海上風(fēng)電高樁承臺工程施工技術(shù)及創(chuàng)新對策

黃金偉

深圳海勤工程管理有限公司 廣東 深圳 518000

海上風(fēng)電工程臨水而建、自身體量大，在進(jìn)行工程項(xiàng)目施工的過程中也會涉及樁基礎(chǔ)、大體積混凝土等特殊的施工需求。從工程質(zhì)量管理的角度進(jìn)行分析，其均屬于質(zhì)量管理的難點(diǎn)部分。在項(xiàng)目實(shí)施過程中通過全面的質(zhì)量要素分析、工程技術(shù)要點(diǎn)明確、引入創(chuàng)新型管理手段等方式，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的質(zhì)量的全面優(yōu)化和管理加強(qiáng)。

本文所引用的工程項(xiàng)目是莆田某海上項(xiàng)目，在進(jìn)行建設(shè)的過程中涉及承臺部分的大體積混凝土以及鋼管樁沉樁；項(xiàng)目位于石城碼頭外側(cè)，南依平海半島，西臨黃瓜島，東連牛嶼，南距岸線1 ～5km，海域水深 5 ～ 25m。基于該工程項(xiàng)目較高的質(zhì)量需求，針對項(xiàng)目質(zhì)量要點(diǎn)進(jìn)行全面優(yōu)化和專項(xiàng)管理。

1 風(fēng)電承臺大體積混凝土質(zhì)量控制

1.1 管理需求分析

本工程項(xiàng)目涉及一批大型風(fēng)機(jī)，基礎(chǔ)采取高樁承臺基礎(chǔ)的形式，基礎(chǔ)部分的主要材料結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土。在進(jìn)行施工的過程中考慮到施工環(huán)境較為特殊、混凝土的體積較大，因此需要進(jìn)行專項(xiàng)的質(zhì)量管理。從工程項(xiàng)目質(zhì)量的控制的角度進(jìn)行分析，需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行質(zhì)量管理工作的優(yōu)化和加強(qiáng)：

（1）混凝土的材料管理，混凝土材料是由多種材料混合而成的工程料，從質(zhì)量管理的角度進(jìn)行分析，原材料的質(zhì)量、配合比情況、材料攪拌的操作時(shí)間等問題都將成為混凝土質(zhì)量的影響因素。因此在進(jìn)行施工的過程中需要根據(jù)環(huán)境情況、施工需求進(jìn)行混凝土材料的專項(xiàng)研發(fā)和管理。

（2）大體積混凝土在進(jìn)行施工和養(yǎng)護(hù)的過程中會產(chǎn)生大量的水化熱，而混凝土材料的熱量變化將會成為工程項(xiàng)目質(zhì)量的顯著影響因素，因此在進(jìn)行施工的過程中，針對溫度問題開展防范和管理也是具有必要性的。其需要從材料、施工工藝、養(yǎng)護(hù)管理等多個(gè)環(huán)節(jié)共同控制。

（3）混凝土的開裂問題屬于常見額度質(zhì)量通病之一，對于風(fēng)機(jī)承臺工程，若存在開裂的問題，對于整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、耐久性、抗腐蝕的問題均會具有影響。因此在施工全過程中進(jìn)行開裂質(zhì)量問題進(jìn)行全面、合理地控制也是具有必要性的。

1.2 質(zhì)量控制措施

1.2.1 混凝土材料配合比的優(yōu)化

在進(jìn)行工程項(xiàng)目施工過程中，考慮到與一般工程項(xiàng)目相比具有顯著的不同，因此針對混凝土材料進(jìn)行專項(xiàng)優(yōu)化。按照設(shè)計(jì)要求，此位置需要采用高性能C50海工混凝土，通過實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)測試和研發(fā)，最終確定混凝土的配合比如表1所示。

表1 C50海工混凝土材料配合比

表2 鋼管原材料質(zhì)量控制要點(diǎn)

在該混凝土配方中，其中①砂石部分的顆粒級配進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保顆粒級配的連續(xù)性，避免過大粒徑的骨料，其作為混凝土的強(qiáng)度來源之一，同時(shí)也需考慮混凝土所具有的開裂問題和氯離子滲透風(fēng)險(xiǎn)。使用的砂石材料避免機(jī)制砂石，主要是考慮到機(jī)制砂石的配合比不穩(wěn)定情況。②混凝土中添加了一定比例的粉煤灰，其同樣具有參與膠凝反應(yīng)的作用，同時(shí)較少產(chǎn)生水化熱，能夠保障在同等性能的前提下控制質(zhì)量穩(wěn)定；③阻銹劑是該混凝土中的外加劑之一，其主要作用是能夠阻礙氯離子和其他非金屬離子對混凝土鋼筋材料所造成腐蝕的質(zhì)量問題，避免在海水中高滲作用下導(dǎo)致混凝土材料出現(xiàn)性能改變；④適當(dāng)添加減水劑材料可減少混凝土的用水量，提高和易性及可泵送性能，同時(shí)提高其早期強(qiáng)度[1]。在進(jìn)行混凝土施工的過程中因混凝土材料需要與海水接觸，因此控制早期強(qiáng)度是把控工程質(zhì)量的切入點(diǎn)之一。

