海上風(fēng)電大直徑單樁附屬構(gòu)件安裝及施工測量技術(shù)

胡忠平，鄭 川,2，張 毅,2

(1. 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122； 2. 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

目前，全球化石能源如石油等逐漸短缺，可再生能源越來越受到人們的重視。其中，風(fēng)能因?yàn)榫哂星鍧嵀h(huán)保高效等特點(diǎn)，成為了新能源發(fā)電的主力軍[1-3]。我國海上風(fēng)能資源豐富，沿海省份的海上風(fēng)電項目進(jìn)入大力發(fā)展階段[4-6]。海上風(fēng)電項目中一般由海上風(fēng)機(jī)和海上升壓站組成。海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)形式多樣，其中，單樁基礎(chǔ)有工期短、易于制造等優(yōu)勢，成為了較為常用的基礎(chǔ)(見圖1)。目前，許多學(xué)者對大直徑鋼管樁沉樁技術(shù)[7-8]以及施工難點(diǎn)[9-10]等開展了相關(guān)的研究，但是，對海上風(fēng)電大直徑鋼管樁附屬構(gòu)件安裝及施工測量技術(shù)還有待進(jìn)一步的研究。結(jié)合江蘇啟東某海上風(fēng)機(jī)大直徑單樁基礎(chǔ)建設(shè)項目，對大直徑單樁基礎(chǔ)附屬構(gòu)件安裝及施工測量技術(shù)進(jìn)行研究，為類似工程施工提供參考。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)立面圖

1 工程概況

江蘇某海上風(fēng)電項目位于啟東海域，場區(qū)中心離岸距離約32 km，海底地形變化較為平緩，水深在6～13 m之間。場區(qū)形狀呈矩形，南北長約8 km，東西寬約5 km，規(guī)劃海域面積40 km2，規(guī)劃裝機(jī)容量250 MW，共10個回路、40臺6.25 MW風(fēng)機(jī)。

1.1 單樁基礎(chǔ)

本工程基礎(chǔ)施工為6.25 MW的單樁基礎(chǔ)及集成式附屬構(gòu)件施工，共計40個機(jī)位，單樁直徑分為6.5～7.2 m及6.5～7.48 m兩種，樁頂高程+13.0 m。鋼管樁樁長70～77 m，壁厚為64～78 mm，樁重約800～1 000 t，單樁最大長度77 m，最大重量約1 000 t。樁頂法蘭與上部風(fēng)機(jī)塔筒通過法蘭系統(tǒng)進(jìn)行連接。

附屬構(gòu)件包括單樁基礎(chǔ)配套用靠船防撞構(gòu)件、爬梯、內(nèi)平臺、外平臺、電纜管、外加電流等。將上述構(gòu)件中除內(nèi)平臺以外的其他附屬構(gòu)件在陸域制作成集成式附屬構(gòu)件套籠結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸至海上施工現(xiàn)場后，利用起重船進(jìn)行整體吊裝安放。單樁基礎(chǔ)內(nèi)平臺支撐牛腿焊接于樁體內(nèi)壁，與樁體成一體進(jìn)行沉樁施工，內(nèi)平臺主體在陸上制作完成后，運(yùn)至海上進(jìn)行安裝。

1.2 工程地質(zhì)

工程場地表層地基土易受潮流沖刷影響，屬建筑抗震不利地段，且工程場區(qū)位于近海海域，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)易受海浪沖刷，因此工程區(qū)域土體穩(wěn)定性較差。

2 鋼管樁施工流程

采用3個作業(yè)面完成施工，工作面1由1 200 t全回轉(zhuǎn)起重船負(fù)責(zé)主吊，工作面2由1 500 t全回轉(zhuǎn)起重船負(fù)責(zé)主吊，兩個工作面共用800 t固定扒桿起重船負(fù)責(zé)輔助抬吊，使用IHC-S3000液壓沖擊錘完成沉樁施工。工作面3由2 200 t固定扒桿起重船單船翻樁，或者采用輔助船舶進(jìn)行臺吊翻樁，承重為13 000 t的載重船配合沉樁，使用IHC-S2000液壓沖擊錘完成沉樁施工。單樁基礎(chǔ)鋼管樁沉樁施工工藝流程見圖2。

圖2 單樁基礎(chǔ)鋼管樁沉樁施工工藝流程圖

3 附屬構(gòu)件安裝施工工藝

3.1 施工船舶駐位

集成式附屬構(gòu)件安裝主要利用800 t固定扒桿起重船完成安裝，船舶駐位方向與水流方向相同，即東偏南22.5°。船舶前后均采用八字錨，前后各4口，船艏錨船體各呈35°、45°，船艉錨與船體各呈45°、55°，均為600 m(見圖3)。

