海上風(fēng)電樁靴式導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)

劉宏洲，王峽平，洛 成，李 令，葛 暢

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2. 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122； 3. 浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

隨著石油、煤炭、天然氣等傳統(tǒng)能源的枯竭，可再生清潔能源的海上風(fēng)電發(fā)展如火如荼。我國(guó)沿海省份大力開(kāi)發(fā)近海風(fēng)能資源，預(yù)計(jì)2030年中國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到8.24億kW左右。海上風(fēng)電場(chǎng)中各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所發(fā)的電力，需要通過(guò)35 kV海底電纜統(tǒng)一匯集到海上升壓站，將電壓提升至220 kV后，再送往陸上集控中心，并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)[1]。因此，海上升壓站是整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)一般由上部組塊和導(dǎo)管架基礎(chǔ)組成。當(dāng)前，海上風(fēng)電場(chǎng)常用的升壓站基礎(chǔ)有高樁承臺(tái)基礎(chǔ)[2-3]、吸力桶基礎(chǔ)[4-6]和導(dǎo)管架基礎(chǔ)[7-10]，其中樁靴式導(dǎo)管架基礎(chǔ)是一種新型的升壓站基礎(chǔ)，由上部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)、角樁、樁靴三部分構(gòu)成的三維框架結(jié)構(gòu)，其承載特性良好，逐漸被用于海上風(fēng)電工程中。國(guó)內(nèi)外對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)的承載特性、施工技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了大量研究[11-14]，而對(duì)于樁靴式導(dǎo)管架基礎(chǔ)關(guān)鍵施工技術(shù)的研究相對(duì)較少。

以大連市某海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為研究背景，對(duì)海上升壓站樁靴式導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)未來(lái)類似工程施工建設(shè)具有參考意義。

1 工程概況

大連某海上風(fēng)電項(xiàng)目位于莊河海域，場(chǎng)址內(nèi)配套新建一座220 kV海上升壓站，由樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架、上部組塊3部分組成，其中樁基礎(chǔ)與導(dǎo)管架套筒采用灌漿連接方式。樁靴式導(dǎo)管架基礎(chǔ)，如圖1所示。主導(dǎo)管采用φ1 500～φ1 800鋼管，水平拉筋φl(shuí) 000鋼管及斜拉筋φ1 000鋼管；樁基礎(chǔ)采用φ2 800鋼管樁，共4根，壁厚為60 mm，樁長(zhǎng)為53 m，每根角樁上均設(shè)有防沉箱；上部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)為四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)，高為28.5 m。本工程施工具有兩個(gè)難點(diǎn)：①導(dǎo)管架調(diào)平難度大。海上升壓站基礎(chǔ)采用先安裝導(dǎo)管架，后打樁基礎(chǔ)的施工方式，導(dǎo)管架安裝后初次調(diào)平，鋼管樁沉樁后需二次調(diào)平且沉樁為水下沉樁，傳統(tǒng)打樁順序調(diào)平基礎(chǔ)方案不能滿足設(shè)計(jì)精度要求。②水下灌漿質(zhì)量要求高，底部封堵難度大。本工程架灌漿段在水面以下，主灌漿管線底標(biāo)高位于-27.5 m，水下灌漿工藝復(fù)雜。

圖1 海上升壓站立面圖

2 前期準(zhǔn)備

1)海底掃測(cè)。施工前安排該區(qū)域掃測(cè)工作，確定掃測(cè)結(jié)果即導(dǎo)管架設(shè)計(jì)安裝區(qū)域海底水平度及高程是否滿足設(shè)計(jì)要求，掃測(cè)范圍為基礎(chǔ)安裝位置30 m半徑范圍內(nèi)，調(diào)查內(nèi)容為：基礎(chǔ)安裝位置水深；基礎(chǔ)安裝位置坐標(biāo)(經(jīng)緯度)；基礎(chǔ)安裝位置地貌(如泥面坡度、凹坑等)；基礎(chǔ)安裝位置處海底殘余物情況。如若出現(xiàn)海底不平或高程不符安裝要求，應(yīng)及時(shí)考慮吊放沙袋或應(yīng)用其他方法加以解決。

