海上風(fēng)電大直徑鋼管樁沉樁精度控制措施研究

董 鵬

(中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)有限公司第三工程分公司 山東青島 266000)

1 引言

海上風(fēng)電擁有占地資源少、風(fēng)力和風(fēng)能密度大的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)家政策大力支持下，我國(guó)海上風(fēng)電得到了快速發(fā)展[1]。隨著國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電基礎(chǔ)施工技術(shù)日趨成熟，海上風(fēng)電場(chǎng)選址逐步從淺海走向深海建設(shè)，單機(jī)容量也向大型化機(jī)組發(fā)展，對(duì)風(fēng)電基礎(chǔ)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(fēng)電場(chǎng)址Ⅱ(300 MW)項(xiàng)目風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工I標(biāo)段工程位于莊河市石城島東側(cè)約11 km，場(chǎng)址涉海面積約48 km2。

本工程共計(jì)需完成30根非嵌巖單樁鋼管樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)。鋼管樁樁徑6.0～6.8 m，樁頂直徑6.5 m，樁頂標(biāo)高＋12.0 m，樁底標(biāo)高-60.0～-65.0 m，樁長(zhǎng)72～77 m，壁厚60～78 mm，單樁最大重量約917 t，全部為超長(zhǎng)、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(wěn)樁平臺(tái)

本工程采用雙層導(dǎo)管架式穩(wěn)樁平臺(tái)，如圖2所示。該平臺(tái)由4根φ2.42 m長(zhǎng)57 m、壁厚25 mm的鋼管樁組成支撐系統(tǒng)，扎根于海床上，不受潮位變化影響。操作平臺(tái)采用雙層鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，高差10 m，每層平臺(tái)上設(shè)抱樁器并配置4臺(tái)250 t液壓頂推缸，單個(gè)有效壓力約21 MPa[3-4]。

圖2 雙層導(dǎo)管架式穩(wěn)樁平臺(tái)

(3)船舶選型與定位

本項(xiàng)目采用雙機(jī)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?yàn)榉€(wěn)樁平臺(tái)船→主起重船→輔助起重船→運(yùn)樁船，最終駐位如圖3所示。

圖3 船舶駐位

4 精度控制難點(diǎn)分析

(1)沉樁精度要求高

海上風(fēng)電基礎(chǔ)施工精度要求高，根據(jù)設(shè)計(jì)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(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件差

本工程穩(wěn)樁平臺(tái)為小型平臺(tái)，自動(dòng)化程度低，需要起重船與平臺(tái)協(xié)調(diào)配合才能完成樁的定位，易受風(fēng)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(fēng)電項(xiàng)目距離岸線較遠(yuǎn)，且為無掩護(hù)區(qū)域，施工范圍較廣，對(duì)GPS性能要求高。

5 沉樁測(cè)量控制

5.1 測(cè)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(jìn)行控制，通過GPS(RTK)技術(shù)對(duì)穩(wěn)樁平臺(tái)進(jìn)行精確定位。穩(wěn)樁平臺(tái)通過液壓頂推缸對(duì)樁進(jìn)行調(diào)節(jié)定位，液壓頂推缸調(diào)節(jié)范圍為50 cm，滿足設(shè)計(jì)精度要求。

(2)樁頂法蘭水平度通過樁的垂直度進(jìn)行控制，在穩(wěn)樁平臺(tái)架設(shè)全站儀進(jìn)行不間斷測(cè)量，通過穩(wěn)樁平臺(tái)上下兩層8個(gè)液壓頂推缸進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證樁的垂直度。

(3)樁頂高程通過GPS將標(biāo)高導(dǎo)入至穩(wěn)樁平臺(tái)，采用全站儀進(jìn)行測(cè)量。

5.2 沉樁平面控制

海上鋼管樁沉樁施工定位系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分GPS(RTK)技術(shù)，具有全天候、高效率、準(zhǔn)確、可靠等優(yōu)點(diǎn)。首先GPS衛(wèi)星和基站對(duì)船進(jìn)行定位，在此基礎(chǔ)上，再以船體作為已知參照物，利用穩(wěn)樁平臺(tái)中心沉樁位置在船體平面的相對(duì)位置，對(duì)樁位進(jìn)行測(cè)定，從而達(dá)到GPS對(duì)鋼管樁定位沉樁施工精度的控制目的。