1.2.2 混凝土溫度控制措施

混凝土結(jié)構(gòu)的熱量來源主要是水泥的水化熱，按照既有經(jīng)驗(yàn)、結(jié)合行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有資料，根據(jù)混凝土配合比的水泥、粉煤灰和礦粉的用量，膠疑材料水化熱折減系數(shù)粉煤灰0.89，礦渣粉0.96，折算后水泥用量當(dāng)量值為408.85kg。水泥采用PO42.5水泥，水泥水化熱按經(jīng)驗(yàn)值取，3d：242kJ/kg，7d：271 kJ/kg。基于此信息和數(shù)據(jù)，通過有限元模擬仿真分析的技術(shù)建立材料溫度應(yīng)力的模擬計(jì)算書[2]。主要考慮大體積混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部熱量散失速度慢，以熱傳遞、熱輻射的形式完成熱量交換。

若材料的內(nèi)外溫差較大，就會由于水化熱的影響出現(xiàn)應(yīng)力差導(dǎo)致混凝土的開裂、滲漏等問題。基于工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，所提出的優(yōu)化解決對策為在混凝土構(gòu)件內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管，通過布置冷卻水管方法來降低結(jié)構(gòu)中心的最高溫度，從而達(dá)到降低內(nèi)外溫差的目的。

在內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管后，其在養(yǎng)護(hù)階段通過內(nèi)部水循環(huán)，能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土中心溫度的降低。其同樣按照構(gòu)件的實(shí)際需求進(jìn)行模型的建立，經(jīng)有限元分析模擬，得出結(jié)論：在不影響其他指標(biāo)的情況能夠有效降低混凝土構(gòu)件中心的溫度，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部溫度降低的目的。

1.2.3 混凝土抗開裂管理

避免出現(xiàn)早期開裂的解決措施可從以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：（1）溫度控制：上文中已經(jīng)初步提及混凝土的溫度變化會引發(fā)開裂的問題，除了在上一小節(jié)中所提及的布置冷卻水管之外，還可進(jìn)行的控制方案包括①降低混凝土的前期溫度，如可通過對于砂石材料進(jìn)行遮蓋處理的方式，避免材料前期溫度過高的問題；②拌合水可使用低溫水、冰水，也可一定程度上降低混凝土材料的前期溫度；③通過使用外加劑的方式，能夠延緩混凝土的初凝時(shí)間，同樣能夠使得混凝土的放熱緩慢，以實(shí)現(xiàn)降低內(nèi)外溫差的目的。

（2）材料管理：水泥是混凝土中的主要膠凝材料，也是混凝土強(qiáng)度、粘接力的主要來源。若水泥的用量多，則產(chǎn)生的水化熱也大，因此需要考慮材料用量和性能之間的平衡問題。經(jīng)綜合考量，該工程項(xiàng)目使用某知名品牌的PO42.5硅酸鹽水泥，同時(shí)在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)的過程中通過添加外加劑、使用粉煤灰的形式，減少水泥材料的用量，也能一定程度上進(jìn)行溫度的控制；此外水的用量越多，其干固收縮的比率越大，一般用水量每增加1%，干縮率可增大2%～3%。在進(jìn)行材料拌合的過程中對于用水量進(jìn)行嚴(yán)格控制，盡可能在滿足施工需求的前提下降低混凝土的坍落度指標(biāo)。

（3）溫度監(jiān)測：雖該工程項(xiàng)目對于混凝土模型已經(jīng)進(jìn)行了溫度的模擬分析，但在實(shí)際應(yīng)用的過程中仍會出現(xiàn)因材料的不穩(wěn)定特質(zhì)、外部環(huán)境因素變化等情況造成的材料溫度波動。基于此方面的考量，在混凝土構(gòu)件的中心和內(nèi)部位置設(shè)置了溫度傳感器和應(yīng)力傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)檢測，對于溫度和應(yīng)力的異常情況能夠及時(shí)察覺并進(jìn)行相應(yīng)的處理措施。

