大直径钢管桩沉桩工艺及桩身垂直度控制

李 东，韦 冬，李铭志，顾健威，吴 凯

（1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710032；2.天津中北港湾工程建设监理有限公司，天津 300222；3.华能江苏清洁能源分公司，江苏 南京 210000）

引 言

目前海上风电工程的风机基础多采用无过渡段大直径钢管桩单桩基础形式，其施工工艺与传统的沉桩工艺存在区别。同时由于风机塔筒垂直度及上部风机运行安全需要，对单桩基础的垂直度要求非常严苛，如何采用合适的沉桩工艺及保证单桩沉设的垂直度成为工程质量保障的关键因素。

华能如东300 MW海上风电场工程目前为亚州最大的海上风电场工程，风机基础形式主要采用无过渡段大直径钢管桩基础，单桩直径6.0～6.7 m左右，平均桩重达680 t/根，桩基顶部直接用法兰盘连接风机塔筒，在塔筒安装前没有过渡段或承台做基础再次调整的空间。沉桩的成败不仅需考虑船型、锤型的选择，尚需重点把控沉桩过程中的垂直度控制。本文根据华能如东风电工程的实际工程经验，对大直径钢管桩单桩沉设工艺及过程中的测量控制要点进行总结。

1 船机设备选型

目前国内常规单桩（直径在2.5 m、桩长在90 m以下）的沉桩工艺较为成熟，均采用自带桩架的传统打桩船进行施工，桩锤多为柴油锤，如浙桩8、三航桩16、雄程1号等，据不完全统计全国共有各类带桩架的传统打桩船达74艘。但传统的打桩船设计的桩重、桩径、桩锤适用己不能满足大直径钢管桩的沉桩作业要求，采用全回转起重船（带抱桩器或稳桩平台）和锤笼组合而成的吊打沉桩工艺是大直径大重量的单桩沉桩的必然选择。

常规打桩船的桩身定位，无论直桩或斜桩，均以随锤上下运动的替打桩帽及桩架下部的液压抱桩器为桩身定位，也就是说基桩轴线始终与导轨平行，其平面和垂直面的角度随桩架的定位而定。吊打沉桩的作业平台不设置大型变幅桩架，包括吊桩在内的各类起重作业均由施工平台（船）上的起重机完成。直桩以自身定位，斜桩依靠导向定位架，故沉桩作业时对直桩的垂直度控制尤为重要。

目前国内可进行吊打沉桩的船型并不多，均是采用液压锤吊打，但工艺各有不同，按沉桩工艺形式分主要有稳桩平台+起重船、支腿船带抱桩器与起重船舷侧自带抱桩器吊打3种。本工程由于存在深水区，浅水区、潮间带三种复杂地形，工程中用到的船型有以下3种：

1）华尔辰号全回转起重船自带稳桩平台（单套）、大申号起重船+独立稳桩平台（可多套周转）；

2）龙振2号支腿船带双层抱桩器于左舷；

3）华申号起重船左舷带双层抱桩器、龙振1号起重船左舷带双层抱桩器。

其中1、2三种船型用于深水区（水深≥5 m），第3类的2种船型适用于浅水区（水深＜5 m）与潮间带（低潮时露滩），可坐滩吊打。

大功率液压锤目前只有荷兰、德国产可用，由于桩径大桩身重，本工程根据试桩结果、可打性分析及作业面分布配备了两种型号锤型：为IHC S-2000与IHC S-1800两种荷兰产液压锤。

2 大直径钢管桩典型船型沉桩工艺应用

2.1 支腿船沉桩

龙振2号支腿船：船长76.8 m、宽42 m、型深6 m、桩支腿长67 m，可在30 m内水深海域作业，双钩360°全回转最大吊重800 t，最大起重高度108 m，最大风暴自存能力12级。该船于2014年6月投入使用。

龙振2号装有垂直于舷边线的抱桩器，分上下两层，高差10 m，底座设于甲板左舷，可沿舷边左右行程2 m移动，离舷外伸缩行程2～9 m，抱臂中心位置可调，纵横向最大纠偏±1 m。船舶定位后，可施打桩中心线距舷边9 m以内的桩。

