海上風(fēng)電大直徑單樁施工定位及樁身垂直度控制測量技術(shù)

鄭洪剛

（天津港航工程有限公司，天津 300457）

目前海上風(fēng)電工程的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)多采用無過渡段的單樁基礎(chǔ)形式，其施工工藝與傳統(tǒng)的沉樁工藝存在區(qū)別。同時由于現(xiàn)階段風(fēng)電工程對于工期、質(zhì)量要求都非常嚴(yán)苛，所以對鋼管樁的沉樁施工有了更高的要求，一般樁頂法蘭水平度都要求在3‰以內(nèi)。如何采用快速的沉樁工藝及保證單樁沉設(shè)的質(zhì)量成為工程進(jìn)度及質(zhì)量保障的關(guān)鍵因素。本文根據(jù)華能山東海上風(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)工藝及過程中的施工船舶定位和樁身垂直度控制進(jìn)行總結(jié)，重點(diǎn)控制在沉樁施工中船舶、穩(wěn)樁架定位速度及樁身垂直度控制。

1 華能山東海上風(fēng)電工程概況

華能山東半島南4 號海上風(fēng)電項(xiàng)目場址為東北—西南向長約16 km，西南—東北向?qū)捈s2.7 km，總規(guī)劃面積約45.56 km2，風(fēng)電場場址水深28~31 m。共58臺風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)均采用無過渡段單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式，樁長84~94 m，樁重1 200~1 400 t，單樁基礎(chǔ)樁直徑6.0~8.5 m，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，樁頂設(shè)置集成式套籠。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。

2 船機(jī)設(shè)備選型

本項(xiàng)目采用了雙機(jī)抬吊的工法，主起重船選用1 500 t的“嘉泰68”，船長90.8 m，船寬35 m，型深6.78 m，輔助起重船選用800 t全回轉(zhuǎn)“特順起重01”，船長78.3 m，船寬29.3 m，型深5.5 m。定位駁船選用“今海龍2 號”，船長97 m，船寬27 m，型深5 m，空載吃水3.5 m，總噸位3 465 t。此定位駁船作為沉樁施工作業(yè)平臺，施工人員安置在此定位駁船上，甲板上放置液壓沖擊錘及動力設(shè)備、液壓振動錘和沉樁施工使用的吊索具。

坐底式穩(wěn)樁架由架體、底部防沉板、浮筒、抱樁器平臺（兩層）、動力站、4 根定位樁組成。其中架體高50.18 m，長25 m，寬23 m；兩層抱樁器平臺相距12 m；定位樁樁長70 m；穩(wěn)樁架主體重803 t，4 根定位樁重477 t，總重1 280 t。穩(wěn)樁架定位通過“嘉泰68”起吊托運(yùn)來完成移場駐位，見圖1。

圖1 穩(wěn)樁架移場駐位圖

定位設(shè)備選擇Trimble sps855，并采用CORX網(wǎng)及星站差分（RTX） 技術(shù)，具有準(zhǔn)確可靠、效率高、全天候、單機(jī)作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)。定位軟件采用上海繪海儀器有限公司編寫的打樁定位系統(tǒng)，可以確保隨時能夠提供精確的定位信息。

3 穩(wěn)樁架施工定位控制

穩(wěn)樁架定位采用錨點(diǎn)定位法來完成，即先精確拋設(shè)各船舶定位錨，再通過調(diào)節(jié)錨纜的長短來移動起重船，進(jìn)而將穩(wěn)樁架精確定位，具體流程如下。

一是根據(jù)鋼管樁加工廠家提供的裝船圖確定船舶及穩(wěn)樁架攏口的駐位方向，一般分為南北駐位和東西駐位兩種常見的方式。

二是根據(jù)穩(wěn)樁架駐位方向及拋錨角度和拋錨長度計算出各船的錨點(diǎn)平面坐標(biāo)，然后再將平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)，方便拋錨艇拋錨作業(yè)。

三是拖輪拖帶“嘉泰68”及穩(wěn)樁架到將要施工的風(fēng)機(jī)機(jī)位，到達(dá)定位錨點(diǎn)時，“嘉泰68”先將船舶主定位錨拋下，完成船舶初步定位。

四是拋錨艇將各個定位錨按照計算好的錨點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行精確拋錨定位。拋錨過程中要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況及氣象條件，先拋逆風(fēng)、逆流方向的定位錨，防止船舶隨風(fēng)、水流漂移太遠(yuǎn)。

五是所有定位錨拋設(shè)完成后，“嘉泰68”通過絞錨完成穩(wěn)樁架方位和位置的調(diào)整。調(diào)整過程中為降低涌浪和風(fēng)力對穩(wěn)樁架晃動的影響，調(diào)整時先將穩(wěn)樁架下放至泥面以上約0.5 m處，停止下放，再通過絞錨精確調(diào)整穩(wěn)樁架的方向和位置。待調(diào)整完畢后再下放穩(wěn)樁架，因架體前后重量不均勻，下放過程中會出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，為此需要通過多次提升和下放確定滑移量和滑移方向，根據(jù)滑移方向調(diào)整主副鉤下放的先后順序，確保坐底式穩(wěn)樁架下放到設(shè)計位置，保證抱樁器中心位置偏差在500 mm之內(nèi)。

