整體定位導向反力架在海上風電基礎施工中的應用

查昊

摘 要：導管架式基礎對鋼管樁插打精度要求遠遠高于單樁及多樁基礎。介紹了整體定位導向反力架的結構形式及施工中其整體定位、導向的運用以及抗壓、抗拔、水平力試驗。

關鍵詞：海上風電；導管架基礎；整體定位導向反力架；試驗

1 引言

導管架基礎是深海深淤大型風電場未來發(fā)展的趨勢之一，珠海桂山海上風電示范項目風機機組全部采用導管架式基礎。導管架基礎為鋼質錐臺型空間框架，以鋼管為骨棱，基礎為四腿結構[1]。風機安裝時須先將導管架四腿分別插入對應鋼管樁中。因此，采用導管架式基礎對鋼管樁插打精度要求遠遠高于單樁及多樁基礎。試樁采用錨樁橫梁反力法對試樁進行豎向抗壓、豎向抗拔及水平靜載試驗。為降低試驗成本，試樁輔助錨樁均采用擬建風場風機基礎永久樁，因此，對輔助錨樁的施工質量、精度要求大大提高。一套能同時滿足導管架式基礎施工整體定位導向及試樁反力的結構對整個項目的順利實施顯得尤為重要。

2 管樁參數(shù)及樁位布置

本項目鋼管樁樁徑為2.2m、壁厚30mm（加厚段55mm）、樁長70m，試樁鋼管樁參數(shù)與永久樁（輔助錨樁）相同。四根永久樁中心樁位呈15m×15m正方形分布，試驗樁位于樁位正中心。

3 整體定位導向反力架結構

為同時滿足鋼管樁沉樁樁頂允許偏差小于75mm、高程允許偏差小于50mm、縱軸線斜度偏差不大于0.5%等各項沉樁指標及試驗各項功能和力學指標，并考慮到控制指標較其他工程精準度高、在海上較為惡劣的自然環(huán)境下精度控制難度大，特設計本整體定位導向反力架（以下簡稱該結構）。該結構各功能部件間由高拴連接，總重量230T，其集鋼管樁整體定位導向功能與試驗反力架功能為一體，即先作為鋼樁沉樁的整體定位及導向架，后作為試樁試驗的反力架，全過程作為測量監(jiān)控平臺，且拆卸安裝簡便，能滿足后期風場建設鋼管樁插打定位導向要求。整體定位導向反力架安裝于“華爾辰”海上風電專用船支撐墊梁上，并可通過導向架調位系統(tǒng)對其位置進行調節(jié)。

3.1 整體定位系統(tǒng)

該結構整體定位系統(tǒng)由四根與樁位布置相同（1500×1500cm）的導向鋼管、反力梁及其相互間連接系組成。導向鋼管截面尺寸均為R=1205mm>鋼管樁r=1100，△r=105mm可保證施工過程中順利將鋼管樁插入整體導向系統(tǒng)。整體定位導向反力架出廠時對其四邊及兩對角線共6組進行竣工驗收，其平面最大誤差為11mm，滿足本項目施工整體定位要求。系統(tǒng)如圖1整體定位示意圖所示。

圖1 整體定位系統(tǒng) 單位：mm

施工時，樁位整體定位采用海上風電專用船自備GPS打樁定位系統(tǒng)來實現(xiàn)，該系統(tǒng)平面及高程控制精度為厘米級，可滿足本項目要求。海上風電專用船駛入設計樁位后，根據(jù)各鋼管樁中心坐標進行拋錨初定位。3臺測斜裝置及2臺GPS流動站以RTK方式實時控制船體的位置、方向和姿態(tài)，由于施工受施工海域風力及潮汐影響，施工過程中需通過絞錨以及導向架調位系統(tǒng)持續(xù)對該結構進行精定位，直至完成各沉樁施工。

整體定位導向反力架對樁位進行整體定位，保證了樁位的絕對坐標偏差在誤差允許范圍內。

3.2 導向系統(tǒng)

導向系統(tǒng)由導向鋼管、導向裝置1、導向裝置2及其連接系組成。導向鋼管參數(shù)分別為：直徑2410mm、壁厚20mm、高6000mm，整體定位導向反力架出廠時對其四根導向鋼管分別進行4組（共16組）竣工驗收，其垂直最大誤差為17mm即垂直度最大誤差T=2.8‰

圖2 導向系統(tǒng) 單位：mm

施工時鋼管樁插入各導向鋼管后且未入土前，通過測量并調節(jié)上層導向裝置1達到對鋼管樁絕對坐標的控制；調節(jié)下層導向裝置2達到對鋼管樁沉樁垂直度的控制。

整體定位導向反力架導向系統(tǒng)在沉樁過程中對各鋼管樁的導向，不僅保證了各鋼管樁樁位的絕對坐標偏差在誤差允許范圍內，而且保證了各鋼管樁中心距離誤差小于竣工的導管架四腿中心距離，可滿足后期導管架基礎及風機安裝要求。

3.3 反力架系統(tǒng)

試樁系統(tǒng)由反力架、試驗平臺、試驗儀器及基準系統(tǒng)組成。試樁采用錨樁橫梁反力法對試樁進行豎向抗壓、豎向抗拔及水平靜載試驗，系統(tǒng)結構受力滿足垂直（抗壓、抗拔）、水平靜載荷試驗力學要求。

