大直徑鋼管樁沉樁工藝及樁身垂直度控制

李 東，韋 冬，李銘志，顧健威，吳 凱

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032；2.天津中北港灣工程建設監理有限公司，天津 300222；3.華能江蘇清潔能源分公司，江蘇 南京 210000）

引 言

目前海上風電工程的風機基礎多采用無過渡段大直徑鋼管樁單樁基礎形式，其施工工藝與傳統的沉樁工藝存在區別。同時由于風機塔筒垂直度及上部風機運行安全需要，對單樁基礎的垂直度要求非常嚴苛，如何采用合適的沉樁工藝及保證單樁沉設的垂直度成為工程質量保障的關鍵因素。

華能如東300 MW海上風電場工程目前為亞州最大的海上風電場工程，風機基礎形式主要采用無過渡段大直徑鋼管樁基礎，單樁直徑6.0～6.7 m左右，平均樁重達680 t/根，樁基頂部直接用法蘭盤連接風機塔筒，在塔筒安裝前沒有過渡段或承臺做基礎再次調整的空間。沉樁的成敗不僅需考慮船型、錘型的選擇，尚需重點把控沉樁過程中的垂直度控制。本文根據華能如東風電工程的實際工程經驗，對大直徑鋼管樁單樁沉設工藝及過程中的測量控制要點進行總結。

1 船機設備選型

目前國內常規單樁（直徑在2.5 m、樁長在90 m以下）的沉樁工藝較為成熟，均采用自帶樁架的傳統打樁船進行施工，樁錘多為柴油錘，如浙樁8、三航樁16、雄程1號等，據不完全統計全國共有各類帶樁架的傳統打樁船達74艘。但傳統的打樁船設計的樁重、樁徑、樁錘適用己不能滿足大直徑鋼管樁的沉樁作業要求，采用全回轉起重船（帶抱樁器或穩樁平臺）和錘籠組合而成的吊打沉樁工藝是大直徑大重量的單樁沉樁的必然選擇。

常規打樁船的樁身定位，無論直樁或斜樁，均以隨錘上下運動的替打樁帽及樁架下部的液壓抱樁器為樁身定位，也就是說基樁軸線始終與導軌平行，其平面和垂直面的角度隨樁架的定位而定。吊打沉樁的作業平臺不設置大型變幅樁架，包括吊樁在內的各類起重作業均由施工平臺（船）上的起重機完成。直樁以自身定位，斜樁依靠導向定位架，故沉樁作業時對直樁的垂直度控制尤為重要。

目前國內可進行吊打沉樁的船型并不多，均是采用液壓錘吊打，但工藝各有不同，按沉樁工藝形式分主要有穩樁平臺+起重船、支腿船帶抱樁器與起重船舷側自帶抱樁器吊打3種。本工程由于存在深水區，淺水區、潮間帶三種復雜地形，工程中用到的船型有以下3種：

1）華爾辰號全回轉起重船自帶穩樁平臺（單套）、大申號起重船+獨立穩樁平臺（可多套周轉）；

2）龍振2號支腿船帶雙層抱樁器于左舷；

3）華申號起重船左舷帶雙層抱樁器、龍振1號起重船左舷帶雙層抱樁器。

其中1、2三種船型用于深水區（水深≥5 m），第3類的2種船型適用于淺水區（水深＜5 m）與潮間帶（低潮時露灘），可坐灘吊打。

大功率液壓錘目前只有荷蘭、德國產可用，由于樁徑大樁身重，本工程根據試樁結果、可打性分析及作業面分布配備了兩種型號錘型：為IHC S-2000與IHC S-1800兩種荷蘭產液壓錘。

2 大直徑鋼管樁典型船型沉樁工藝應用

2.1 支腿船沉樁

龍振2號支腿船：船長76.8 m、寬42 m、型深6 m、樁支腿長67 m，可在30 m內水深海域作業，雙鉤360°全回轉最大吊重800 t，最大起重高度108 m，最大風暴自存能力12級。該船于2014年6月投入使用。

龍振2號裝有垂直于舷邊線的抱樁器，分上下兩層，高差10 m，底座設于甲板左舷，可沿舷邊左右行程2 m移動，離舷外伸縮行程2～9 m，抱臂中心位置可調，縱橫向最大糾偏±1 m。船舶定位后，可施打樁中心線距舷邊9 m以內的樁。

