海上風電大直徑單樁施工定位及樁身垂直度控制測量技術

鄭洪剛

（天津港航工程有限公司，天津 300457）

目前海上風電工程的風機基礎多采用無過渡段的單樁基礎形式，其施工工藝與傳統的沉樁工藝存在區別。同時由于現階段風電工程對于工期、質量要求都非常嚴苛，所以對鋼管樁的沉樁施工有了更高的要求，一般樁頂法蘭水平度都要求在3‰以內。如何采用快速的沉樁工藝及保證單樁沉設的質量成為工程進度及質量保障的關鍵因素。本文根據華能山東海上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施工船舶定位和樁身垂直度控制進行總結，重點控制在沉樁施工中船舶、穩樁架定位速度及樁身垂直度控制。

1 華能山東海上風電工程概況

華能山東半島南4 號海上風電項目場址為東北—西南向長約16 km，西南—東北向寬約2.7 km，總規劃面積約45.56 km2，風電場場址水深28~31 m。共58臺風機基礎均采用無過渡段單樁基礎結構型式，樁長84~94 m，樁重1 200~1 400 t，單樁基礎樁直徑6.0~8.5 m，樁頂法蘭與上部風機塔筒通過法蘭系統進行連接，樁頂設置集成式套籠。在塔筒安裝前沒有過渡段或承臺做基礎再次調整的空間。

2 船機設備選型

本項目采用了雙機抬吊的工法，主起重船選用1 500 t的“嘉泰68”，船長90.8 m，船寬35 m，型深6.78 m，輔助起重船選用800 t全回轉“特順起重01”，船長78.3 m，船寬29.3 m，型深5.5 m。定位駁船選用“今海龍2 號”，船長97 m，船寬27 m，型深5 m，空載吃水3.5 m，總噸位3 465 t。此定位駁船作為沉樁施工作業平臺，施工人員安置在此定位駁船上，甲板上放置液壓沖擊錘及動力設備、液壓振動錘和沉樁施工使用的吊索具。

坐底式穩樁架由架體、底部防沉板、浮筒、抱樁器平臺（兩層）、動力站、4 根定位樁組成。其中架體高50.18 m，長25 m，寬23 m；兩層抱樁器平臺相距12 m；定位樁樁長70 m；穩樁架主體重803 t，4 根定位樁重477 t，總重1 280 t。穩樁架定位通過“嘉泰68”起吊托運來完成移場駐位，見圖1。

圖1 穩樁架移場駐位圖

定位設備選擇Trimble sps855，并采用CORX網及星站差分（RTX） 技術，具有準確可靠、效率高、全天候、單機作業等優點。定位軟件采用上海繪海儀器有限公司編寫的打樁定位系統，可以確保隨時能夠提供精確的定位信息。

3 穩樁架施工定位控制

穩樁架定位采用錨點定位法來完成，即先精確拋設各船舶定位錨，再通過調節錨纜的長短來移動起重船，進而將穩樁架精確定位，具體流程如下。

一是根據鋼管樁加工廠家提供的裝船圖確定船舶及穩樁架攏口的駐位方向，一般分為南北駐位和東西駐位兩種常見的方式。

二是根據穩樁架駐位方向及拋錨角度和拋錨長度計算出各船的錨點平面坐標，然后再將平面坐標轉經緯度坐標，方便拋錨艇拋錨作業。

三是拖輪拖帶“嘉泰68”及穩樁架到將要施工的風機機位，到達定位錨點時，“嘉泰68”先將船舶主定位錨拋下，完成船舶初步定位。

四是拋錨艇將各個定位錨按照計算好的錨點坐標進行精確拋錨定位。拋錨過程中要根據現場實際工況及氣象條件，先拋逆風、逆流方向的定位錨，防止船舶隨風、水流漂移太遠。

五是所有定位錨拋設完成后，“嘉泰68”通過絞錨完成穩樁架方位和位置的調整。調整過程中為降低涌浪和風力對穩樁架晃動的影響，調整時先將穩樁架下放至泥面以上約0.5 m處，停止下放，再通過絞錨精確調整穩樁架的方向和位置。待調整完畢后再下放穩樁架，因架體前后重量不均勻，下放過程中會出現滑移現象，為此需要通過多次提升和下放確定滑移量和滑移方向，根據滑移方向調整主副鉤下放的先后順序，確保坐底式穩樁架下放到設計位置，保證抱樁器中心位置偏差在500 mm之內。

