海上风电大直径钢管桩基础沉桩施工技术

2022-12-02沙欣宇薛海峰张震宇

水电与新能源 2022年9期

沙欣宇，薛海峰，张震宇

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311100；2.浙江华东工程咨询有限公司，浙江杭州 311100）

随着石油等不可再生资源日益枯竭，风能等清洁能源正逐渐走入人们的视野。我国拥有极其丰富的海上风能资源，江苏、福建、广东等沿海区域的年均潜在发电能力达110×1012kW［1－3］。目前，海上风机基础一般常用单桩基础。单桩基础具有施工期短、制造简单等特点，但其受海底地质条件和水深等方面约束较大［4］。

施工工程海域海床上层淤泥层较厚，淤泥层层厚约为14.90～23.30 m，钢管桩沉桩初期所需纠偏力较大，沉桩控制难度大。

目前，许多学者对大直径钢管桩打桩时桩身垂直度控制［5－8］、沉桩精度及功效［9－11］等开展了相关的研究，但是，对海上风电大直径钢管桩沉桩施工技术还有待进一步的研究。结合江苏启东某海上风机大直径单桩基础建设项目，对大直径单桩基础沉桩施工关键技术进行研究，对后续类似工程施工建设具有参考意义。

1 工程概况

江苏某海上风电项目位于启东海域，场区中心离岸距离约32 km，海底地形变化较为平缓，水深在6～13 m之间。场区形状呈矩形，南北长约8 km，东西宽约5 km，规划海域面积40 km2，规划装机容量250 MW，共10个回路、40台6.25 MW风机。

1.1 单桩基础

本工程基础施工为6.25 MW的单桩基础及集成式附属构件施工，共计40个机位，单桩直径分为6.5～7.2 m及6.5～7.48 m两种，桩顶高程＋13.0 m。钢管桩桩长70～77 m，壁厚为64～78 mm，桩重约800～1 000 t，单桩最大长度77 m，最大重量约1 000 t。

1.2 工程地质

本工程位于启东海域，场区中心离岸距离约32 km，海底地形变化较为平缓，属南黄海滨海相沉积地貌单元。场区内地基土表层以粉砂为主。水深为6～13 m之间。工程场地表层地基土易受潮流冲刷影响，属建筑抗震不利地段，且工程场区位于近海海域，风机基础易受海浪冲刷，因此工程区域土体稳定性较差。土层上部①～③层为第四系全新统（Q4）冲海相粉砂、淤泥质粉质粘土、粉质粘土。地基土物理力学性质指标见表1。

2 钢管桩施工流程

采用3个作业面完成施工，工作面1由1 200 t全回转起重船（起重29）负责主吊，工作面2由1 500 t全回转起重船（大申号）负责主吊，两个工作面共用800 t固定扒杆起重船（镇航工868）负责辅助抬吊，使用IHC－S3000液压冲击锤完成沉桩施工。工作面3由2 200 t固定扒杆起重船（秦航工1号）单船翻桩，或者采用辅助船舶进行台吊翻桩，海阳59号（承重为13 000 t的载重船）配合沉桩，使用IHC－S2000液压冲击锤完成沉桩施工。

3 施工方法

3.1 施工场地布置

沉桩施工场地均为外海无掩护作业，施工作业主要以船舶为载体。沉桩施工流程见图1。沉桩施工中，主要作业场所为海阳59号（承重为13 000 t的载重船）甲板面，船头自带抱桩器，打桩锤布置在船头位置，甲板面平面布置图见图2。

3.2 测量定位

海阳59号带有GPS定位系统且自带抱桩器，可自行定位，海阳59号行使至机位位旁5 m左右关闭动力，开始下锚，前后均采用八字锚且垂直向外45°进行下锚。定位前，将机位理论坐标输入船舶GPS定位系统，之后通过绞锚的方式进行精确定位，并进行调整，船舶定位平面偏差控制在300 mm以内。同时测量人员采用手持GPS接收机对机位进行再次复核，确保定位准确无误。

3.3 施工船舶驻位

本工程施工现场为外海无掩护作业，海况条件恶劣，首先采用浮漂确定施工机位位置，安装稳桩平台时全程采用船舶自带GPS定位系统进行精确定位，以确保钢桩平面位置在允许偏差范围内。海阳59定位完成后，秦航工1号驻位与海阳59号抱桩器左前方船间平行距离约为20 m，前后均采用八字锚且前锚垂直向外60°，后锚垂直向外45°。

若秦航工1号无法单船翻桩，将使用镇航工868配合秦航工1号进行台吊翻桩，镇航工868驻位垂直与运桩船。

3.4 振沉辅助桩及抱桩器安装

海上固定抱桩器的支撑桩采用钢管桩规格为：直径2.42 m，桩长52 m，壁厚25 mm，单桩桩重约80 t，抱桩器四角布置共4根，抱桩器支撑桩吊起利用配合施工的浮吊作为起重设备，利用振动锤进行沉桩。抱桩器支撑桩全部沉桩到位后，进行抱桩器的提升与固定，使之与支撑桩固定，形成独立、稳定的钢结构框架平台。抱桩器利用配合施工的浮吊进行提升，若抱桩器与支撑桩有别卡现象，起吊提升困难时，迅速在4根支撑桩上安装吊挂系统，通过收紧吊挂系统吊杆实现抱桩器平行提升。

