某海上風電場項目鋼管樁沉樁施工工藝研究

李強

（中國鐵建港航局集團有限公司新能源分公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

海上鋼管樁沉樁施工作業(yè)主要使用船舶作為主要運輸工具，海上作業(yè)對鋼管樁沉樁施工提出了更高的要求，其不僅要控制鋼管樁沉樁的精度，還要控制鋼管樁沉樁施工質(zhì)量，將鋼管樁誤差控制到允許的范圍之內(nèi)。海上風電場鋼管樁沉樁施工具有明顯的優(yōu)勢，可以滿足海區(qū)復雜地質(zhì)的施工需要，具有經(jīng)濟和技術(shù)可行性。

1 工程概況

1.1 簡介

啟東海上風電場工程項目，地址位于我國江蘇啟東地區(qū)的近海位置，與海岸之間的距離達到37km。經(jīng)過勘察研究，區(qū)域內(nèi)的地形變化起伏比較小，深度在13m 左右。對風電場需要建設(shè)區(qū)域進行規(guī)劃，占地面積達到43km2，共計施工安裝50 臺型號不同的發(fā)電機組，供給周邊地區(qū)電力能源，裝機容量達到300MW。

風電場處于海上作業(yè)模式，按照現(xiàn)場勘察條件在施工方案中選擇使用鋼管樁沉樁技術(shù)進行施工，設(shè)計鋼管單樁的長度為68～85m，直徑為6～8m，重量達到650～1150t。單樁沉設(shè)完成后套籠整體吊裝施工，套籠重量約63t。

1.2 工程條件

由于海上風電場的作業(yè)條件比較復雜，對項目區(qū)域內(nèi)的水文條件、自然條件等進行調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果對鋼管樁施工方案進行調(diào)整優(yōu)化，使其可以滿足工程建設(shè)的實際需要。調(diào)查結(jié)果顯示，施工海域的最高潮位為3.69m，最低潮位達到-3.2m，平均潮差為3.94m。海底地質(zhì)為沉積地貌單元，地基表層地質(zhì)類型主要為粉砂，伴隨大量的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。根據(jù)水文地質(zhì)勘查結(jié)果，對項目建設(shè)區(qū)域的施工場地進行綜合評判，場地區(qū)域內(nèi)不良地質(zhì)作用不發(fā)育，存在斷裂性發(fā)育，頂部存在大量的軟弱地質(zhì)，不利于對抗地震等自然災(zāi)害，并長期受到海浪沖刷，穩(wěn)定性比較差，需要做好鋼管樁沉樁施工作業(yè)，并采用相應(yīng)的防潮水沖刷方案，方可進行項目的施工作業(yè)[1]。

2 鋼管樁沉樁施工工藝應(yīng)用

2.1 施工流程

按照鋼管樁沉樁施工流程進行作業(yè)，嚴格控制施工質(zhì)量，具體施工流程如圖1 所示。

圖1 鋼管樁沉樁施工流程

按照鋼管樁沉樁施工作業(yè)流程，應(yīng)使用相關(guān)設(shè)備進行放線測量和工程定位，安排設(shè)備進場后，進行穩(wěn)樁平臺的施工，隨后進行立樁和入籠口固定施工。在吊錘壓樁作業(yè)完成后，對其進行沉樁處理，隨后對質(zhì)量予以驗收，符合質(zhì)量檢驗標準之后將穩(wěn)樁平臺拆除，再完成內(nèi)平臺和套籠的安裝。吊錘壓樁過程中需要調(diào)整垂直度等相關(guān)參數(shù)，并做好應(yīng)變檢測和原料驗收等工作[2]。

