于砂質(zhì)土層，土質(zhì)較好，而且持力層下部無軟弱土層，無穿刺的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 水平穩(wěn)定計(jì)算

在實(shí)際施工過程中考慮如下兩種工況。

1）工況一為千斤頂頂推

作用荷載：1.2×結(jié)構(gòu)自重（包括平臺(tái)上荷載）+1.5×千斤頂推力（70 t）+0.7×1.5×波流力+0.7×1.5×風(fēng)荷載（按7 級(jí)風(fēng)考慮）。

2）工況二為臺(tái)風(fēng)

作用荷載：1.2×結(jié)構(gòu)自重（包括平臺(tái)上荷載）+0.7×1.5×波流力+0.7×1.5×風(fēng)荷載（按 12 級(jí)風(fēng)考慮）。

按照之前的插樁分析結(jié)果，選取預(yù)壓310 t，且考慮4 m 沖刷的情況為最不利情況進(jìn)行復(fù)算，此時(shí)樁基入土為11.2 m。

計(jì)算得到，在頂推工況下，自升式海上穩(wěn)樁平臺(tái)樁身最大應(yīng)力為62.6 MPa＜205 MPa，最大水平位移為87.3 mm；在臺(tái)風(fēng)工況下，自升式海上穩(wěn)樁平臺(tái)樁身的最大應(yīng)力為33.3 MPa＜205 MPa，最大的水平位移為14.1 mm，滿足施工要求。

3.3 施工工藝設(shè)計(jì)

1）施工工藝流程

自升式穩(wěn)樁平臺(tái)單樁施工工藝流程見圖2。

圖2 自升式穩(wěn)樁平臺(tái)單樁施工工藝Fig.2 Single pile construction technology of jack-up stable pile platform

2）進(jìn)點(diǎn)、抬升

自升式穩(wěn)樁平臺(tái)通過兩艘錨艇綁拖至機(jī)位附近進(jìn)行拋錨，總共拋4 口錨，拋錨完成后通過絞錨及DGPS 定位至樁中心位置（抱樁器中心與樁中心重合），平臺(tái)就位完成后，待高平潮時(shí)進(jìn)行自升式穩(wěn)樁平臺(tái)插腿頂升，頂升時(shí)，平臺(tái)底標(biāo)高控制在+5.5 m。

3）主起重船進(jìn)點(diǎn)

自升式穩(wěn)樁平臺(tái)插腿就位頂升完成后，松開錨纜；隨后主起重船進(jìn)點(diǎn)，考慮到現(xiàn)場漲落潮對(duì)運(yùn)樁駁靠泊的影響，主起重船船頭方向與潮流向一致，船位布置示意圖見圖3。拋錨時(shí)先進(jìn)行起重船拋錨作業(yè)，待起重船完成拋錨后再進(jìn)行運(yùn)樁駁靠泊。起重船進(jìn)場后拋6 口錨，控制船位到達(dá)設(shè)定的坐標(biāo)附近，通過GPS 顯示船位，調(diào)整錨纜長度，對(duì)其進(jìn)行精確定位。

圖3 船位布置示意圖Fig.3 Ship layout

4）沉樁作業(yè)

起重船起吊單樁入自升式穩(wěn)樁平臺(tái)抱樁器，緩慢釋放，單樁入土后調(diào)整抱樁器上下兩層的液壓油缸，將鋼管樁抱緊，并采用2 臺(tái)全站儀進(jìn)行鋼管樁的垂直度監(jiān)測和控制，調(diào)整鋼管樁的垂直度，偏差不超過0.1%。

單樁在自重的作用下，下沉到泥面下一定的深度停滯時(shí)，將鋼管樁實(shí)際自重入土深度與理論計(jì)算自重入土深度進(jìn)行對(duì)比[6]，如有明顯差別應(yīng)及時(shí)進(jìn)行分析并決定是否調(diào)整；當(dāng)單樁自沉正常后，起重船繼續(xù)緩慢下放鋼絲繩，讓鋼絲繩處于不脫鉤、不受力的狀態(tài)。觀察15 min，如果樁身無變化，則進(jìn)行下一施工工序；如樁身有變化，則繼續(xù)觀察。

