復雜海域φ8.5 m鋼管樁沉樁技術研究

陳 震

（中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519000）

1 引言

我國海洋面積遼闊，有豐富的風資源可利用，近年來，政府出臺大量優惠措施支持海上風電建設，海上風電發展迅速。海上風電海況多、地質復雜、施工難度大，且受氣候、潮汐等多方面影響，施工周期相對陸上風電場更長，而且向深海區域發展［1］。為減少基礎施工環節達到減少施工周期的目的，海上風力發電機組基礎利用單樁大直徑基礎的情況較多，成為當前主要基礎結構形式［2］。本文結合廣東某開敞海域在建項目，針對復雜海況條件下研究大直徑鋼管樁沉樁施工技術。

2 工程概況

廣東某開敞海域，瀕臨南海。風場場址涉海面積約40.69 km2，外圍風機包絡海域面積約為35.52 km2，水深范圍約30～38 m，場址離岸距離約21～34 km。典型的海洋性季風季候，受臺灣海峽“狹管效應”影響，是全國沿海氣候最為惡劣的地區。

本海域漲落潮為不規則半日潮，流向復雜，根據附近海上工程全潮觀測成果，工程海域各測站漲潮流向為33°～109°之間，落潮流向為193°～258°之間。風大浪高，海區的波浪比較大，工程海區的波浪絕大多數屬于以外海涌浪為主的混合浪。海況復雜，地質條件較差，土層分布特征有淤泥層、黏土層、砂性黏土層、砂層等。

本工程風機基礎為非嵌巖單樁鋼管樁結構，單樁最大重量1 823 t，鋼管樁壁厚65～95 mm，最大樁長113.57 m，最大樁徑φ8.5 m，樁頂標高＋18.0 m。

3 技術難點

3.1 船機裝備要求高

φ8.5 m單樁基礎沉樁施工，鋼管樁最大重量1 823 t，最大長度113.57 m。在開敞海域流向復雜，水深在30 m以上，風大浪高，波距較長。沉樁過程垂直度控制難度較大，鋼管樁直徑大較長且重，地質條件較差，對沉樁施工的船機設備要求高。

3.2 沉樁精度要求高

本工程單樁基礎用鋼管樁沉樁允許偏差：

（1）絕對位置允許偏差＜500 mm；

（2）高程允許偏差＜＋50 mm；

（3）沉樁完成后的基礎頂水平度（樁軸線傾斜度）偏差≤3‰。

3.3 樁頂法蘭保護

本工程所有鋼管樁沉樁完成后，按照設計要求，均對樁體頂法蘭、頂法蘭與樁體焊接區域進行100% UT無損檢驗，驗收等級為Ⅰ級。如大型液壓沖擊錘直接作用在樁頂，會對樁頂法蘭及其焊縫造成影響。

3.4 可能發生溜樁現象

分析地質資料可知，海上風電場局部區域存在地基土中夾雜的軟弱下臥層，呈可塑～軟塑狀，且層厚最大可達到19.1 m。鋼管樁在穿過地基土較為堅硬的土層進入該軟弱下臥層后，可能會發生溜樁的危險。

4 沉樁施工關鍵技術

4.1 主要船機裝備選型

4.1.1 起重船

起重船選型時首先考慮起重應滿足的條件，其次考慮船體在該海域的穩定性。沉樁主船需用大型起重船，要求在旋轉半徑內起重量能覆蓋運輸船舶停靠范圍，吊高滿足吊索具長度加樁長，可利用施工海域水深作為樁身豎直高度。目前國內起重設備現狀是大型起重船舶不多且起重設備老舊，所以起重設備的各類剎車系統及部件也是選型時應考慮的關鍵條件之一。在北方海域施工時水流較為平穩，船體的長度、寬度和吃水深度可選擇范圍大。在臺灣海峽及南海海域施工時，需選用吃水較深，寬度及長度都較大的船體，船的長度選擇時最好在該海域較大波長的1.5倍波長以上，本項目選用宇航32起重船。

