复杂海域φ8.5 m钢管桩沉桩技术研究

2021-04-09陈震

铁道建筑技术 2021年1期

陈震

（中国铁建港航局集团有限公司广东珠海 519000）

1 引言

我国海洋面积辽阔，有丰富的风资源可利用，近年来，政府出台大量优惠措施支持海上风电建设，海上风电发展迅速。海上风电海况多、地质复杂、施工难度大，且受气候、潮汐等多方面影响，施工周期相对陆上风电场更长，而且向深海区域发展［1］。为减少基础施工环节达到减少施工周期的目的，海上风力发电机组基础利用单桩大直径基础的情况较多，成为当前主要基础结构形式［2］。本文结合广东某开敞海域在建项目，针对复杂海况条件下研究大直径钢管桩沉桩施工技术。

2 工程概况

广东某开敞海域，濒临南海。风场场址涉海面积约40.69 km2，外围风机包络海域面积约为35.52 km2，水深范围约30～38 m，场址离岸距离约21～34 km。典型的海洋性季风季候，受台湾海峡“狭管效应”影响，是全国沿海气候最为恶劣的地区。

本海域涨落潮为不规则半日潮，流向复杂，根据附近海上工程全潮观测成果，工程海域各测站涨潮流向为33°～109°之间，落潮流向为193°～258°之间。风大浪高，海区的波浪比较大，工程海区的波浪绝大多数属于以外海涌浪为主的混合浪。海况复杂，地质条件较差，土层分布特征有淤泥层、黏土层、砂性黏土层、砂层等。

本工程风机基础为非嵌岩单桩钢管桩结构，单桩最大重量1 823 t，钢管桩壁厚65～95 mm，最大桩长113.57 m，最大桩径φ8.5 m，桩顶标高＋18.0 m。

3 技术难点

3.1 船机装备要求高

φ8.5 m单桩基础沉桩施工，钢管桩最大重量1 823 t，最大长度113.57 m。在开敞海域流向复杂，水深在30 m以上，风大浪高，波距较长。沉桩过程垂直度控制难度较大，钢管桩直径大较长且重，地质条件较差，对沉桩施工的船机设备要求高。

3.2 沉桩精度要求高

本工程单桩基础用钢管桩沉桩允许偏差：

（1）绝对位置允许偏差＜500 mm；

（2）高程允许偏差＜＋50 mm；

（3）沉桩完成后的基础顶水平度（桩轴线倾斜度）偏差≤3‰。

3.3 桩顶法兰保护

本工程所有钢管桩沉桩完成后，按照设计要求，均对桩体顶法兰、顶法兰与桩体焊接区域进行100% UT无损检验，验收等级为Ⅰ级。如大型液压冲击锤直接作用在桩顶，会对桩顶法兰及其焊缝造成影响。

3.4 可能发生溜桩现象

分析地质资料可知，海上风电场局部区域存在地基土中夹杂的软弱下卧层，呈可塑～软塑状，且层厚最大可达到19.1 m。钢管桩在穿过地基土较为坚硬的土层进入该软弱下卧层后，可能会发生溜桩的危险。

4 沉桩施工关键技术

4.1 主要船机装备选型

4.1.1 起重船

起重船选型时首先考虑起重应满足的条件，其次考虑船体在该海域的稳定性。沉桩主船需用大型起重船，要求在旋转半径内起重量能覆盖运输船舶停靠范围，吊高满足吊索具长度加桩长，可利用施工海域水深作为桩身竖直高度。目前国内起重设备现状是大型起重船舶不多且起重设备老旧，所以起重设备的各类刹车系统及部件也是选型时应考虑的关键条件之一。在北方海域施工时水流较为平稳，船体的长度、宽度和吃水深度可选择范围大。在台湾海峡及南海海域施工时，需选用吃水较深，宽度及长度都较大的船体，船的长度选择时最好在该海域较大波长的1.5倍波长以上，本项目选用宇航32起重船。

