海上風(fēng)電大直徑鋼管樁基礎(chǔ)沉樁施工技術(shù)

沙欣宇，薛海峰，張震宇

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 311100；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江杭州 311100）

隨著石油等不可再生資源日益枯竭，風(fēng)能等清潔能源正逐漸走入人們的視野。我國擁有極其豐富的海上風(fēng)能資源，江蘇、福建、廣東等沿海區(qū)域的年均潛在發(fā)電能力達(dá)110×1012kW［1－3］。目前，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)一般常用單樁基礎(chǔ)。單樁基礎(chǔ)具有施工期短、制造簡單等特點(diǎn)，但其受海底地質(zhì)條件和水深等方面約束較大［4］。

施工工程海域海床上層淤泥層較厚，淤泥層層厚約為14.90～23.30 m，鋼管樁沉樁初期所需糾偏力較大，沉樁控制難度大。

目前，許多學(xué)者對大直徑鋼管樁打樁時樁身垂直度控制［5－8］、沉樁精度及功效［9－11］等開展了相關(guān)的研究，但是，對海上風(fēng)電大直徑鋼管樁沉樁施工技術(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(xiàng)目，對大直徑單樁基礎(chǔ)沉樁施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，對后續(xù)類似工程施工建設(shè)具有參考意義。

1 工程概況

江蘇某海上風(fēng)電項(xiàng)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(jì)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。

1.2 工程地質(zhì)

本工程位于啟東海域，場區(qū)中心離岸距離約32 km，海底地形變化較為平緩，屬南黃海濱海相沉積地貌單元。場區(qū)內(nèi)地基土表層以粉砂為主。水深為6～13 m之間。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。土層上部①～③層為第四系全新統(tǒng)（Q4）沖海相粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土。地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

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（起重29）負(fù)責(zé)主吊，工作面2由1 500 t全回轉(zhuǎn)起重船（大申號）負(fù)責(zé)主吊，兩個工作面共用800 t固定扒桿起重船（鎮(zhèn)航工868）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（秦航工1號）單船翻樁，或者采用輔助船舶進(jìn)行臺吊翻樁，海陽59號（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。

3 施工方法

3.1 施工場地布置

沉樁施工場地均為外海無掩護(hù)作業(yè)，施工作業(yè)主要以船舶為載體。沉樁施工流程見圖1。沉樁施工中，主要作業(yè)場所為海陽59號（承重為13 000 t的載重船）甲板面，船頭自帶抱樁器，打樁錘布置在船頭位置，甲板面平面布置圖見圖2。

3.2 測量定位

海陽59號帶有GPS定位系統(tǒng)且自帶抱樁器，可自行定位，海陽59號行使至機(jī)位位旁5 m左右關(guān)閉動力，開始下錨，前后均采用八字錨且垂直向外45°進(jìn)行下錨。定位前，將機(jī)位理論坐標(biāo)輸入船舶GPS定位系統(tǒng)，之后通過絞錨的方式進(jìn)行精確定位，并進(jìn)行調(diào)整，船舶定位平面偏差控制在300 mm以內(nèi)。同時測量人員采用手持GPS接收機(jī)對機(jī)位進(jìn)行再次復(fù)核，確保定位準(zhǔn)確無誤。

3.3 施工船舶駐位

本工程施工現(xiàn)場為外海無掩護(hù)作業(yè)，海況條件惡劣，首先采用浮漂確定施工機(jī)位位置，安裝穩(wěn)樁平臺時全程采用船舶自帶GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行精確定位，以確保鋼樁平面位置在允許偏差范圍內(nèi)。海陽59定位完成后，秦航工1號駐位與海陽59號抱樁器左前方船間平行距離約為20 m，前后均采用八字錨且前錨垂直向外60°，后錨垂直向外45°。

若秦航工1號無法單船翻樁，將使用鎮(zhèn)航工868配合秦航工1號進(jìn)行臺吊翻樁，鎮(zhèn)航工868駐位垂直與運(yùn)樁船。

3.4 振沉輔助樁及抱樁器安裝

海上固定抱樁器的支撐樁采用鋼管樁規(guī)格為：直徑2.42 m，樁長52 m，壁厚25 mm，單樁樁重約80 t，抱樁器四角布置共4根，抱樁器支撐樁吊起利用配合施工的浮吊作為起重設(shè)備，利用振動錘進(jìn)行沉樁。抱樁器支撐樁全部沉樁到位后，進(jìn)行抱樁器的提升與固定，使之與支撐樁固定，形成獨(dú)立、穩(wěn)定的鋼結(jié)構(gòu)框架平臺。抱樁器利用配合施工的浮吊進(jìn)行提升，若抱樁器與支撐樁有別卡現(xiàn)象，起吊提升困難時，迅速在4根支撐樁上安裝吊掛系統(tǒng)，通過收緊吊掛系統(tǒng)吊桿實(shí)現(xiàn)抱樁器平行提升。