4.1.2 打樁錘

沉樁錘選擇，對于單樁基礎打樁，首先考察的是打樁設備，樁錘是沖擊沉樁的主要設備，選擇合適的錘型，使錘擊力能充分超過沉樁阻力而使樁貫入，如果樁錘重量不足，則沉樁困難，并容易引起樁頭破損。但當用大錘型打擊小直徑樁時，也會使樁產生縱向屈曲和局部破壞，在用大樁錘施打小直徑鋼管樁時，可調節液壓錘的錘擊能量達到需求值。根據設計要求選擇建立打樁分析模型計算復核所選用錘型是否滿足要求，滿足要求即可選用。

4.1.3 穩樁平臺

穩樁平臺可選用浮式穩樁平臺或座底式穩樁平臺。浮式穩樁平臺是利用大型駁船配套移動抱樁架，座底式平臺轉移場址時利用起重船吊運至下一場址。在工期緊，要及時把握施工窗口的情況下，建造一艘平臺船時間較長且費用較高，建議建造座底式穩樁平臺，建造周期短能快速投用。淤泥層較厚的海域，建議使用浮式穩樁平臺，座底式穩樁平臺容易造成自重下沉后提升困難而不適用。項目前期選用亨通藍德浮式穩樁平臺，后期增加座底式穩樁平臺。

4.1.4 拖輪、錨艇及運輸船舶

南海地區拖輪可配置成一艘5 000 HP以上錨拖一體船，在特殊情況需要拖輪時用作拖輪，遠距離轉場時如果需要增加拖輪則可以臨時增加1艘拖輪，在施工期間作錨艇用，再增加一艘4 000 HP錨艇即可。運輸船舶選型時在滿足裝載能力的條件下，同時滿足抗風浪能力和是否能夠自錨，根據鋼管樁生產廠家在出運碼頭的裝船方式來確定船體尺寸及運輸工裝。

4.2 沉樁精度控制技術

4.2.1 定位測量

定位測量方法采用Trimble5700型號GPS動態實時差分技術，Trimble5700靜態定位精度5 mm＋1 ppm，動態定位（實時差分定位 RTK）10 mm＋1 ppm。可以隨時準確進行84坐標、54坐標、當地坐標以及施工坐標的相互轉換。

動態實時差分GPS定位方法：在岸上設立永久性基準站，基準站距移動站小于20 km，定位精度為10 mm＋20 km×1 ppm＝30 mm，最大誤差不超過50 mm，滿足施工規范要求。每艘定位船上安裝兩臺Trimble5700移動站，利用中海達儀器公司的“海洋成圖軟件”對定位船進行實時動態定位或Trimble海測成圖軟件HYDRO Pro。在施工過程中，預先在微機上設置好施工區域，通過GPS定位實時顯示和調整船的姿態，直觀而且準確地控制施工［3］。

4.2.2 穩樁平臺定位

考慮施工區域波浪及水流情況，為保證穩樁平臺受波浪、水流影響較小，穩樁平臺船采取正南正北站位，船艏4個錨纜的出繩方向均與穩樁平臺船縱軸線成40°，錨纜長度為600 m，拋錨長度控制在500 m以上。穩樁平臺具體施工步驟［4］：

（1）利用平臺船艏部凹槽設置支撐座。

（2）在預設的支撐座上安放穩樁平臺。

（3）在穩樁平臺四角導向管內插入臨時支撐樁，并采用振動錘沉樁。支撐樁打入泥15～16 m。

（4）提升穩樁平臺，離開船體；懸吊穩樁平臺在臨時支撐樁上，基本調平后與臨時支撐樁鎖定。

（5）穩樁平臺就位完成［5］。穩樁平臺支撐樁沉樁如圖1所示。

圖1 支撐樁沉樁

4.2.3 主起重船定位

穩樁平臺定位完成后，起重船由拖輪拖向施工海域，主起重船艏部和艉部拋“八”字錨，同時在艏部和艉部各增加一個牽引錨，所有錨均為霍爾錨，重5.25 t。拋錨長度為500 m，主起重船錨纜壓穩樁平臺錨纜。