4.1.2 打桩锤

沉桩锤选择，对于单桩基础打桩，首先考察的是打桩设备，桩锤是冲击沉桩的主要设备，选择合适的锤型，使锤击力能充分超过沉桩阻力而使桩贯入，如果桩锤重量不足，则沉桩困难，并容易引起桩头破损。但当用大锤型打击小直径桩时，也会使桩产生纵向屈曲和局部破坏，在用大桩锤施打小直径钢管桩时，可调节液压锤的锤击能量达到需求值。根据设计要求选择建立打桩分析模型计算复核所选用锤型是否满足要求，满足要求即可选用。

4.1.3 稳桩平台

稳桩平台可选用浮式稳桩平台或座底式稳桩平台。浮式稳桩平台是利用大型驳船配套移动抱桩架，座底式平台转移场址时利用起重船吊运至下一场址。在工期紧，要及时把握施工窗口的情况下，建造一艘平台船时间较长且费用较高，建议建造座底式稳桩平台，建造周期短能快速投用。淤泥层较厚的海域，建议使用浮式稳桩平台，座底式稳桩平台容易造成自重下沉后提升困难而不适用。项目前期选用亨通蓝德浮式稳桩平台，后期增加座底式稳桩平台。

4.1.4 拖轮、锚艇及运输船舶

南海地区拖轮可配置成一艘5 000 HP以上锚拖一体船，在特殊情况需要拖轮时用作拖轮，远距离转场时如果需要增加拖轮则可以临时增加1艘拖轮，在施工期间作锚艇用，再增加一艘4 000 HP锚艇即可。运输船舶选型时在满足装载能力的条件下，同时满足抗风浪能力和是否能够自锚，根据钢管桩生产厂家在出运码头的装船方式来确定船体尺寸及运输工装。

4.2 沉桩精度控制技术

4.2.1 定位测量

定位测量方法采用Trimble5700型号GPS动态实时差分技术，Trimble5700静态定位精度5 mm＋1 ppm，动态定位（实时差分定位 RTK）10 mm＋1 ppm。可以随时准确进行84坐标、54坐标、当地坐标以及施工坐标的相互转换。

动态实时差分GPS定位方法：在岸上设立永久性基准站，基准站距移动站小于20 km，定位精度为10 mm＋20 km×1 ppm＝30 mm，最大误差不超过50 mm，满足施工规范要求。每艘定位船上安装两台Trimble5700移动站，利用中海达仪器公司的“海洋成图软件”对定位船进行实时动态定位或Trimble海测成图软件HYDRO Pro。在施工过程中，预先在微机上设置好施工区域，通过GPS定位实时显示和调整船的姿态，直观而且准确地控制施工［3］。

4.2.2 稳桩平台定位

考虑施工区域波浪及水流情况，为保证稳桩平台受波浪、水流影响较小，稳桩平台船采取正南正北站位，船艏4个锚缆的出绳方向均与稳桩平台船纵轴线成40°，锚缆长度为600 m，抛锚长度控制在500 m以上。稳桩平台具体施工步骤［4］：

（1）利用平台船艏部凹槽设置支撑座。

（2）在预设的支撑座上安放稳桩平台。

（3）在稳桩平台四角导向管内插入临时支撑桩，并采用振动锤沉桩。支撑桩打入泥15～16 m。

（4）提升稳桩平台，离开船体；悬吊稳桩平台在临时支撑桩上，基本调平后与临时支撑桩锁定。

（5）稳桩平台就位完成［5］。稳桩平台支撑桩沉桩如图1所示。

图1 支撑桩沉桩

4.2.3 主起重船定位

稳桩平台定位完成后，起重船由拖轮拖向施工海域，主起重船艏部和艉部抛“八”字锚，同时在艏部和艉部各增加一个牵引锚，所有锚均为霍尔锚，重5.25 t。抛锚长度为500 m，主起重船锚缆压稳桩平台锚缆。