作業時，先用拖船將龍振2號拖至預定水域后拋錨，船載GPS比對定位，放下支腿，將平臺撐起；將運樁方駁拖至平臺旁定位，吊機將樁由方駁上吊起放入抱樁臂后，由經緯儀控制上下抱樁臂前后移動，控制樁的平面位置與垂直度，吊機松鉤進行插樁及穩樁；吊機將液壓錘吊起套在樁頭上面，經測量無誤后，即可由控制臺啟動樁錘進行吊打，當錘套即將到達抱樁器時，松開抱樁器繼續錘擊直至達到設計要求的高程、貫入度停錘。錘擊過程中持續進行垂直度觀測以確保符合設計要求。

龍振2號支腿船沉樁優點是作業精度高，基本不受風浪流的影響，最大作業水深達30 m，通過調節支腿的下放長度可在高低不平的海床上保持平衡穩定。在波高2 m，風速15 m/s（相當于7級）、潮差5 m的情況下仍可正常作業。缺點是對配合船機要求較高，需大功率的拖船和專用錨艇來協助移位、拋錨，要求配合施工的其他船舶（如運樁船舶）亦要有相應的抗風浪能力，同時其插腿與升船保壓時間較長。相比用于淺水區可坐灘獨自沉樁的龍振1號或華申號，其工效相對較低，但淺水區兩種船型如用于深水區需配穩樁平臺作業。

圖1 龍振2號沉樁實景

圖2 龍振1號沉樁實景

2.2 起重船+獨立穩樁平臺

大申號起重船：船長118.6 m，寬32.2 m，型深8 m，吃水4 m，最大固定吊重1 500 t、全回轉吊重800 t，最大吊高97 m，抗風能力8級。

施工前，先將穩樁定位平臺拖至施工水域后拋錨定位，穩樁平臺由平臺本體和4根工藝鋼管樁組成，由一艘起重船完成定位平臺搭設，平臺定位采用GPS定位系統定位，工藝樁沉樁采用APE600振動錘。定位平臺搭設的平面、高程精度決定了鋼樁定位精度，必須嚴格控制平面準確度，特別是下樁龍口的定位精度。為保證施工進度，定位平臺一般制作多套，供現場連續施工和周轉使用。定位平臺上設有粗定位和精定位裝置，以確保沉樁時鋼樁的垂直度要求。沉樁結束后利用APE600振動錘將工藝樁拔除，然后采用起重船拆除定位平臺至下一個機位。

沉樁施工時，大申號拖航至穩樁平臺附近定位，采用“大申號”和另一艘起重船共同抬吊，完成豎樁立入穩樁平臺操作。然后由大申號主鉤吊起液壓套在樁頭上經測量無誤后開始吊打沉樁。

其優點是適用于深水區沉樁且定位精準，兩臺經緯儀可架設在穩樁平臺上進行多余觀測，垂直度控制便利穩定。缺點與支腿船相似，其穩樁平臺的架設與撤離需要作業時間。

圖3 定位平臺施工實例

圖4 “大申號”液壓錘沉樁施工實例

3 工程地質分析及防溜樁控制

本工程位于江蘇省如東縣小洋口北側的爛沙海域附近，場區海底灘面地形變化較大，高程-18.6～0.6 m。場區北側發育一條近東西走向的潮溝，高程-18.6～-9.0 m，寬度約1.0 km；場區內地基土表層以粉土、粉砂為主，屬南黃海濱海相沉積地貌單元。根據鉆孔揭露的地層結構、巖性特征、埋藏條件及物理力學性質，結合原位測試成果、室內試驗和區域地質資料，勘探深度內（勘探孔最深70.8 m）均為第四系沉積物，為沖積、海積及河口～海陸相沉積。勘探深度內場區土按地質時代、成因類型及工程特性，可分為6大層9個亞層，上部①～③層為第四系全新統（Q4）沖海相粉土、粉砂，下部為上更新統（Q3）陸相、濱海相沉積物。

根據地質分析及附近類似工程實踐，由于粉砂層及軟弱土層的存在且樁重過大，本工程中發生溜樁的可能性很大。施工前需要根據每個機位的鉆孔柱狀圖（結合靜力觸探數據）及機位水深情況進行一樁一議，充分認識每層土質的軟硬程度，對溜樁制定防范措施：

鋼樁自重入泥后，根據入泥深度對比鉆孔柱狀圖，對溜樁發生的可能性以及溜樁的距離進行大致判斷。若自重入泥深度未穿透軟土層，發生溜樁可能性很大，此時應采用帶底座（增重）壓錘的方式，使鋼管樁穿透軟土層。

