船機(jī)設(shè)備超大直徑單樁基礎(chǔ)沉樁施工技術(shù)研究

胡 峰，陳天生

（中交第三航務(wù)工程有限公司 廈門分公司，福建 廈門 361000）

1 工程簡介

中廣核廣東海域汕尾后湖500 MW海上風(fēng)電工程場址位于汕尾陸豐市湖東鎮(zhèn)以南的近海區(qū)域，后湖場址涉海面積約80 km2，場址中心離岸距離約12 km，水深為23～30 m，規(guī)劃裝機(jī)容量為500 MW，布置91臺明陽5.5 MW的風(fēng)電機(jī)組（基礎(chǔ)形式為83套單樁+8套導(dǎo)管架），配套建設(shè)陸上集控中心。同時配套建設(shè)2座220 kV海上升壓站。

風(fēng)電場位于遠(yuǎn)離岸線的無掩護(hù)外海水域，海況條件復(fù)雜，受大風(fēng)、波浪等自然環(huán)境影響大，尤其受夏季臺風(fēng)期、冬季季風(fēng)期、開闊海域的涌浪影響，可作業(yè)時間少。本工程83臺風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)均采非嵌巖單樁，單樁樁頂直徑為7.5 m（樁底直徑7.6～8.6 m），壁厚：70～90 mm；樁長：87.62～102.05 m；單臺重量：1264.949～1572.575 t。汕尾海域海床較為平坦，場區(qū)淺表層地質(zhì)為流塑狀淤泥、淤泥質(zhì)土，厚度在2～5.4 m，淤泥層以下地質(zhì)為粘土層與砂層軟硬交替存在，標(biāo)貫擊數(shù)普遍小于40，沉樁過程中容易出現(xiàn)溜樁現(xiàn)象。

2 施工工藝及流程

為解決復(fù)雜海域條件下單樁起吊翻身、單樁自重入土后穩(wěn)樁、超大直徑單樁沉樁、防溜樁措施控制等關(guān)鍵技術(shù)難題，根據(jù)汕尾后湖風(fēng)場的特點(diǎn)，單樁基礎(chǔ)沉樁施工工藝采用大型起重船+坐底穩(wěn)樁平臺+液壓錘沉樁到位的方式。本工程施工海域海床地勢平坦，適合使用坐底式穩(wěn)樁平臺進(jìn)行沉樁施工[1]。穩(wěn)樁平臺由主起重船起吊、定位、安放，施工完成后由起重船拎住轉(zhuǎn)往下一個機(jī)位。為最大限度減少現(xiàn)場船機(jī)設(shè)備的投入，加快施工工序，單樁起吊翻身采用單船單鉤觸海床底脫鉤翻身工藝。

3 船機(jī)設(shè)備的適用性研究

3.1 起重船適用性

單樁基礎(chǔ)沉樁采用大型浮式起重船進(jìn)行施工作業(yè)，結(jié)合施工工藝，施工前要根據(jù)最大單樁的重量、長度、運(yùn)輸駁的尺寸、單樁在運(yùn)輸駁的位置、運(yùn)輸駁與起重船的相互關(guān)系等因素綜合進(jìn)行考慮，選擇最不利的工況下滿足單樁施工要求的吊高、吊重、吊距，來復(fù)核驗(yàn)算起重船的起重能力最小要求。

同時為保證起重船的作業(yè)安全和有效的作業(yè)時間，需要對工程海域海況進(jìn)行分析，根據(jù)全年海域的歷史天氣統(tǒng)計，結(jié)合工程總體施工計劃，計算起重船的可作業(yè)天數(shù)，如中廣核汕尾后湖海上風(fēng)電項(xiàng)目要求年作業(yè)天數(shù)不得少于110天，根據(jù)涌浪、波長、浪高等考慮因素，要滿足要求，涌浪周期要小于8 s，波長小于80 m，浪高小于1.2 m，根據(jù)條件，所選擇的起重船長度要大于120 m，耐波性較好的起重船才能滿足要求，同時還要應(yīng)對起重船核算基本裝載情況下的穩(wěn)性和作業(yè)狀態(tài)時的穩(wěn)性計算[2]。