起重船定位時船舶縱向中心軸線應基本與穩樁平臺船縱向中心軸線的延長線重合，艏部朝向穩樁平臺船，留有足夠的安全距離。

4.2.4 鋼管樁立樁

（1）主吊耳掛鋼絲繩、溜尾鉤吊掛，鋼管樁主吊耳共兩個，需掛兩根鋼絲繩。通過主起重船吊鋼絲繩，人員引導掛鉤的方法完成。

使用新工藝用430 t溜尾鉤作為翻樁措施替代了翻樁吊耳。溜尾鉤通過鋼絲繩與輔助起重船吊鉤連接，翻身鉗吊掛于鋼樁上方管壁。溜尾鉤吊掛管壁如圖2所示。

圖2 溜尾鉤吊掛管壁

（2）待鋼絲繩掛吊耳完畢、溜尾鉤吊掛完成后，人員撤離至安全位置。運樁船提前進行調載，向鋼樁起吊一側壓水，保證起吊后船舶穩性。主、輔起重船在統一指揮下，相互配合將鋼管樁緩緩吊離運樁船，起吊前主、輔起重船配合起吊多次，起吊高度10 cm，試吊時間約20 min。檢查焊點、吊索具是否滿足施工要求，保障后續安全施工。

（3）立樁通過主起重船主鉤加力緩緩上升，輔助起重船主鉤減力緩緩下降將鋼管樁立成豎直狀態。鋼管樁豎直后，溜尾鉤自動脫離。

4.2.5 自沉樁

鋼管樁豎直穩定后主起重船吊樁送至抱樁器。移樁通過主起重船絞纜進行。主起重船通過絞纜先進行南北方向位移，再進行東西方向位移，最終將鋼管樁吊運至穩樁平臺抱樁器中，抱樁器通過液壓頂控制閉合。

（1）液壓頂頂推固定鋼管樁，鋼管樁穩定不再搖晃后，抱樁器上下兩層共8個液壓頂推缸固定鋼管樁。

（2）調整平面位置，通過上下兩層液壓頂推缸相互配合調整平面位置，使鋼管樁基本位于抱樁器中心位置，調節液壓頂推缸同時進行垂直度調節。

（3）沉樁前結合地質情況，打樁分析中自沉深度與實際自沉深度對比，注意在鋼管樁自沉過程中嚴格控制沉樁速度，測量人員實時觀測，及時調整垂直度。自沉穩定后，測量人員檢測樁身垂直度，并通過臨時作業平臺登至樁頂，利用水準儀測量法蘭面水平度是否滿足＜1‰的要求（規范要求3‰）。如不滿足，則調節液壓頂推缸直至法蘭面水平度最終控制在1‰以內為止。

4.2.6 垂直度調控方法

亨通藍德穩樁平臺上下抱箍各設4個300 t液壓缸推桿，上下抱箍高差10 m，單個有效壓力約21 MPa，沿圓周均勻布設，以調整鋼管樁垂直度［6］。

（1）喂樁過程，當鋼管樁大約吊放在設計位置時，點鉤下放至樁尖距離泥面1 m。調節兩臺全站儀呈90°角同時觀測鋼管樁垂直度，樁身垂直度調節通過液壓頂推油缸進行，保證垂直度＜1‰。

鋼管樁第一次調整尤為重要，在插樁入位過程中進行鋼管樁垂直度的初步調整。由于鋼管樁重量大，糾偏難度大，為預防垂直度偏差過大對后續工序造成影響，鋼管樁完成插樁和自重入泥過程中，要及時完成垂直度調控。

