海上風電高樁承臺基礎鋼筋模塊化預制安裝技術

郭新杰，黃炳南

（中交第三航務工程局有限公司廈門分公司，福建 廈門 361006）

1 工程概況

福建莆田平海灣海上風電場二期項目位于莆田市秀嶼區平海灣內，風場內15個風機基礎分別采用8樁摩擦樁斜樁承臺基礎結構形式及6樁嵌巖樁斜樁承臺基礎結構形式，承臺直徑為16.5 m，承臺高度為4.6 m。

海上風電高樁承臺基礎鋼筋通常由表層鋼筋、內部鋼筋、鋼管樁四周及其連接件鋼筋、鋼管樁頂部鋼筋、承臺底層鋼筋、承臺頂層鋼筋、基礎環（或錨栓籠）四周鋼筋共計7部分組成，主要采用直徑為φ16～32 mm的HRB400型三級熱軋帶肋螺紋鋼筋，見圖1。

圖1 高樁承臺配筋圖Fig.1 Reinforcement drawing of high pile cap

2 海上風電高樁承臺基礎鋼筋綁扎安裝工藝特點

海上風電高樁基礎承臺主體結構鋼筋的綁扎、安裝是重要關鍵工序之一，其施工進度將決定高樁承臺基礎結構的整體施工效率。高樁承臺結構鋼筋具有鋼筋型號種類及樣式多、布置交錯密集、綁扎工程量大的特點，且受鋼筋結構內的基礎環（或錨栓籠）、冷卻水管、靠泊護舷與風機附屬設施預埋件的影響，主體結構鋼筋綁扎作業空間有限，逐根穿插綁扎鋼筋工效低，采用傳統工藝在外海海域進行單個承臺結構鋼筋綁扎需要有效作業時間為15～20 d，同時本工程所處海域受大風、涌浪等自然環境影響大，年有效工作日短，嚴重影響海上風電高樁承臺基礎結構的施工進度，且海上施工作業安全風險較大。

因此，有必要研制一種海上風電高樁承臺主體結構鋼筋模塊化預制安裝工藝，減少海上鋼筋綁扎作業時間，提高外海海域海上風電高樁承臺基礎主體結構鋼筋施工工效及質量，確保在有限合適的施工窗口期內優質高效地完成海上風電高樁承臺基礎結構施工[1-3]。

3 鋼筋模塊化預制安裝總體方案的制定

根據海上風電高樁承臺基礎結構鋼筋形式及布置特點，在陸上鋼筋加工制作場內對本工程承臺部分結構鋼筋進行模塊化預制生產，然后采用3 000 t多功能運輸駁船將鋼筋模塊運輸至海上風電高樁承臺基礎旁進行安裝。通過采用承臺鋼筋模塊化預制安裝工藝，將高樁承臺基礎結構鋼筋海上綁扎施工作業部分工作轉移至陸上進行，縮短海上作業時間，減小惡劣海況及天氣對高樁承臺基礎結構鋼筋現場綁扎施工的影響，確保承臺鋼筋綁扎質量[4]。

4 鋼筋模塊化預制安裝施工技術

4.1 施工工藝

本工程海上風電高樁承臺基礎結構鋼筋總重為92.4 t，其中承臺封底承重結構鋼筋現場綁扎29.6 t，承臺主體結構陸上模塊化預制鋼筋32.74 t，海上現場綁扎鋼筋30.06 t。承臺主體結構模塊化預制鋼筋在陸上出運碼頭進行集中制作，并對模塊化鋼筋進行臨時加固，海上施工現場采用350 t全回轉起重船及研制的專用吊具進行鋼筋模塊的安裝施工[5-8]。