為防止抱樁器與支撐樁別卡，造成提升困難或結(jié)構(gòu)損壞，因此抱樁器提升前應(yīng)在支撐鋼管樁上做出標(biāo)記，提升過程應(yīng)全程觀察抱樁器四角的提升高度。以設(shè)計(jì)鋼管樁標(biāo)高（＋13 m）為參照，抱樁器頂標(biāo)高設(shè)置為＋21.0 m。當(dāng)抱樁器提升到位后，即進(jìn)行精確調(diào)平，四角高差不大于10 mm。然后，鎖定全部吊掛結(jié)構(gòu)，并用鋼楔塊將抱樁器架與支撐樁間縫隙抄緊。

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)向與海陽59號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1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 鋼管樁翻樁

選用單浮吊吊裝方式實(shí)現(xiàn)鋼管樁的抬吊翻轉(zhuǎn)與豎立，即秦航工1號浮吊2個主鉤負(fù)責(zé)主吊任務(wù)，索具掛鋼管樁上吊耳，副鉤負(fù)責(zé)抬吊輔助翻轉(zhuǎn)立樁，索具掛鋼管樁下吊耳，通過主鉤起副鉤落的操作實(shí)現(xiàn)鋼管樁翻轉(zhuǎn)豎立。

吊之前在吊耳外邊緣纏繞多層土工布，避免在吊裝過程中破壞吊耳外邊緣的防腐涂料，并連接纜風(fēng)繩，有利于鋼絲繩的摘除和保護(hù)，將副鉤鋼絲繩和卡環(huán)連接完畢后，通過卡環(huán)連接樁底翻身吊耳，主副鉤協(xié)同作業(yè)，將鋼管樁平吊離開甲板面。當(dāng)樁完全離開運(yùn)樁駁甲板10 cm且呈水平狀態(tài)時，暫停起吊，檢查鋼絲繩受力情況，無異常后繼續(xù)起吊。待鋼管樁抬起離運(yùn)樁方駁約1 m左右后，運(yùn)樁駁起錨并離開吊樁施工范圍。然后將鋼管樁緩緩放到水面附近，并利用水深進(jìn)行翻樁。期間，鋼管樁仍應(yīng)保持水平狀態(tài)。秦航工1號主鉤逐漸上升副鉤逐漸放低直至不受力。翻樁過程中，樁底距離海床面應(yīng)留有2 m左右的安全距離，避免鋼管樁突然觸底導(dǎo)致主鉤脫鉤。待鋼管樁呈豎直狀態(tài)后，解除副鉤約束，完成翻樁。

3.6 吊樁入抱樁器

在鋼管樁翻身直立后，秦航工1號通過人工將卸扣銷軸拉出的方式使副鉤抬吊的索具脫離樁管吊耳，并通過船尾八字錨絞錨使秦航工1號退出安全距離，然后秦航工1號通過橫向絞錨使秦航工1號橫移到與海陽59號同一中軸線上，然后再通過船首八字錨絞錨調(diào)整秦航工1號與海陽59號的距離，使鋼管樁進(jìn)入抱樁器，然后抱樁器進(jìn)行抱合。

翻樁完成后，秦航工1號吊住鋼管樁，通過松緊錨鏈調(diào)整樁身平面位置并同時調(diào)整樁身方向。移樁期間，起重船應(yīng)與導(dǎo)向架保持至少2 m的安全距離。入龍口前，將8臺千斤頂伸縮量調(diào)至最小，以保證鋼管樁能順利進(jìn)入龍口，進(jìn)入龍口后，在抱樁器上的經(jīng)緯儀觀察架立點(diǎn)處分別布設(shè)1臺經(jīng)緯儀，并在兩個約成80°的方向上觀測鋼管樁樁身垂直度，通過升降主鉤、扒桿轉(zhuǎn)動及調(diào)節(jié)千斤頂，將鋼管樁的垂直度調(diào)整至1‰以內(nèi)，最后調(diào)整千斤頂?shù)纳炜s量，完成鋼管樁樁身預(yù)抱緊工作。

