海上風電大直徑鋼管樁沉樁精度控制措施研究

董 鵬

(中國鐵建港航局集團有限公司第三工程分公司 山東青島 266000)

1 引言

海上風電擁有占地資源少、風力和風能密度大的優勢，在國家政策大力支持下，我國海上風電得到了快速發展[1]。隨著國內海上風電技術的發展，風電基礎施工技術日趨成熟，海上風電場選址逐步從淺海走向深海建設，單機容量也向大型化機組發展，對風電基礎施工精度提出了更高的要求[2]。

2 工程概況

中船重工大連市莊河海域海上風電場址Ⅱ(300 MW)項目風機基礎施工I標段工程位于莊河市石城島東側約11 km，場址涉海面積約48 km2。

本工程共計需完成30根非嵌巖單樁鋼管樁風機基礎。鋼管樁樁徑6.0～6.8 m，樁頂直徑6.5 m，樁頂標高＋12.0 m，樁底標高-60.0～-65.0 m，樁長72～77 m，壁厚60～78 mm，單樁最大重量約917 t，全部為超長、超重型大直徑樁。

3 沉樁工藝

(1)施工流程

鋼管樁沉樁施工工藝流程如圖1所示。

圖1 沉樁施工工藝流程

(2)穩樁平臺

本工程采用雙層導管架式穩樁平臺，如圖2所示。該平臺由4根φ2.42 m長57 m、壁厚25 mm的鋼管樁組成支撐系統，扎根于海床上，不受潮位變化影響。操作平臺采用雙層鋼結構平臺，高差10 m，每層平臺上設抱樁器并配置4臺250 t液壓頂推缸，單個有效壓力約21 MPa[3-4]。

圖2 雙層導管架式穩樁平臺

(3)船舶選型與定位

本項目采用雙機抬吊工法，主起重船選用1 100 t的秦航工68＃，輔助起重船選用500 t的利通起重9＃。船舶定位順序為穩樁平臺船→主起重船→輔助起重船→運樁船，最終駐位如圖3所示。

圖3 船舶駐位

4 精度控制難點分析

(1)沉樁精度要求高

海上風電基礎施工精度要求高，根據設計要求，鋼管樁沉樁后平面位置偏差≤500 mm，樁頂法蘭面水平度偏差≤3‰，高程偏差≤50 mm。

(2)現場作業條件差

本工程穩樁平臺為小型平臺，自動化程度低，需要起重船與平臺協調配合才能完成樁的定位，易受風浪、潮流等不利因素影響，致使操作難度極大[5]。

(3)GPS性能要求高

海上風電項目距離岸線較遠，且為無掩護區域，施工范圍較廣，對GPS性能要求高。

5 沉樁測量控制

5.1 測量控制總體概述

(1)鋼管樁沉樁平面位置采用高性能、高精度的天寶SPS855型GPS進行控制，通過GPS(RTK)技術對穩樁平臺進行精確定位。穩樁平臺通過液壓頂推缸對樁進行調節定位，液壓頂推缸調節范圍為50 cm，滿足設計精度要求。

(2)樁頂法蘭水平度通過樁的垂直度進行控制，在穩樁平臺架設全站儀進行不間斷測量，通過穩樁平臺上下兩層8個液壓頂推缸進行調節，保證樁的垂直度。

(3)樁頂高程通過GPS將標高導入至穩樁平臺，采用全站儀進行測量。

5.2 沉樁平面控制

海上鋼管樁沉樁施工定位系統采用動態實時差分GPS(RTK)技術，具有全天候、高效率、準確、可靠等優點。首先GPS衛星和基站對船進行定位，在此基礎上，再以船體作為已知參照物，利用穩樁平臺中心沉樁位置在船體平面的相對位置，對樁位進行測定，從而達到GPS對鋼管樁定位沉樁施工精度的控制目的。

在岸上設立基準站，穩樁平臺定位船上安裝兩臺移動站。為保證定位精度，本工程采用天寶SPS855型GPS接收機。定位精度為10 mm＋20 km×1 ppm＝30 mm，最大誤差不超過50 mm，完全可以滿足施工規范要求。