六是穩(wěn)樁架駐位完成后，要盡快將穩(wěn)樁架定位樁打設(shè)完成，防止涌浪、風(fēng)力及穩(wěn)樁架滑移對穩(wěn)樁架位置造成影響。

4 樁身垂直度控制

海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)施工對垂直度精度要求較高，設(shè)計要求縱軸線垂直度偏差不得超過3‰，且單樁基礎(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，因此單樁的垂直度必然是施工過程中控制的重點(diǎn)。因?yàn)樵O(shè)計要求單樁垂直度最終要控制在3‰以內(nèi)，所以在相應(yīng)的喂樁、抱樁自沉、錘擊沉樁階段垂直度精度應(yīng)控制在1‰以內(nèi)才能確保達(dá)到最終控制標(biāo)準(zhǔn)。為此單樁沉樁過程中的垂直度控制是沉樁質(zhì)量控制中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

本工程采用坐底穩(wěn)式穩(wěn)樁平臺，該平臺由4 根直徑2.2 m、長70 m、壁厚30 mm 的鋼管樁作為支撐系統(tǒng)，并將平臺固定于海床之上，使其不受潮位變化、涌浪、風(fēng)力等影響。抱樁器平臺采用雙層設(shè)計，上下層高差為12 m，每層平臺上設(shè)可開合式抱樁器并配置4 臺液壓千斤頂，沿圓周均勻布設(shè)。同時為避免施工中鋼樁涂裝被別蹭，千斤頂端部均設(shè)有橡膠滾輪[1]。

沉樁過程中，采用兩臺全站儀同時進(jìn)行觀測，觀測位置為兩個互為直角的千斤頂位置所對應(yīng)的樁身，見圖2。1# 全站儀觀測點(diǎn)在測線1 方向的偏位，2#全站儀觀測點(diǎn)在測線2 方向的偏位，測線3方向上偏位根據(jù)三角函數(shù)可計算求得。觀測時全站儀目鏡先照準(zhǔn)鋼管樁豎直段下側(cè)，使目鏡豎絲貼緊樁壁，此時置零全站儀水平度盤，轉(zhuǎn)動目鏡照準(zhǔn)鋼管樁豎直段上側(cè)，使目鏡豎絲貼緊樁壁，測出此時的水平角度。通過公式建立樁體水平角與垂直度關(guān)系，計算出樁身垂直度是否滿足要求。

圖2 垂直度觀測示意圖

水平投影差計算公式為

式中：D 為鋼管樁在觀測方向水平偏移投影距離；Δα 為上下視線瞄準(zhǔn)觀測水平角度；ρ 為角度與弧度轉(zhuǎn)化數(shù)值，1 弧度對應(yīng)的秒值為206 265 s；S 為測站至鋼管樁邊沿水平距離。

垂直度計算公式為

式中：Δh為儀器觀測鋼管樁豎直段上下側(cè)刻度差。

4.1 喂樁階段垂直度控制

喂樁階段的垂直度調(diào)整是沉樁的第一步，喂樁前根據(jù)液壓千斤頂位置、鋼管樁直徑、實(shí)測的樁位偏差數(shù)據(jù)計算各個千斤頂?shù)捻斶M(jìn)長度，然后按照先內(nèi)側(cè)后外側(cè)的順序進(jìn)行，即喂樁前先將內(nèi)側(cè)的上下2 層4 個千斤頂頂進(jìn)到計算的長度上。待樁身進(jìn)入龍口后，先將樁身緩慢地壓到已調(diào)整好的內(nèi)側(cè)千斤頂上，使千斤頂前端橡膠滾輪與樁壁頂緊；為避免鋼管樁隨涌浪、海風(fēng)等晃動，此時需將鋼管樁下沉入泥0.5~1.0 m。待樁穩(wěn)定后合攏抱臂操作外側(cè)上下2 層4 個千斤頂至橡膠滾輪與樁壁貼緊。初步調(diào)整鋼樁垂直度在插樁入位過程中進(jìn)行，因單樁重量大，會隨入泥深度增加糾偏，難度逐漸增大，所以初期的鋼樁垂直度調(diào)整尤為重要。為預(yù)防后續(xù)工序?qū)Υ怪倍仍斐筛笥绊?，本階段鋼樁垂直度控制值應(yīng)比設(shè)計要求的更高，垂直度預(yù)控值為1‰以內(nèi)。