2)主作業(yè)船拋錨就位。“盈尚1號(hào)”1 600 t起重船借助GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)由拖輪拖帶到導(dǎo)管架安裝位置附近，進(jìn)行拋錨駐位。艏艉方向垂直于導(dǎo)管架長(zhǎng)邊，距離相隔約100 m處，拋6錨，每根錨繩長(zhǎng)500 m。導(dǎo)管架運(yùn)輸船拖輪拖帶下進(jìn)場(chǎng)，與起重船垂直錯(cuò)位停靠，駁船艏部艉部各拋兩口錨，共拋4口錨，并根據(jù)浮吊跨距調(diào)整兩船之間的距離。兩船位置如圖2所示。

圖2 盈尚1號(hào)移位起吊導(dǎo)管架

3 導(dǎo)管架吊裝

起重船通過(guò)絞船移動(dòng)位置，使主鉤到達(dá)導(dǎo)管架上方。隨后主鉤下落至導(dǎo)管架頂部進(jìn)行掛鉤操作，鉚工同期進(jìn)行解綁扎。導(dǎo)管架頂部擺放定位設(shè)備，定位人員進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。解綁扎完成后，盈尚1號(hào)起重船起升主鉤，主鉤負(fù)荷每增加100 T報(bào)一次負(fù)荷，負(fù)荷增加50%時(shí)停止觀察5 min，確認(rèn)無(wú)問(wèn)題再繼續(xù)增加負(fù)荷，負(fù)荷增加75%時(shí)再次停止，觀察5 min。在導(dǎo)管架基礎(chǔ)離開(kāi)駁船甲板50 cm后停止起升，觀察5 min，確認(rèn)無(wú)任何異響或問(wèn)題再進(jìn)行起吊作業(yè)。期間定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀測(cè)，確保定位系統(tǒng)的可靠性，一旦發(fā)現(xiàn)異常停止起升，及時(shí)進(jìn)行檢修或啟用備用系統(tǒng)。

導(dǎo)管架起升至合適高度后，駁船絞錨遠(yuǎn)離盈尚1號(hào)起重船至指定位置；根據(jù)定位系統(tǒng)指示，甲板人員操控船位，將起重船調(diào)整至導(dǎo)管架安裝位置，并開(kāi)始下落導(dǎo)管架，如圖3所示。當(dāng)導(dǎo)管架底部距離海床500 mm時(shí)，停止下鉤，測(cè)量人員馬上根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算求出偏差值，給出移動(dòng)方位和距離的指令，起重人員據(jù)此調(diào)整直至安裝位置精度達(dá)到要求。注意測(cè)量計(jì)算過(guò)程由兩人完成，各自相互復(fù)核對(duì)方結(jié)果，力求準(zhǔn)確。確認(rèn)位置達(dá)標(biāo)后，將導(dǎo)管架下放到海床面，再次檢查導(dǎo)管架的位置和方位角，若不符要求，重新吊起按上述方法再次調(diào)整。導(dǎo)管架最終擱置泥面后，起重船松鉤不帶勁，保持吊索具不拆除。

圖3 導(dǎo)管架吊放坐底示意圖

4 樁基礎(chǔ)施工

4.1 立樁

完成導(dǎo)管架吊放后，施工船重新調(diào)整船位，盈尚1號(hào)橫移至駁船鋼管樁，船位示意圖，如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)鋼管樁起吊示意圖

盈尚1號(hào)起重船單主鉤連接吊帶，再連接內(nèi)部提升起樁器，如圖5所示。本起重器帶夾緊和松卸功能的電源組，垂直工作荷載1 200 t，水平工作荷載500 t，滿足單樁176.12 t起重要求。在掛鉤完畢后，盈尚1號(hào)起重船緩慢起升主鉤，主鉤起升與船舶絞錨橫向位移相互配合進(jìn)行鋼管樁翻身直立作業(yè)。

圖5 內(nèi)部提升起樁器結(jié)構(gòu)圖

4.2 插樁

盈尚1號(hào)鉤頭吊著鋼樁調(diào)整船位，最終將鋼樁移至導(dǎo)管架上方，根據(jù)導(dǎo)管架水平度，將鋼樁插至高程相對(duì)較高的導(dǎo)管架角點(diǎn)位置。已在套筒位置提前安裝支架，潛水員下水將攝像頭安裝至此支架，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控鋼樁插樁過(guò)程。主鉤下落，根據(jù)定位設(shè)備和潛水?dāng)z像頭指引，進(jìn)行插樁，如圖6所示。管樁下沉碰至泥面后，首先由其自重下沉，800 T主鉤頭保持30～40 T吊力，防止全部松鉤導(dǎo)致樁體下沉沖擊導(dǎo)管架。自沉結(jié)束后內(nèi)部提升起樁器從樁內(nèi)摘除，各船重新調(diào)整船位，重復(fù)以上動(dòng)作將第二根鋼樁立起并插至第一根鋼樁對(duì)角位置，直至四根鋼樁插入完畢。