（2）自沉階段，鋼樁入泥后，調整垂直吊耳方向“垂線”垂直度通過調整兩個鉤頭高度進行，另一方向垂直狀態通過起重船扒桿調整方位，使液壓缸推桿頂滾輪接觸管樁外壁稍受力即可；慢松鉤頭慢減吊荷，使樁沿著穩樁平臺定向平穩自沉，同時檢查垂直度，保持鋼管樁垂直下沉；并利用抱樁器上下兩層頂推油缸限位控制垂直度及平面位置。

鋼管樁自沉至穩定后，測量人員至樁頂，利用水準儀測量樁頂法蘭水平度，滿足＜1‰后允許摘鉤，進行錘擊沉樁施工。同時測量人員在穩樁平臺上使用經緯儀與水準儀測量法蘭的水平度與鋼管樁垂直度的關系，將關系值作為沉樁過程控制鋼管樁垂直度的依據，法蘭的水平度與鋼管樁垂直度誤差控制在0.5‰。

為保障操作人員安全和防止溜樁等，并有效提高鋼樁垂直度及平面位置精度控制，在整個沉樁過程中應緩慢進行吊鉤卸力；此外，進行復測穩樁平臺平面位置，密切觀察抱樁器，如平臺位置發生偏移應停止插樁，查明偏差大小及具體原因，制定補救措施。

（3）錘擊沉樁階段，錘擊沉樁通過穩樁平臺上下兩層的液壓頂推桿調節，方法參考自沉階段。

4.2.7 測量頻次

在沉樁作業過程中，由測量人員對沉樁深度進行觀測，每下沉1 m，及時反饋到指揮人員，停止錘擊或停止吊鉤卸力，隨后在穩樁平臺上對樁的垂直度進行復測。如發現垂直度偏差超過允許范圍時進行糾偏，將偏差調整到1‰以內，再進行沉樁作業，直至到沉樁作業結束。

4.3 法蘭保護

4.3.1 鋼管樁軸向承載力計算

本項目鋼管樁為擴口樁，打入鋼管樁軸向承載力按樁的軸向極限承載力計算，打樁分析計算采用GRLWEAP軟件進行計算。

在進行打樁分析時，打樁阻力參考《海上固定平臺規劃、設計和推薦作法-工作應力設計法》規范進行計算，打樁阻力可按以下公式進行估算。

式中，Qf為樁側摩阻力；Qp為樁端總承載力；f為單位樁側摩阻力；AS為樁側表面積；q為單位樁端承載力；Ap為樁端總面積［7］。

單樁基礎進行可打性分析［8］。首先考察的是打樁設備，樁錘是沖擊沉樁的主要設備，選擇合適的錘型，使錘擊力能充分超過沉樁阻力而使樁貫入，如果樁錘重量不足，則沉樁困難，并容易引起樁頭破損。但當用大錘型打擊小直徑樁時，也會使樁產生縱向屈曲和局部破壞。根據設計要求，選用IHC-S3000錘型進行分析［9］，建立打樁分析模型，分析結果如表1所示。

表1 基礎可打性分析結果

4.3.2 送樁器及液壓錘吊裝

（1）送樁器吊裝：送樁器上設有4個吊點，由主起重船通過吊索具連接，安放樁頂法蘭盤上。在安裝過程中，起重船起吊緩慢進行，防止送樁器對法蘭碰撞造成損壞［10］。

（2）液壓錘的吊裝及壓錘：液壓錘的吊裝利用主起重船主鉤緩緩將組裝件從甲板吊運至樁頂；液壓錘重約380 t，臨時送樁器重約110 t，合計約490 t；待液壓錘安裝完畢后進行壓錘靜壓施工。

