淺談海上風電坐底式穩(wěn)樁架單樁基礎沉樁施工工藝

張夢帝

（天津港航工程有限公司，天津 300457）

1 工程概況

華能山東半島南4 號海上風電項目為山東省首個海上風電項目，風電場位于山東省海陽市南部海域，場區(qū)中心點距離海岸約30 km，總規(guī)劃面積約45.56 km2，風電場場址水深為29～31 m。該項目的風機基礎均采用無過渡段單樁基礎結構型式，樁頂高程+12.0 m（85 高程系），樁長79.5～96.5 m，樁重1 004.69～1 305.43 t，單樁基礎樁徑6.0～7.7 m。

2 基面的高程關系

根據(jù)2018 年12 月至2019 年11 月一年的實測數(shù)據(jù)分析可知，計算本施工海域平均海面平面在1985 國家高程基準面以上1 cm，理論深度基準面在平均海面以下228.8 cm。

3 特點及難點分析

1）本工程采用固定扒桿起重船通過鋼絲繩連接主吊耳起吊，小型全回轉(zhuǎn)起重船進行溜尾的方式來吊樁立樁，并且在定位駁上配備大型液壓沖擊錘進行吊打沉樁。

2）本工程采用固定扒桿起重船起吊穩(wěn)樁架并由錨艇拖帶的方式進行移場，采用坐底式穩(wěn)樁架代替?zhèn)鹘y(tǒng)打樁船的自帶穩(wěn)樁架，結構穩(wěn)定可靠。

3）本工程由于水深較深，采用傳統(tǒng)的溜尾方式無法順利摘鉤，因此鋼管樁樁底部通過管樁鉗夾樁，立樁觸底或立樁完成后自動摘鉤。

4）坐底式穩(wěn)樁架定位系統(tǒng)采用星站差分（RTX）技術，具有測量效率高、精確度高、數(shù)據(jù)可靠、單機作業(yè)等優(yōu)點[1]。

5）本工程采用液壓沖擊錘吊打施工時，采用替打法蘭作為有效保護措施，確保樁頂法蘭在沉樁過程中不受破壞。

6）本工程施工海域水深浪大、施工窗口期較短，施工效率難以保證。

7）本工程地形地質(zhì)條件復雜，各土層的標準貫入試驗擊數(shù)差別較大，存在沉樁困難以及溜樁的雙重風險，施工難度大。

8）本工程鋼管樁樁長最大達96.5 m、樁徑最大達7.7 m、樁重最大達1 305.43 t，施工船機要求噸位、起重量等均較大，選型困難。

4 主要船機設備

1）1 500 t 固定扒桿起重船“嘉泰68”?！凹翁?8”船長90.8 m，船寬35 m，型深6.7 8m，空載吃水2.4 m，滿載吃水5.0 m。

2）800 t 全回轉(zhuǎn)起重船“特順起重1 號”?！疤仨樒鹬? 號”船長78.3 m，船寬29.3 m，型深5.5 m，空載吃水2.07 m，滿載吃水3.2 m。

3）坐底式穩(wěn)樁架。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；定位樁樁長70 m；總重1 280 t。

4）打樁錘。結合已有的類似項目和類似工程的單樁施工經(jīng)驗，綜合考慮施工海域的工程地質(zhì)情況、樁基設計技術參數(shù)等因素，經(jīng)沉樁可打性分析，樁錘選用MENCK3500 液壓錘。

5）定位駁船“今海龍2 號”。“今海龍2 號”船長97 m，船寬27 m，型深5 m，空載吃水3.5 m，滿載吃水3.7 m，總噸位3 465 t。

5 施工工藝

采用坐底式穩(wěn)樁架進行單樁基礎沉樁施工的工藝流程如下。

5.1 坐底式穩(wěn)樁架定位

采用由固定扒桿起重船起吊穩(wěn)樁架進行拖航定位，穩(wěn)樁架的抱臂面向固定扒桿起重船的大臂。定位系統(tǒng)采用星站差分（RTX）技術，根據(jù)坐底式穩(wěn)樁架的結構形式、移場方式確定坐底式穩(wěn)樁架上兩臺固定GPS 位置。由于本工程設計要求塔筒門方面為正西方向，因此裝船的方式和鋼管樁主吊耳的方向決定現(xiàn)場的駐位方式，即駐位方式取決于坐底式穩(wěn)樁架抱臂朝向。錨艇根據(jù)錨點進行拋錨，起重船通過絞錨完成坐底式穩(wěn)樁架方位和位置的調(diào)整[2]。

