穩樁架技術在潮間帶深厚軟弱覆蓋層海床高精度沉樁的應用

梁佳康 呂雷雷 許偉群 中交四航局第三工程有限公司

1 前言

樁基施工是海上風電項目的關鍵內容之一，其所處水深條件、地質條件直接影響到沉樁工藝的選擇。海上風電群樁基礎樁基施工多采用斜樁，具有承載力高、穩定性好等優點[1]。越南海上風電朔莊風電場項目工程位于越南朔莊省沿海潮間帶。該項目風機基礎為高樁承臺結構，每個承臺由6根直徑1.4m，長度為62m～71m且具有6∶1傾斜率的鋼管樁組成。鋼管樁壁厚20mm～25mm，樁頂標高+7.7m，樁長62m～71m，單樁最重為54.65t。

2 施工環境

（1）風況。朔莊風電場項目所在地具有近赤道熱帶季風氣候的特征。主導風向為NE&SW，5月～9月（雨季）主要風向是W～S向；9月～10月底風從W～S逐漸轉向成NE～E；12月～翌年2月主要風向是N～E和E～S；3月～5月風向從E～SE。（2）波浪。朔莊風電場項目所在地為敞開式無掩護區域，附近海域主導浪向為NE向。季風期（11月～翌年4月）波浪較大，非季風期（4月～10月底）波浪較小。（3）潮汐。該項目潮汐為不規則半日潮，部分天氣為規則半日潮，即1d內出現兩次高潮和兩次低潮。平均潮差為2.77m，平均最高潮位為1.44，平均最低潮位為1.32。朔莊風電場處于施工無掩護、風大浪急、作業海況惡劣，且受季風氣候影響嚴重的近岸淺灘區域。由于水深較淺，常用的打樁船無法滿足吃水要求，為了解決淺水區沉樁作業困難的問題，經研究討論采用吃水小、調整壓載水方便且坐底穩定的平板駁作為工作平臺，待船舶坐灘后采用“吊機+穩樁架”進行傾斜鋼管樁吊打的沉樁工藝。

3 穩樁架的結構組成和功能設計

為了配合斜樁吊打工藝的實施，設計了用于輔助定位沉樁的穩樁架[2]。穩樁架由錨樁基礎和穩樁架主體組成。穩樁架的設計主要考慮以下因素。（1）為提高穩樁架的穩定性，設計上采用“上小下大”整體呈“六邊寶塔形”結構形式，其整體高度約為15m，底層操作平臺最寬距離約為16m。基礎6根錨樁與底層平臺連接，錨樁長度根據受力分析和地基承載力確定。（2）穩樁架上、下層限位架均配備微調功能的導向輪。（3）底層限位架采用活動式的支架，拆除后可實現穩樁架整體移除。（4）為減小穩樁架的重量，頂層架采用可旋轉活動的限位架，實現上層平臺尺寸減小。（5）為便于運輸，穩樁架的底部平臺、豎向桁架采用螺栓和法蘭連接。

4 穩樁架的應用過程

4.1 錨樁施工

穩樁架安裝前率先完成6根定位錨樁的沉樁并割平樁頭至設計標高，測量人員將穩樁架安放位置放樣后在錨樁頂部焊接限位裝置，以便穩樁架快速精確安裝。錨樁直徑Φ1000mm，壁厚10mm～16mm，樁長27.5m，單根重約8t。

4.2 穩樁架安裝

（1）粗定位：平板駁坐灘后，利用船載吊機將穩樁架沿著限位裝置整體吊裝安放在已完成放樣的錨樁頂部。（2）精定位：完成粗定位后，測量人員對穩樁架進行方位校正，以坐灘后的平板駁作為測量平臺，架設全站儀進行觀測，對比鋼管樁設計坐標和穩樁架底層限位架中心坐標偏差，利用吊機進行微調，直至穩樁架定位滿足要求。（3）焊接加固：為了保證穩樁架安裝后的整體穩定性，在穩樁架精定位完成后在錨樁頂部與穩樁架接觸部位焊接型鋼門字架固定。

