海上沉樁施工工藝與質(zhì)量控制

李光明 王鑫

（中國(guó)廣核新能源控股有限公司，北京 100071）

0.引言

在海上，其風(fēng)電項(xiàng)目具備一定的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，占地資源相對(duì)較少且風(fēng)力和風(fēng)能密度較大，在海上的風(fēng)電項(xiàng)目技術(shù)發(fā)展不斷成熟的今天，風(fēng)電基礎(chǔ)施工的技術(shù)得到了不斷的提升，海上的風(fēng)電項(xiàng)目的建設(shè)成本也得到了逐年的下降，針對(duì)于大型化機(jī)組不斷發(fā)展的今天，需要對(duì)海上沉樁施工工藝與質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)化的控制，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的全面提升。

1.海上沉樁施工原理

1.1 應(yīng)力波動(dòng)沉樁原理

在沉樁施工的原理方面，拿鋼管樁來(lái)說(shuō)，可以將其稱之為自由支撐的彈性桿件的一端在受到來(lái)自外界的撞擊力之后，其應(yīng)力的縱波在桿件內(nèi)部進(jìn)行傳播的一個(gè)過程。其中，在各部分的質(zhì)量以及其剛性結(jié)構(gòu)的模擬過程當(dāng)中，彈性主要是無(wú)質(zhì)量的彈簧模擬，撞的側(cè)阻力和端阻力主要借助于黏彈塑性模型來(lái)進(jìn)行描述。對(duì)于樁來(lái)說(shuō)，受到錘擊的過程可以分割為時(shí)間函數(shù)，在接受錘擊的時(shí)候樁體本身會(huì)產(chǎn)生軸力，以此可以對(duì)對(duì)每一時(shí)間段樁的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算分析得出。

1.2 可行性分析

在沉樁效率的分析過程當(dāng)中，可以根據(jù)其工程的地質(zhì)資料借助于波動(dòng)方程軟件 GRLWEAP來(lái)進(jìn)行樁打入的可行性分析，如果沉樁的過程當(dāng)為連續(xù)的滿沖沉樁，其液壓錘的最大打擊能量可以為1020kJ，在沉樁動(dòng)端阻力為靜態(tài)端阻力的1.2倍，土體本身的沉樁動(dòng)側(cè)阻力等效為靜態(tài)極限的承載力。在實(shí)際的施工過程當(dāng)中，可以采用打樁-掏孔-沉樁工藝，來(lái)獲取良好的施工效果。

1.3 設(shè)備選擇

在進(jìn)行施工設(shè)備的選擇方面，有多個(gè)方面：

（1）在鉆孔設(shè)備的效率方面。對(duì)于海上風(fēng)電項(xiàng)目可以采用海上嵌巖設(shè)備來(lái)施工，其中包含了沖擊鉆機(jī)、旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)，在排除外界因素條件以及設(shè)備故障所造成的影響之后，對(duì)不同的嵌巖設(shè)備樁基嵌巖施工效率進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)在淤泥沙土等覆蓋層的鉆井速度方面差距不大，在強(qiáng)風(fēng)化巖以及弱風(fēng)化花崗巖石層方面的施工效率屬于沖擊鉆的1.75～3倍。沖擊鉆對(duì)于覆蓋層進(jìn)行施工的時(shí)候其效率屬于旋挖鉆機(jī)的120%，對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化巖石層鉆進(jìn)速度來(lái)說(shuō)，區(qū)別于其他設(shè)備較慢。旋挖鉆機(jī)對(duì)于強(qiáng)度較小的覆蓋層來(lái)說(shuō)，在施工速度方面相對(duì)較快，但是針對(duì)于巖石層強(qiáng)度較大的弱風(fēng)化巖層來(lái)說(shuō)，鉆進(jìn)的效率不高。

（2）在鉆孔的設(shè)備選擇方面。沖擊鉆具備安裝方便且施工成本較低的特點(diǎn)，但是應(yīng)用于強(qiáng)風(fēng)化巖層當(dāng)中其施工鉆孔的效率相對(duì)較低，且對(duì)鉆頭部分需要定期進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維護(hù)加焊，對(duì)于其單孔的施工周期也相對(duì)較長(zhǎng)，并且施工的過程當(dāng)中鉆孔的深度需要保持在60m以內(nèi)。利用旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔的話其速度較快，成孔較穩(wěn)定且質(zhì)量可靠，可以適用于較深的施工鉆孔，但是此種方式在外接電源的要求方面較高，鉆機(jī)的拆裝以及移動(dòng)孔位的工作量巨大。旋挖鉆機(jī)具有方便移動(dòng)的特點(diǎn)，對(duì)于非巖體部分的鉆進(jìn)速度較快，但是對(duì)弱風(fēng)化巖層等強(qiáng)度較大的巖體層鉆進(jìn)的效率相對(duì)較低，如果利用此種設(shè)備來(lái)對(duì)大直徑的嵌巖樁施工的過程當(dāng)中，需要借助于分級(jí)鉆進(jìn)的方式來(lái)進(jìn)行樁基施工，且孔深需要在100m以內(nèi)。在不同的鉆孔設(shè)備下，其施工的效率、實(shí)驗(yàn)范圍以及工程的場(chǎng)址地質(zhì)條件下，可以采用沖擊鉆來(lái)實(shí)現(xiàn)二次沉樁前的施工，其中需要以旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)為主來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌巖施工。