圖6 插樁示意圖

4.3 打樁

導(dǎo)管架基礎(chǔ)鋼管樁打樁錘采用IHC S-1400液壓錘，樁自沉的深度約為10 m，總錘擊數(shù)2 376擊，沉樁過(guò)程中樁體最大應(yīng)力為189 MPa，最后1 m時(shí)平均錘擊次數(shù)為98錘，終錘貫入度約為10 mm，沉樁最后貫入度沉樁平均貫入度不超過(guò)20 mm，總錘數(shù)小于設(shè)計(jì)要求不超過(guò)7 000擊。

采用GRLWEAP波動(dòng)方程分析程序?qū)?dǎo)管架基礎(chǔ)鋼管樁計(jì)算其可打性分析，分析結(jié)果表明選用的IHC S-1400液壓錘沉樁設(shè)備是完全可行的。具體分析如圖7。

圖7 基礎(chǔ)鋼管樁可打性分析(SZK01孔位)

插樁完畢后，盈尚1號(hào)副鉤起吊IHC S1400打樁錘，索具鉤吊液壓管線，并調(diào)整船位至導(dǎo)管架位置鋼樁上方，通過(guò)調(diào)整變幅、船位將打樁錘錘帽套至鋼樁。套錘時(shí)緩慢操作，始終控制吊機(jī)帶力，鋼樁會(huì)隨著壓錘的操作繼續(xù)下沉。本次升壓站導(dǎo)管架鋼樁樁頂最終安裝高程為-16.75 m，即涉及水下打樁，因此需借助送樁器，如圖8所示，完成打樁作業(yè)。為防止打樁錘入水過(guò)深，并考慮到潮差等因素，送樁器長(zhǎng)度28 m，送樁器下段為錐形，且直徑大于鋼樁直徑2 800 mm，使其能確保插入鋼樁頂部并固定，其上部直徑設(shè)計(jì)應(yīng)滿足與打樁錘錘套相適應(yīng)。當(dāng)鋼樁頂端接近水面時(shí)，起重船起吊送樁器，并吊至鋼樁頂部完成對(duì)接，隨后繼續(xù)施打鋼樁，直至鋼樁到位。首根沉樁完畢后，進(jìn)行其對(duì)角樁位施工，如圖9所示。施工過(guò)程同上。首兩根樁位施工完畢，繼續(xù)完成剩余管樁安裝。施工過(guò)程同上。參考《港口工程樁基動(dòng)力檢測(cè)程-JTJ249-2001》對(duì)工程鋼管樁進(jìn)行高應(yīng)變檢測(cè)，并考慮海上風(fēng)電工程的特殊性，海上升壓站基礎(chǔ)檢測(cè)數(shù)量為4根，進(jìn)行初打，出具的檢測(cè)報(bào)告。沉樁完成并檢驗(yàn)完畢后，應(yīng)及時(shí)將沉樁工程的沉樁記錄、無(wú)損檢測(cè)、質(zhì)量檢驗(yàn)等報(bào)送監(jiān)理、設(shè)計(jì)、業(yè)主單位。

圖8 本工程送樁器結(jié)構(gòu)圖

圖9 打樁示意圖

4.4 導(dǎo)管架調(diào)平

本項(xiàng)目已在每個(gè)套筒上部安裝恩派克液壓缸，卡樁器焊接在導(dǎo)管架裙裝套筒頂部，如圖10所示。單個(gè)液壓缸可提供100 t液壓力。每個(gè)套筒布置8個(gè)液壓缸，沿環(huán)向均勻分布，組成液壓卡樁裝置，如圖10所示，每套滿足對(duì)每根鋼管樁提供最小卡緊力600 t。用于調(diào)平時(shí)固定導(dǎo)管架位置。