4.3.3 錘擊

（1）錘擊施工，開始沉樁前三錘實施最小能量單擊（IHC S-3000液壓錘最小能量為204 kJ），每次停錘后，均進行垂直度監測。然后以最小能量連擊，并根據打樁分析、鋼管樁實際貫入度情況并結合地勘情況調節夯擊能，每沉樁2～3 m即停錘檢查垂直度一次，以防鋼管樁發生較大傾斜，確定無誤后再逐漸加大夯擊能持續進行錘擊［11］。

（2）通過GPS測量穩樁平臺下層平臺標高，采用液壓頂端部作為標記。當樁頂標高沉樁至距設計標高1 m左右時，控制錘擊貫入度和打擊能量，設定每觀測一次垂直度的下沉高度為250 mm。樁頂接近設計標高位置時，全站儀采用三角高程方法測量并記錄樁頂高程。錘擊結束后，吊裝內平臺，測量人員在內平臺復測樁頂高程，滿足偏差50 mm要求［12］。

（3）沉樁至頂標高14 m左右，暫停錘擊，安裝高應變檢測傳感器，完成后繼續錘擊至設計標高，采集應變檢測數據。沉樁完成后在內平臺上進行法蘭無損探傷。沉樁工時統計沉樁用時約為8 h。

（4）ZK59號樁夯擊能分析，鋼管樁自沉21.4 m，與可打入分析中自沉16 m的預測相比自沉深度較大。觀察夯擊能折線圖，在樁尖進入粉砂層后，即入泥22.3 m后，夯擊能量無明顯變化，入泥23～24 m甚至發生溜樁現象，當入泥29 m時，此時樁尖仍在粉砂層，但每米的總夯擊能量由38 202 kJ逐漸增大至62 760 kJ，每下沉1 m，增量約20 000 kJ，最后在粉砂層底部37 m附近增至160 000 kJ左右，在同一土層每1 m夯擊能出現較大變化。整個過程參考可打入分析的夯擊能損耗率達到58.7%。

4.4 溜樁控制

鋼管樁在穿過地基土較為堅硬的土層進入該軟弱下臥層后，可能會發生溜樁的危險，用以下措施控制溜樁現象。

（1）根據地質資料，逐樁對比分析，如標準貫入擊數變化、相鄰土層相對密實程度、是否存在易液化土層等判別會溜樁的軟弱土層，并制定防溜樁措施。

（2）沉樁開始時，液壓沖擊錘從小能量（380 kJ）開始，逐漸增大錘擊能量。

（3）在鋼管樁樁尖即將進入易溜樁土層時，減小錘擊能量，保持低能量錘擊，避免沉樁過程中對周圍土體的過大擾動，并實時監控鋼管樁樁身進尺情況。

（4）進入軟弱土層后，采用間斷錘擊的方式進行沉樁，即手動小能量錘擊2擊，停頓1次，控制貫入度和錘擊能量，并觀察樁身穩定情況。

（5）若該場區普遍出現超長溜樁現象，投入液壓振動錘聯動錘組進行振沉送樁，穩定后采用沖擊錘沉樁至設計標高。

5 結論

在開敞海域復雜海況條件下，該設備選型和施工方法、工藝在大型鋼管樁沉樁施工中成功應用，并得出以下體會：

（1）立樁環節采用新工藝，即使用溜尾鉤輔助翻樁后，立樁環節時間顯著縮短。相比使用立樁吊耳的輔助立樁方式，省去了現場工人安裝卸扣的時間，減少了高空作業，增加了安全性，同時無需在樁體加焊翻樁吊耳，節約了項目成本。

（2）起重船選型時，按起重量和船型的原則，重視起重剎車部分，國內現有起重船的剎車部分有較大的優化改進空間。

（3）鋼管樁沉樁工效基本一致，從立樁開始到錘擊施工完成用時約為8 h。實際施工過程中，錘擊沉樁時間較短，僅占約35%。

（4）夯擊能分析，在同一土層每1 m夯擊能出現較大變化，整個過程參考可打入分析的夯擊能損耗率偏高時，要利用實際錘擊參數及時修正計算參數。