海上風電大直徑鋼管樁單樁基礎(chǔ)施工技術(shù)研究

0 引言

風電塔基座是海上風力發(fā)電的重要條件，而大直徑單樁基礎(chǔ)沉樁施工技術(shù)則是風電塔基座重要保障。在實施海上風電大直徑單樁基礎(chǔ)施工時，面對的是多變的海洋環(huán)境、嚴格的技術(shù)標準和高難度的施工條件。海洋環(huán)境錯綜復雜，既包括復雜的水文氣象情況，也涵蓋了多變的海底地質(zhì)特征，這些因素均對施工的技術(shù)執(zhí)行度和安全性構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

目前的單樁基礎(chǔ)沉樁施工技術(shù)在實踐中顯現(xiàn)出了一定的局限性。如王耀武[]提出施工技術(shù)可能對鄰近構(gòu)造物和土壤環(huán)境產(chǎn)生顯著影響，不適宜應用于堅硬的地層，且風機基礎(chǔ)容易遭受疲勞損傷。方泗杰[2提出的技術(shù)對壓樁機械的選擇要求嚴苛，且難以穿透硬質(zhì)地層，從而影響施工質(zhì)量。鑒于此，本文深入研究海上風電大直徑單樁基礎(chǔ)沉樁施工技術(shù)，以期提高風電塔基礎(chǔ)的施工質(zhì)量，推動海上風電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

1工程概況

申能海南CZ2海上風電工程項目坐落于北部海域，水深范圍在 15～25m ，中心點距離海岸線大約 27km 。該項目區(qū)域東西跨度約 18km ，南北寬約 17km ，總面積約為191km²"，總規(guī)劃裝機容量為1207MW。

該工程項目主要依據(jù)GB/T50571—2010《海上風力發(fā)電工程施工規(guī)范》、GB12327—2022《海道測量規(guī)范》，參照中國船級社GD01一2020《海上風電場設(shè)施施工檢驗指南》，按照施工設(shè)計方案組織施工。

按照GB12327—2022《海道測量規(guī)范》規(guī)定繪制的該海上風電工程項目海域基面關(guān)系如圖1所示。圖1清晰展示了工程所處海域的底面與海面之間的關(guān)系。根據(jù)圖1數(shù)據(jù)可知，理論上的深度基準面位于平均海平面之下2.4m處，而平均海平面則是相對于高程基準向上移動0.73m來確定。

2海上風電大直徑鋼管樁單樁基礎(chǔ)施工要點2.1鋼管樁起吊方法和起吊程序

2.1.1 起吊方法

在海上風電大直徑鋼管樁的起吊過程中，本文采用了單鉤三點起吊翻身法（即斜吊法）。具體而言，就是將起重船的主鉤掛到鋼管樁的上吊耳上，同時將翻身鉗掛在鋼管樁的底部[3]。

2.1.2 起吊程序

在運樁駁船與起重船靠近后，首先將起重船的翻身鉗穩(wěn)穩(wěn)地掛到鋼管樁的底部。隨后將起重船主吊鋼絲繩索具套入鋼管樁的兩個上吊耳上，并仔細調(diào)整鋼絲繩鎖具的垂直度，以確保起吊過程的安全與穩(wěn)定[4]。單鉤三點起吊翻身法（即斜吊法）操作現(xiàn)場如圖2所示。

為了預防鋼管樁尾部與運樁駁船的甲板發(fā)生意外碰撞，在鋼管樁的吊裝過程中，必須嚴密監(jiān)控其起吊角度，使其保持在預設(shè)的 15^° 之內(nèi)。當樁身升起離開運樁駁甲板約0.5m的高度時，吊裝作業(yè)需暫停，進行歷時5min的全面檢查，重點檢查和評估鋼絲繩的受力情況[5]。在確認所有組件均正常無誤后，吊裝作業(yè)方可重啟。隨著樁身持續(xù)上升，當其高度達到運樁駁船甲板上方2至3m時，將運樁駁船適時撤離作業(yè)區(qū)域。

