浅谈坐底式稳桩平台深水海域四桩导管架基础沉桩施工技术

2022-05-12郭子生包秀鹏中国广核新能惠州有限公司

珠江水运 2022年8期

◎ 郭子生包秀鹏中国广核新能（惠州）有限公司

1.前言

随着社会发展的需要，人们对海上风电项目的探索逐渐深入。海上风力发电向着离岸更远、水深更深的方向稳步前行。四桩导管架基础近年来得到了广泛的应用，该基础结构形式有覆盖层承载力高、可整体运输安装、适合较深水域施工等优点；同时其现场施工作业时间较长，沉桩精度要求高等因素也加大了施工难度。

以往的海上风电项目沉桩施工采用浮式稳桩平台施工，施工步骤较多，且很难适应30米以上水深的情况。为适应海域条件，解决上述多方面控制要求，需要探索出一种稳桩平台沉桩工艺，高效地解决导管架基础深水水下沉桩施工遇到的困难。

2.工程概况及地质

2.1 工程概况

中广核惠州港口一海上风电场项目场址位于广东省惠州市惠东县港口镇附近海域，场址面积约64km²，水深在30-43m之间，距离陆地最近约25km。风机基础均采用四桩导管架结构形式，即先在海底沉4根钢管桩，4根钢管桩呈边长22m的正方形布置，后在钢管桩上安装导管架，导管架四条支腿水下内插于4根钢管桩内，最后在钢管桩内壁与导管架支腿之间形成的环形空间内灌浆进行连接固定，形成四桩导管架式风机基础结构。

2.2 自然条件

该风场海域历年最大风速27.3m/s，大潮期的最大海流流速为103.3cm/s，以NE和偏E方向的流为主，均出现在落潮时段。大潮期间，各站最大平均流速为78.8cm/s，最小平均流速为14.6cm/s。风场地质主要为淤泥、淤泥质土、粉砂混黏性土、粉质黏土、粉土、中砂、粗砂及砾砂等。

2.3 钢管桩概况及沉桩精度要求

风机基础钢管桩桩径3.1 m，相邻两桩中心间距为22 m，桩长62.5m～83m，桩顶标高-30.4m 至-35.4 m，单根钢管桩重量为205.14t～245.83t。沉桩施工时，设计标准要求任意两根钢管桩间允许相对水平偏差小于30mm，桩顶高程允许偏差±50mm，钢管桩垂直度允许偏差不大于3‰。

3.坐底式稳桩平台结构设计

3.1 稳桩平台结构概况

面对着工期紧、任务重、沉桩精度高等工程难点，施工期间采取坐底式稳桩平台辅助沉桩施工。坐底式稳桩平台有着沉桩精度高，对人员操作要求低、移位就位速度快、对船机设备要求低等优势；沉桩过程中可保证钢管桩的垂直度、相对位置、桩顶标高的偏差均达到设计要求。

坐底式稳桩平台主体结构以管架为主，主要由4根辅助桩套筒、4根工程桩限位套筒及桁架组成。顶层平台、防沉平台以板架为主。平台结构中部设有浮力筒，充分利用海水浮力的作用，降低了对起重船起重能力的要求。为保持平台在海上安装和施工各环节具有足够的抗滑移、抗倾覆、防止过度下沉,在平台底部特设置防沉板，4根辅助桩用于连接固定稳桩平台，为整个稳桩平台提供基础支撑、承受外部载荷。工程桩限位套筒用于沉桩过程中的精确定位，控制四根桩相对位置及垂直度满足设计要求；顶层设作业平台，上层平台工程桩套筒对应位置设置4个带有千斤顶限位导向龙口的结构，为水下四桩插桩提供定位和导向。平台辅助桩桩口设置销轴式吊耳，用于平台安拆；四角设置饼式吊耳，用于挂扣缆风绳调整平台朝向。

防沉平台至顶层平台的高度为46m，整体重量约850t。

3.2 稳桩平台限位套筒及千斤顶布置

坐底式稳桩平台平台设置有4 个外径为Φ 3300×20 mm 的限位套筒，其上部导向段为外径Φ4515/3300mm、总长1.5m的喇叭口，相邻套筒中心间距为22m，满足设计要求的相邻两根钢管桩的间距；套筒内的限位段长度10m，在限位段顶部和底部分别设有一层宽68mm的限位筋板，限位筋板所形成的环形空间内径比工程桩外径大24mm，可有效保证沉桩垂直度在3‰以内。上层平台设置龙口及千斤顶顶推装置；沉桩施工时，在钢管桩自重入土阶段，通过调节上平台龙口千斤顶，保证钢管桩顺利进入限位套筒，避免盲插。

3.3 稳桩平台施工原理

沉桩施工流程如图1。

图1 沉桩施工流程图

3.2.1 稳桩平台安装施工原理

起重船落钩使平台触泥坐底稳定后，用振动锤起吊4根辅助桩拔出固定插销并打至预定标高，通过花篮螺栓连接辅助桩与坐底式稳桩平台，调节花篮螺栓长度对平台水平度调整并焊接加固。

3.2.2 稳桩平台沉桩施工原理

钢管桩起吊翻身后送入上层平台导向龙口，工程桩导向龙口4个液压油缸千斤顶抱紧工程桩，使桩在千斤顶的约束下缓慢下放进入工程桩套筒，在工程桩套筒的作用下通过自重缓慢下沉，工程桩自沉完毕后，依次进行其他几根工程桩的插桩施工。四根工程桩插桩结束后用冲击锤依次将四根桩沉至海面以上2～3m后，安装送桩器，进行第二轮沉桩施工，依次将四根工程桩打至设计标高。