3.7 自沉及壓錘

鋼管樁垂直度調(diào)整至設(shè)計(jì)值以內(nèi)后，秦航工1號主鉤緩慢下放，鋼管樁開始自沉。應(yīng)注意的是，在鋼管樁解除泥面的過程中，如下沉速度過快，易造成鋼管樁受土阻力影響而提前脫鉤，故自沉過程中，應(yīng)時刻觀察起重船的起重量變化不應(yīng)過快。自沉過程中持續(xù)使用2臺經(jīng)緯儀對鋼管樁樁身垂直度進(jìn)行實(shí)時觀測。如自沉過程中，樁身垂直度超出設(shè)計(jì)允許值，則通過提升、下降主鉤及調(diào)節(jié)千斤頂重新將鋼管樁垂直度調(diào)整至設(shè)計(jì)值內(nèi)并繼續(xù)自沉。如偏差過大（超出1‰），則將鋼管樁抬離泥面，待鋼管樁樁身處于自由垂直狀態(tài)后，再重新下放。鋼管樁自沉無進(jìn)尺后，秦航工1號主鉤慢慢減少受力直至完全不受力時，靜置觀察5 min以上，如無異常，則秦航工1號下放主鉤并解除吊索具約束。樁自沉完畢后，秦航工1號主鉤用鋼絲繩配卡環(huán)連接沖擊錘頂?shù)觞c(diǎn)，將錘套好，然后吊至樁頂并開始壓錘。壓錘及沉樁時將吊錘鋼絲繩完全下方，需使用海陽59號左側(cè)的克令吊及吊袋輔助托吊沖擊錘油管，油管下安裝移動萬向滑輪，防止油管磨損。

3.8 錘擊沉樁

操錘手根據(jù)平臺上的起重人員的指揮，先以最小能量單擊，隨后根據(jù)進(jìn)尺逐漸增大錘擊能量，根據(jù)地質(zhì)分析資料，進(jìn)入易溜樁層改為小能量錘擊，根據(jù)實(shí)際進(jìn)尺改變錘擊能量。距離沉樁到位約10 m左右，聯(lián)系高應(yīng)變檢測人員至平臺，通過爬梯或吊籠完成高應(yīng)變檢測儀器安裝，繼續(xù)錘擊沉樁，直至沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高［12］。全程由測量人員控制垂直度，前10 m每米停錘調(diào)整，10～20 m每2 m停錘調(diào)整，20 m沉樁結(jié)束每3～4 m停錘調(diào)整。

3.9 抱樁器拆除

抱樁器拆除順序?yàn)椋号浜鲜┕さ母〉醯跗鸨镀?，在吊鉤收緊的初始狀態(tài)時，解除抄塞鋼楔塊，拆除支撐樁樁頂懸掛系統(tǒng)；然后將抱樁器整體下放至船舶甲板支承座上；支撐鋼樁采用配合施工的浮吊攜振動錘撥出。撥出過程配合施工的浮吊帶勁100 t左右，邊振邊拔。

4 結(jié) 語

為解決江蘇啟東海域海床上層淤泥層較厚導(dǎo)致的鋼管樁沉樁初期所需糾偏力較大，沉樁控制難度大的問題。提出一種海上風(fēng)機(jī)大直徑鋼管樁基礎(chǔ)沉樁施工方法。

首先，沉樁施工場地主要以船舶為載體，主要作業(yè)場所為承重為13 000 t且?guī)в斜镀骱痛驑跺N的載重船海陽59號甲板面。

其次，采用浮漂確定施工機(jī)位位置，安裝穩(wěn)樁平臺時全程采用船舶自帶GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行精確定位，以確保鋼樁平面位置在允許偏差范圍內(nèi)。

最后，提出施工船舶駐位、振沉輔助樁及抱樁器安裝、鋼管樁翻樁、吊樁入抱樁器、自沉及壓錘、錘擊沉樁、抱樁器拆除等7項(xiàng)關(guān)鍵施工技術(shù)。沉樁過程順利，貫入度均在可控范圍內(nèi)，且垂直度調(diào)整效果好。