若帶底座壓錘都未能穿透軟土層，應采取液壓錘脫鉤沉樁的方法（防錘墜落時帶斷吊臂），鋼管樁和液壓錘替打樁帽應預先開孔（在距離液壓錘頂部500 mm處開4個孔，孔徑200 mm，4個孔沿圓周方向均勻分布。在鋼管樁吊耳中心片對稱開2個孔，孔徑300 mm），以防溜樁過快使樁內氣壓急劇增大而造成液壓錘脫出。

錘擊沉樁時，應以最小能量開錘，并在開始擊錘后，觀察貫入度是否過大，貫入度超過20 mm時，發生溜樁的可能性較大，應停錘等待一定時間，再開始錘擊。此段必須減小錘擊能量及錘擊速率，必要時采用單擊或2、3連擊，防備出現“溜樁”現象，待穿過粉砂層或軟弱土層后錘擊能量方可逐級增大并持續觀測貫入度。

4 施工過程中垂直度測量控制

海上風電基礎鋼管樁打設精度要求較高，樁頂平面偏差不超過500 mm，縱軸線傾斜度偏差不超過0.3%，樁頂法蘭頂高程13.0 m±50 mm。

根據《水運工程施工與驗收規范》（JTS 257-2008）規定：單樁垂直度（樁尖對縱軸線偏斜）沉樁偏差驗收要求為10 mm/m，即沉樁時垂直度是以1%樁長來控制的（10 mm/1 000 mm=1/100）。此標準在樁基上部有承臺結構可調整風機塔筒基礎環的平整度、不影響塔筒及風機的安裝精度要求時可適用。而單樁基礎頂部只有法蘭盤連接風機塔筒基礎環，無過渡段可調整，所以單樁的垂直度必然提出新的標準要求。

設計要求單樁沉樁時垂直度控制在3 ‰樁長，相應的抱樁自沉、插樁穩樁階段垂直度必須精準在1 ‰以內才能確保達到最終標準。所以單樁沉樁過程中的垂直度控制是沉樁質量控制必不可少的關鍵環節。

4.1 垂直度監控測量設備安裝

沉樁全過程對單樁垂直度及高程進行監測。垂直度采用經緯儀人工測量和“高精度雙軸傾角測量”方法同時監測。本工程使用的高精度雙軸傾角測量的誤差傾斜度誤差為0.1 ‰。

1）利用高精度雙軸傾角傳感器測量過渡替打底面（假設過渡替打底面與樁頂平面是重合的）前后、左右兩個方向的傾斜角度。

2）利用無線電臺把數據發送到遠程電腦，通過傾角測量軟件，實時計算出樁的實際傾斜角度、坡比及樁頂偏移量。

3）雙軸傾角傳感器預裝在不銹鋼安裝箱里。

4）在過渡替打側面焊接一塊400×400的鋼板，鋼板平面與替打底面平行。將不銹鋼安裝箱安裝到鋼板上。數據電纜沿替打壁敷設，并與錘上的管線并行。電纜的另一端連接至（發射電臺+鋰電池）安裝箱。

5）（發射電臺+鋰電池）安裝箱安裝在與船體固定的塔架上，便于人員維護的地方。

6）計算機、接收電臺（含天線）安裝在操控室內，電臺天線延伸到室外。

4.2 傳感器傾角標定

測量前，必須對傳感器傾角進行標定。

將過渡鋼管底面調整到水平狀態，在計算機軟件上按照操作說明打開測量軟件，測量軟件設計成三維立體模型的形式，形象、直觀。操作者可利用鼠標控制模型的大小和方向，按自己喜歡的姿態呈現。樁頂高程及平面位置通過船載GPS系統監測。高程允許偏差50 mm，樁頂絕對位置允許偏差500 mm。

傳感器安裝及測量軟件監控屏幕如圖5、圖6。

圖5 測量儀器安裝示意

圖6 測量軟件實時數據輸出界面示意

4.3 垂直度復核測量

高精度雙軸傾角傳感器測量精度遠遠高于傳統測量手段，并且優點明顯，可以直接讀出法蘭水平度并實時顯示樁體在沉樁時的傾斜狀態，施工中垂直度的調整主要依據高精度雙軸傾角傳感器測量數據；但為確保測量準確，特別是為了防止精密的測量儀器（雙軸測斜儀）在使用過程中損壞而不自知，造成測量事故，故同時采用傳統測量方法進行多余觀測，便于及時發現錯誤。