船位調整全程數字化顯示，數據直觀、操作簡便，如圖4所示。

圖4 船舶定位數字化顯示

5.3 沉樁垂直度控制

通過調節控制鋼管樁的垂直度從而控制鋼管樁法蘭的水平度。

鋼管樁垂直度測量方法有全站儀觀測法、激光垂準儀觀測法、鋼絲垂吊法等。根據不同方法的優缺點及可操作性綜合考慮，本項目采用全站儀測量法進行垂直度控制。

沉樁施工中，利用GPS接收機放樣出兩條垂線，采用2臺全站儀與樁切線呈90°角布置[6]，從而控制鋼管樁垂直度滿足設計要求。測量儀器同時觀測上下抱樁器間鋼管樁垂直度，通過調節穩樁平臺上下兩層各4臺液壓頂推缸，對鋼管樁垂直度進行調節[7]。

圖5 全站儀布置

如圖5所示，全站儀1可觀測樁在測線2方向的偏位，全站儀2可觀測樁在測線1方向的偏位。為防止樁在測線1方向的偏位與測線2方向的偏位疊加超出樁的允許偏差值，需算出兩臺全站儀各自觀測方向樁的允許偏差值。由于測線1與測線2呈90°角，當樁在測線3方向出現最大允許偏差，兩臺全站儀所測各自方位偏差最小，為設計允許偏差的1/倍，可用此值作為調節樁偏位的限值。當任意1臺全站儀觀測差值超過此限值時，就應使用液壓頂推缸對樁進行調節，以保證樁的垂直度。

為提高沉樁效率，可在沉樁工序前建立觀測水平角與垂直度的關系，大于理論觀測水平角則需進行調整。

通過公式建立樁體水平角與垂直度關系，每臺儀器通過觀測水平角得出樁體垂直度是否滿足要求。水平投影差及垂直度計算公式[8]:

通過以上公式可得出最大偏差情況下，測量儀器觀測得到的觀測角差值:

式中，S為鋼管樁在觀測方向水平偏移投影距離；Δβ為上下視線瞄準觀測角差；ρ為角度與弧度轉化數值，1弧度對應的秒值為206 265；Δh為儀器觀測樁體上下視線刻度差，即Δh＝h上-h下；L為測站至鋼管樁邊沿水平距離。因儀器架設位置固定，故上層觀測平臺取L＝5 m，下層觀測平臺取L＝10 m。⊥為每臺儀器觀測方向的垂直度。樁垂直度按照1‰控制，則每臺儀器控制垂直度為

以43＃樁為例，根據上述計算公式、假定條件及允許垂直度偏差值，推算出在沉樁的不同階段及不同位置的全站儀水平角差Δβ允許值以方便進行沉樁控制，如表1所示。

隨著鋼管樁入泥深度增加，液壓頂推缸調節能力變差。考慮鋼管樁制作偏差、現場振動影響等不利因素，每一次調節必須將垂直度控制在1‰以內，確保沉樁完成后法蘭面水平度滿足＜3‰的設計要求。

表1 43#樁允許水平方向角度偏差

5.4 沉樁高程控制

穩樁平臺定位完成后，對穩樁平臺4根支撐樁進行沉樁。通過GPS將標高引入至平臺之上支撐樁位置，利用全站儀測量鋼管樁標高。穩樁平臺具有承載力強、穩定性好的特點[9]，滿足測量穩定性需求。但施工過程中需對臨時標高控制點進行復核，防止發生較大沉降，影響測量數據。

當鋼管樁頂標高接近設計標高，適當降低夯擊能，增加觀測頻率，嚴格控制標高[10]。

6 沉樁過程施工控制

6.1 起重船喂樁過程控制

(1)調節起重船纜繩，使起重船軸線與穩樁平臺軸線基本為一條線。同時起重船將鋼樁緩緩喂入抱樁器，利用抱樁器平臺及鋼樁上預先設置好的標記控制鋼管樁的平面轉角[11]。