2.施工關(guān)鍵技術(shù)

在本文當(dāng)中主要對(duì)大直徑的鋼管樁施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，在這個(gè)過程當(dāng)中需要分為多個(gè)方面來(lái)研究：

（1）對(duì)于沉樁的打入需要進(jìn)行錘型的確定和分析，對(duì)于沉樁的順利施工需要提前進(jìn)行地勘資料的分析和鉆孔土層分布狀態(tài)的掌握，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行力學(xué)性能的相關(guān)鹽酸，結(jié)合樁體本身的結(jié)構(gòu)，借助于打樁分析軟件來(lái)對(duì)沉樁進(jìn)入土層之后所承受的摩擦力和阻力進(jìn)行模擬，以此來(lái)對(duì)沉樁過程當(dāng)中的所需夯擊能進(jìn)行計(jì)算和研究，其中對(duì)于液壓打樁錘來(lái)說(shuō)可以借助液壓傳動(dòng)的特點(diǎn)來(lái)增強(qiáng)錘和樁體之間的錘擊時(shí)間，加強(qiáng)有效的貫入能量的同時(shí)還可以有效減少打壞樁頭的風(fēng)險(xiǎn)，比較適用于較大的管徑和較重質(zhì)量的單鋼管樁沉樁施工項(xiàng)目當(dāng)中[1]。

（2）還需要具備獨(dú)立的雙層穩(wěn)樁平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)沉樁的調(diào)節(jié)技術(shù)，對(duì)于沉樁的垂直度來(lái)說(shuō)，可以借助于穩(wěn)樁平臺(tái)來(lái)為鋼管樁的沉樁施工提供出一個(gè)可靠穩(wěn)定的平面定位和豎直導(dǎo)向，此種類型的固定式的鋼管樁平臺(tái)在水文方面的影響較小，其作業(yè)也比較方便，施工的效率相對(duì)較高。利用此種方式可以保證鋼管樁的沉樁質(zhì)量。比如一個(gè)工廠當(dāng)中采用雙層導(dǎo)管架式的穩(wěn)樁平臺(tái)來(lái)進(jìn)行支撐，其支撐系統(tǒng)需要扎根在海床上且正常的操作不受到潮位的變化影響，借助于雙層鋼結(jié)構(gòu)的平臺(tái)來(lái)進(jìn)行每層平臺(tái)設(shè)置一個(gè)抱樁器，利用對(duì)上下抱樁器的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)樁體垂直導(dǎo)向的調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)整根鋼管樁的調(diào)節(jié)。與此同時(shí)還可以根據(jù)定位來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)樁平臺(tái)的精準(zhǔn)定位施工[2]。

（3）對(duì)于內(nèi)嵌式的送樁器來(lái)說(shuō)，可以采取樁頂法蘭保護(hù)的技術(shù)，利用內(nèi)嵌式的送樁器其頂部和樁錘部分需要保持相適應(yīng)的狀態(tài)。底口部分需要和樁頂?shù)姆ㄌm直徑相一致，將樁錘和管樁來(lái)相連接可以有效地解決樁錘和樁頂?shù)倪B接問題，同時(shí)可以保護(hù)法蘭不會(huì)受到破壞。除此之外，對(duì)于大直徑的鋼管樁法蘭面水平度的測(cè)量控制技術(shù)來(lái)說(shuō)，需要對(duì)管樁加工的過程當(dāng)中進(jìn)行垂直度的控制，做好法蘭面和樁軸線的垂直度驗(yàn)收工作，在樁體運(yùn)輸?shù)倪^程當(dāng)中需要做好對(duì)成品樁的保護(hù)工作，防止鋼管樁的變形。對(duì)于沉樁的過程需要充分借助于雙層穩(wěn)樁來(lái)進(jìn)行控制，在這個(gè)過程當(dāng)中，對(duì)于喂樁過程當(dāng)中，需要利用起重船來(lái)將鋼樁喂到穩(wěn)樁平臺(tái)的抱樁器當(dāng)中，借助于抱樁器和鋼樁上的預(yù)先做好的標(biāo)記來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼樁轉(zhuǎn)角的控制，借助于抱樁器的液壓推缸當(dāng)中的限位功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼樁的平面位置的控制。對(duì)于鋼樁的自沉階段來(lái)說(shuō)，需要在鋼樁入泥之后對(duì)2個(gè)鉤頭的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直方向的調(diào)整[3]。