在岸上設(shè)立基準(zhǔn)站，穩(wěn)樁平臺(tái)定位船上安裝兩臺(tái)移動(dòng)站。為保證定位精度，本工程采用天寶SPS855型GPS接收機(jī)。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(guī)范要求。

船位調(diào)整全程數(shù)字化顯示，數(shù)據(jù)直觀、操作簡(jiǎn)便，如圖4所示。

圖4 船舶定位數(shù)字化顯示

5.3 沉樁垂直度控制

通過調(diào)節(jié)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(cè)量方法有全站儀觀測(cè)法、激光垂準(zhǔn)儀觀測(cè)法、鋼絲垂吊法等。根據(jù)不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)及可操作性綜合考慮，本項(xiàng)目采用全站儀測(cè)量法進(jìn)行垂直度控制。

沉樁施工中，利用GPS接收機(jī)放樣出兩條垂線，采用2臺(tái)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(shè)計(jì)要求。測(cè)量?jī)x器同時(shí)觀測(cè)上下抱樁器間鋼管樁垂直度，通過調(diào)節(jié)穩(wěn)樁平臺(tái)上下兩層各4臺(tái)液壓頂推缸，對(duì)鋼管樁垂直度進(jìn)行調(diào)節(jié)[7]。

圖5 全站儀布置

如圖5所示，全站儀1可觀測(cè)樁在測(cè)線2方向的偏位，全站儀2可觀測(cè)樁在測(cè)線1方向的偏位。為防止樁在測(cè)線1方向的偏位與測(cè)線2方向的偏位疊加超出樁的允許偏差值，需算出兩臺(tái)全站儀各自觀測(cè)方向樁的允許偏差值。由于測(cè)線1與測(cè)線2呈90°角，當(dāng)樁在測(cè)線3方向出現(xiàn)最大允許偏差，兩臺(tái)全站儀所測(cè)各自方位偏差最小，為設(shè)計(jì)允許偏差的1/倍，可用此值作為調(diào)節(jié)樁偏位的限值。當(dāng)任意1臺(tái)全站儀觀測(cè)差值超過此限值時(shí)，就應(yīng)使用液壓頂推缸對(duì)樁進(jìn)行調(diào)節(jié)，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(cè)水平角與垂直度的關(guān)系，大于理論觀測(cè)水平角則需進(jìn)行調(diào)整。

通過公式建立樁體水平角與垂直度關(guān)系，每臺(tái)儀器通過觀測(cè)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(jì)算公式[8]:

通過以上公式可得出最大偏差情況下，測(cè)量?jī)x器觀測(cè)得到的觀測(cè)角差值:

式中，S為鋼管樁在觀測(cè)方向水平偏移投影距離；Δβ為上下視線瞄準(zhǔn)觀測(cè)角差；ρ為角度與弧度轉(zhuǎn)化數(shù)值，1弧度對(duì)應(yīng)的秒值為206 265；Δh為儀器觀測(cè)樁體上下視線刻度差，即Δh＝h上-h下；L為測(cè)站至鋼管樁邊沿水平距離。因儀器架設(shè)位置固定，故上層觀測(cè)平臺(tái)取L＝5 m，下層觀測(cè)平臺(tái)取L＝10 m?！蜑槊颗_(tái)儀器觀測(cè)方向的垂直度。樁垂直度按照1‰控制，則每臺(tái)儀器控制垂直度為

以43＃樁為例，根據(jù)上述計(jì)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(jìn)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(diào)節(jié)能力變差?？紤]鋼管樁制作偏差、現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)影響等不利因素，每一次調(diào)節(jié)必須將垂直度控制在1‰以內(nèi)，確保沉樁完成后法蘭面水平度滿足＜3‰的設(shè)計(jì)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(wěn)樁平臺(tái)定位完成后，對(duì)穩(wěn)樁平臺(tái)4根支撐樁進(jìn)行沉樁。通過GPS將標(biāo)高引入至平臺(tái)之上支撐樁位置，利用全站儀測(cè)量鋼管樁標(biāo)高。穩(wěn)樁平臺(tái)具有承載力強(qiáng)、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)[9]，滿足測(cè)量穩(wěn)定性需求。但施工過程中需對(duì)臨時(shí)標(biāo)高控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，防止發(fā)生較大沉降，影響測(cè)量數(shù)據(jù)。