作业时，先用拖船将龙振2号拖至预定水域后抛锚，船载GPS比对定位，放下支腿，将平台撑起；将运桩方驳拖至平台旁定位，吊机将桩由方驳上吊起放入抱桩臂后，由经纬仪控制上下抱桩臂前后移动，控制桩的平面位置与垂直度，吊机松钩进行插桩及稳桩；吊机将液压锤吊起套在桩头上面，经测量无误后，即可由控制台启动桩锤进行吊打，当锤套即将到达抱桩器时，松开抱桩器继续锤击直至达到设计要求的高程、贯入度停锤。锤击过程中持续进行垂直度观测以确保符合设计要求。

龙振2号支腿船沉桩优点是作业精度高，基本不受风浪流的影响，最大作业水深达30 m，通过调节支腿的下放长度可在高低不平的海床上保持平衡稳定。在波高2 m，风速15 m/s（相当于7级）、潮差5 m的情况下仍可正常作业。缺点是对配合船机要求较高，需大功率的拖船和专用锚艇来协助移位、抛锚，要求配合施工的其他船舶（如运桩船舶）亦要有相应的抗风浪能力，同时其插腿与升船保压时间较长。相比用于浅水区可坐滩独自沉桩的龙振1号或华申号，其工效相对较低，但浅水区两种船型如用于深水区需配稳桩平台作业。

图1 龙振2号沉桩实景

图2 龙振1号沉桩实景

2.2 起重船+独立稳桩平台

大申号起重船：船长118.6 m，宽32.2 m，型深8 m，吃水4 m，最大固定吊重1 500 t、全回转吊重800 t，最大吊高97 m，抗风能力8级。

施工前，先将稳桩定位平台拖至施工水域后抛锚定位，稳桩平台由平台本体和4根工艺钢管桩组成，由一艘起重船完成定位平台搭设，平台定位采用GPS定位系统定位，工艺桩沉桩采用APE600振动锤。定位平台搭设的平面、高程精度决定了钢桩定位精度，必须严格控制平面准确度，特别是下桩龙口的定位精度。为保证施工进度，定位平台一般制作多套，供现场连续施工和周转使用。定位平台上设有粗定位和精定位装置，以确保沉桩时钢桩的垂直度要求。沉桩结束后利用APE600振动锤将工艺桩拔除，然后采用起重船拆除定位平台至下一个机位。

沉桩施工时，大申号拖航至稳桩平台附近定位，采用“大申号”和另一艘起重船共同抬吊，完成竖桩立入稳桩平台操作。然后由大申号主钩吊起液压套在桩头上经测量无误后开始吊打沉桩。

其优点是适用于深水区沉桩且定位精准，两台经纬仪可架设在稳桩平台上进行多余观测，垂直度控制便利稳定。缺点与支腿船相似，其稳桩平台的架设与撤离需要作业时间。

图3 定位平台施工实例

图4 “大申号”液压锤沉桩施工实例

3 工程地质分析及防溜桩控制

本工程位于江苏省如东县小洋口北侧的烂沙海域附近，场区海底滩面地形变化较大，高程-18.6～0.6 m。场区北侧发育一条近东西走向的潮沟，高程-18.6～-9.0 m，宽度约1.0 km；场区内地基土表层以粉土、粉砂为主，属南黄海滨海相沉积地貌单元。根据钻孔揭露的地层结构、岩性特征、埋藏条件及物理力学性质，结合原位测试成果、室内试验和区域地质资料，勘探深度内（勘探孔最深70.8 m）均为第四系沉积物，为冲积、海积及河口～海陆相沉积。勘探深度内场区土按地质时代、成因类型及工程特性，可分为6大层9个亚层，上部①～③层为第四系全新统（Q4）冲海相粉土、粉砂，下部为上更新统（Q3）陆相、滨海相沉积物。

根据地质分析及附近类似工程实践，由于粉砂层及软弱土层的存在且桩重过大，本工程中发生溜桩的可能性很大。施工前需要根据每个机位的钻孔柱状图（结合静力触探数据）及机位水深情况进行一桩一议，充分认识每层土质的软硬程度，对溜桩制定防范措施：

钢桩自重入泥后，根据入泥深度对比钻孔柱状图，对溜桩发生的可能性以及溜桩的距离进行大致判断。若自重入泥深度未穿透软土层，发生溜桩可能性很大，此时应采用带底座（增重）压锤的方式，使钢管桩穿透软土层。