5.2 船舶駐位

在坐底式穩(wěn)樁架定位完成后，定位駁由錨艇拖船至施工范圍內(nèi)，到達機位進行拋錨定位，定位駁軸向方向與固定扒桿起重船軸向方向一致，確保人員可以正常上下穩(wěn)樁架，船艏與船艉拋下八字錨，長度約為500 m。在定位駁駐位完成后，全回轉(zhuǎn)起重船靠泊定位駁一側，固定扒桿起重船副鉤起吊振動錘進行坐底式穩(wěn)樁架定位樁打設。坐底式穩(wěn)樁架施工完成后，運輸船進場靠泊在全回轉(zhuǎn)起重船一側。

5.3 翻身立樁

固定扒桿起重船通過絞收錨繩，將吊索具移至鋼管樁主吊耳上方并松鉤，雙主鉤通過主吊鋼絲繩掛住環(huán)形吊耳，小型全回轉(zhuǎn)起重船的主鉤連接管樁鉗（承重400 ）t 夾至樁底部的正上方。固定扒桿起重船和全回轉(zhuǎn)船同步起吊，當鋼管樁與運輸工裝完全脫離時，先暫停起吊，待鋼管樁晃動幅度很小時繼續(xù)起吊，當鋼管樁高出運輸船煙囪有一定安全距離時，運輸船解除纜繩，退出施工區(qū)域。兩條起重船相互配合從而實現(xiàn)鋼管樁由水平變?yōu)橹绷顟B(tài)。

5.4 喂樁

當樁成豎向狀態(tài)時，再次用GPS-RTX 復驗坐底式穩(wěn)樁架周圍的3 個固定的坐標點位置驗證樁中心是否滿足設計要求[3]。與此同時，固定扒桿起重船通過絞錨移動將樁慢慢喂進抱樁器，樁進抱樁器的時機選擇在水流平緩時進行。

5.5 沉樁

沉樁過程主要控制點包括：自沉樁身垂直度控制、沉樁過程中垂直度控制、法蘭水平度調(diào)整、樁頂標高控制。

1）自沉樁身垂直度控制。自沉階段以入泥10 m或卸重1/3 為分界。穩(wěn)樁至入泥10 m 或卸重1/3，因為樁身受水平力較小，上部隨起重船晃動較大，垂直度主要通過調(diào)整抱樁器千斤頂、起重船鉤頭高度、起重船的前后位置。卸重1/3 至脫鉤，樁處于趨于穩(wěn)定狀態(tài)，垂直度主要通過調(diào)整抱樁器千斤頂、起重船鉤頭高度。

2）錘擊沉樁過程中樁身垂直度控制。錘擊沉樁以錘擊入泥前20 m、溜樁和錘擊20 m 后為界。錘擊入泥前20 m 是垂直度控制的關鍵時期之一。其中因地質(zhì)原因，溜樁垂直度控制是本階段垂直度控制的重點。本階段主要以千斤頂調(diào)整為主，上下層千斤頂頂進方向相同。

錘擊入泥前20 m 樁身垂直度觀測，觀測范圍與初始觀測范圍一致，通過觀測偏差進行調(diào)整。樁身垂直度調(diào)整時千斤頂不應一次頂?shù)轿?，應調(diào)整偏差量的一半，使樁身在錘擊下沉過程中隨著千斤頂?shù)捻斄βM行調(diào)整。

根據(jù)地勘資料，詳細分析各土層參數(shù)，預估溜樁位置和距離，當沉樁接近理論溜樁位置時，指揮人員加強與液壓沖擊錘錘組的溝通，根據(jù)實際貫入度實時調(diào)整錘擊頻率和錘擊能量，以小能量單擊為主，當貫入度大于20 mm/擊時，停止錘擊，同時加大垂直度觀測頻率，如偏差超出1‰，立即糾偏[4]。錘擊20 m 后樁身入泥深度過大，只能通過觀測偏數(shù)據(jù)使用千斤頂對樁身偏移的趨勢進行控制。