在運樁駁船撤離后下放主鉤，使鋼管樁緩慢落入海底。同時，持續(xù)觀察主鉤的受力情況。當鋼管樁尾部鋼絲繩不再受力且出現(xiàn)松弛狀態(tài)時，停止下放主鉤，并通過主吊副鉤的帶力作用，使鋼管樁尾部鋼絲繩脫離主鉤，完成鋼管樁尾部吊具的拆除。隨后將主鉤再次提升，使鋼管樁逐漸形成豎直狀態(tài)。按照上述起吊方法和起吊程序，確保了鋼管樁起吊過程的穩(wěn)定與安全。

2.2將鋼管樁送入穩(wěn)樁龍口并自沉

2.2.1將鋼管樁送入穩(wěn)樁龍口

當鋼管樁吊裝到豎直狀態(tài)后，起重船利用起重臂的旋轉(zhuǎn)及絞錨移船技巧，將鋼管樁送入穩(wěn)樁平臺的龍口位置，并啟動自沉過程。鋼管樁送入穩(wěn)樁龍口操作現(xiàn)場如圖3所示。

將鋼管樁送入穩(wěn)樁龍口后，采取釋放前錨并收緊后錨的方法，確保起重船的船體平穩(wěn)地向后方移動。起重船共配備了8個錨（前、后各4個）。在進行前、后錨操作時，需確保各錨纜協(xié)同作業(yè)，形成有序的松、緊配合[6]。利用船首的八字錨進行微調(diào)，控制起重船與穩(wěn)樁平臺之間的距離，以確保將鋼管樁準確無誤地送入抱樁器的中心位置。當鋼管樁到達抱樁器的抱環(huán)中心時，驅(qū)動抱樁器的開合液壓缸將其抱環(huán)閉合，至此完成將鋼管樁送入穩(wěn)樁龍口的程序。

2.2.2 鋼管樁自沉

將鋼管樁送入穩(wěn)樁龍口后，主起重船的吊鉤開始逐漸放松，鋼管樁在自身質(zhì)量的作用下，緩緩沉入海底泥土之中。當鋼管樁下沉到海底泥面下的一定深度并保持穩(wěn)定后，起重船繼續(xù)釋放鋼絲繩，使其處于松弛狀態(tài)但不脫離吊鉤，隨后進行15min觀察。在觀察時間內(nèi)若鋼管樁樁身有變化，需延長觀察時間。

2.3工藝法蘭安裝和垂直度調(diào)整

2.3.1安裝工藝法蘭

鋼管樁在完成穩(wěn)樁龍口入位與自沉工序，且經(jīng)過觀察鋼管樁樁身無變化后，即可進行工藝法蘭的安裝作業(yè)。工藝法蘭螺栓連接孔的數(shù)量是鋼管樁的樁頂法蘭連接孔的 50% 。工藝法蘭螺栓連接孔與樁頂法蘭螺栓連接孔需精確配合（螺栓、螺母、墊圈等配套提供）。工藝法蘭所有螺栓連接孔的孔位和孔徑必須與樁頂法蘭孔保持一致。

2.3.2鋼管樁垂直度調(diào)整

完成工藝法蘭安裝后，隨即進入鋼管樁垂直度調(diào)整階段。先將鋼管樁平穩(wěn)地降入抱樁器的下層區(qū)域，確保其精確地坐落于抱樁器下層中心。然后將抱樁器的上、下兩層同步啟動，對所有千斤頂進行均勻且適度的預緊，從而穩(wěn)固鋼管樁的位置。

之后進入垂直度初步校正階段。通過調(diào)整兩個吊鉤的高度，對垂直吊耳方向的垂線進行校正，確保其垂直度。與此同時，利用起重船的拔桿功能，對鋼管樁的方位進行微調(diào)，并使其始終保持垂直狀態(tài)。在此過程中，液壓缸的推桿頂滾輪輕輕觸碰鋼管樁的外壁，僅施加必要的力量以保持其穩(wěn)定，避免對其過度施壓[7]。

在確認鋼管樁初步達到垂直狀態(tài)下，逐步減小吊荷并釋放吊鉤，使鋼管樁在抱樁器的上、下導向機構(gòu)引導下平穩(wěn)下沉。在此下沉過程中，需不斷監(jiān)測鋼管樁的垂直度。若需進行微調(diào)，應先嘗試利用抱樁器的下層機構(gòu)進行調(diào)整，直至鋼管樁穩(wěn)定下沉至預定位置。