4.2 預制技術

1）高樁承臺基礎底板3層鋼筋網模塊預制

本工程高樁承臺基礎底板3層圓形鋼筋網設計為3層×77根/層φ20 mm@200 mm鋼筋，徑向鋼筋之間角度為60°，3層圓形鋼筋網總重量為6.88 t，采取在陸上鋼筋預制場內按照φ15.4 m直徑、3層圓形鋼筋網進行模塊組拼預制，3層圓形鋼筋網之間采用綁扎及短筋焊接工藝進行拼接組合，同時在3層圓形鋼筋網頂部采用φ48.5 mm×3.5 mm的鋼管進行加固連接，確保承臺底板3層圓形鋼筋網整體吊裝剛度。承臺底板3層圓形鋼筋網開孔位置需要根據現場實際樁位圖，采用CAD繪圖法進行各個承臺底層鋼筋的下料及鋼筋網的開孔，避免了承臺底板鋼筋在陸上模塊化預制時出現臨時下料不足的現象，確保高樁承臺基礎底板3層鋼筋網預制模塊在海上施工現場能夠順利就位安裝，減少了現場施工耗時，見圖2。

圖2 承臺底板3層鋼筋網預制模塊結構圖Fig.2 Structural drawing of reinforced mesh prefabricated module on the third floor of bearing platform base plate

2）高樁承臺基礎側面主筋及箍筋模塊預制

本工程高樁承臺側面主筋設計采用240根φ20 mm@1.5°，鋼筋直立長度4 100 mm，箍筋設計為27根φ16 mm@150 mm鋼筋，承臺側面主筋與箍筋總重量為4.81 t，在陸上鋼筋預制場內將高樁承臺基礎側面主筋與箍筋之間采用綁扎及短筋焊接工藝進行拼接組合成模塊，承臺側面主筋與箍筋預制組合模塊沿垂直方向每間隔2 m采用φ48.5 mm×3.5 mm的鋼管在水平方向按照八邊形進行加固連接，確保承臺側面主筋與箍筋預制組拼模塊的整體吊裝剛度，見圖3。

圖3 承臺側面主筋與箍筋預制模塊結構圖Fig.3 Structural drawing of main reinforcement and stirrup prefabricated module on the side of bearing platform

3）風機基礎環外環向鋼筋模塊預制

本工程風機基礎環外側豎向主筋設計為140根φ25 mm@2.57°的鋼筋，采用逐根穿越基礎環抗剪環預留孔位的鋼筋安裝施工工藝。

高樁承臺內部基礎環外環向鋼筋被基礎環與鋼管樁樁頂連接件之間的連接板分成上、下2層，其中上層環向鋼筋設計為140根φ25 mm@2.57°、2×140 根 φ25 mm@2.57°、3×140 根 φ25 mm@2.57°及4根φ28 mm@150 mm的鋼筋，總重量為6.14 t。該環向鋼筋內直徑為6 400 mm，對環向鋼筋采用φ48.5 mm×3.5 mm的鋼管在水平方向按照八邊形進行加固連接，基礎環外環向鋼筋之間采用綁扎及短筋焊接工藝進行拼接組合成模塊，見圖4。

圖4 基礎環外側環向上層鋼筋預制模塊結構圖Fig.4 Structural drawing of the prefabricated module of the upper reinforcement in the circular direction outside the foundation ring

高樁承臺內部基礎環外側箍筋采用兩種規格型號鋼筋，并分成上、下2層，其中上層為5根φ28 mm@150 mm，下層為9根φ20 mm@150 mm的鋼筋，總重量為0.98 t。箍筋直徑為6 400 mm，被基礎環外側有連接件將箍筋分成8段，因此，首先需要將箍筋進行卷圓分成8段，然后按照設計箍筋位置分別進行分段箍筋綁扎安裝，箍筋綁扎時與風機基礎環抗剪環豎向主筋綁扎牢固。

4）風機基礎環內側鋼筋模塊預制

本工程高樁承臺內部基礎環內側鋼筋與基礎環外側鋼筋結構形式類似，箍筋直徑為5 500 mm，總重量為9.06 t。由于基礎環內部鋼筋直徑為5 500 mm，而基礎環頂部法蘭內徑為5 390 mm，因此，在鋼筋模塊化預制時，將箍筋按照直徑為5 200 mm進行加工制作，并與承臺主筋及環向鋼筋之間進行連接加固，將模塊化預制鋼筋安裝至基礎環內部時，對箍筋按搭接位置按照長短錯開切斷，然后采用搭接焊的形式，將內箍直徑由5 200 mm搭接至5 500 mm。采用φ48.5 mm×3.5 mm的鋼管在水平方向按照八邊形進行模塊化預制鋼筋加固連接，確保風機基礎環內側鋼筋預制組拼模塊的整體吊裝剛度。