4.2 自沉樁階段垂直度控制

自沉樁階段是指鋼管樁依靠自身重量下沉入泥直至鋼絲繩不受力脫鉤階段。這個階段是垂直度控制前期的重要階段，必須嚴(yán)加控制。一般自沉樁階段根據(jù)樁體入泥深度和起重船吊重變化大致分為兩個階段，第一階段為入泥8~10 m 之前，此時因?yàn)闃渡硎芩椒较虻牧^小，樁身上部受起重船、涌浪等影響晃動較大，垂直度主要通過調(diào)整起重船的前后左右位置、抱樁器上的千斤頂來控制。第二階段為入泥8~10 m 至脫鉤，這個階段樁趨向于穩(wěn)定狀態(tài)，垂直度主要通過調(diào)整抱樁器千斤頂來控制。樁身自沉入泥過程中，鋼管樁每下沉2 m 后停止下沉，待樁穩(wěn)定后測量人員觀測垂直度，如發(fā)現(xiàn)任何方向偏差大于1‰時，及時進(jìn)行糾偏。

4.3 法蘭水平度調(diào)整

樁自沉完畢后進(jìn)行法蘭盤水平度調(diào)整，主要目的是在保證法蘭水平度合格的情況下，測量出樁身垂直度偏差量，并作為后期沉樁過程中垂直度觀測的基礎(chǔ)值。法蘭水平度測量方法是將測量吊籃吊至樁頂并將水準(zhǔn)儀架設(shè)在樁頂中心位置，順時針依次在樁頂法蘭盤一圈平均分配的8 個點(diǎn)上立尺，分別用水準(zhǔn)儀測量各個點(diǎn)位的尺讀數(shù)，最后閉合到第一個測點(diǎn)上算一個測回。按此方法測量兩個測回，比較各測回點(diǎn)位高差的互差，互差最大值不超過1 mm時測量結(jié)果合格，否則增加測回數(shù)。然后根據(jù)對應(yīng)點(diǎn)位的高差和樁身直徑計算法蘭盤的實(shí)際水平度。

樁頂法蘭水平度調(diào)整主要是通過調(diào)整上下層平臺上的千斤頂來完成，根據(jù)測出的8 個點(diǎn)的高差，以“高點(diǎn)一側(cè)千斤頂縮回，低點(diǎn)一側(cè)千斤頂頂進(jìn)”為原則，不斷調(diào)節(jié)千斤頂?shù)捻斶M(jìn)與縮回來完成法蘭水平度調(diào)整，直至8 個點(diǎn)高差互差不超過1 mm時完成。法蘭水平度調(diào)整完成后將經(jīng)緯儀架設(shè)在上層平臺，觀測樁頂及以下無變徑段范圍樁身垂直度，并以本次的觀測值作為后續(xù)垂直度控制的初始觀測讀數(shù)。

4.4 錘擊沉樁階段樁身垂直度控制

錘擊沉樁大致分為兩個階段，第一階段為溜樁和錘擊沉樁共入泥前20 m，第二階段為溜樁和錘擊沉樁共20 m 后。第一階段樁身由未穩(wěn)定逐漸變?yōu)榉€(wěn)定，是垂直度控制的最關(guān)鍵時期。因地質(zhì)原因，溜樁情況在第一階段普遍存在，溜樁時樁身下沉速度快，來不及調(diào)整千斤頂，樁身垂直度不可控，易發(fā)生傾斜風(fēng)險。因此根據(jù)地質(zhì)勘探報告預(yù)測，在將要發(fā)生溜樁前0.5 m 左右停止沉樁，測量人員觀測樁身垂直度，并調(diào)整千斤頂使樁身垂直度達(dá)到最佳狀態(tài)。減小沉樁時錘擊的能量和頻率，必要時采用單擊或二三連擊。同時控制打樁錘吊繩放松幅度，大約為0.3~0.5 m，防止溜樁時打樁錘下落距離太大而對起重船產(chǎn)生過大沖擊力而產(chǎn)生安全事故。

錘擊沉樁第二階段，由于樁身已經(jīng)入泥，深度很大，千斤頂已經(jīng)無法調(diào)節(jié)樁身垂直度，只能使用千斤頂對樁身偏移的趨勢進(jìn)行控制，控制方法與錘擊前20 m樁身垂直度控制方法相同。同時錘擊沉樁，過程中應(yīng)實(shí)時對千斤頂進(jìn)行觀察，當(dāng)千斤頂上下擺動過大時應(yīng)適當(dāng)縮回以免千斤頂受力過大而損壞，直至沉樁結(jié)束。

5 結(jié)束語

目前海上風(fēng)電蓬勃發(fā)展，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)大直徑鋼管樁應(yīng)用越來越廣泛，而風(fēng)電基礎(chǔ)大直徑鋼管樁日漸向直徑大、重量大變化。面對此變化，本文側(cè)重于施工船舶定位及沉樁過程中垂直度質(zhì)控的總結(jié)，具有當(dāng)前國內(nèi)大直徑鋼管樁沉樁施工工藝的代表性。通過對大直徑鋼管樁海上施工工藝經(jīng)驗(yàn)的總結(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。