3.2 運(yùn)輸船駐位

集成式附屬構(gòu)件運(yùn)輸船根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際風(fēng)浪情況靠800t固定扒桿起重船左舷或右舷，通過纜繩綁定于800 t固定扒桿起重船上，靠船位置需使所吊集成式附屬構(gòu)件在可吊范圍(如圖4，兩圓圈中間范圍)。施工人員及技術(shù)員登至運(yùn)輸船，檢查集成式附屬構(gòu)件外觀并清點(diǎn)物料。

圖4 套籠運(yùn)輸船駐位示意圖

3.3 集成式附屬構(gòu)件掛鉤

運(yùn)輸船駐位完成后，利用800 t固定扒桿起重船主鉤通過軟吊籠將施工人員吊至內(nèi)平臺。到達(dá)外平臺后，檢查外平臺鋼格柵是否固定牢固，檢查后可將安全帶雙鉤固定于牢固的鋼格柵上。

首先拆除吊點(diǎn)位置的鋼格柵，起重指揮指揮吊機(jī)將吊索具吊至吊點(diǎn)位置，施工人員完成吊索具安裝。吊裝采用兩根鋼絲繩連接4個吊點(diǎn)，每根鋼絲繩連接兩個吊點(diǎn)，為盡量避免偏心問題，鋼絲繩所連接得兩吊點(diǎn)方向應(yīng)與矩形外平臺長邊平行。

3.4 集成式附屬構(gòu)件吊裝

外平臺上施工人員完成掛鉤后，運(yùn)輸船甲板施工人員拆除集成式附屬構(gòu)件運(yùn)輸固定工裝，并安裝纜繩用于調(diào)整方向。拆除后外平臺上起重指揮指揮吊機(jī)將集成式附屬構(gòu)件吊至鋼管樁頂，船甲板施工人員通過樁身標(biāo)記線及集成式附屬構(gòu)件圈梁上得牛腿及塔筒門方向，利用纜繩調(diào)整集成式附屬構(gòu)件方向，調(diào)整完成后繼續(xù)下放集成式附屬構(gòu)件至無法繼續(xù)下降，樁身牛腿完全進(jìn)入燕尾卡，并通過樁頂與套籠頂高度核算(見圖5)。

圖5 套籠距樁頂示意圖

采用雙層液壓抱樁器，其主要用途為實(shí)時調(diào)整樁身垂直度。該雙層液壓抱樁器由基座、導(dǎo)向滾輪、擺塊和液壓系統(tǒng)組成?；ㄟ^定位平臺頂部的導(dǎo)向與承重為13 000 t的載重船GPS定位系統(tǒng)精確安裝到定位平臺頂部；擺塊的啟閉通過轉(zhuǎn)軸與液壓桿完成；抱樁器的上下兩層各布置4臺 液壓千斤頂，共8臺千斤頂，其中4臺千斤頂固定在4個擺塊上，每個擺塊上各固定一臺，千斤頂?shù)亩瞬堪惭b有導(dǎo)向滾輪，千斤頂將鋼管樁鎖死后，鋼管樁可順千斤頂垂直下垂，即可完成鋼管樁的穩(wěn)樁定位與樁身垂直度調(diào)整，又可有效保護(hù)樁身防腐層，由本工程鋼管樁參數(shù)可知，調(diào)整千斤頂伸縮量可保證將鋼管樁一次性沉樁到位。

3.5 集成式附屬構(gòu)件脫鉤

施工人員連接好安全帶雙鉤，通過小錘等工具，將卸扣從吊點(diǎn)處拆除，再將掛鉤時移走的鋼格柵板恢復(fù)并擰緊掛鉤，最后人員乘坐軟吊籠隨吊索具返回船甲板。

4 施工測量

4.1 穩(wěn)樁平臺測量方法

1)穩(wěn)樁平臺平面位置測量方法。1 200 t全回轉(zhuǎn)起重船、1 500 t全回轉(zhuǎn)起重船、承重為13 000 t的載重船及2 200 t固定扒桿起重船進(jìn)行穩(wěn)樁平臺定位：首根樁采用星站差分，后續(xù)樁采用GPS安裝在穩(wěn)樁平臺頂部抱裝器中心然后采用點(diǎn)放樣的形式進(jìn)行平面定位，吊機(jī)吊至位置后進(jìn)行穩(wěn)樁平臺沉放。

生態(tài)清潔小流域建設(shè)。遠(yuǎn)、中山及人口稀少地區(qū)主要采取生態(tài)移民、封禁治理和政策保障措施，提高水土保持能力；中、低山及人類活動頻繁地區(qū)主要采取林草植被、小型水利水保工程、生態(tài)農(nóng)業(yè)、面源污染防治、污水和垃圾處理等措施，提高水源涵養(yǎng)能力；河（溝）道兩側(cè)及庫湖周邊地區(qū)主要采取溝道工程、河道綜合整治、植物緩沖過濾帶建設(shè)等措施，提高水質(zhì)凈化能力。