六是穩樁架駐位完成后，要盡快將穩樁架定位樁打設完成，防止涌浪、風力及穩樁架滑移對穩樁架位置造成影響。

4 樁身垂直度控制

海上風電單樁基礎施工對垂直度精度要求較高，設計要求縱軸線垂直度偏差不得超過3‰，且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，因此單樁的垂直度必然是施工過程中控制的重點。因為設計要求單樁垂直度最終要控制在3‰以內，所以在相應的喂樁、抱樁自沉、錘擊沉樁階段垂直度精度應控制在1‰以內才能確保達到最終控制標準。為此單樁沉樁過程中的垂直度控制是沉樁質量控制中最關鍵的環節。

本工程采用坐底穩式穩樁平臺，該平臺由4 根直徑2.2 m、長70 m、壁厚30 mm 的鋼管樁作為支撐系統，并將平臺固定于海床之上，使其不受潮位變化、涌浪、風力等影響。抱樁器平臺采用雙層設計，上下層高差為12 m，每層平臺上設可開合式抱樁器并配置4 臺液壓千斤頂，沿圓周均勻布設。同時為避免施工中鋼樁涂裝被別蹭，千斤頂端部均設有橡膠滾輪[1]。

沉樁過程中，采用兩臺全站儀同時進行觀測，觀測位置為兩個互為直角的千斤頂位置所對應的樁身，見圖2。1# 全站儀觀測點在測線1 方向的偏位，2#全站儀觀測點在測線2 方向的偏位，測線3方向上偏位根據三角函數可計算求得。觀測時全站儀目鏡先照準鋼管樁豎直段下側，使目鏡豎絲貼緊樁壁，此時置零全站儀水平度盤，轉動目鏡照準鋼管樁豎直段上側，使目鏡豎絲貼緊樁壁，測出此時的水平角度。通過公式建立樁體水平角與垂直度關系，計算出樁身垂直度是否滿足要求。

圖2 垂直度觀測示意圖

水平投影差計算公式為

式中：D 為鋼管樁在觀測方向水平偏移投影距離；Δα 為上下視線瞄準觀測水平角度；ρ 為角度與弧度轉化數值，1 弧度對應的秒值為206 265 s；S 為測站至鋼管樁邊沿水平距離。

垂直度計算公式為

式中：Δh為儀器觀測鋼管樁豎直段上下側刻度差。

4.1 喂樁階段垂直度控制

喂樁階段的垂直度調整是沉樁的第一步，喂樁前根據液壓千斤頂位置、鋼管樁直徑、實測的樁位偏差數據計算各個千斤頂的頂進長度，然后按照先內側后外側的順序進行，即喂樁前先將內側的上下2 層4 個千斤頂頂進到計算的長度上。待樁身進入龍口后，先將樁身緩慢地壓到已調整好的內側千斤頂上，使千斤頂前端橡膠滾輪與樁壁頂緊；為避免鋼管樁隨涌浪、海風等晃動，此時需將鋼管樁下沉入泥0.5~1.0 m。待樁穩定后合攏抱臂操作外側上下2 層4 個千斤頂至橡膠滾輪與樁壁貼緊。初步調整鋼樁垂直度在插樁入位過程中進行，因單樁重量大，會隨入泥深度增加糾偏，難度逐漸增大，所以初期的鋼樁垂直度調整尤為重要。為預防后續工序對垂直度造成更大影響，本階段鋼樁垂直度控制值應比設計要求的更高，垂直度預控值為1‰以內。