3.操作要點(diǎn)

（1）需要對(duì)穩(wěn)樁平臺(tái)進(jìn)行定位安裝，在這個(gè)過程當(dāng)中其一需要進(jìn)行穩(wěn)樁平臺(tái)船的定位，根據(jù)樁位的坐標(biāo)和錨攬的長(zhǎng)度來(lái)對(duì)船舶進(jìn)行定位軸線和鋪位坐標(biāo)，進(jìn)行拋錨之后進(jìn)行錨攬的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)船舶的中心線和既定軸線保持一致的狀態(tài)。對(duì)于船位來(lái)說(shuō)，可以進(jìn)行全程數(shù)字化的顯示。在這個(gè)過程當(dāng)中可以采取SPS855型GPS接收機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的定位精度確定，該種型號(hào)的接收機(jī)采用外掛模式的方式。對(duì)于穩(wěn)樁平臺(tái)和臨時(shí)支撐樁的吊裝來(lái)說(shuō)，需要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的整體上升，到預(yù)定高度的狀態(tài)下放置在穩(wěn)樁平臺(tái)的支撐座當(dāng)中，借助于4根支撐樁來(lái)插入穩(wěn)樁平臺(tái)的導(dǎo)管內(nèi)。

（2）對(duì)于穩(wěn)樁平臺(tái)的支撐樁沉樁操作，需要利用振動(dòng)錘進(jìn)行沉樁操作，沉樁的深度需要根據(jù)樁位所在的地質(zhì)條件環(huán)境確定，一般來(lái)說(shuō)，入泥的深度需要在16m以上的范圍。對(duì)于穩(wěn)樁平臺(tái)的提升和固定，需要根據(jù)其管樁的標(biāo)高，對(duì)于平臺(tái)的提升到位之后，就可以進(jìn)行精確程度的確定和調(diào)整，在對(duì)全部吊掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行鎖定之后，可以利用鋼楔塊實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和支撐樁之間的縫隙可以固定，以此來(lái)形成一個(gè)獨(dú)立且穩(wěn)定的框架平臺(tái)。對(duì)于穩(wěn)樁平臺(tái)，提升之前需要進(jìn)行鋼管樁的標(biāo)記，提升的過程需要保證整體提升，對(duì)于四角的提升高度都需要觀察注意，防止出現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)的因素和現(xiàn)象[4]。

4.實(shí)例應(yīng)用

在本文當(dāng)中，主要以廣東某地區(qū)的海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目來(lái)作為主要的研究對(duì)象，該工程場(chǎng)址面積約64km2，共40個(gè)機(jī)位，其中包括20個(gè)單樁施工，水深在30m～42m之間，樁重約1800t～2150t，樁長(zhǎng)100.5m～113.5m，最大單樁樁徑9.5m；在該工程當(dāng)中需要實(shí)現(xiàn)單樁施工。在我國(guó)現(xiàn)階段的國(guó)內(nèi)單樁基礎(chǔ)較多應(yīng)用于25m以內(nèi)水深，基礎(chǔ)重量控制在1500t以內(nèi)，一般采用的是雙浮吊翻身施工工藝。該工程的風(fēng)電單樁樁重1800t～2150t，對(duì)船機(jī)施工工藝等要求較高，雙鉤翻身風(fēng)險(xiǎn)大；再加上該地區(qū)的海域受到臺(tái)風(fēng)的影響，其海況相對(duì)惡劣，在施工條件和地質(zhì)條件方面都有一定的難度。地質(zhì)淤泥層20m左右，易溜樁，對(duì)單樁垂直度影響大。

在該工程單樁施工裝備及工藝當(dāng)中，包含浮吊船單船單鉤翻身工藝研究、穩(wěn)樁平臺(tái)及抱樁器系統(tǒng)、液壓打樁錘系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)試驗(yàn)等，主要用于深水大容量海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)單樁的起吊、翻樁、穩(wěn)樁及打樁作業(yè)。其中浮吊船單鉤翻樁工藝、坐底式單樁穩(wěn)樁技術(shù)、穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)、抱樁器液壓伺服控制技術(shù)等需要作出重點(diǎn)研究，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)超重單樁高效作業(yè)的目標(biāo)。