2 鋼管樁施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

2.1 質(zhì)量管理需求分析

鋼管樁是海上風(fēng)電工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)部分，項(xiàng)目主要工程包含風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)工程以及海纜敷設(shè)工程，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用年限為25年，以鋼管柱為風(fēng)機(jī)部分的基礎(chǔ)。在進(jìn)行施工的過程中所具有的質(zhì)量控制特殊要點(diǎn)包括：

（1）本工程項(xiàng)目的施工位置位于海上，因此對于材料、施工平臺、作業(yè)機(jī)械設(shè)備均作出了較高要求。在進(jìn)行施工的過程中需要考慮環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行工程項(xiàng)目的優(yōu)化管理工作。目前本工程項(xiàng)目詳盡的前期環(huán)境勘查數(shù)據(jù)已經(jīng)確定，在進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的過程中也需按照有關(guān)要求開展后續(xù)施工以及質(zhì)量控制[3]。

（2）鋼管樁的施工偏差問題是需要進(jìn)行專項(xiàng)管理的，尤其考慮到在施工過程中由于項(xiàng)目管理工作的復(fù)雜性、現(xiàn)場水流、海浪、地質(zhì)的影響，其測量工作的開展以及偏差的控制均具有相應(yīng)的難點(diǎn)問題，在進(jìn)行使用的過程中，應(yīng)用全面的測量工作和偏差控制體系是滿足工程管理的重要基礎(chǔ)。

2.2 鋼管樁質(zhì)量管理要點(diǎn)

2.2.1 樁材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸

（1）鋼管樁材料是樁基礎(chǔ)在施工過程中較為重要的原材料，因此在前期進(jìn)行全面的材料控制工作是具有必要的。針對鋼管原材料其質(zhì)量控制要點(diǎn)可參考。

（2）考慮供應(yīng)商位置和項(xiàng)目地之間的距離及運(yùn)出成本，經(jīng)綜合考量本工程項(xiàng)目的鋼管樁材料使用水運(yùn)的形式進(jìn)行運(yùn)輸。為了規(guī)避在運(yùn)輸過程中可能存在的質(zhì)量影響問題，其所提出的質(zhì)量管理要點(diǎn)包括：①工程項(xiàng)目使用的鋼管樁材料具有多個(gè)規(guī)格型號，在進(jìn)行裝卸時(shí)需要避免后期材料出現(xiàn)頻繁的二次倒運(yùn)問題，因此可按照實(shí)際使用順序進(jìn)行裝駁[4]；②考慮截面圓形的鋼管樁材料可能會存在隨意滾動的問題，因此需要進(jìn)行加固處理，通過安裝限位、使用專用的捆綁繩，避免出現(xiàn)鋼管樁的滾動、碰撞等問題。

（3）鋼管樁在現(xiàn)場存放及使用應(yīng)統(tǒng)籌安排，考慮到海上項(xiàng)目現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，為了避免存放環(huán)境對于樁質(zhì)量造成的影響問題，需要有計(jì)劃的安排樁的出廠裝駁，盡量減少樁在海上駁船的存放時(shí)間，確保不應(yīng)規(guī)劃不合理造成樁的損毀問題。

2.2.2 沉樁施工過程控制

工程項(xiàng)目使用的機(jī)械設(shè)備為大型打樁船，按照項(xiàng)目的工藝要求，按照現(xiàn)場水流和船位的具體情況決定沉樁次序，打樁船拋八字錨共8根錨纜，打樁船拋錨定位一次可完成2根樁的沉樁施工作業(yè)。

（1）吊裝施工：在完成前期準(zhǔn)備工作之后，即可吊裝就位鋼管樁，使用緊松錨纜確保設(shè)備就位，通過調(diào)整傾斜度、位置，實(shí)現(xiàn)樁體的精準(zhǔn)定位。在進(jìn)行吊裝時(shí)，需要考慮使用的打樁船吊裝能力是否滿足工程需求，尤其對于自身長度較大的鋼管，確保其吊裝位合理，避免出現(xiàn)傾覆、脫落等隱患問題。