4.3 沉樁施工

（1）鋼管樁吊樁、立樁：平板駁和運樁駁趁高潮位在穩樁架旁駐位，利用平板駁上的800t吊機和320t吊機進行抬吊取樁、立樁。鋼管樁抬吊取樁時采用4點吊，通過2副平衡輪，在2臺吊機的協作下緩慢將鋼管樁吊起。立樁時800t吊機掛鉤帶力起吊，同時320t吊機掛鉤慢慢下放，使鋼管樁豎立，最后通過自動脫鉤器解除320t吊機的吊索。（2）鋼管樁定位：鋼管樁定位前，首先調節頂層和底層的限位架導向輪至6∶1傾斜度，為確保打樁錘順利通過穩樁架及考慮防止斜樁傾斜趨勢變大，在調節頂層限位架導向輪時預先外頂15cm～17cm，用于補償修正鋼管樁傾斜率。完成后800t吊機將鋼管樁吊至穩樁架平臺設計樁位定位。首先將鋼管樁吊入底層限位導向架的微調結構，使其與微調結構內側導向輪接觸，此時，保持鋼管樁未入泥。當樁尖 穿過穩樁架底層平臺封閉限位口后，再控制吊機趴桿，使鋼管樁傾斜套入穩樁架頂層平臺限位口，吊機慢松鋼絲繩下樁，樁身沿著上下限位平臺導向輪緩慢下沉，樁底入泥前進行樁身傾斜度調整和坐標測量，確認無誤后鋼管樁在自重作用下下沉至穩定狀態，復測鋼管樁偏位無誤后解除連接樁身吊索，完成鋼管樁定位。（3）振動錘初打：為了增加鋼管樁入土深度和穩定性，先采用ICE44B振動錘進行初打。振動錘初打時，將震動荷載通過樁身傳遞到樁尖土層，使土體發生液化（砂土）或被剪切（粘性土），阻力減小，利用錘和樁的自重實現沉樁施工。沉樁過程中應監測鋼管樁偏位和傾斜度以及穩樁架的沉降和位移，如有較大偏差應及時調整。振動錘初打過程鋼管樁偏位可以通過穩樁架頂部千斤頂和吊機配合微調，調節至滿足設計要求后繼續施打直至鋼管樁無明顯下沉。（4）液壓沖擊錘沉樁：振動錘初打結束后換用YC40液壓沖擊錘沉樁，沉樁分兩步驟，第一步是將鋼管樁沉樁至錘帽距離穩樁架頂層平臺約1m處，第二步是將頂層限位架先后移再旋轉180°至下一樁位，此時，錘體不受阻擋，再將鋼管樁施打至設計標高。YC40液壓沖擊錘打樁過程前期采用小能量施打，后續根據貫入度實際情況逐漸加大能量施打。

4.4 穩樁架拆除

當完成一個機位的6根鋼管樁沉樁后，利用吊機駁船將穩樁架以及錨樁拆除吊放在平板駁上移船至下一個機位的定位安裝。

4.5 注意事項

沉樁過程中需要注意以下幾點。（1）測量人員需要全程跟隨監測，一方面要監測穩樁架是否發生沉降和偏位，另一方面需要監測斜樁是否按照設計傾斜度穩步沉樁，如果發生鋼管樁偏位不能滿足設計要求時，可以通過頂層和底層限位裝置配合800t履帶吊進行微調。（2）現場管理人員要時刻注意觀察天氣變化情況，在突風來臨前留足吊機卸錘和收回臂桿的時間，當出現當天風速達到6級以上（含6級）大風時，駁船上的履帶吊機禁止作業。（3）要特別注意鋼管樁防腐涂層的保護，由于海上修補鋼管樁防腐涂層受天氣和潮水影響較大，必須在穩樁架限位裝置與鋼管樁接觸位置采取保護措施。

5 工效、成本分析與應用成效

（1）工效分析。以完成單個機位為開始計算周期，從移船定位到完成6根鋼管樁沉樁需要約9d，除去大風天氣2d，以及安裝調整穩樁架需要1d，平均完成單根樁沉樁需要1d（即1個潮水位）。對單根鋼管樁斜樁吊打工藝各工序耗時及設備進行統計，如表1所示。

表1 單根樁沉樁各工序耗時統計表

從上表1中可以得出，完成單根樁沉樁共需耗時360min（不包括移船定位和調整穩樁架）。沉樁過程由于鋼管樁較長且地質條件差異，故錘擊時間較長。

（2）成本分析。由傳統的單根鋼管樁沉樁工藝，改為目前應用穩樁架一次性可完成6根鋼管樁沉樁工藝，兩者相對應的成本消耗如表2所示。

表2 不同工藝沉樁成本對比分析表

從上表2中可以得出，按照沉樁所需關鍵設備配置，理論上以最快完成一個機位6鋼管樁沉樁為目標，為項目至少可節約50%的成本支出。

（3）應用成效。①以該項目應用穩樁架成功完成的6根鋼管樁斜樁吊打為例，船舶一次定位即可完成整個承臺6根鋼管樁的沉樁，并且沉樁精度均滿足設計要求，安全質量可控。②穩樁架的應用重點關注鋼管樁沉樁的坐標，標高和傾斜度是否滿足設計要求。經過越南海上風電朔莊風電場項目沉樁機位的穩樁架沉樁數據結果分析，鋼管樁斜樁吊打的精度控制效果見表3。

表3 鋼管樁沉樁偏位統計表

根據已完成的6根鋼管樁沉樁結果分析，沉樁前預留15cm～17cm的富余量，沉樁完成后無論是鋼管樁平面位置還是傾斜度都能滿足沉樁要求，保證了鋼管樁的驗收合格率。

6 結束語

通過此項目的順利實施，一次定位完成所有沉樁施工，解決了潮間帶常規打樁船不適用的問題，證實了穩樁架技術在潮間帶深厚軟弱覆蓋層海床高樁承臺基礎斜樁吊打高精度沉樁施工的可行性，極大程度地滿足了項目的施工要求，效果顯著，值得為以后類似項目推廣應用。