5）風機基礎環外側承臺面層箍筋及基礎環內側鋼筋網片模塊預制技術

本工程基礎環外側承臺面層箍筋設計為31根φ25 mm@150 mm的環形箍筋，施工時需要將其與承臺面層主筋140根φ28 mm@2.57°進行綁扎連接，基礎環內側承臺面層箍筋設計為9根φ25mm@120 mm的環形箍筋，施工時需要將其與承臺面層主筋140根φ28 mm@2.57°進行綁扎連接；基礎環內鋼筋網設計為2層×20根φ20 mm@150 mm的鋼筋網片，該鋼筋網片焊接于承臺面層主筋端部，以上鋼筋總重量為4.87 t。在陸上鋼筋預制場內將基礎環外側承臺頂面箍筋、基礎環內2層鋼筋網分別拼接組合成模塊，并采用φ25 mm鋼筋對基礎環外側承臺頂面箍筋、基礎環內2層鋼筋網預制模塊進行環向加固連接，確保基礎環外側承臺頂面箍筋預制組拼模塊的整體吊裝剛度，基礎環內側承臺面層箍筋采用逐根綁扎工藝。

4.3 吊架及吊索具設計

本工程海上風電高樁承臺鋼筋預制模塊根據其各自體積形狀及重量分別采用新研制的圓環桁架式結構工裝吊架及槽鋼結構工裝吊架，配合350 t全回轉起重船在海上將其吊入鋼套箱內進行安裝施工。其中圓環桁架式結構工裝吊架組成如下：鋼桁架主弦桿采用HN244×175×7×11型鋼，連接弦桿采用HN148×100×6×9型鋼，主弦桿直徑分別為φ14.599 m、φ10.687 m、φ6.775 m，以適應不同直徑的鋼筋預制模塊吊裝，鋼桁架高度為1.6 m，鋼桁架重量為15.5 t，槽鋼結構工裝吊架組成見圖5，鋼桁架采用 [20a槽鋼。

圖5 鋼筋模塊工裝吊架結構圖Fig.5 Structural drawing of reinforcement module tooling hanger

鋼筋模塊吊索具配置時考慮吊架、吊具及鋼筋預制模塊重量，按照35 t吊重進行計算，鋼筋預制模塊采用4點吊工藝，每根鋼絲繩安全起吊重量為8.75 t，吊裝鋼筋預制模塊用鋼絲繩直徑為32.5 mm。

5 施工工效分析

本工程海上風電高樁承臺基礎鋼筋通過采用在陸上鋼筋加工場內進行模塊化集中預制、海上安裝技術，縮短了承臺鋼筋綁扎及安裝作業時間，降低了海上作業風險，在有效施工窗口期內，實現了單個承臺基礎鋼筋施工完成時間僅為5 d，與按照在海上施工現場逐根綁扎承臺鋼筋的傳統施工工藝需要15 d有效窗口期相比縮短了10 d，在施工工效方面取得了顯著成效，見表1。

表1 海上現場綁扎與預制安裝工效對比表Table 1 Comparison of work efficiency of binding and prefabrication installation on site

6 結語

研發的海上風電高樁承臺基礎鋼筋模塊化預制安裝施工技術在國內福建莆田平海灣海上風電場二期項目工程高樁承臺基礎鋼筋施工過程中，通過技術論證首次應用于實踐，將高樁承臺主體結構占比52%數量的鋼筋進行陸上模塊化集中預制、海上安裝施工，可操作性強，減少了高樁承臺基礎鋼筋海上綁扎、安裝作業時間及惡劣海況、氣候條件對施工的影響，施工安全風險小，顯著提高了高樁承臺鋼筋海上綁扎、安裝的施工效率及施工質量。對今后海上風電高樁承臺基礎鋼筋施工具有借鑒意義。