坐底式辅助桩稳桩平台在风电工程中的应用

顾世韧 中国铁建港航局集团有限公司

1.引言

我国海岸线绵长，海上风能资源非常丰富，具备大规模发展海上风电的风资源条件，在节能减排、能源短缺、能源供应安全形势日趋严峻的大形势下，海上风电作为典型清洁能源越来越受到重视。根据 BNEF（彭博新能源财经）分析，中国将在 2022 年赶超海上风电大国中的德国和英国，成为海上风电累计装机量最大的国家，海上风电累计装机量将达到1000万kW。随着风电施工技术不断进步和风机单机容量的的不断扩大，风电场址已由起初的近海海域逐渐向离岸30～50km，水深30～50m的外海海域推进。风电场址水文、气象和地质等环境复杂多变，给海上风电施工带来诸多难点和风险，特别是大直径超长超重的钢管桩单桩基础，对施工质量、垂直度控制等要求较高，给施工单位船机设备选用和施工组织等带来较大考验。本文以汕头某风电项目为例，介绍超大型钢管桩沉桩施工中坐底式稳桩平台的对比选用，稳桩平台施工的注意事项和桩锤选用等施工技术。

2.工程概况

2.1 工程简介

汕头某风电项目位于广东省汕头市海门镇南面海域，场址涉海面积约48km²，水深范围30m～35m，场址离岸距离约23～38km，总装机容量273MW。

本工程39 台风机基础为非嵌岩单桩钢管桩结构，桩顶标高+18.0 m，最大桩长108 m，桩径6.0m～8.5m（变径），钢管桩壁厚65～90mm，单桩最大重量约1700t，钢管桩桩顶设有法兰盘与风机塔筒连接。钢管桩桩周设有40cm厚防冲刷砂被，钢管桩桩顶设置有附属构件，包含靠船防撞构件、爬梯、内平台、外平台、阴极保护、电缆等。

2.2 工程地质

风电场位于汕头市海门镇东南侧海域，中心点距陆地距离约29km，海域宽阔，附近未见岛屿、礁石分布，水深约30.9m～37.1m。水下地形较平缓，属冲海积地貌单元，从上至下分别为淤泥层、粉砂混淤泥层、粉质黏土层、粉砂混黏土层、粉质黏土层、中砂层、粉质黏土层、中砂混黏性土层、粉质黏土层和中粗砂层。

3.沉桩施工工艺

3.1 沉桩施工工艺流程

本工程沉桩采用“稳桩平台定位稳桩，起重船吊打沉桩”的施工工艺，即稳桩平台定位稳桩时分别通过GPS定位系统和两台全站仪对钢管桩平面位置及桩身垂直度进行定位监测，待钢管桩各项指标满足设计要求并稳定后，由起重船吊液压锤锤击沉桩。具体施工工艺流程见图1。

3.2 船机选择原则

（1）起重船。起重船的选择应满足吊重、吊高和吃水的要求。本工程选用4000t固定臂架起重船。

（2）液压锤。液压锤的选择应根据桩参数、钻孔柱状图和桩锤性能等由专用计算软件作出液压锤可打性分析，确定沉桩用锤大小。根据沉桩可打性分析计算结果本工程选用IHCS-3000型液压锤。

（3）稳桩平台。有一定抗风浪能力且满足沉桩稳定性要求，本工程经比选选用坐底式稳桩平台。

4.稳桩平台比选

国内风电项目单桩施工稳桩平台一般有驳船改装稳桩平台、自升式多功能平台、坐底式辅助桩稳桩平台、自动化移动式稳桩平台和起重稳桩一体式稳桩平台等几种型式。自动化移动式稳桩平台和起重稳桩一体式稳桩平台因社会可利用资源较少及租金较高等原因使用较少，大多数风电项目采用前三种稳桩平台进行单桩施工。

4.1 驳船改装稳桩平台

该种稳桩平台主要是在驳船艉部进行开槽处理，并配置抱桩器，通过船舶的精确定位及插打临时支撑桩从而形成稳定、可靠的海上稳桩平台。

优点：①平台4根支撑钢管桩深入持力层，适合不同施工区域，抗风等级较高；②平台由驳船改装，移动、定位灵活，作业效率较高。

缺点：①支撑桩沉桩、拔桩需要采用液压振动锤沉桩作业；②整个平台需要采用大型起重船吊装作业；③国内现有资源较少，且最大抱桩器直径小于8m。

4.2 自升式多功能平台

该种稳桩平台主要是通过在自升式平台船上配置抱桩器从而作为海上大直径单桩施工的稳桩平台。

优点：平台支撑桩带有桩靴，适合不同施工区域，定位速度快、效率高。

缺点：①本工程地表主要为淤泥及粉质黏土，平台桩靴坐稳后，可能因荷载变化而发生不均匀沉降移位现象；②平台支撑桩进入覆盖层较浅，抗风浪等级较低；③平台租赁或建造费用较高。

