海上風電超大型單樁沉設垂直度控制

鄒天城，劉星

0 引言

近幾年，國內海上風力發電技術得到了快速發展，單機容量在逐步的擴大，重力式、導管架、單樁等風機基礎形式也有了較成熟的應用經驗，但風電場主要建設在潮間帶區域，沒有在外海真正的實施，尤其是采用無過渡段的單樁基礎形式，更對鋼管樁的沉設提出了高要求，樁頂法蘭水平度要求在0.3%以內。因此除了沉樁船機設備的要求外，對垂直度的嚴格控制也不言而喻，下面以工程實例說明海上風電超大型單樁沉設垂直度的控制措施。

1 工程概述

本工程風機布置區域的海底高程在-3.7耀-15.3 m（85高程基準面）之間。總裝機容量為152 MW，共布置了38臺單機容量為4.0 MW的西門子風機，海上配套1座110 kV升壓站，基礎形式均為無過渡段的法蘭式單樁基礎[1]。

單樁基礎為變截面鋼管樁，樁頂直徑均為5.5 m，通過變截面過渡到6耀6.5 m。鋼管樁最大直徑6.5 m、最大重量950 t、最大樁長93 m。沉樁以標高控制為主，樁頂標高均為+14 m，沉設完成后安裝集成式附屬構件，基礎防沖刷保護采用砂被鋪設形式。

本工程沉樁采用“導管架穩樁平臺穩樁，起重船吊打沉樁”的施工工藝，即4根工藝樁支撐導管架形成穩樁定位平臺，超大型鋼管樁植樁后（見圖1）再通過起重船吊IHCS1800液壓錘進行錘擊沉樁。

2 垂直度控制難點

如此大型的鋼管樁，首先是沉樁過程中樁體垂直度的監測，然后輔以控制措施使垂直度滿足要求。以下根據工程特點及采用的導管架穩樁平臺工藝，探討垂直度控制的難點。

圖1 吊樁、穩樁Fig.1 Hanging pile,stabilizing pile

2.1 垂直度測量監測難點

1）風電場地處無遮蔽外海海域，無測量平臺，且風機之間間距約1 000 m，若搭設固定的測量平臺，現有的測量技術無法涵蓋本工程39根單樁的垂直度測量控制；如按照機位搭設測量平臺，投入的成本較大，且建設工期長。

2）本工程利用導管架平臺吊打鋼管樁的工藝，在國內首次應用，無配套的測量方案可借鑒。

3）沉樁時采用起重船吊打，起重船受風浪的影響晃動較大，不宜架設測量儀器觀測。

4）鋼管樁樁徑大，長度長，并存在變截面，整體監測較困難[2-3]。

5）市場上能實時監測垂直度的儀器掃描過程較長，此類儀器及其配套軟件在制樁過程中已應用，但面對外海的工況條件，其穩定性要求太高，且實時反映數據能力較差。

2.2 垂直度控制難點

1）鋼管樁按照設計要求制作，垂直度存在著一定的偏差。

2）植樁過程中，在風浪流的影響下，起重船產生晃動，吊鉤與樁體的垂直度控制困難。

3）吊打過程中，由于浪涌、地質、錘擊等多方面的影響，鋼管樁的垂直度會產生偏差。

3 垂直度監測技術比選

3.1 監測方法

1）全站儀觀測法

在導管架定位平臺的邊緣，正交方向架設2臺全站儀，即2條觀測視線分別與起重船吊臂軸線方向垂直和平行，并通過樁切邊（如圖2所示）。

通過全站儀觀測樁身切邊上2個不同高度（高差20 m以上，降低整體控制誤差）的水平投影差與高差計算該方向的樁身垂直度。

圖2 全站儀觀測示意圖Fig.2 Observation sketch of total station

2）激光垂準儀觀測法

預先在樁上安裝激光垂準儀托架和接收靶，同樣是在樁的兩個軸線方向，在整平的情況下，通過發射激光束來測量樁身的垂直度，見圖3。

圖3 激光垂準儀觀測示意圖Fig.3 Observation sketch of laser verticality machine

3）鋼絲垂吊法

在鋼管樁變截面以下，避開起吊因素的影響，在樁身的兩個正交軸線方向各懸掛1根4 mm的細鋼絲，下吊50 kg的重物，觀測高度在30~50 m。要求鋼絲提前穿過懸掛鋼板并臨時綁定，待測垂直度前在鋼絲上綁好重物及另一端固定到平臺的卷揚機上（如圖4所示）。

鋼絲在重力的作用下成豎直向下的鉛垂線，通過樁身與鋼絲的距離比較，計算出樁的垂直度。

4）水平尺觀測法

圖4 鋼絲垂吊法觀測示意圖Fig.4 Observation sketch of steel wire hanging method

采用數字高精度數顯水平尺（長度1.2 m，垂直精度為1/1 145）貼在樁身上，可及時顯示數據反映局部樁身的垂直度情況。

5）激光掃平儀觀測法

采用激光掃平儀直接測量鋼管樁頂部法蘭的水平度，掃描結果可精確反映鋼管樁水平偏差。

3.2 監測方法的缺點

1）平臺空間狹小，易晃動，全站儀需在平臺較穩定的時候觀測。

2）平臺晃動會影響激光垂準儀精度，一般用于樁身垂直度調整到位后校對。

3）垂線法易受錘擊和風力等因素影響，精度受人為估算影響較大。

4）水平尺較短，制樁橢圓度對實測精度影響較大，適合對局部性測量，則用于下樁前快速檢測和最終的垂直度測定。

5）液壓錘上不能配套安裝激光掃平儀，需提起液壓錘方能測量樁頂法蘭水平度，安全風險較大，作業時間也較長。

3.3 確定監測方法

綜合考慮現場的實際操作性，以及幾種垂直度監測方法的特點和局限性，其中激光垂準儀觀測法、鋼絲垂吊法均需預先在鋼管樁上安裝輔助設施，受樁體晃動影響測量偏差大且實時性不高。從施工工藝、風浪影響、實時性操作等角度考慮，最終采用“高精度數顯水平尺進行粗調，全站儀進行精調”的監測技術，以及為消除制樁及錘擊時產生的偏差，開錘前監測垂直度要求在0.1%以內，主要措施如下：