2.3.3鋼管樁垂直度監(jiān)測

為確保鋼管樁在沉樁施工過程中的垂直度，采用2臺全站儀進行監(jiān)測。這2臺全站儀分別放置于抱樁器平臺上，呈 90^° 角布置，以全面監(jiān)測鋼管樁的垂直狀態(tài)。

通過2臺全站儀同時觀測，可以準確判斷鋼管樁是否垂直，確保鋼管樁施工質(zhì)量和安全。

在觀測過程中，如發(fā)現(xiàn)鋼管樁出現(xiàn)傾斜或偏移，應立即采取措施進行調(diào)整，直至達到設(shè)計要求。鋼管樁垂直度監(jiān)測如圖4所示。

2.4單樁基礎(chǔ)錘擊沉樁作業(yè)

2.4.1錘擊沉樁作業(yè)程序

在鋼管樁垂直度精確調(diào)整后，隨即使用IHCS-3600型液壓錘展開單樁基礎(chǔ)的錘擊沉樁作業(yè)。在沉樁作業(yè)開始前，需將吊錘的吊鉤調(diào)整至使吊繩輕微松弛的狀態(tài)，同時要保證液壓錘頂端的卸扣與水平方向形成 45^° 的夾角。在整個沉樁過程中，吊繩應始終保持適當?shù)乃沙诙?，以確保液壓錘錘體的安全運行。

在確保單樁垂直的基礎(chǔ)上啟動液壓錘，以低能量進行3＼～4次點動錘擊沉樁操作。在此期間由測量人員密切監(jiān)測樁身數(shù)據(jù)，并對樁身姿態(tài)進行微調(diào)。待樁身姿態(tài)穩(wěn)定后，繼續(xù)沉樁作業(yè)，并在每下沉1＼～2m處進行一次觀測與調(diào)整。當樁身深入海底土層達到10m時，將觀測與調(diào)整的頻率調(diào)整到每3＼～4m一次。

2.4.2錘擊沉樁作業(yè)參數(shù)及后續(xù)測量

穩(wěn)樁平臺固定后的錘擊沉樁作業(yè)控制要求如表1所示。錘擊作業(yè)完成后，利用專門的測量平臺將工作人員安全吊送至樁頂內(nèi)部，以便對樁頂高程進行再次測量，確保樁頂高程誤差被嚴格控制在 50mm 以內(nèi)，并且不允許出現(xiàn)負偏差的情況。

3施工效果和分析

3.1 施工效果

按照本文所述海上風電大直徑單樁基礎(chǔ)沉樁施工技術(shù)，進行該工程項目單樁基礎(chǔ)沉樁施工，并對施工結(jié)果進行了質(zhì)量驗收?；A(chǔ)沉樁施工質(zhì)量驗收結(jié)果如表2所示。

3.2對施工效果的分析

從表2可知，基礎(chǔ)沉樁施工質(zhì)量驗收共選取了3項關(guān)鍵指標，所有指標的實測值均在標準允許范圍內(nèi)。由此證明，本文所述施工技術(shù)具備高度的精確性和優(yōu)質(zhì)的施工質(zhì)量，能夠確保海上風電大直徑單樁基礎(chǔ)沉樁施工的正常進行。

4結(jié)束語

海上風電大直徑單樁基礎(chǔ)沉樁施工技術(shù)的研究是新能源領(lǐng)域的一項關(guān)鍵議題，直接關(guān)系到海上風電場的穩(wěn)固性和安全性。本文通過系統(tǒng)化的研究與實踐，成功實現(xiàn)了基礎(chǔ)沉樁施工的標準化流程，顯著提升了沉樁結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力，進而延長了其使用壽命，并確保了整個施工過程的品質(zhì)與安全。展望未來，該項研究將不斷深入，致力于發(fā)掘更為高效、環(huán)保且智能化的施工技術(shù)方案，以期進一步推動海上風電技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展貢獻力量。

參考文獻

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