潮間帶地區(qū)海上風(fēng)電高樁承臺斜樁吊打關(guān)鍵技術(shù)*

李 帥，許偉群，婁學(xué)謙

(1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230； 2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(珠海)，廣東 珠海 519082； 3.中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524009)

1 工程概況

越南海上風(fēng)電項目朔莊風(fēng)電場位于越南南端朔莊省沿海地區(qū)，為10臺單機3.3MW、總裝機規(guī)模33MW的海上風(fēng)電項目。項目場址離岸距離1～3km，風(fēng)電場區(qū)的泥面高程按越南國家高程平面計算為-0.800～-2.800m，場址的潮位區(qū)間為-2.120～2.180m。 風(fēng)機承臺采用高樁承臺基礎(chǔ)，共10個承臺，每個承臺共設(shè)6根工程樁，斜率均為6∶1 (見圖1)。工程樁采用Q355B鋼材，直徑1 400mm，長62～71m，其中樁頂36m以及樁端2m范圍內(nèi)鋼管樁厚度為25mm，其余中間位置鋼管樁厚度為20mm。鋼管樁由國內(nèi)專業(yè)廠家整體生產(chǎn)并海運到施工現(xiàn)場。

圖1 鋼管樁承臺

2 海上風(fēng)電斜樁吊打總體施工工藝

由于朔莊風(fēng)電場位于潮間帶地區(qū)，無法采用常規(guī)的陸上沉樁方法或打樁船沉樁施工方法，根據(jù)現(xiàn)場條件及船機性能，朔莊風(fēng)電場機位采用平板駁起重機船趁潮坐底后借助定位樁架進行吊打沉樁的施工工藝。鋼管樁斜樁吊打基本施工流程為：船舶定位坐底→插打定位樁→導(dǎo)向架安裝→限位架安裝放樣→起重機泊位取樁→立樁→樁自沉→樁位側(cè)偏→振動錘初打→液壓錘替打→沉樁至導(dǎo)向架頂部→拆除上限位架→沉樁至標高→測樁偏位→同一機位樁基全部施打完成→拆除導(dǎo)向架→進行下一機位沉樁。

3 船舶定位坐底

在主要作業(yè)流程施工前，先選定坐底區(qū)域掃海，通過掃海測量海床面標高，同時確定船舶坐底區(qū)域有無凸起物或障礙物，如發(fā)現(xiàn)凸起物或障礙物及時安排清除，確保船舶坐底安全。選定坐底區(qū)域后，采用拖輪在GPS測量裝置的協(xié)助下趁高潮位將駁船拖至預(yù)定位置拋錨定位。對于潮位變化導(dǎo)致拋錨時間不夠的區(qū)域，應(yīng)考慮提前拋好備用錨并設(shè)好錨標，趁潮將施工船拖到定位區(qū)域后帶纜與備用錨連接。由于施工船舶在潮間帶區(qū)域作業(yè)低潮時會擱淺坐底，船舶坐底前確保所有船錨位于船底以上位置處懸掛，防止船舶在擱淺坐底過程中船錨戳穿船體。由于樁位于船身一側(cè)時起重機起重跨距相對于船艏方向較小，起重機在同等吊重條件下負荷率較低，有利于起重安全(見圖2)。實施過程中將對平板駁船體下沉量和平1衡性進行監(jiān)測，如側(cè)向吊裝對船體平衡有影響將改為船艏方向定位和吊裝。工程實踐證明，由于本項目斜樁吊打所用的 14 000t 平板駁船尺寸較大(110m(長)×32m(寬))，履帶式起重機側(cè)向吊樁所產(chǎn)生的偏心力矩對船體坐底不均勻下沉無太大影響，故采用樁位于船身一側(cè)進行吊打沉樁合理。

圖2 樁基位于船側(cè)方向拋錨定位

為減小船舶擱淺坐底對海床的荷載，當水深 <1.2m 時，14 000t平板駁船應(yīng)將壓載水減少到最小吃水狀態(tài)。為提高船舶坐底后的穩(wěn)定性，當水深>1.2m時，平板駁船應(yīng)根據(jù)水深的變化動態(tài)調(diào)整壓載水重，保證調(diào)載后的等量吃水比對應(yīng)水深多1m，相當于維持船底對海床面的平均荷載在約10kPa。平板駁船坐底后須進行船體傾斜度測量，當傾斜度<0.5% 時起重機可正常作業(yè)，當傾斜度>0.5%時應(yīng)在履帶式起重機的履帶下方增加鋼板墊片調(diào)平起重機水平度后方可開展起重作業(yè)。