若带底座压锤都未能穿透软土层，应采取液压锤脱钩沉桩的方法（防锤坠落时带断吊臂），钢管桩和液压锤替打桩帽应预先开孔（在距离液压锤顶部500 mm处开4个孔，孔径200 mm，4个孔沿圆周方向均匀分布。在钢管桩吊耳中心片对称开2个孔，孔径300 mm），以防溜桩过快使桩内气压急剧增大而造成液压锤脱出。

锤击沉桩时，应以最小能量开锤，并在开始击锤后，观察贯入度是否过大，贯入度超过20 mm时，发生溜桩的可能性较大，应停锤等待一定时间，再开始锤击。此段必须减小锤击能量及锤击速率，必要时采用单击或2、3连击，防备出现“溜桩”现象，待穿过粉砂层或软弱土层后锤击能量方可逐级增大并持续观测贯入度。

4 施工过程中垂直度测量控制

海上风电基础钢管桩打设精度要求较高，桩顶平面偏差不超过500 mm，纵轴线倾斜度偏差不超过0.3%，桩顶法兰顶高程13.0 m±50 mm。

根据《水运工程施工与验收规范》（JTS 257-2008）规定：单桩垂直度（桩尖对纵轴线偏斜）沉桩偏差验收要求为10 mm/m，即沉桩时垂直度是以1%桩长来控制的（10 mm/1 000 mm=1/100）。此标准在桩基上部有承台结构可调整风机塔筒基础环的平整度、不影响塔筒及风机的安装精度要求时可适用。而单桩基础顶部只有法兰盘连接风机塔筒基础环，无过渡段可调整，所以单桩的垂直度必然提出新的标准要求。

设计要求单桩沉桩时垂直度控制在3 ‰桩长，相应的抱桩自沉、插桩稳桩阶段垂直度必须精准在1 ‰以内才能确保达到最终标准。所以单桩沉桩过程中的垂直度控制是沉桩质量控制必不可少的关键环节。

4.1 垂直度监控测量设备安装

沉桩全过程对单桩垂直度及高程进行监测。垂直度采用经纬仪人工测量和“高精度双轴倾角测量”方法同时监测。本工程使用的高精度双轴倾角测量的误差倾斜度误差为0.1 ‰。

1）利用高精度双轴倾角传感器测量过渡替打底面（假设过渡替打底面与桩顶平面是重合的）前后、左右两个方向的倾斜角度。

2）利用无线电台把数据发送到远程电脑，通过倾角测量软件，实时计算出桩的实际倾斜角度、坡比及桩顶偏移量。

3）双轴倾角传感器预装在不锈钢安装箱里。

4）在过渡替打侧面焊接一块400×400的钢板，钢板平面与替打底面平行。将不锈钢安装箱安装到钢板上。数据电缆沿替打壁敷设，并与锤上的管线并行。电缆的另一端连接至（发射电台+锂电池）安装箱。

5）（发射电台+锂电池）安装箱安装在与船体固定的塔架上，便于人员维护的地方。

6）计算机、接收电台（含天线）安装在操控室内，电台天线延伸到室外。

4.2 传感器倾角标定

测量前，必须对传感器倾角进行标定。

将过渡钢管底面调整到水平状态，在计算机软件上按照操作说明打开测量软件，测量软件设计成三维立体模型的形式，形象、直观。操作者可利用鼠标控制模型的大小和方向，按自己喜欢的姿态呈现。桩顶高程及平面位置通过船载GPS系统监测。高程允许偏差50 mm，桩顶绝对位置允许偏差500 mm。

传感器安装及测量软件监控屏幕如图5、图6。

图5 测量仪器安装示意

图6 测量软件实时数据输出界面示意

4.3 垂直度复核测量

高精度双轴倾角传感器测量精度远远高于传统测量手段，并且优点明显，可以直接读出法兰水平度并实时显示桩体在沉桩时的倾斜状态，施工中垂直度的调整主要依据高精度双轴倾角传感器测量数据；但为确保测量准确，特别是为了防止精密的测量仪器（双轴测斜仪）在使用过程中损坏而不自知，造成测量事故，故同时采用传统测量方法进行多余观测，便于及时发现错误。