3）法蘭水平度調(diào)整。法蘭盤水平度調(diào)整在自沉完畢后進行，其調(diào)節(jié)主要分為樁頂法蘭水平度調(diào)整和樁身初始偏差量的觀測，樁頂法蘭水平度調(diào)整是通過調(diào)整千斤頂減小樁頂法蘭面高差，其具體觀測和調(diào)整方法如下：樁頂法蘭水平度測量，使用水準儀測量穩(wěn)樁架上下層平臺4 個千斤頂對應樁頂法蘭處高差，高差為對角位置兩讀數(shù)之差。以高差數(shù)值為依據(jù)調(diào)整千斤頂，使高差不超過2 mm 為止。

4）樁頂標高控制。通過樁身刻度和坐底式穩(wěn)樁架的高程來計算控制，使用GPS-RTX 進行測量，用GPS-RTX 測量穩(wěn)樁架上層的高程，再通過鋼尺將穩(wěn)樁架上層測量點的高程傳遞到下層穩(wěn)樁架上。根據(jù)貫入度控制錘擊能量，必要時停錘觀測，保證樁頂?shù)臉烁咂顫M足設計要求。

5）坐底式穩(wěn)樁架移場。坐底式穩(wěn)樁架上層平臺上有四個軸銷式吊點，兩根86 m 的主吊鋼絲繩連接1500T 平衡梁和兩根周長36 m 的高分子吊帶連接副鉤，再通過分別連接上平臺兩個吊耳的方式進行轉(zhuǎn)場，提升坐底式穩(wěn)樁架時，“嘉泰68”首先緩慢提升副鉤，減少防塵板的吸附力，“嘉泰68”提升主鉤使坐底式穩(wěn)樁架離開泥面，隨后主副鉤同時起吊，離開泥面5 m 位置后整體采用倒拖的方式拖運到下一個機位。

6 質(zhì)量控制要點

1）沉樁允許偏差。絕對位置（WGS1984 或國家2000 坐標系）允許偏差500 mm；樁頂高程允許偏差50 mm；沉樁完成后的基礎頂法蘭水平度偏差≤3‰；鋼管樁塔筒門方向為正西方向。

2）貫入度。最后6 個連續(xù)25 cm 的沉樁平均貫入度不超過20 mm 時，做好沉樁記錄報告監(jiān)理。

7 后續(xù)施工改進建議

1）由于本工程水深在30 m 左右，為保證沉樁施工順利進行，在綜合考慮成本及安全的情況下，在深水區(qū)盡可能的選擇噸位較大的船機進行施工。

2）為保護鋼管樁面漆，在進行坐底式穩(wěn)樁架設計時，將坐底式穩(wěn)樁架千斤頂尺寸和油缸尺寸設計大一些，保證鋼管樁和千斤頂充分接觸。

3）加強氣象的收集并及時與各施工船舶溝通，綜合分析并合理安排窗口期，提高施工效率。

4）針對大直徑鋼管樁施工，采用“一樁一議”的方法，根據(jù)靜力觸探測試成果圖，充分認識每層土質(zhì)的性能指標，分析可能溜樁的區(qū)段，在沉樁時著重注意該土層，以最小能量點擊為主。

8 結束語

本文主要對采用坐底式穩(wěn)樁架沉樁施工的工藝流程和測量控制重點等進行了詳細的論述，并根據(jù)現(xiàn)場具體情況提出了一些后續(xù)施工改進建議，其中關于坐底式穩(wěn)樁架定位和鋼管樁垂直度控制仍為該工程的重點。經(jīng)過充分的前期準備和精心的現(xiàn)場管理，實測數(shù)據(jù)表明，已沉鋼管樁的沉樁效果良好，各項技術指標均達到設計要求。通過本工程，希望后續(xù)有類似在30 m 左右水深的海域進行單樁基礎沉樁施工的海上風電項目充分考慮各種因素，在確保安全和質(zhì)量可控的前提下，保證工程順利完成。