2.2 鋼管樁運儲工藝

2.2.1 鋼管樁儲存

鋼管樁堆存應(yīng)明確支點位置和數(shù)量，觀察其是否會對鋼管樁產(chǎn)生影響，導致其出現(xiàn)形變情況。在鋼管樁的表面涂抹防腐涂層后，將其放置到地基較好、穩(wěn)定性較強的位置，并使用墊木對其進行保護。堆放環(huán)境應(yīng)避免高溫暴曬，并采用防水措施和防腐措施對鋼管樁進行保護。鋼管樁在運輸過程中應(yīng)避免出現(xiàn)碰撞和摩擦，在起吊過程中應(yīng)控制鋼管樁的接觸面，避免鋼管樁與樁架、抱箍等接觸，或采用柔性保護的方式，避免鋼管樁表面的防腐涂層被剮蹭。

2.2.2 鋼管樁裝船

滾裝和吊裝是鋼管樁裝卸采用的主要方法，在做好相應(yīng)的準備工作后，檢查海面的潮位是否處于最佳時段，采用滾裝的方式進行裝卸應(yīng)使用調(diào)節(jié)倉壓的方式，使得鋼管樁處于平衡的狀態(tài)。使用駁船進行調(diào)載，并保持板面與碼頭面之間的高度相契合，差距在10cm上下，如超出高差則應(yīng)停止。當駁船板面與碼頭面平齊時，駁船前進，重復此過程，直到滾裝完畢后，焊接支架進行保護。

使用吊裝的方式進行運輸，預(yù)先在甲板做好運輸支架的安裝工作，并對安裝位置進行明確，經(jīng)過焊接固定后，進行鋼管樁的吊裝。在吊裝之前，應(yīng)對相關(guān)設(shè)備進行檢查和維護，同時開展周期性的探傷作業(yè)，檢查完畢后進行吊裝。吊裝期間使用吊帶穿過鋼管樁的底部位置，固定好后緩慢吊裝。

項目中使用的鋼管樁重量超過800t，需要同時使用兩臺車進行起吊，并保持兩者之間的速度相同，采用固定平移的方式進行作業(yè)，將鋼管樁吊裝到支架上后，檢查是否穩(wěn)定，并觀察吊裝是否對鋼管樁產(chǎn)生破壞，必要時對其進行修補。

2.2.3 鋼管樁運輸

根據(jù)鋼管樁的重量制定鋼管樁的運輸方案，考慮船舶運行速度對鋼管樁產(chǎn)生的影響。在運輸之前應(yīng)進行結(jié)構(gòu)的有限元分析，建立有限元模型對運輸過程中需要重點關(guān)注的問題進行明確。尤其是在進行海上運輸?shù)倪^程中，需要對鋼管樁的運輸要求進行明確，具體如下。

（1）確定駁船裝載能力與結(jié)構(gòu)強度符合運輸要求。

（2）明確運輸路線，控制運輸過程，按照運輸計劃進行調(diào)節(jié)。

（3）檢查運輸過程中鋼管樁是否穩(wěn)定。

（4）根據(jù)潮況對水面浮力和穩(wěn)定性進行計算，控制荷載過程中的橫傾角和初穩(wěn)值，符合要求后進行通船。

（5）環(huán)境可見度良好的情況下進行裝船作業(yè)，保持裝卸現(xiàn)場照明情況良好。

（6）運輸過程全程監(jiān)控，了解船舶的航行狀態(tài)。

（7）運輸?shù)綀龊髮︿摴軜顿|(zhì)量進行驗收，了解樁軸線的彎曲程度[3]。

2.3 鋼管樁沉樁施工工藝

2.3.1 穩(wěn)樁平臺作業(yè)

鋼管樁沉樁施工在對起重船、樁錘等相關(guān)機械設(shè)備等規(guī)格參數(shù)進行明確之后，進行鋼管樁沉樁的施工。在進行穩(wěn)樁平臺施工作業(yè)的過程中，對穩(wěn)樁平臺的參數(shù)進行調(diào)整，項目施工設(shè)計使用“通晟”平臺，長度和寬度分別為46.4m 和26.4m，吃水深度為2.2m，具有600t的抬升能力。平臺安裝升降系統(tǒng)、穩(wěn)樁系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，在進行定位后進行輔助樁和平臺的提升作業(yè)。在完成穩(wěn)樁平臺的施工作業(yè)之后，對穩(wěn)樁平臺結(jié)構(gòu)的垂直度和可靠性等進行分析，使用GPS 定位系統(tǒng)對誤差值進行控制，并使用插銷進行輔助樁的固定。