3.2 液壓錘適用性

施工前要根據(jù)施工圖紙和地勘資料，對單樁基礎(chǔ)進(jìn)行沉樁可打性分析，分析沉樁過程中的貫入度變化、樁錘性能以及承載力，為沉樁液壓錘和沉樁施工工藝的選擇工作提供理論參考。經(jīng)分析中廣核汕尾后湖海上風(fēng)電項(xiàng)目最大錘擊能量為22#樁的2195KJ，結(jié)合其它風(fēng)場的沉樁實(shí)際情況，最后選擇采用荷蘭IHC-S3000液壓錘進(jìn)行施工，實(shí)踐證明該液壓錘能將鋼管樁沉至設(shè)計預(yù)定標(biāo)高。

4 坐底穩(wěn)樁平臺的設(shè)計

4.1 坐底穩(wěn)樁平臺設(shè)計

本風(fēng)場海域海床覆蓋層淺且較為平坦，充分考慮本風(fēng)場工況特點(diǎn)，通過研發(fā)用于單樁沉樁的坐底式鋼桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)樁平臺，在復(fù)雜的外海無掩護(hù)水域，單樁沉樁的效率和經(jīng)濟(jì)性有著明顯的優(yōu)勢。

穩(wěn)樁平臺采用坐底式鋼桁架結(jié)構(gòu)，四角設(shè)置4個φ2500 mm、壁厚24 mm、長40 m鋼套筒，4個鋼套筒中心距尺寸為20 m×20 m，頂部設(shè)置一層操作平臺和索具平臺，鋼套筒底端向上3 m處設(shè)置30 m×30 m的防沉板，在下層抱樁器平臺沿鋼套筒至防沉板面板設(shè)置沖水裝置，穩(wěn)樁平臺重約880 t（含抱樁器）。設(shè)置4根φ2400 mm、壁厚24 mm、長64 m的定位樁，定位樁與鋼套筒采用插銷固定[3]。4根定位樁重約372 t。抱樁器設(shè)計為上下2層鋼平臺，通過焊接固定在穩(wěn)樁平臺鋼套筒上，上下2層抱樁器間距10.3 m，底層抱樁器距防沉板30 m。抱樁器上下平臺為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，上層平臺控制臺可操控上下2層平臺抱樁器。平臺前段設(shè)環(huán)形抱臂，抱臂最大凈尺寸為φ9.1 m，抱臂的開、合由推力為80 t的油缸控制。抱臂合攏后前端可用插銷鎖住，插銷的拔、插由推力為10 t的油缸控制。上下平臺各設(shè)4個160 t頂推液壓缸，繞樁圓心水平呈45°角布置，液壓缸端部設(shè)滑輪，液壓缸底部用螺栓固定在底座上，分別對坐底穩(wěn)樁平臺在平臺自穩(wěn)、頂推作業(yè)、臺風(fēng)、轉(zhuǎn)場等不同工況下結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果可以滿足施工需要[4]。

4.2 坐底穩(wěn)樁平臺安裝

穩(wěn)樁平臺安裝由起重船完成，起重船航行至施工工點(diǎn)拋錨，通過錨定系統(tǒng)的操作，實(shí)現(xiàn)船舶精確定位。通過船上控制點(diǎn)定位（提前算好機(jī)位中心點(diǎn)與船上控制點(diǎn)的平面位置關(guān)系），主鉤起吊穩(wěn)樁輔助定位平臺，吊臂保持固定角度，落鉤，使得穩(wěn)樁輔助平臺浸入海水中坐底（減小平臺的晃動），然后再細(xì)部調(diào)整穩(wěn)樁平臺的位置。穩(wěn)樁平臺上層平臺設(shè)置GPS定位定向儀器，過程中通過2根纜風(fēng)繩將穩(wěn)樁平臺與船上2臺3 t卷揚(yáng)機(jī)相連，拉扯纜風(fēng)繩控制穩(wěn)樁定位平臺的方位角，確保方位角滿足設(shè)計要求。坐底平臺下放坐底穩(wěn)定后，采用振動錘進(jìn)行輔助樁沉樁施工，沉樁完成后，輔助樁與平臺焊接固定，穩(wěn)樁平臺安裝完成。