1）鋼管樁入泥前，采用2把高精度數顯水平尺（精度0.5 mm）測量樁身正交兩個軸線的垂直度，也可測量多個不同側面進行比對；在入泥過程中實時反映測量數據，確保垂直度控制在0.1%以內。

2）鋼管樁入泥后，采用2臺90毅方向布置的全站儀觀測樁身切邊傾斜度，并計算垂直度，在樁身垂直度臆0.1%條件下插樁；沉樁過程中按上述方法全程監測。

4 垂直度控制措施

1）樁體質量保障措施

鋼管樁制作過程中需嚴格控制樁體同軸度，按設計要求進行驗樁；運輸工藝要保障樁體不受損傷、彎曲等。

2）起重船控制措施

起重船吊樁為雙鉤起吊，在入泥前首先調整吊鉤與樁身在同一條鉛垂線上，然后通過監測數據平衡2個吊鉤的受力，或者通過錨機稍作絞纜移船，在導管架定位平臺的輔助下保證樁身軸線的垂直度在0.1%以內。

3）導管架定位平臺調整裝置

導管架定位平臺上設置可伸縮的調整裝置，以千斤頂受力；導管架上下兩層千斤頂朝樁心呈環狀均列布置，頂推箱梁的前端通過帶橡膠保護的滾輪與樁體接觸（千斤頂分2層，每層7個）。

在鋼管樁沉樁過程中，導管架定位平臺調整裝置是主要的控制措施，在鋼管樁穩樁、插樁到自沉結束的過程中，均要求保證垂直度在0.1%以內；在錘擊的過程中，樁尖未到設計承載土層前，尤其是淤泥質、粉質黏土等土體力學性質較差土層，一定要加大觀測頻率，若發現偏差，及時調節千斤頂，邊打邊糾。

5 實踐情況

通過所述的沉樁垂直度控制措施，本工程39根超大型鋼管樁順利沉設完成，施工過程中垂直度可控，樁頂法蘭水平度驗收后全部在0.3%以內，滿足設計要求[4-6]。

6 注意事項及優化

垂直度測量控制方法適用于穩樁平臺吊打鋼管樁施工工藝，在觀測平臺較穩定的工況下也基本適應，在垂直度控制中部分事項應引起重視。

1）由于全站儀、數顯水平尺等都屬于高精度、敏感性高的儀器，故需做好保護，平時做好鑒定及校核工作。如在錘擊沉樁時，儀器均需拆下放好，做好防震措施；水平尺在潮濕的環境中易損壞，應做好防護工作，宜多備備用尺。

2）全站儀在平臺上的位置做好固定支架，由于樁太長以及存在變截面，可能觀測角度、長度等存在差異，因此需要進行數據的比對。數顯水平尺數據隨著樁的晃動跳動較大，需待樁基本穩定的情況下讀數，并在數據上下浮動較小時取值。

3）起重船的下樁過程中應緩慢進行，除測量數據及時反饋外，2個吊鉤的重量亦要同時關注，保持同速下鉤。

4）導管架定位平臺的調整裝置中多備墊板，隨時注意千斤頂的受力及行程，并與測量數據結合及時進行調整。

5）鋼管樁最終要求的是樁頂法蘭水平度偏差臆0.3%，可在制作時將法蘭與樁身的偏差位置做好標識，在沉樁時可針對樁身的垂直度進行適當預控，即測量樁頂直線管段垂直度時，向反方向調整偏差。

7 結語

通過鋼管樁垂直度監測技術的探討與實踐，選用數顯尺粗調、全站儀精調的技術，在導管架平臺吊打大型鋼管樁工藝中適用性強，對儀器要求低，操作簡單且實時性佳，在本工程已得到良好的應用和體現，該施工方法對類似工程具有一定的推廣價值。

[1]華東勘測設計研究院有限公司.中廣核如東150 MW海上風電場示范項目施工圖設計[R].2015.Huadong Engineering Co.,Ltd.Design of construction drawings for CGNPC Rudong 150 MW offshore wind farm demonstration project[R].2015.

[2] 梁奎，鄒天城，葉路明，等.一種穩樁定位平臺支腿架：中國，ZL201521140113.8[P].2016.LIANG Kui,ZOU Tian-cheng,YE Lu-ming,et al.A platform for stabilizing pile:China,ZL201521140113.8[P].2016.

[3]中國科學院上海科技查新咨詢中心.近海風電場超大型單樁風機基礎沉樁技術科技查新報告[R].2016.Shanghai Science and Technology Consulting Center of China Academy of Sciences.Sci-tech novelty retrieval report for the super large single pile fan foundation pile sinking technology of the off原shore wind farm[R].2016.

[4]GB 50026—2007，工程測量規范[S].GB 50026—2007,Code for engineering surveying[S].

[5]JTS 131—2012，水運工程測量規范[S].JTS 131—2012,Specifications for port and waterway engineering survey[S].

[6]GB/T 50571—2010，海上風力發電工程施工規范[S].GB/T 50571—2010,The code for construction of offshore wind power project[S].