为防止抱桩器与支撑桩别卡，造成提升困难或结构损坏，因此抱桩器提升前应在支撑钢管桩上做出标记，提升过程应全程观察抱桩器四角的提升高度。以设计钢管桩标高（＋13 m）为参照，抱桩器顶标高设置为＋21.0 m。当抱桩器提升到位后，即进行精确调平，四角高差不大于10 mm。然后，锁定全部吊挂结构，并用钢楔块将抱桩器架与支撑桩间缝隙抄紧。

采用双层液压抱桩器，其主要用途为实时调整桩身垂直度。该双层液压抱桩器由基座、导向滚轮、摆块和液压系统组成。基座通过定位平台顶部的导向与海阳59号GPS定位系统精确安装到定位平台顶部；摆块的启闭通过转轴与液压杆完成；抱桩器的上下两层各布置4台液压千斤顶，共8台千斤顶，其中4台千斤顶固定在4个摆块上，每个摆块上各固定1台，千斤顶的端部安装有导向滚轮，千斤顶将钢管桩锁死后，钢管桩可顺千斤顶垂直下垂，即可完成钢管桩的稳桩定位与桩身垂直度调整，又可有效保护桩身防腐层，由本工程钢管桩参数可知，调整千斤顶伸缩量可保证将钢管桩一次性沉桩到位。

3.5 钢管桩翻桩

选用单浮吊吊装方式实现钢管桩的抬吊翻转与竖立，即秦航工1号浮吊2个主钩负责主吊任务，索具挂钢管桩上吊耳，副钩负责抬吊辅助翻转立桩，索具挂钢管桩下吊耳，通过主钩起副钩落的操作实现钢管桩翻转竖立。

吊之前在吊耳外边缘缠绕多层土工布，避免在吊装过程中破坏吊耳外边缘的防腐涂料，并连接缆风绳，有利于钢丝绳的摘除和保护，将副钩钢丝绳和卡环连接完毕后，通过卡环连接桩底翻身吊耳，主副钩协同作业，将钢管桩平吊离开甲板面。当桩完全离开运桩驳甲板10 cm且呈水平状态时，暂停起吊，检查钢丝绳受力情况，无异常后继续起吊。待钢管桩抬起离运桩方驳约1 m左右后，运桩驳起锚并离开吊桩施工范围。然后将钢管桩缓缓放到水面附近，并利用水深进行翻桩。期间，钢管桩仍应保持水平状态。秦航工1号主钩逐渐上升副钩逐渐放低直至不受力。翻桩过程中，桩底距离海床面应留有2 m左右的安全距离，避免钢管桩突然触底导致主钩脱钩。待钢管桩呈竖直状态后，解除副钩约束，完成翻桩。

3.6 吊桩入抱桩器

在钢管桩翻身直立后，秦航工1号通过人工将卸扣销轴拉出的方式使副钩抬吊的索具脱离桩管吊耳，并通过船尾八字锚绞锚使秦航工1号退出安全距离，然后秦航工1号通过横向绞锚使秦航工1号横移到与海阳59号同一中轴线上，然后再通过船首八字锚绞锚调整秦航工1号与海阳59号的距离，使钢管桩进入抱桩器，然后抱桩器进行抱合。

翻桩完成后，秦航工1号吊住钢管桩，通过松紧锚链调整桩身平面位置并同时调整桩身方向。移桩期间，起重船应与导向架保持至少2 m的安全距离。入龙口前，将8台千斤顶伸缩量调至最小，以保证钢管桩能顺利进入龙口，进入龙口后，在抱桩器上的经纬仪观察架立点处分别布设1台经纬仪，并在两个约成80°的方向上观测钢管桩桩身垂直度，通过升降主钩、扒杆转动及调节千斤顶，将钢管桩的垂直度调整至1‰以内，最后调整千斤顶的伸缩量，完成钢管桩桩身预抱紧工作。

3.7 自沉及压锤

钢管桩垂直度调整至设计值以内后，秦航工1号主钩缓慢下放，钢管桩开始自沉。应注意的是，在钢管桩解除泥面的过程中，如下沉速度过快，易造成钢管桩受土阻力影响而提前脱钩，故自沉过程中，应时刻观察起重船的起重量变化不应过快。自沉过程中持续使用2台经纬仪对钢管桩桩身垂直度进行实时观测。如自沉过程中，桩身垂直度超出设计允许值，则通过提升、下降主钩及调节千斤顶重新将钢管桩垂直度调整至设计值内并继续自沉。如偏差过大（超出1‰），则将钢管桩抬离泥面，待钢管桩桩身处于自由垂直状态后，再重新下放。钢管桩自沉无进尺后，秦航工1号主钩慢慢减少受力直至完全不受力时，静置观察5 min以上，如无异常，则秦航工1号下放主钩并解除吊索具约束。桩自沉完毕后，秦航工1号主钩用钢丝绳配卡环连接冲击锤顶吊点，将锤套好，然后吊至桩顶并开始压锤。压锤及沉桩时将吊锤钢丝绳完全下方，需使用海阳59号左侧的克令吊及吊袋辅助托吊冲击锤油管，油管下安装移动万向滑轮，防止油管磨损。

3.8 锤击沉桩

操锤手根据平台上的起重人员的指挥，先以最小能量单击，随后根据进尺逐渐增大锤击能量，根据地质分析资料，进入易溜桩层改为小能量锤击，根据实际进尺改变锤击能量。距离沉桩到位约10 m左右，联系高应变检测人员至平台，通过爬梯或吊笼完成高应变检测仪器安装，继续锤击沉桩，直至沉至设计标高［12］。全程由测量人员控制垂直度，前10 m每米停锤调整，10～20 m每2 m停锤调整，20 m沉桩结束每3～4 m停锤调整。