（2）樁體沉入與錘擊：鋼管樁就位后，在樁帽替打的輔助作用下進(jìn)行下放同時(shí)其進(jìn)行自沉。此過程中需要保障樁體的垂直度，尤其在自沉前期，可能會因水流、流沙的作用，造成鋼管樁沉落出現(xiàn)偏移的問題。樁自沉環(huán)節(jié)完成之后需要進(jìn)行錘擊，使用打樁機(jī)將鋼管樁緩慢的施工至自然土體之中。此過程中需進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)控，對于發(fā)生的偏離問題需要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。由于本工程的地質(zhì)特點(diǎn)，在剛開始的錘擊時(shí)，應(yīng)采取小能量單擊，待樁尖擊穿表層礫砂硬層后，鋼管樁可能有不同程度的溜樁，應(yīng)在溜樁樁穩(wěn)定豎立后再進(jìn)行樁姿態(tài)的測量及調(diào)整。同時(shí)在施工環(huán)節(jié)，考慮自然環(huán)境的不穩(wěn)定性，可通過每10cm進(jìn)行一次監(jiān)測測量的方式，記錄一次錘擊數(shù)、貫入度和錘擊能量，直至樁基礎(chǔ)的施工滿足工程要求為準(zhǔn)。

（3）停錘標(biāo)準(zhǔn)：不同的工程項(xiàng)目由于建筑的需求不同，設(shè)計(jì)過程中所參照的數(shù)據(jù)也會具有差異性，因此具體的停錘要求需要按照設(shè)計(jì)方的實(shí)際需求進(jìn)行確定。以本工程項(xiàng)目為例，經(jīng)由BIM技術(shù)、有限元模擬仿真失效分析等技術(shù)組合使用，確定的停錘標(biāo)準(zhǔn)如下：情況之一，當(dāng)有效錘擊能量≥550KJ，且最后3陣( 10擊/陣)平均貫入度不超過20mm/陣時(shí)此時(shí)停錘；情況之二，當(dāng)有效錘擊能量≥550KJ，但最后3陣平均貫入度不能滿足上述要求，此時(shí)繼續(xù)下沉1.4m或繼續(xù)下沉小于1.4m 但滿足最后3陣(10擊/陣)平均貫入度不超過20mm/陣，可停錘。

3 工程質(zhì)量管理創(chuàng)新策略

3.1 有限元分析技術(shù)的應(yīng)用

一是對于大體積混凝土的溫度控制工作，通過對于溫度變化模型的建立，分析出該工程項(xiàng)目混凝土承臺部分對于溫度變化最不利的位置，通過設(shè)置冷卻水管的前后對比，證實(shí)相關(guān)方案的有效性和全面性；在進(jìn)行施工的過程中也可根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況對于所存在的質(zhì)量問題提前知悉并進(jìn)行防范；

二是對于鋼管樁的全過程管理，通過對其進(jìn)行模型的建立，在進(jìn)行施工過程中，可確保鋼管樁處于安全狀態(tài)，對于材料的堆放、運(yùn)輸、吊裝、沉入環(huán)節(jié)均可進(jìn)行模擬失效分析，并校驗(yàn)方案是否可達(dá)成安全應(yīng)用的狀態(tài)。

3.2 Trimble 定位系統(tǒng)的應(yīng)用

其是結(jié)合了GPS與RTK技術(shù)的定位系統(tǒng)，在海上位置由于缺乏參照物、作業(yè)平臺具有不穩(wěn)固的特點(diǎn)，也會導(dǎo)致工程項(xiàng)目的施工工作受到影響。在施工過程中通過Trimble 定位系統(tǒng)的使用，其能夠根據(jù)海上環(huán)境進(jìn)行立體坐標(biāo)系的建立，同時(shí)通過對確定點(diǎn)進(jìn)行空間分析、整合多組GPS數(shù)據(jù)的方式，實(shí)現(xiàn)海上的精準(zhǔn)定位。同時(shí)結(jié)合技術(shù)特征，可智能化糾正偏移、抖動等異常數(shù)據(jù)，并以此為基準(zhǔn)達(dá)成全面質(zhì)量的狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文主要圍繞著某海上風(fēng)電工程質(zhì)量管理的一系列問題展開研究，在施工過程中的大體積承臺混凝土以及鋼管樁的施工均屬于工程項(xiàng)目的難點(diǎn)部分，在實(shí)際施工環(huán)節(jié)對于質(zhì)量管理需求進(jìn)行全面分析，同時(shí)引入信息化技術(shù)和智能化管理系統(tǒng)等創(chuàng)新型管理體系，從而實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的高品質(zhì)推行。研究表明，針對海上風(fēng)電工程而言其所具有的質(zhì)量管理要點(diǎn)較為復(fù)雜，也需從工程材料、施工 輔助措施、工程工藝等多個(gè)方面同步管理，結(jié)合有限元分析、Trimble定位系統(tǒng)等創(chuàng)新型技術(shù)形式，實(shí)現(xiàn)工程質(zhì)量的優(yōu)化和加強(qiáng)，以此保障大型海上項(xiàng)目的質(zhì)量和安全。