當(dāng)鋼管樁頂標(biāo)高接近設(shè)計(jì)標(biāo)高，適當(dāng)降低夯擊能，增加觀測(cè)頻率，嚴(yán)格控制標(biāo)高[10]。

6 沉樁過程施工控制

6.1 起重船喂樁過程控制

(1)調(diào)節(jié)起重船纜繩，使起重船軸線與穩(wěn)樁平臺(tái)軸線基本為一條線。同時(shí)起重船將鋼樁緩緩喂入抱樁器，利用抱樁器平臺(tái)及鋼樁上預(yù)先設(shè)置好的標(biāo)記控制鋼管樁的平面轉(zhuǎn)角[11]。

(2)鋼管樁進(jìn)入抱樁器內(nèi)，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(diào)節(jié)穩(wěn)樁平臺(tái)上下兩層抱箍8個(gè)液壓頂推油缸，用以調(diào)整鋼管樁垂直度，見圖6。

(4)當(dāng)鋼管平面位置偏差＜500 mm、平面轉(zhuǎn)角偏差 ＜5°時(shí)，將樁下放至樁尖距泥面1 m距離。閉合抱箍，利用兩臺(tái)全站儀呈90°角同時(shí)觀測(cè)鋼管樁垂直度，通過調(diào)節(jié)抱樁器液壓頂推油缸調(diào)節(jié)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(shí)全站儀不間斷測(cè)量鋼管樁的垂直度，大于偏差要及時(shí)調(diào)整。

6.2 鋼樁自沉階段控制

(1)鋼樁入泥后，通過調(diào)整兩個(gè)鉤頭高度以調(diào)整垂直吊耳方向“垂線”垂直度，另一方向通過起重船扒桿調(diào)整方位使樁保持垂直狀態(tài)，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(wěn)樁平臺(tái)上下層定向平穩(wěn)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(shí)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(diào)節(jié)作用越發(fā)微弱，故在樁入泥前期必須嚴(yán)格控制樁身垂直度＜1‰。

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

(4)自沉過程中測(cè)量人員及時(shí)對(duì)沉樁深度進(jìn)行觀測(cè)，鋼管樁每下沉1 m，向船舶總調(diào)度通報(bào)一次；在抱樁器平臺(tái)上對(duì)樁的垂直度進(jìn)行復(fù)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)偏差大于1‰時(shí)，及時(shí)進(jìn)行糾偏。

6.3 靜壓過程控制

(1)鋼管樁自沉完成后，經(jīng)樁頂實(shí)測(cè)水平度滿足1‰以內(nèi)，即可進(jìn)行主吊耳鋼絲繩摘除。為防止停滯時(shí)間較長(zhǎng)致使樁底部及四周土質(zhì)發(fā)生液化，引起鋼管樁溜樁現(xiàn)象，自沉樁結(jié)束應(yīng)立即進(jìn)行錘擊沉樁施工。

(2)主起重船起吊液壓錘至樁頂后進(jìn)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(shí)利用液壓頂推缸進(jìn)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(gè)沉樁過程吊繩應(yīng)始終保持松弛狀態(tài)，幅度0.5 m左右。

(2)沉樁初始打擊能量必須設(shè)定為液壓錘的最小能量140 kJ。前三錘實(shí)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(dǎo)向輪的接觸情況。

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

(4)施工過程中應(yīng)密切關(guān)注地質(zhì)變化，當(dāng)樁底標(biāo)高接近軟弱土層時(shí)，必須減小錘擊能量及頻率，必要時(shí)采用單擊或2、3連擊，防止“溜樁”現(xiàn)象。每沉樁1～2 m即停錘，采用全站儀測(cè)量樁體垂直度，如偏差值超出1‰，立即糾偏。

(5)當(dāng)樁頂距設(shè)計(jì)標(biāo)高1 m左右時(shí)，每沉250 mm停錘觀測(cè)一次垂直度；待樁頂接近設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，采用全站儀測(cè)量控制樁頂高程。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)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(shè)計(jì)和規(guī)范的要求。海上風(fēng)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(nèi)，法蘭水平度小于1‰，均滿足設(shè)計(jì)要求。