施工中，采用2臺經緯儀（全站儀）呈90°角同時觀測鋼管樁垂直度（單樁出廠時用激光測距儀呈90°畫好兩條測量刻度線），定性觀測鋼管樁是否垂直，同時與高精度雙軸傾角傳感器測量數據進行比對，發現不一致后立即重新標定、更換或修復高精度雙軸傾角傳感器。兩臺經緯儀（全站儀）中放置于定位導向平臺上，大致呈90°方向布置，以確保觀測數據科學合理。

4.4 調整控制單樁垂直度

定位導向平臺上兩層抱箍高差約11 m，每層抱箍均布設有4個千斤頂，沿圓周均勻布設，用以調整鋼樁垂直度。為避免鋼樁涂裝被別蹭，千斤頂端部均設有橡膠滾輪。

調整垂直度時，按照先上后下的順序進行，即先操作上抱箍千斤頂使鋼樁豎直，橡膠滾輪與樁壁頂緊；后操作下抱箍千斤頂至橡膠滾輪與樁壁稍稍接觸即可。

上下層抱箍各設一獨立的液壓泵站，每臺千斤頂油路均為一閉合回路。

初步調整鋼樁垂直度在插樁入位過程中進行，鋼樁調整尤為重要。由于單樁重量大，糾偏難度大，鋼樁插樁并完成自重入泥過程中，要及時完成垂直度調控，為預防后續工序對垂直度造成影響，本階段鋼樁傾斜度控制值應比設計要求更高，垂直度預控值為1 ‰。

4.5 監控調整垂直度

通過垂直度調控后，基礎鋼樁自重豎立于海床上，由雙層導向抱箍支撐穩定。下一步要進行壓錘過程中垂直度調控。

本工程鋼樁沉樁設備為大功率液壓打樁錘。吊裝前，將錘體和替打整體安裝，連接好液壓管。然后，利用船載吊機進行整體吊裝。液壓錘吊裝應先調整好錘體中心位置，使之盡量與樁中心接近。當錘體擺動穩定后，吊鉤慢檔下落，錘靴套入樁頂。

由于在鋼樁頂壓錘過程中鋼樁會繼續下沉，可能會造成鋼樁垂直度發生變化，因此，當樁頂壓錘前、后，應再次測量樁身的傾斜度，當樁身傾斜度＞2 ‰時，必須重新進行調整。傾斜度控制值仍以1 ‰為準。

液壓錘連續錘擊頻率一般控制在30擊/min。沉樁全過程必須進行測量觀測，發現樁身貫入度變化較大或貫入度異常，應立即停錘分析原因并校核垂直度。

5 單樁垂直度驗收與后期監測方案

5.1 單樁垂直度驗收

單樁垂直度最終驗收標準為設計給定的3 ‰。根據相似三角形原理，樁身對縱軸線傾斜（垂直度）可轉化為樁頂法蘭面水平度測量結果得到。

沉樁結束后基礎環法蘭面水平度測量可用兩種方式測得：

1）用水準儀（精度等級DS05）和標尺在法蘭面相隔45°的8個方向上測量，水準儀架設于樁內上部布置的內平臺中心，從法蘭面位置引豎尺讀數，每個方向最少測量兩次并記錄數據，取8點相對連線（4條）中的最大值與最小值相減所得數值除以樁頂法蘭直徑，即為樁頂法蘭水平度（基礎樁垂直度）≤3 ‰。

2）激光掃平儀測量：用德國進口的激光掃平儀可以快速精準的測定法蘭平整度，可克服常規測量方式的系統誤差和偶然誤差。其測量數據可直觀讀出，連接電腦可打印輸出。

5.2 后期監測方案

由于風電場工程均外于外海無掩護水域，變形觀測網建立困難，故后期監測目前一般采用預埋監測設備的原型觀測方案（JTJ 218-2005）對樁基的變形數據進行直觀收集分析。具體采用在樁頂布置幾何水準點、靜力水準點和傾角儀進行不均勻沉降和傾斜監測，設備可直接接入監測自動化系統實現自動化連續觀測。

6 結 語

海上風電正在起步發展階段，隨著風電新能源的蓬勃發展，風機基礎大直徑鋼管樁應用將越來越廣。大直徑管樁的沉樁基本控制要點與傳統的沉樁質控要點相同無需贅述，本文側重于吊打工藝所涉及的船型及直樁的垂直度質控總結，代表了當前國內大直徑大噸位鋼管樁吊打施工工藝的先進性。通過對大直徑鋼管樁海上施工工藝的經驗積累總結，為后續海上風電樁基施工提供一定的指導與借鑒作用。