施工中，采用2台经纬仪（全站仪）呈90°角同时观测钢管桩垂直度（单桩出厂时用激光测距仪呈90°画好两条测量刻度线），定性观测钢管桩是否垂直，同时与高精度双轴倾角传感器测量数据进行比对，发现不一致后立即重新标定、更换或修复高精度双轴倾角传感器。两台经纬仪（全站仪）中放置于定位导向平台上，大致呈90°方向布置，以确保观测数据科学合理。

4.4 调整控制单桩垂直度

定位导向平台上两层抱箍高差约11 m，每层抱箍均布设有4个千斤顶，沿圆周均匀布设，用以调整钢桩垂直度。为避免钢桩涂装被别蹭，千斤顶端部均设有橡胶滚轮。

调整垂直度时，按照先上后下的顺序进行，即先操作上抱箍千斤顶使钢桩竖直，橡胶滚轮与桩壁顶紧；后操作下抱箍千斤顶至橡胶滚轮与桩壁稍稍接触即可。

上下层抱箍各设一独立的液压泵站，每台千斤顶油路均为一闭合回路。

初步调整钢桩垂直度在插桩入位过程中进行，钢桩调整尤为重要。由于单桩重量大，纠偏难度大，钢桩插桩并完成自重入泥过程中，要及时完成垂直度调控，为预防后续工序对垂直度造成影响，本阶段钢桩倾斜度控制值应比设计要求更高，垂直度预控值为1 ‰。

4.5 监控调整垂直度

通过垂直度调控后，基础钢桩自重竖立于海床上，由双层导向抱箍支撑稳定。下一步要进行压锤过程中垂直度调控。

本工程钢桩沉桩设备为大功率液压打桩锤。吊装前，将锤体和替打整体安装，连接好液压管。然后，利用船载吊机进行整体吊装。液压锤吊装应先调整好锤体中心位置，使之尽量与桩中心接近。当锤体摆动稳定后，吊钩慢档下落，锤靴套入桩顶。

由于在钢桩顶压锤过程中钢桩会继续下沉，可能会造成钢桩垂直度发生变化，因此，当桩顶压锤前、后，应再次测量桩身的倾斜度，当桩身倾斜度＞2 ‰时，必须重新进行调整。倾斜度控制值仍以1 ‰为准。

液压锤连续锤击频率一般控制在30击/min。沉桩全过程必须进行测量观测，发现桩身贯入度变化较大或贯入度异常，应立即停锤分析原因并校核垂直度。

5 单桩垂直度验收与后期监测方案

5.1 单桩垂直度验收

单桩垂直度最终验收标准为设计给定的3 ‰。根据相似三角形原理，桩身对纵轴线倾斜（垂直度）可转化为桩顶法兰面水平度测量结果得到。

沉桩结束后基础环法兰面水平度测量可用两种方式测得：

1）用水准仪（精度等级DS05）和标尺在法兰面相隔45°的8个方向上测量，水准仪架设于桩内上部布置的内平台中心，从法兰面位置引竖尺读数，每个方向最少测量两次并记录数据，取8点相对连线（4条）中的最大值与最小值相减所得数值除以桩顶法兰直径，即为桩顶法兰水平度（基础桩垂直度）≤3 ‰。

2）激光扫平仪测量：用德国进口的激光扫平仪可以快速精准的测定法兰平整度，可克服常规测量方式的系统误差和偶然误差。其测量数据可直观读出，连接电脑可打印输出。

5.2 后期监测方案

由于风电场工程均外于外海无掩护水域，变形观测网建立困难，故后期监测目前一般采用预埋监测设备的原型观测方案（JTJ 218-2005）对桩基的变形数据进行直观收集分析。具体采用在桩顶布置几何水准点、静力水准点和倾角仪进行不均匀沉降和倾斜监测，设备可直接接入监测自动化系统实现自动化连续观测。

6 结 语

海上风电正在起步发展阶段，随着风电新能源的蓬勃发展，风机基础大直径钢管桩应用将越来越广。大直径管桩的沉桩基本控制要点与传统的沉桩质控要点相同无需赘述，本文侧重于吊打工艺所涉及的船型及直桩的垂直度质控总结，代表了当前国内大直径大吨位钢管桩吊打施工工艺的先进性。通过对大直径钢管桩海上施工工艺的经验积累总结，为后续海上风电桩基施工提供一定的指导与借鉴作用。