3.2.3 稳桩平台整体移动施工原理

水下沉桩完成后，拆除花篮螺栓、割除加固钢板，用振动锤拔出辅助桩，待辅助桩插销孔露出上层平台后，插入固定插销，将辅助桩挂于平台上固定。平台起吊前安排施工人员平台挂扣，插好销轴固定，并安装好缆风绳。起重船整体起吊平台，并移船至下个机位安装。

4.沉桩施工方法

4.1 稳桩平台安装

在稳桩平台到达现场后，施工人员及测量人员通过吊笼抵达稳桩平台上平台。

施工人员为平台挂扣，同时缆风绳系在销轴上，测量人员调试GPS设备。挂钩完成后，将平台人员送至交通船上。

人员安全到达交通船后，指令吊机手起大臂，主钩中心位于平台中心位置，缓慢起钩头保持吊带处于即将受力的状态。运输船工人解除稳桩平台底部固件，核查无误后通知起重指挥，所有人员返回起重船。

缓慢起钩，将平台吊离运输驳甲板面以上3m左右，起吊完成后，运输船解缆离开；通知起重船绞锚，使起重船后退远离运输船

起重船绞锚后退至机位点后，测量人员根据提前安置在稳桩平台上的GPS仪器观测坐标是否正确，起重船根据测量人员指挥调整位置，机位中心位置复核无误后，起重指挥通知吊机手缓慢落钩下放平台至泥面以上4～5m左右。起重船甲板工作人员用卷扬机拉动稳桩平台缆风绳调整稳桩平台方位角，测量人员复核角度无误后，起重指挥通知吊机手继续落钩使平台缓慢坐底。

平台坐底稳定后，安排施工人员为平台解扣，测量人员回收测量仪器；解扣后吊带理顺放置在上平台上。

4.2 辅助桩沉桩

辅助桩进场后，安排施工人员到达运输船。指挥工人为辅助桩挂扣；辅助桩翻身时利用桩尾部翻身支点进行翻桩作业，直至立桩完成；继续起辅钩使桩脱离甲板面，旋转、调整大臂角度将辅助桩吊运至①号辅助桩桩口位置上方。抬升桩底在上平台以上3m位置，旋转大臂使辅助桩桩底位于插口中心位置，指令吊机手缓慢落钩，保持桩垂直状态，使辅助桩缓慢进入导向内。继续下放辅钩，辅助桩触泥后自重入土。待辅助桩自重入泥完成后，落钩使吊带脱离辅助桩管轴吊耳并解扣；第一根辅助桩安装完成后，将运输船上下一根辅助桩倒运至翻桩通道翻身；重复上述操作，完成四根辅助桩的插桩作业。

在四根辅助桩完成自重入土后，起吊YZ400B振动锤进行辅助桩沉桩。当振动锤夹具快落至桩顶时，起重指挥通知吊机手停止落钩，待锤体稍微静止后，观察锤体与辅助桩桩口相对位置，根据相对位置指挥吊机手适当调整锤体位置便于夹具对准桩口，调整完毕通知吊机手继续落钩，安排操锤人员收紧夹具夹桩，开始振动。吊机手根据沉桩速度进行落钩，直至沉至桩头露出平台4m。沉桩完成后操锤人员松开夹具，起重指挥通知吊机手提钩，保证锤离开桩顶，进行第二根辅助桩的沉桩施工，沉桩完成后测量复核平台水平度，复核无误后，安排施工人员安装花篮螺栓，将辅助桩与平台固定。

4.3 工程桩插桩

4.3.1 工程桩翻桩

起重指挥指令吊机手落工具钩至主船甲板上1m左右位置，安排工人挂钩夹桩器；夹桩器翻身后，将夹桩器吊运至钢管桩桩口。

夹桩器安装结束后，利用桩尾部翻身支点进行翻桩，直至立桩完。指令吊机手调整钢管桩高度，使桩身入水20m，旋转大臂将钢管桩送至①号桩龙口外侧，大致保持桩中心与龙口中心重合，调整大臂角度慢慢进入龙口。测量人员根据平台水平度，计算好每个千斤顶的顶推位置，桩入龙口前，施工人员提前将龙口内侧两个顶推装置推到测量已标记的限位位置并用插销固定。桩入龙口后，当钢管桩贴紧内侧两个顶推装置后，安排工人立即将龙口外侧顶推装置按测量已标记的限位位置安装到位并用插销固定，保持大钩钩头与桩中心一致，根据测量要求四个千斤顶行程进行定位。

图2 稳桩平台起吊

图3 稳桩平台坐底

4.3.2 工程桩插桩

桩中心位置复核无误后，指令吊机手缓慢放辅钩，使桩缓慢进入下层导向筒内，桩入套筒后，停止下桩，测量人员观测钢管桩垂直度，复核无误后继续缓慢下放辅钩，使桩穿过导向筒（此时测量人员继续观察垂直度）。桩尖即将触泥前，测量人员再次复核垂直度，通过千斤顶对垂直度进行调整，桩垂直度调整完毕复核无误后继续下放，桩尖触泥，待吊带处于不受力状态后，收回顶推装置；如此重复上述步骤，完成四根工程桩自重入土。