2)穩(wěn)樁平臺高程測量方法。輔助樁沉完后，架設(shè)水準(zhǔn)儀在輔助樁身上標(biāo)識水平線，也可用水平管測樁身相對水平線，并通過樁身刻度反計算到預(yù)提升樁身刻線數(shù)高程。穩(wěn)樁平臺提升加固完成后，通過水準(zhǔn)儀進(jìn)行水平度復(fù)測，通過GPS進(jìn)行樁中心位置復(fù)測，并把相對位置反尺到千斤頂上并標(biāo)記。

4.2 沉樁施工測量方法

4.2.1 垂直度測量方法

1)入龍口階段。起重船起吊鋼管樁入龍口時，在樁入泥2 m左右用千斤頂頂住鋼樁。之后調(diào)整樁身垂直度。調(diào)整樁垂直度具體方法：兩人使用經(jīng)緯儀夾角90°觀測樁身刻度位置，調(diào)整垂直度可采用吊機(jī)與千斤頂配合調(diào)整，反復(fù)調(diào)整到滿足自沉精度和方向，垂直度控制在0.5‰或調(diào)整絕對垂直狀態(tài)，做好記錄。

2)自重下沉控制階段。調(diào)整好樁身垂直度后，自重下沉，下沉?xí)r通過經(jīng)緯儀實(shí)時觀測樁身垂直度并通過千斤頂進(jìn)行調(diào)整，滿足要求后由測量人員記錄好垂直度。

3)開錘前垂直度確認(rèn)階段。樁身自重下沉之后，進(jìn)行打樁錘吊裝和壓錘，壓錘前和壓錘后復(fù)測樁身垂直度并記錄。

4)正常沉樁垂直度可調(diào)階段。剛開始小能量單擊打樁時，測量人員每2～3 m，停錘校正樁身垂直度，并做好記錄。

5)連續(xù)沉樁階段。連續(xù)沉樁時，前30 m，每3～4 m停錘觀測垂直度，后30 m，每3～5 m觀測一次，直至液壓頂無法調(diào)節(jié)停止觀測。

若出現(xiàn)溜樁現(xiàn)象，溜樁停止后，立即進(jìn)行垂直度復(fù)測，確保垂直度在1‰范圍內(nèi)，再繼續(xù)沉樁。

利用GPS測量出平臺頂面高程，通過水準(zhǔn)儀引測到千斤頂上，推算出樁身刻度，沉樁到近2～3 m到設(shè)計標(biāo)高時，復(fù)測穩(wěn)樁平臺頂面標(biāo)高并重新推算樁身刻度，當(dāng)千斤頂頂面與預(yù)算樁身刻度對齊時，即沉樁完畢。

4.2.3 樁頂法蘭盤水平度測量方法

測量人員用精密水準(zhǔn)儀測量樁頂法蘭盤平整度，復(fù)測時，應(yīng)按法蘭盤圓周正北12點(diǎn)方向均勻分布6個點(diǎn)。記錄表見附件，示意圖見圖6。

圖6 水平度測量點(diǎn)示意圖

4.2.4 塔筒門方向測量方法

樁制作時在樁身上18～32 m處標(biāo)記出樁身塔筒門方向引線，穩(wěn)樁平臺定位完成后復(fù)測樁心坐標(biāo)并通過CAD算出在穩(wěn)樁平臺上塔筒門方向引線兩個坐標(biāo)點(diǎn)，通過GPS放出并標(biāo)記在穩(wěn)樁平臺上。在穩(wěn)樁平臺入龍口時通過旋轉(zhuǎn)樁身的方法使得樁身引線與平臺引線重合，即塔筒門方向定位完成。

5 結(jié) 語

為解決受到海風(fēng)以及海洋地質(zhì)等因素影響下，大直徑單樁基礎(chǔ)沉樁精確度要求較高以及附屬構(gòu)件安裝安全性難以得到保障的問題。提出一種海上風(fēng)機(jī)大直徑單樁基礎(chǔ)附屬構(gòu)件安裝及施工測量方法。

首先，單樁基礎(chǔ)沉樁施工主要位于3個工作面，沉樁施工場地主要以船舶為載體，其中工作面1上主要進(jìn)行起吊作業(yè)，工作面2進(jìn)行部分起吊作業(yè)以及沉樁作業(yè)，工作面3進(jìn)行翻樁作業(yè)以及沉樁作業(yè)。

其次，提出施工船舶駐位、運(yùn)輸船駐位、集成式附屬構(gòu)件掛鉤、集成式附屬構(gòu)件吊裝、集成式附屬構(gòu)件脫鉤等5項附屬構(gòu)件安裝施工技術(shù)。

最后，提出穩(wěn)樁平臺位置測量方法以及高程測量方法、沉樁施工中垂直度測量方法、樁頂高程測量方法、樁頂法蘭盤水平度測量方法、等5項關(guān)鍵施工測量技術(shù)。