3.3.1 基準系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場測試要求，在導向架兩側插打2組鋼管樁作為基準樁，用于架設基準梁和固定位移測試表座，基準樁與試樁和錨樁的距離滿足規(guī)范要求。基準樁和基準梁自成獨立體系，具有足夠的剛度和穩(wěn)定性，主基準梁一端固定一端簡支；同時架設副基準梁，用于豎向抗壓試驗時錨樁上拔量觀測和水平推力試驗時錨樁水平位移觀測用表座的安裝。為減小系統(tǒng)誤差及偶然誤差，現(xiàn)場試驗進行前搭設防風防雨棚，確保測試時儀器設備、基準梁等不被雨淋、日曬，以防止基準系統(tǒng)受風力、溫差影響；同時為減小潮汐、涌浪及風力對基準樁的影響，需在基準樁外插打一根大號樁徑鋼管樁，但大樁不能與基準樁相接觸。基準樁與基準梁架設位置示意見圖3所示。

3.3.2 抗壓反力系統(tǒng)

抗壓反力系統(tǒng)由反力梁、試驗樁提升錨固系統(tǒng)、輔助裝提升錨固系統(tǒng)三大體系構成，各體系連接方式如圖4所示。其中，反力梁1、2與導向鋼管間通過連接系連接而成形成能滿足試驗力學要求的反力架。抗壓狀態(tài)下試驗樁提升錨固系統(tǒng)由焊接于試驗樁上的鋼套管1、扁擔梁1及8束21-15.24mm鋼絞線組成并由鋼絞線連接于反力梁2上，扁擔梁2焊接于鋼套管1上，其結構布置如圖5所示。抗壓狀態(tài)下輔助樁錨固提升系統(tǒng)由焊接于輔助樁上的鋼套管2及鋼墊塊組成。

圖3 基準樁與基準梁架設示意圖

圖4 抗壓反力系統(tǒng)結構示意圖

圖5 抗壓狀態(tài)下試驗樁提升錨固系統(tǒng)結構示意圖

抗壓試驗時，安裝于扁擔梁2上的2臺1350T液壓千斤頂對扁擔梁1進行加載，扁擔梁1所受荷載通過鋼絞線傳遞至反力梁，再通過鋼墊塊傳遞至鋼套管2，最終將荷載傳遞至錨固樁；扁擔梁2所受反作用力通過鋼套管1傳遞至試驗樁達到試驗樁抗壓加載目的。試驗過程中試驗樁下沉位移由安裝于鋼套管1及基準梁間的位移計測量得出。

3.3.3 抗拔反力系統(tǒng)

抗拔反力系統(tǒng)由反力梁、試驗樁提升錨固系統(tǒng)、輔助裝提升錨固系統(tǒng)三大體系構成，各體系連接方式如圖6所示。抗拔狀態(tài)下試驗樁提升錨固系統(tǒng)即為焊接于試驗樁上的鋼套管1；輔助樁錨固提升系統(tǒng)即為焊接于輔助樁上的鋼套管2，其中錨梁焊接于鋼套管2上。輔助樁與反力架間通過32根經(jīng)軋螺紋鋼連接。

抗拔試驗時，安裝于反力梁2上的2臺1350T液壓千斤頂對扁擔梁2進行加載達到試驗樁抗拔加載目的。同時反力梁2所受反作用力通過經(jīng)軋螺紋鋼傳遞至錨梁再傳遞至鋼套管2最終將力傳遞至各錨固樁。試驗過程中試驗樁上拔位移由安裝于鋼套管1及基準梁間的位移計測量得出。

圖6 抗拔反力系統(tǒng)結構示意圖

圖7 抗拔狀態(tài)下錨固樁提升錨固系統(tǒng)結構示意圖

3.3.4 水平反力系統(tǒng)

水平反力系統(tǒng)由反力梁、水平反力梁、水平反力座、弧形墊座構成，其布置方式如圖8所示。各錨固樁與相應導向鋼管間間隙用鋼楔抄墊，水平反力座焊接于反力梁2上。水平反力試驗時，2臺100T水平千斤頂對水平反力梁進行加載，并經(jīng)弧形墊座將力傳遞至試驗樁達到水平加載目的；水平反力座所受水平反作用力通過反力梁傳遞至各錨固樁。試驗過程中試驗樁水平位移由安裝于試驗樁及基準梁小分配梁1間的位移計測量得出。

圖8 水平反力系統(tǒng)結構示意圖

4 結語

珠海桂山海上風電示范項目風機基礎試樁工程整體定位導向反力架的應用，滿足項目對沉樁和試驗的各項指標，經(jīng)優(yōu)化而成的整體定位導向架被運用于其后期風場施工中。整體定位導向反力架的經(jīng)濟、高效、精確的優(yōu)點，對深海深淤大型風電場建設快速法施工的鋼管樁插打、試樁數(shù)據(jù)采集及后期風機安裝具有典型意義。

參考文獻

[1] 徐榮彬.海上風電場風機基礎結構形式探討[J]建材技術與應用，2011.7

[2] JTJ 254-98，港口工程樁基規(guī)范[S]