起重船定位时船舶纵向中心轴线应基本与稳桩平台船纵向中心轴线的延长线重合，艏部朝向稳桩平台船，留有足够的安全距离。

4.2.4 钢管桩立桩

（1）主吊耳挂钢丝绳、溜尾钩吊挂，钢管桩主吊耳共两个，需挂两根钢丝绳。通过主起重船吊钢丝绳，人员引导挂钩的方法完成。

使用新工艺用430 t溜尾钩作为翻桩措施替代了翻桩吊耳。溜尾钩通过钢丝绳与辅助起重船吊钩连接，翻身钳吊挂于钢桩上方管壁。溜尾钩吊挂管壁如图2所示。

图2 溜尾钩吊挂管壁

（2）待钢丝绳挂吊耳完毕、溜尾钩吊挂完成后，人员撤离至安全位置。运桩船提前进行调载，向钢桩起吊一侧压水，保证起吊后船舶稳性。主、辅起重船在统一指挥下，相互配合将钢管桩缓缓吊离运桩船，起吊前主、辅起重船配合起吊多次，起吊高度10 cm，试吊时间约20 min。检查焊点、吊索具是否满足施工要求，保障后续安全施工。

（3）立桩通过主起重船主钩加力缓缓上升，辅助起重船主钩减力缓缓下降将钢管桩立成竖直状态。钢管桩竖直后，溜尾钩自动脱离。

4.2.5 自沉桩

钢管桩竖直稳定后主起重船吊桩送至抱桩器。移桩通过主起重船绞缆进行。主起重船通过绞缆先进行南北方向位移，再进行东西方向位移，最终将钢管桩吊运至稳桩平台抱桩器中，抱桩器通过液压顶控制闭合。

（1）液压顶顶推固定钢管桩，钢管桩稳定不再摇晃后，抱桩器上下两层共8个液压顶推缸固定钢管桩。

（2）调整平面位置，通过上下两层液压顶推缸相互配合调整平面位置，使钢管桩基本位于抱桩器中心位置，调节液压顶推缸同时进行垂直度调节。

（3）沉桩前结合地质情况，打桩分析中自沉深度与实际自沉深度对比，注意在钢管桩自沉过程中严格控制沉桩速度，测量人员实时观测，及时调整垂直度。自沉稳定后，测量人员检测桩身垂直度，并通过临时作业平台登至桩顶，利用水准仪测量法兰面水平度是否满足＜1‰的要求（规范要求3‰）。如不满足，则调节液压顶推缸直至法兰面水平度最终控制在1‰以内为止。

4.2.6 垂直度调控方法

亨通蓝德稳桩平台上下抱箍各设4个300 t液压缸推杆，上下抱箍高差10 m，单个有效压力约21 MPa，沿圆周均匀布设，以调整钢管桩垂直度［6］。

（1）喂桩过程，当钢管桩大约吊放在设计位置时，点钩下放至桩尖距离泥面1 m。调节两台全站仪呈90°角同时观测钢管桩垂直度，桩身垂直度调节通过液压顶推油缸进行，保证垂直度＜1‰。

钢管桩第一次调整尤为重要，在插桩入位过程中进行钢管桩垂直度的初步调整。由于钢管桩重量大，纠偏难度大，为预防垂直度偏差过大对后续工序造成影响，钢管桩完成插桩和自重入泥过程中，要及时完成垂直度调控。

（2）自沉阶段，钢桩入泥后，调整垂直吊耳方向“垂线”垂直度通过调整两个钩头高度进行，另一方向垂直状态通过起重船扒杆调整方位，使液压缸推杆顶滚轮接触管桩外壁稍受力即可；慢松钩头慢减吊荷，使桩沿着稳桩平台定向平稳自沉，同时检查垂直度，保持钢管桩垂直下沉；并利用抱桩器上下两层顶推油缸限位控制垂直度及平面位置。

钢管桩自沉至稳定后，测量人员至桩顶，利用水准仪测量桩顶法兰水平度，满足＜1‰后允许摘钩，进行锤击沉桩施工。同时测量人员在稳桩平台上使用经纬仪与水准仪测量法兰的水平度与钢管桩垂直度的关系，将关系值作为沉桩过程控制钢管桩垂直度的依据，法兰的水平度与钢管桩垂直度误差控制在0.5‰。

为保障操作人员安全和防止溜桩等，并有效提高钢桩垂直度及平面位置精度控制，在整个沉桩过程中应缓慢进行吊钩卸力；此外，进行复测稳桩平台平面位置，密切观察抱桩器，如平台位置发生偏移应停止插桩，查明偏差大小及具体原因，制定补救措施。