5 超重超大直徑單樁吊索具的設(shè)計

本項(xiàng)目單樁樁頂法蘭直徑為7.5 m，樁底直徑為7.6～8.8 m，采用單船單鉤主吊加溜尾的方式吊樁、翻樁、立樁，起重船上主鉤需要為十字型才能滿足單鉤翻樁施工要求，為避免鋼絲繩與樁頂法蘭發(fā)生摩擦，需要在主鉤下配置了1根2500 t的支撐梁，支撐梁之間開檔尺寸為9 m。根據(jù)施工工藝方案，通過對吊梁進(jìn)行有限元建模計算，通過ANSYS進(jìn)行線形靜態(tài)求解。

在鋼管樁底部設(shè)置400 t卸扣和400 t溜尾鉗進(jìn)行鋼管樁翻樁過程中溜尾夾具，通過對吊梁進(jìn)行有限元建模計算，利用ANSYS進(jìn)行線形靜態(tài)求解。所需要的鋼絲繩吊索具均按海工吊裝要求6倍安全系數(shù)進(jìn)行配備。本套吊索具已經(jīng)在中廣核汕尾后湖海上風(fēng)電項(xiàng)目順利完成了15根單樁沉樁，作業(yè)過程順利，吊索具安全可靠，未出現(xiàn)變形等現(xiàn)象。

6 單船單主鉤翻樁、立樁的研究

中廣核汕尾后湖海域，具有離岸遠(yuǎn)，水深、波長、海況受天氣影響大以及鋼管樁超長、超重等特點(diǎn)，傳統(tǒng)單船雙主鉤起吊翻身工藝因本項(xiàng)目樁長較長難以適用，雙船抬吊翻樁工藝一方面要求抬吊的起重船要滿足海況要求，另一方面成本高、危險性大[5]。針對以上施工技術(shù)難點(diǎn)及擬采用的起重船主鉤為單鉤十字型，結(jié)合別的風(fēng)場的施工經(jīng)驗(yàn)，采取一種單船單鉤進(jìn)行鋼管樁起吊翻身的工藝，在本項(xiàng)目上成功應(yīng)用，施工效率及經(jīng)濟(jì)性較傳統(tǒng)工藝有著明顯的優(yōu)勢。

6.1 船舶就位，吊裝準(zhǔn)備

作業(yè)時起重船就位后，鋼管樁運(yùn)輸駁靠到起重船左舷，運(yùn)輸駁在預(yù)制廠落駁時，需確保鋼管樁裝船時樁底超出船體甲板，在船尾對甲板進(jìn)行加強(qiáng)，并放置枕木等緩沖物質(zhì)。

主吊鋼絲繩、支撐梁及其鋼絲繩、溜尾鋼絲繩分別掛在起重船主鉤上，溜尾工裝扁嘴鉤通過卸扣與溜尾鋼絲繩連接，副鉤與溜尾鋼絲繩上部通過短鋼絲繩與卸扣連接。船舶艏向由現(xiàn)場風(fēng)向、水流、涌浪等現(xiàn)場決定。

6.2 吊裝

主鉤剛開始起吊時，主吊耳鋼絲繩垂直繃緊受力，尾吊鋼絲繩松弛不受力。繼續(xù)起吊，樁頂緩慢抬起，樁底仍擱置在運(yùn)輸駁擱置架上，尾吊鋼絲繩開始繃緊受力。

6.3 翻樁

尾吊鋼絲繩開始繃緊受力后主鉤繼續(xù)起吊，主鉤會向鋼管樁重心方向偏移，當(dāng)主鉤與重心在同一垂線時，鋼管樁整體起升離開運(yùn)輸駁。鋼管樁起升至一定高度后，運(yùn)輸駁離場，然后將鋼管樁緩慢下放。鋼管樁接觸泥面后在泥面的作用下，溜尾部分受力會慢慢減少直至不受力，此時溜尾鋼絲繩為松弛狀態(tài)、溜尾扁嘴鉤在海浪和自重的作用下從鋼管樁脫落，利用先前副鉤掛好的短鋼絲繩將溜尾鋼絲繩脫離主鉤。