單樁確認(rèn)穩(wěn)定后，解除主吊耳處鋼絲繩，然后通過液壓錘及其工裝對(duì)樁頂施加額外荷載進(jìn)行壓樁施工，該方式可以避免溜樁情況的發(fā)生。

壓樁完成后觀察樁身20 min，確定單樁無下沉變化后起吊液壓錘及其工裝至甲板并解除工裝開始起吊液壓錘套錘操作。

在確保單樁垂直度滿足要求的情況下（開錘前單樁垂直度按0.05%～0.10%控制），開動(dòng)液壓錘，先用小能量的錘擊力點(diǎn)動(dòng)2～3 錘，暫時(shí)停止一段時(shí)間，無異常后繼續(xù)點(diǎn)動(dòng)2～3 錘，再次暫時(shí)停止一段時(shí)間，反復(fù)3～4 次，并派測量員觀測實(shí)時(shí)的樁身數(shù)據(jù)，以調(diào)整樁身姿態(tài)[7]。

完成樁身調(diào)整后，進(jìn)行15 min 觀測，如果沒有變化則繼續(xù)進(jìn)行沉樁施工，每間隔1～2 m 觀測記錄、樁身調(diào)整1 次，當(dāng)樁繼續(xù)入土10 m 時(shí)，變成每間隔3～4 m 觀測記錄、樁身調(diào)整1 次，當(dāng)樁入土深度為30 m 左右時(shí)，調(diào)整措施已沒有辦法起到調(diào)整的作用，改成連續(xù)液壓沉樁（此時(shí)單樁的垂直度按0.10%～0.15%控制）[8]。

主吊耳接近平臺(tái)時(shí)，單樁入泥深度超過30 m，扶正、導(dǎo)向裝置失去作用。收回扶正、導(dǎo)向裝置，讓主吊耳穿過平臺(tái)，完成沉樁。

4 應(yīng)用效果分析

自升式穩(wěn)樁平臺(tái)于2019 年1 月13 日首次應(yīng)用國華東臺(tái)四期（H2）300 MW 海上風(fēng)電場項(xiàng)目45號(hào)基礎(chǔ)的單樁施工中，施工實(shí)景見圖4。

圖4 自升式穩(wěn)樁平臺(tái)施工實(shí)景Fig.4 Construction scene of jack-up stable pile platform

其中自升式穩(wěn)樁平臺(tái)當(dāng)日13:00 進(jìn)點(diǎn)定位，13:20 開始精定位；13:52 精定位完成；15:42 開始插樁腿；19:46 頂升保壓完成。穩(wěn)樁平臺(tái)耗時(shí)7 h具備沉樁施工條件，遠(yuǎn)小于導(dǎo)管架穩(wěn)樁平臺(tái)2 個(gè)有效工作日的搭設(shè)時(shí)間。同時(shí)無需配備搭設(shè)穩(wěn)樁平臺(tái)的起重船、運(yùn)輸駁和振動(dòng)錘。

沉樁過程總錘擊數(shù)為3 378 擊，沉樁過程中錘擊最大能量為1 000 kJ，停錘時(shí)最后25 cm 平均貫入度為5 mm，樁頂實(shí)測標(biāo)高為+11.12 m（設(shè)計(jì)高程為+11.0 m，設(shè)計(jì)高程允許偏差＜50 mm），入土深度46.88 m，沉樁偏位＜30 cm。垂直度偏差0.05%，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

5 結(jié)語

自升式穩(wěn)樁平臺(tái)應(yīng)用于海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)施工，不僅可以減少對(duì)輔助船機(jī)的使用，還可以大大提高施工工效，具備較好的經(jīng)濟(jì)效益，可推廣應(yīng)用于其他單樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)電工程施工中。