在該工程的施工工藝當(dāng)中，施工主船拖航至機(jī)位處拋錨精確定位，施工輔助翻身浮吊拖航至機(jī)位附近處拋錨定位。同時(shí)將穩(wěn)樁平臺(tái)定位于機(jī)位。運(yùn)樁船四錨定位至兩船中間。定位完成后，采用兩船抬吊的方式進(jìn)行翻樁，待翻身完成，通過絞錨移船將單樁吊入穩(wěn)樁平臺(tái)，然后起吊打樁錘，壓錘、沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高，最后完成附屬件安裝，并完成驗(yàn)收。在施工的過程當(dāng)中，由于其氣候條件惡劣，需研究改造適用于項(xiàng)目的穩(wěn)樁平臺(tái)；本項(xiàng)目最大單樁重達(dá)到2150T，直徑大，傳統(tǒng)的雙鉤翻身工藝可操作性差；地質(zhì)淤泥層厚，穩(wěn)樁平臺(tái)調(diào)平困難，沉樁垂直度控制難度大。

在該工程的施工過程當(dāng)中，對(duì)于穩(wěn)樁平臺(tái)改造當(dāng)中，目前海上風(fēng)電場(chǎng)單樁基礎(chǔ)主要適用于水深小于30m的海域，隨著海洋風(fēng)電開發(fā)向深海發(fā)展，現(xiàn)有單樁施工工藝及穩(wěn)樁平臺(tái)亟需研究發(fā)展。針對(duì)我國(guó)近海風(fēng)電場(chǎng)海域水深情況以及風(fēng)機(jī)單樁參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，研究穩(wěn)樁平臺(tái)改造分析，建立和完善試驗(yàn)系統(tǒng)，利用SESAM建模分析穩(wěn)樁平臺(tái)針對(duì)不同地質(zhì)的定位以及固定狀態(tài)，提出合理的工藝流程總體方案。對(duì)于穩(wěn)樁平臺(tái)改造，設(shè)計(jì)為上下2層，每層穩(wěn)樁平臺(tái)上布置4個(gè)油缸，推力200t，行程1250mm。結(jié)構(gòu)設(shè)置4個(gè)套筒，通過焊接固定。采用嵌入式的方式，需要保證其凈空尺寸不小于11m；上下層穩(wěn)樁平臺(tái)距離為8m。穩(wěn)樁平臺(tái)抱樁徑范圍：Φ7.5m～Φ10m；穩(wěn)樁平臺(tái)總重（含4根輔助樁）約為：1800t。在該工程的穩(wěn)樁平臺(tái)及抱樁器系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，輔助樁固定方法由原來(lái)插銷固定改為馬板焊接固定，穩(wěn)樁平臺(tái)就位后采用割除馬板輔助樁自身重力沖擊泥面的方式提高工作效率，提高定位精度及穩(wěn)定性；考慮到惠州風(fēng)場(chǎng)海域淤泥層20m左右，為保證穩(wěn)樁平臺(tái)沉放方向滿足設(shè)計(jì)要求，切除穩(wěn)樁平臺(tái)底層卡板，使得穩(wěn)樁平臺(tái)水平度滿足要求，從而保證單樁沉樁垂直度滿足設(shè)計(jì)要求。在單鉤翻樁工藝當(dāng)中，需要借助于主安裝船上的200t的履帶吊開始將溜尾繩起吊，將扁嘴鉤與基礎(chǔ)樁底部相連，連接完成后履帶吊受力將扁嘴鉤固定住，同時(shí)主鉤旋轉(zhuǎn)下放鋼絲繩至基礎(chǔ)樁主吊耳處，以人工拖拽纜風(fēng)繩將主吊鋼絲繩平穩(wěn)的掛在主吊耳處，再將副鉤上的溜尾脫鉤鋼絲繩掛在主鉤上，開始起吊主鉤和副鉤鋼絲繩，從主作業(yè)船大吊上的左右纜風(fēng)繩錨機(jī)上打2根纜帶在基礎(chǔ)樁樁身上，然后使主鉤緩慢受力準(zhǔn)備進(jìn)行基礎(chǔ)樁整體起吊翻身[5]。

5.結(jié)語(yǔ)

在對(duì)海上沉樁施工建設(shè)的過程當(dāng)中，由于其工程本身的地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，因此在巖層強(qiáng)度較大且覆蓋層不高的情況下，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)沉樁施工的打入性模擬分析，在掌握了沉樁參數(shù)的同時(shí)對(duì)施工的設(shè)備和工藝進(jìn)行最大限度的確定。由于其樁基本身的覆蓋層較厚且嵌巖深度較淺，因此可以借助旋挖鉆機(jī)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆孔施工，還可以利用沖擊鉆和旋轉(zhuǎn)鉆組合的方式進(jìn)行鉆孔施工。