（3）锤击沉桩阶段，锤击沉桩通过稳桩平台上下两层的液压顶推杆调节，方法参考自沉阶段。

4.2.7 测量频次

在沉桩作业过程中，由测量人员对沉桩深度进行观测，每下沉1 m，及时反馈到指挥人员，停止锤击或停止吊钩卸力，随后在稳桩平台上对桩的垂直度进行复测。如发现垂直度偏差超过允许范围时进行纠偏，将偏差调整到1‰以内，再进行沉桩作业，直至到沉桩作业结束。

4.3 法兰保护

4.3.1 钢管桩轴向承载力计算

本项目钢管桩为扩口桩，打入钢管桩轴向承载力按桩的轴向极限承载力计算，打桩分析计算采用GRLWEAP软件进行计算。

在进行打桩分析时，打桩阻力参考《海上固定平台规划、设计和推荐作法-工作应力设计法》规范进行计算，打桩阻力可按以下公式进行估算。

式中，Qf为桩侧摩阻力；Qp为桩端总承载力；f为单位桩侧摩阻力；AS为桩侧表面积；q为单位桩端承载力；Ap为桩端总面积［7］。

单桩基础进行可打性分析［8］。首先考察的是打桩设备，桩锤是冲击沉桩的主要设备，选择合适的锤型，使锤击力能充分超过沉桩阻力而使桩贯入，如果桩锤重量不足，则沉桩困难，并容易引起桩头破损。但当用大锤型打击小直径桩时，也会使桩产生纵向屈曲和局部破坏。根据设计要求，选用IHC-S3000锤型进行分析［9］，建立打桩分析模型，分析结果如表1所示。

表1 基础可打性分析结果

4.3.2 送桩器及液压锤吊装

（1）送桩器吊装：送桩器上设有4个吊点，由主起重船通过吊索具连接，安放桩顶法兰盘上。在安装过程中，起重船起吊缓慢进行，防止送桩器对法兰碰撞造成损坏［10］。

（2）液压锤的吊装及压锤：液压锤的吊装利用主起重船主钩缓缓将组装件从甲板吊运至桩顶；液压锤重约380 t，临时送桩器重约110 t，合计约490 t；待液压锤安装完毕后进行压锤静压施工。

4.3.3 锤击

（1）锤击施工，开始沉桩前三锤实施最小能量单击（IHC S-3000液压锤最小能量为204 kJ），每次停锤后，均进行垂直度监测。然后以最小能量连击，并根据打桩分析、钢管桩实际贯入度情况并结合地勘情况调节夯击能，每沉桩2～3 m即停锤检查垂直度一次，以防钢管桩发生较大倾斜，确定无误后再逐渐加大夯击能持续进行锤击［11］。

（2）通过GPS测量稳桩平台下层平台标高，采用液压顶端部作为标记。当桩顶标高沉桩至距设计标高1 m左右时，控制锤击贯入度和打击能量，设定每观测一次垂直度的下沉高度为250 mm。桩顶接近设计标高位置时，全站仪采用三角高程方法测量并记录桩顶高程。锤击结束后，吊装内平台，测量人员在内平台复测桩顶高程，满足偏差50 mm要求［12］。

（3）沉桩至顶标高14 m左右，暂停锤击，安装高应变检测传感器，完成后继续锤击至设计标高，采集应变检测数据。沉桩完成后在内平台上进行法兰无损探伤。沉桩工时统计沉桩用时约为8 h。

（4）ZK59号桩夯击能分析，钢管桩自沉21.4 m，与可打入分析中自沉16 m的预测相比自沉深度较大。观察夯击能折线图，在桩尖进入粉砂层后，即入泥22.3 m后，夯击能量无明显变化，入泥23～24 m甚至发生溜桩现象，当入泥29 m时，此时桩尖仍在粉砂层，但每米的总夯击能量由38 202 kJ逐渐增大至62 760 kJ，每下沉1 m，增量约20 000 kJ，最后在粉砂层底部37 m附近增至160 000 kJ左右，在同一土层每1 m夯击能出现较大变化。整个过程参考可打入分析的夯击能损耗率达到58.7%。