2.3.2 豎樁作業(yè)

在穩(wěn)樁平臺施工作業(yè)完成后，進行鋼管樁單樁沉樁作業(yè)，考慮到沉樁施工過程可能會受到海水漲潮等因素影響，保持起重船與潮流相一致。在進行起重船的拋錨作業(yè)后，控制船艏和船艉錨的角度以及主船的距離和位置良好，屬于后進行運樁靠泊作業(yè)，將吊鉤鋼絲繩安裝在主吊耳處，進行鋼管樁的下放作業(yè)。使用長度為10m 的鋼絲繩進行作業(yè)，檢查合格后同時使用主吊船和輔吊船進行起吊作業(yè)，并在兩個起吊船的共同作業(yè)下完成豎樁作業(yè)[4]。

2.3.3 入龍口作業(yè)

豎樁完成后繼續(xù)進行下放，進行入龍口的沉樁作業(yè)。豎樁過程中保持樁底與泥面之間的距離在2m 左右，控制起重船與穩(wěn)樁平臺處于同軸位置，隨后進行鋼管樁的施工作業(yè)，進行抱合。在入土的過程中將鋼管樁下放進入抱樁器內(nèi)后，使用GPS 技術(shù)對鋼管樁的位置、垂直度等誤差參數(shù)進行了解，控制誤差在允許范圍內(nèi)，隨后使用千斤頂進行鋼管樁的抱死作業(yè)，控制其垂直度誤差在1%以下。由于鋼管樁自身便有一定的自重，將其下沉到泥面下一定的深度后，下沉停止，觀察其是否穩(wěn)定，并對鋼絲繩進行下放，觀察鋼絲繩的狀態(tài)是否良好，若在15min 左右樁身沒有變化，則可以進行下一階段的施工作業(yè)。在單樁穩(wěn)定后，將鋼絲繩解除，隨后進行液壓錘的起吊作業(yè)，觀察套錘與樁中軸是否平衡，當兩者接觸后將吊鉤下放，逐步增加重量。該過程需要采用動態(tài)監(jiān)測的方法，觀察在壓錘的過程中是否出現(xiàn)異常，觀察垂直度變化程度，如果垂直度沒有發(fā)生變化，進行下一階段的施工作業(yè)。

2.3.4 錘擊作業(yè)

使用液壓錘進行沉樁作業(yè)，在不影響鋼管樁垂直度偏差的情況下使用液壓錘。首先控制液壓錘的能量點較小，在錘擊過程中對鋼管樁的變化參數(shù)進行觀察，如出現(xiàn)偏差及時對其進行調(diào)整，反復進行4 次左右的錘擊后，進行連續(xù)液壓錘錘擊。錘擊深度每達到1.5m左右進行鋼管樁的參數(shù)獲取，并對鋼管樁的相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整，當鋼管樁達到10m 后，可以延長錘擊深度的觀察時間，每間隔3.5m 左右進行一次觀察和數(shù)據(jù)記錄。如果鋼管樁進入地基深度達到30m 后，無法對垂直度進行調(diào)整，則使用連續(xù)液壓錘進行錘擊，控制垂直度在1.5%以內(nèi)。將鋼管樁錘擊深度達到設(shè)計的深度之后，對鋼管樁進行探傷，判斷其質(zhì)量是否滿足要求，如果存在一定的質(zhì)量問題則需要對其進行修復[5]。

2.3.5 輔助樁拔出

在完成驗收后，確定鋼管樁的施工不存在相應(yīng)的質(zhì)量問題，對原本的輔助平臺進行拆除。首先應(yīng)將輔助樁的插銷進行拆除，并將頂升系統(tǒng)放入水面之下，待到平臺穩(wěn)定后，將輔助樁拔出，并對輔助樁進行固定。