6.4 脫鉤、立樁

溜尾鋼絲繩從主鉤脫掉后與副鉤相連，在鋼管樁自重入土完成后，起重船吊臂旋轉(zhuǎn)回甲板后與主吊鋼絲繩一同取下[6]。在確認(rèn)溜尾扁嘴鉤脫掉后，主鉤開始上升，利用海底泥面進(jìn)行翻身直至鋼管樁完全豎直，整個單船單鉤起吊翻身完成。

7 防溜樁措施技術(shù)分析

7.1 溜樁產(chǎn)生原因

工程實(shí)踐表明，溜樁通常發(fā)生在：1）地基土表層為較厚的、承載力較小的土層時；2）樁由較硬土層貫入到承載力較小的土層時。溜樁主要是由于樁刺入地基部分的側(cè)摩阻力與樁端承載力之和小于樁、錘的重量之和。

一般地基表層都有一定厚度的硬殼層，對樁的側(cè)摩阻力和樁端阻力都比較大，使樁入土后能夠穩(wěn)定在一定深度，稱為自由入泥深度。如果自由入泥深度過小，樁在自重和錘重的作用下存在屈曲破壞的風(fēng)險，此后經(jīng)錘擊作用使樁繼續(xù)下沉。當(dāng)樁進(jìn)入軟土層后，雖然側(cè)摩阻面積增加，但界面處土的重塑程度提高，實(shí)際上摩阻力在不斷減小。同時由于樁端阻力變化不大，而樁端阻力占總的土阻力的比重較大，因此總的土阻力減小。如果總的土阻力達(dá)到以下條件之一即可能發(fā)生溜樁：1）小于樁自重；2）小于樁和錘的重量之和；3）小于樁和錘的重量與樁錘的慣性力之和。一旦溜樁發(fā)生，樁周土體受到連續(xù)的擾動，強(qiáng)度降低到重塑強(qiáng)度，側(cè)摩阻力急劇減小，端部承載力也有不同程度的降低，加快溜樁速度。

7.2 溜樁防范措施

本工程地質(zhì)特點(diǎn)為覆蓋層厚，軟弱土層分布不均勻，在沉樁過程中極有可能發(fā)生溜樁，存在較大安全隱患。

1）采取一機(jī)一方案原則，對每個機(jī)位進(jìn)行地質(zhì)資料分析，找出可能會溜樁的地質(zhì)土層位置，根據(jù)機(jī)位地質(zhì)分析做出錘擊沉樁全過程控制方案。

2）結(jié)合土層地質(zhì)和貫入度情況，適時調(diào)控錘擊能量。到達(dá)軟弱土層前（可能溜樁土層），提前減小錘擊能量，控制貫入度大小，穿過軟弱土層后，恢復(fù)錘擊能量。

3）根據(jù)地質(zhì)資料顯示，場區(qū)地基液化等級嚴(yán)重。液化土層主要為：①層粉砂 ②層粉土 ③-1層粉砂夾粉土及③-2層粉砂，開始沉樁時手動小能量錘擊2擊，采取打2擊停頓一下，控制貫入度和錘擊能量，不連續(xù)錘擊。樁尖穿過③-2層粉砂后方可根據(jù)貫入度情況加大錘擊能量。

4）在沉樁前計算出自重入土深度和套錘后的入土深度，下樁時進(jìn)行比對，當(dāng)實(shí)際入土小于計算入土較大時應(yīng)采取重新下樁，多下幾次穿過土層的辦法，使自重入土深度基本達(dá)到計算深度。

8 結(jié)語

依托中廣核汕尾后湖海上風(fēng)電項(xiàng)目開展的超大直徑單樁基礎(chǔ)沉樁施工技術(shù)研究，解決了復(fù)雜海域條件下單船單鉤單樁起吊翻身、單樁自重入土后穩(wěn)樁、單樁沉樁、防溜樁控制等難題，形成了一整套在復(fù)雜海域條件下單樁施工技術(shù)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和較高的安全性。