(2)鋼管樁進入抱樁器內，利用抱樁器頂推油缸的限位功能控制鋼樁平面位置，使鋼管樁位于抱樁器中心位置。

(3)調節穩樁平臺上下兩層抱箍8個液壓頂推油缸，用以調整鋼管樁垂直度，見圖6。

(4)當鋼管平面位置偏差＜500 mm、平面轉角偏差 ＜5°時，將樁下放至樁尖距泥面1 m距離。閉合抱箍，利用兩臺全站儀呈90°角同時觀測鋼管樁垂直度，通過調節抱樁器液壓頂推油缸調節樁身垂直度，保證垂直度＜1‰。

(5)起重船緩慢起鉤，保持鋼絲繩豎直，同時全站儀不間斷測量鋼管樁的垂直度，大于偏差要及時調整。

6.2 鋼樁自沉階段控制

(1)鋼樁入泥后，通過調整兩個鉤頭高度以調整垂直吊耳方向“垂線”垂直度，另一方向通過起重船扒桿調整方位使樁保持垂直狀態，使液壓缸推桿滾輪接觸管樁外壁稍受力即可；慢減吊荷慢松鉤頭，使樁沿著穩樁平臺上下層定向平穩自沉，利用抱樁器上下兩層頂推油缸限位控制平面位置及垂直度，同時檢查垂直度，保持鋼樁垂直下沉[12]。

(2)隨著鋼樁入泥深度增加，液壓頂推油缸可調節作用越發微弱，故在樁入泥前期必須嚴格控制樁身垂直度＜1‰。

(3)鋼管樁自沉至穩定后，吊送測量人員至樁頂，利用水準儀測量樁頂法蘭水平度，滿足＜1‰后摘鉤。

(4)自沉過程中測量人員及時對沉樁深度進行觀測，鋼管樁每下沉1 m，向船舶總調度通報一次；在抱樁器平臺上對樁的垂直度進行復測，如發現偏差大于1‰時，及時進行糾偏。

6.3 靜壓過程控制

(1)鋼管樁自沉完成后，經樁頂實測水平度滿足1‰以內，即可進行主吊耳鋼絲繩摘除。為防止停滯時間較長致使樁底部及四周土質發生液化，引起鋼管樁溜樁現象，自沉樁結束應立即進行錘擊沉樁施工。

(2)主起重船起吊液壓錘至樁頂后進行靜壓。靜壓過程中注意觀察垂直度變化，如果垂直度偏差＞1‰，及時利用液壓頂推缸進行糾偏。

6.4 錘擊沉樁控制

(1)錘擊沉樁前放松吊錘吊繩，整個沉樁過程吊繩應始終保持松弛狀態，幅度0.5 m左右。

(2)沉樁初始打擊能量必須設定為液壓錘的最小能量140 kJ。前三錘實施單擊，每擊一錘后即停錘檢查貫入度、垂直度變化、樁身與液壓頂推缸上導向輪的接觸情況。

(3)當貫入度在10～50 mm時開始手動連擊，剛開始采用輕擊、小貫入度沉樁，使樁平穩下沉，以防樁有較大傾斜。IHC S-1400液壓錘連續錘擊頻率一般控制在30～35擊/min。

(4)施工過程中應密切關注地質變化，當樁底標高接近軟弱土層時，必須減小錘擊能量及頻率，必要時采用單擊或2、3連擊，防止“溜樁”現象。每沉樁1～2 m即停錘，采用全站儀測量樁體垂直度，如偏差值超出1‰，立即糾偏。

(5)當樁頂距設計標高1 m左右時，每沉250 mm停錘觀測一次垂直度；待樁頂接近設計標高時，采用全站儀測量控制樁頂高程。

7 結束語

通過對大直徑鋼管樁沉樁精度控制方法的探討，確保了鋼管樁沉樁的水平位置、高程以及垂直度的精度均滿足設計和規范的要求。海上風電大直徑鋼管樁的平面位置最大偏差360 mm，高程偏差40 mm以內，法蘭水平度小于1‰，均滿足設計要求。