2.3.6 防溜樁施工

在進行鋼管樁沉樁作業(yè)的過程中，采用相關(guān)的措施確保沉樁期間不會出現(xiàn)溜樁問題，具體措施如下。

（1）根據(jù)機位和設(shè)備對方案進行選擇，預(yù)先進行模擬計算，根據(jù)模擬結(jié)果對錘擊參數(shù)、貫入度、頻率等相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化。

（2）下樁過程需緩慢平穩(wěn)，在處于平流的狀態(tài)下進行下樁作業(yè)，并對鋼管樁單樁的變化情況進行觀察和記錄。

（3）靈活調(diào)整液壓錘的錘擊能量，在軟弱地基位置進行沉樁作業(yè)需要減少錘擊的能量，控制貫入力度，穿過軟弱地基后可適當提高錘擊能量。

（4）沉樁之前需要使用液壓錘在小能量狀態(tài)下錘擊兩次，避免連續(xù)錘擊，進入一定深度后可以加大能量。

（5）做好沉樁過程中相關(guān)數(shù)據(jù)的測量工作，包括海床高程測量，起吊高度測量、沖擊錘下落慣力測量等。

（6）如發(fā)生溜樁問題，則需要與監(jiān)理部門及相關(guān)部門聯(lián)系，協(xié)商選擇方案解決問題。

2.4 附屬構(gòu)件安裝作業(yè)

風電場項目施工在進行鋼管樁沉樁施工作業(yè)過程中，需要安裝相應(yīng)的附屬零件，包括內(nèi)平臺和外平臺等，鋼管樁在廠內(nèi)安裝完畢后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場。其他爬梯、防撞零件等采用集成工藝將其制作成套籠的結(jié)構(gòu)，運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行作業(yè)，套籠安裝工藝流程：起重船駐位→運輸船駐位→套龍掛鉤→套籠吊裝→套籠脫鉤→船舶移位。

套籠安裝需要根據(jù)船舶的方向和水流的方向進行適當?shù)恼{(diào)整，進行起重船的駐位工作。前后兩口處均采用八字錨進行施工作業(yè)，控制船體的角度符合要求。隨后進行運輸船的駐位施工，根據(jù)海面實際的風浪條件進行運輸船調(diào)整，并檢查運輸船內(nèi)的附屬構(gòu)件數(shù)量和規(guī)格是否良好。套籠掛鉤作業(yè)主要利用吊籠，將其吊裝到內(nèi)平臺，相關(guān)人員在佩戴好防護工具后，對其進行檢查，并對吊索具進行安裝，每根鋼絲繩使用兩個吊點進行吊裝，避免其出現(xiàn)偏心問題，影響吊裝的質(zhì)量。完成掛鉤的吊裝作業(yè)之后，將原本附屬構(gòu)件的固定工裝進行拆卸，安裝纜繩，當達到鋼管頂樁后，調(diào)整附屬構(gòu)件位置，進行下放作業(yè)。附屬構(gòu)件采用集成式的方式，在進行構(gòu)件脫鉤過程中，需要使用相應(yīng)工具將卸扣拆除，隨后將鋼格柵板進行安裝。完成套籠的安裝作業(yè)之后，將船舶轉(zhuǎn)移到特定的位置，進行下一套籠的安裝作業(yè)。

3 結(jié)語

綜上所述，海上風電場項目鋼管樁沉樁施工應(yīng)嚴格按照施工方案執(zhí)行，在鋼管樁的堆放、運輸、裝修、施工和附屬構(gòu)件安裝期間嚴格遵循工藝流程和工藝標準，做好鋼管樁沉樁后的質(zhì)量檢驗和誤差檢驗工作，將誤差控制在允許的范圍之內(nèi)，并使得質(zhì)量滿足《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50205—2020）標準中對質(zhì)量提出的要求。