4.3 坐底式辅助桩稳桩平台

该种稳桩平台主要由稳桩平台结构、油缸导向装置、辅助桩、平台挂件、梯子平台、液压系统及电气系统等组成，包括上部导向架结构、下部立柱结构。

上部导向架结构为24m×23m×12m的空间立方体桁架结构，主要由箱梁及钢管焊接而成，结构四个边角设置有辅助桩导向结构，用于辅助桩插打时的导向以及施工作业时将导向架与辅助桩连接。下部立柱结构为钢管焊接的桁架结构，立柱上部与导向架下底面连接，立柱下部为“凹”字形桁架结构，平面下层铺设防沉板以保证稳桩平台结构整体放入海底后的稳定。

优点：①平台4根辅助钢管桩深入持力层，适合不同施工区域，坐底后稳定性较好；②平台重量较轻，租赁或建造费用较低。

缺点：①辅助桩打设、拔除需要采用大型振动锤沉桩作业；②整个平台需要采用大型起重船吊装作业；③平台定位较难。

结合本项目地质情况、船机设备的使用率、工艺的可行性和工程造价等综合分析，选择坐底式辅助桩稳桩平台进行沉桩施工。

5.稳桩平台施工注意事项

稳桩平台的工字钢、牛腿等构件的强度和刚度，由设计单位根据工程地质、受力荷载等按一般材料力学和结构力学原理进行验算，满足相关要求并由专业钢结构厂家制作生产。

稳桩定位施工前作业人员需根据项目地质情况及平台重量等验算确定辅助桩沉桩入土深度和振动锤型号大小，使辅助桩能沉桩至一定入土深度且满足承载力要求，保证作业安全和工程桩沉桩施工质量。

本项目选用的稳桩平台总重约1 000 t，钢管桩桩长80 m，桩径2200mm，壁厚25mm，每根支撑桩桩重约108.5t。

5.1 辅助桩入土深度承载力验算

图1 沉桩工艺流程图

图2 坐底式辅助桩稳桩平台

稳桩平台总重约1 000 t，4个辅助桩按3 点受力验算（1 根辅助桩和坐底防沉板受力作为安全储备），每根桩承重约1000/3=333.3t，辅助桩钢管周长U=πD=3.14×2.2=6.908m，根据地质勘察报告，参考《建筑施工手册手册》，海床自上而下各层的桩侧极限摩擦力标准值如表1。

5.2 辅助桩沉桩振动锤大小验算

振动锤需满足三个条件方可沉桩成功，根据类似工程施工经验，本项目选用永安YZ-300液压振动锤进行辅助桩打设和拔除，具体验算如下：

（1）振动锤的激振力Fmax大于支撑桩与土层的动侧摩阻力Qst；

（2）振动系统的工作振幅A大于振沉到要求深度所需的最小振幅；

（3）振动系统的总质量Q0大于支撑桩的动端阻力R。

表1 辅助桩承载力验算

5.2.1 激振力验算

根据日本经验公式，振动锤沉桩所需满足的条件如下：

式中η 为振动加速度比；黏土μmin=0.13；钢材的β 值为0.52；Qs=9436.33。

根据YZ-300振动锤技术参数可计算：

μ=μmin+（1-μmin）e-βη=0.1328

Qst=μQs=0.1328＊UσfiLi=1253.14kN＜3000kN，

YZ-300振动锤激振力满足施工要求。

5.2.2 工作振幅验算

工作振幅A=偏心力矩/振动质量=1 300＊10^3/（108.46＊10^4）=1.2mm＞1mm，满足要求。

式中，水下粉砂混黏土标贯N=1～7时，最小振幅A0=1mm。

YZ-300振动锤工作振幅满足施工要求。

5.2.3 动端阻力验算

R=3.14＊2.2＊0.025＊0.1328＊200=4.58(KN)

式中，含砂粉质黏土地基承载力基本容许值为200kPa。

YZ-300 振动锤系统总质量16t=160kN＞R=4.58kN，

满足施工要求。

6.结束语

稳桩平台辅助桩的入土深度承载力和沉桩振动锤必须经实际计算验证，为作业安全和工程桩施工质量提供保障。

本项目通过综合比选选用的坐底式辅助桩稳桩平台定位精度满足设计要求，作业效率较高，成功地解决了海上沉桩垂直度和法兰精度控制标准高的问题。因此，该项目沉桩工程的顺利完成为以后海上超长大直径钢管桩沉桩施工起到借鉴作用。