圖10 液壓夾樁器荷載布置圖

打樁時(shí)根據(jù)導(dǎo)管架水平度，將打樁錘套至導(dǎo)管架較低角點(diǎn)對(duì)應(yīng)的鋼樁(或送樁器)上開(kāi)始打樁，每打樁入泥1 m，進(jìn)行導(dǎo)管架水平度測(cè)量，查看是否有調(diào)整效果，若效果不明顯則主鉤將錘放至對(duì)角那根鋼樁，同時(shí)每施打1 m觀測(cè)導(dǎo)管架水平度。打樁始終遵循“誰(shuí)高打誰(shuí)”的原則，同時(shí)若某一角點(diǎn)始終較低，無(wú)法通過(guò)打樁來(lái)調(diào)整導(dǎo)管架整體水平度，則副鉤將打樁錘放至甲板，連接索具至導(dǎo)管架較低角點(diǎn)附近吊耳，單獨(dú)拎該邊或該角點(diǎn)，將導(dǎo)管架該角點(diǎn)適當(dāng)提起，提至水平度滿足要求后，此位置的鋼樁與導(dǎo)管架通過(guò)液壓卡樁方式，確保連接在一起，同時(shí)將除了對(duì)角位置之外的另外兩個(gè)鋼樁也與導(dǎo)管架固定連接在一起，施打未固定的鋼樁來(lái)進(jìn)行導(dǎo)管架水平度調(diào)整及打樁。最后對(duì)四根鋼樁進(jìn)行交替打樁，哪個(gè)角點(diǎn)低先打哪個(gè)地方的鋼樁，如此進(jìn)行打樁及調(diào)平工作，直至所有四根鋼樁均打至設(shè)計(jì)標(biāo)高位置。

5 導(dǎo)管架基礎(chǔ)灌漿

本工程架灌漿段在水面以下，主灌漿管線底標(biāo)高位于-27.5 m，水下灌漿工藝復(fù)雜，質(zhì)量要求高，底部封堵難度大，底部封堵措施的可靠性直接關(guān)系到本工程灌漿施工的質(zhì)量[15]。導(dǎo)管架套筒灌漿系統(tǒng)圖，如圖11所示。圖12中的封隔器安裝在鋼管樁與套筒之間，封隔器不但能夠?qū)Νh(huán)形空間的底部實(shí)現(xiàn)封堵，避免泥漿外流，也能防止海床中的淤泥進(jìn)入環(huán)形空間。封隔器底高為-28.5 m，鑒于陸上安裝的安全性及便捷性，封隔器考慮在導(dǎo)管架制造場(chǎng)地惠生基地內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)完成安裝。

圖11 導(dǎo)管架套筒灌漿系統(tǒng)圖

圖12 封隔器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

沉樁完畢后，導(dǎo)管架套筒與鋼樁之間的環(huán)形灌漿空間，在導(dǎo)管架上設(shè)有主灌漿管和備用灌漿管，通過(guò)灌漿管線向環(huán)形空間灌漿。單個(gè)支腿灌漿量約15.5 m3，灌漿總量約62 m3。當(dāng)灌漿施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)灌漿方量超過(guò)灌漿量的105%(約35 t)時(shí)，潛水員未發(fā)現(xiàn)灌漿樁頂有溢漿出現(xiàn)，但通過(guò)鉛錘/探尺等工具可測(cè)量到環(huán)形空間內(nèi)有漿料存在，則考慮封隔器部分失效，此時(shí)應(yīng)讓潛水員測(cè)量槳面至樁頂之間高度，計(jì)算出剩余灌漿數(shù)量，繼續(xù)進(jìn)行灌漿作業(yè)直至樁頂有溢漿出現(xiàn)；潛水員若探查不到漿料，則可判斷封隔器完全失效，此時(shí)立即停止灌漿作業(yè)并商量解決方案(見(jiàn)表1)。

表1 灌漿參數(shù)

6 結(jié) 語(yǔ)

為解決復(fù)雜環(huán)境下海上升壓站樁靴式導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工面臨的導(dǎo)管架基礎(chǔ)調(diào)平難及水下灌漿難兩個(gè)問(wèn)題，開(kāi)展了海上升壓站樁靴式導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)研究。

1)為解決導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工導(dǎo)管架基礎(chǔ)調(diào)平難的問(wèn)題，提出在導(dǎo)管架套筒上部安裝液壓卡樁器的施工方案。每個(gè)套筒布置8個(gè)液壓缸，單個(gè)液壓缸可提供100 t液壓力，沿環(huán)向均勻分布，組成液壓卡樁裝置起到輔助調(diào)平導(dǎo)管架的作用。

2)為解決導(dǎo)管架基礎(chǔ)水下灌漿難的問(wèn)題，提出在導(dǎo)管架樁套筒底部安裝自封閉式封隔器的施工方案。在水下灌漿的過(guò)程中，封隔器不但能夠?qū)Νh(huán)形空間的底部實(shí)現(xiàn)封堵，避免泥漿外流，也能防止海床中的淤泥進(jìn)入環(huán)形空間。