4.2 自沉樁階段垂直度控制

自沉樁階段是指鋼管樁依靠自身重量下沉入泥直至鋼絲繩不受力脫鉤階段。這個階段是垂直度控制前期的重要階段，必須嚴加控制。一般自沉樁階段根據樁體入泥深度和起重船吊重變化大致分為兩個階段，第一階段為入泥8~10 m 之前，此時因為樁身受水平方向的力較小，樁身上部受起重船、涌浪等影響晃動較大，垂直度主要通過調整起重船的前后左右位置、抱樁器上的千斤頂來控制。第二階段為入泥8~10 m 至脫鉤，這個階段樁趨向于穩定狀態，垂直度主要通過調整抱樁器千斤頂來控制。樁身自沉入泥過程中，鋼管樁每下沉2 m 后停止下沉，待樁穩定后測量人員觀測垂直度，如發現任何方向偏差大于1‰時，及時進行糾偏。

4.3 法蘭水平度調整

樁自沉完畢后進行法蘭盤水平度調整，主要目的是在保證法蘭水平度合格的情況下，測量出樁身垂直度偏差量，并作為后期沉樁過程中垂直度觀測的基礎值。法蘭水平度測量方法是將測量吊籃吊至樁頂并將水準儀架設在樁頂中心位置，順時針依次在樁頂法蘭盤一圈平均分配的8 個點上立尺，分別用水準儀測量各個點位的尺讀數，最后閉合到第一個測點上算一個測回。按此方法測量兩個測回，比較各測回點位高差的互差，互差最大值不超過1 mm時測量結果合格，否則增加測回數。然后根據對應點位的高差和樁身直徑計算法蘭盤的實際水平度。

樁頂法蘭水平度調整主要是通過調整上下層平臺上的千斤頂來完成，根據測出的8 個點的高差，以“高點一側千斤頂縮回，低點一側千斤頂頂進”為原則，不斷調節千斤頂的頂進與縮回來完成法蘭水平度調整，直至8 個點高差互差不超過1 mm時完成。法蘭水平度調整完成后將經緯儀架設在上層平臺，觀測樁頂及以下無變徑段范圍樁身垂直度，并以本次的觀測值作為后續垂直度控制的初始觀測讀數。

4.4 錘擊沉樁階段樁身垂直度控制

錘擊沉樁大致分為兩個階段，第一階段為溜樁和錘擊沉樁共入泥前20 m，第二階段為溜樁和錘擊沉樁共20 m 后。第一階段樁身由未穩定逐漸變為穩定，是垂直度控制的最關鍵時期。因地質原因，溜樁情況在第一階段普遍存在，溜樁時樁身下沉速度快，來不及調整千斤頂，樁身垂直度不可控，易發生傾斜風險。因此根據地質勘探報告預測，在將要發生溜樁前0.5 m 左右停止沉樁，測量人員觀測樁身垂直度，并調整千斤頂使樁身垂直度達到最佳狀態。減小沉樁時錘擊的能量和頻率，必要時采用單擊或二三連擊。同時控制打樁錘吊繩放松幅度，大約為0.3~0.5 m，防止溜樁時打樁錘下落距離太大而對起重船產生過大沖擊力而產生安全事故。

錘擊沉樁第二階段，由于樁身已經入泥，深度很大，千斤頂已經無法調節樁身垂直度，只能使用千斤頂對樁身偏移的趨勢進行控制，控制方法與錘擊前20 m樁身垂直度控制方法相同。同時錘擊沉樁，過程中應實時對千斤頂進行觀察，當千斤頂上下擺動過大時應適當縮回以免千斤頂受力過大而損壞，直至沉樁結束。

5 結束語

目前海上風電蓬勃發展，風機基礎大直徑鋼管樁應用越來越廣泛，而風電基礎大直徑鋼管樁日漸向直徑大、重量大變化。面對此變化，本文側重于施工船舶定位及沉樁過程中垂直度質控的總結，具有當前國內大直徑鋼管樁沉樁施工工藝的代表性。通過對大直徑鋼管樁海上施工工藝經驗的總結，為后續海上風電樁基施工提供一定的指導與借鑒。