4 導(dǎo)向架設(shè)計與安裝

為了滿足風(fēng)機高樁承臺基礎(chǔ)斜樁吊打工藝的實施，設(shè)計了輔助沉樁的導(dǎo)向架。導(dǎo)向架由兩大部分組成，第1部分為錨樁基礎(chǔ)，第2部分為導(dǎo)向架和限位裝置。導(dǎo)向架采用直徑400mm、厚6mm鋼管制作平臺及支撐架，總高度為15m，在工廠按設(shè)計圖紙加工成型(見圖3)，運輸?shù)浆F(xiàn)場進行組拼。導(dǎo)向架根據(jù)樁自沉、振動錘初打、液壓錘替打等主要工序進行驗算，確保其應(yīng)力、應(yīng)變穩(wěn)定性等均滿足要求。沉樁導(dǎo)向架頂層(見圖4)與底層(見圖5)設(shè)有導(dǎo)向輪，上、下導(dǎo)向輪相對位置與工程樁斜率要求相匹配，可實現(xiàn) 6∶1 斜率定位，且上、下導(dǎo)向輪樁架設(shè)置微調(diào)裝置，其中頂層內(nèi)側(cè)導(dǎo)向輪調(diào)節(jié)行程為180mm，其余導(dǎo)向輪調(diào)整行程約為140mm。通過上、下層限位架微調(diào)裝置結(jié)合測量數(shù)據(jù)可調(diào)整樁的傾斜度，同時也可防止出現(xiàn)樁架蹩樁現(xiàn)象，便于樁架拆除。頂層限位架設(shè)置成可沿導(dǎo)向架中心轉(zhuǎn)動的單片架，利用電動減速機轉(zhuǎn)動限位架移位，可實現(xiàn)6個樁位共用1個頂層限位架，通過伸縮調(diào)節(jié)構(gòu)造，每個樁位沉樁至導(dǎo)向架頂部時收起上層限位架后繼續(xù)將樁施打至設(shè)計標高，如此沉樁導(dǎo)向架每次安裝后可同時實現(xiàn)6根工程樁的定位需求。

圖3 導(dǎo)向架整體示意

圖4 導(dǎo)向架頂層限位架布置

圖5 導(dǎo)向架底層平面布置

固定導(dǎo)向架的定位錨樁采用6根直徑為1 000mm、 總長度約為27.5m的鋼管樁，呈六角形布置，在施工前測量放樣確定錨樁沉樁位置。錨樁采用Q235B鋼材，在工廠整體加工運到現(xiàn)場使用。錨樁插打采用振動錘沉樁，沉樁深度應(yīng)滿足計算要求，需同時保證承載力及振動錘拔樁要求，理論計算及工程實踐證明，錨樁的沉樁深度約為25m。錨樁插打完成后，按設(shè)計標高割平錨樁樁頭。采用1 4000t平板駁船上的800t起重機吊裝導(dǎo)向架，導(dǎo)向架與錨樁接觸處采用[28焊接加固。為保證導(dǎo)向架安裝方位正確，安裝前應(yīng)在錨樁樁頂上測量放樣出導(dǎo)向架的安裝位置，并在錨樁頂上與導(dǎo)向架接觸位置焊接限位卡槽。導(dǎo)向架平臺按設(shè)計標高安裝完成后，按樁身傾斜度要求調(diào)整上、下層導(dǎo)向輪位置，為工程樁施工做好準備。導(dǎo)向架安裝施工流程如圖6所示。

圖6 導(dǎo)向架安裝施工流程

5 沉樁吊打

充分考慮現(xiàn)場工作條件及各種錘型的優(yōu)缺點，結(jié)合對本工程進行的可打性分析，選用1臺ICE44B型振動錘和1臺YC40型液壓沖擊錘進行初打及替打，振動錘及液壓錘參數(shù)如表1，2所示。斜樁吊打施工使用到的主要施工設(shè)備包括1艘 14 000t 平板駁船及布置在其甲板上的800t履帶式起重機和320t履帶式起重機。

表1 振動錘參數(shù)

表2 液壓沖擊錘參數(shù)

本工程沉樁采用等級高且信號半徑覆蓋范圍大的中海達IRTK5X進行測量控制，為便于沉樁過程樁位和標高監(jiān)測，在沉樁位附近安裝臨時測量平臺，使用GPS在臨時測量平臺上建立臨時控制點，采用全站儀交會法監(jiān)測鋼管樁位置。測量平臺采用3根800mm鋼管樁搭設(shè)，樁頂搭設(shè)臨時測量平臺。鋼管樁吊打總體施工流程如圖7所示。

圖7 鋼管樁吊打施工流程

5.1 吊樁與立樁

導(dǎo)向架安裝完成后，運樁船趁高潮位靠吊打駁船定位，利用吊打駁船上的800t履帶式起重機和320t履帶式起重機從運樁船抬吊取樁和翻身立樁(見圖8)。吊索具連接后，由2臺履帶式起重機配合抬吊和翻身立樁。樁身上設(shè)有4個吊耳，抬吊時主起重機(800t履帶式起重機)吊鉤鋼絲繩通過平衡滑輪掛樁頂側(cè)的S1，S2號吊耳，副起重機(320t履帶式起重機)鋼絲繩通過平衡滑輪掛樁端側(cè)S3，S4號吊耳，為四點吊工況。立樁時副起重機緩緩下放，副起重機解鉤后，鋼管樁靠主起重機連接吊點受力，為兩點吊工況。為方便高空解鉤，鋼絲繩與樁身吊耳通過卸扣和自動脫鉤器連接。

圖8 雙起重機聯(lián)合吊樁

5.2 工程樁定位

立樁完成后800t履帶式起重機將鋼管樁吊至導(dǎo)向架進行定位。先將樁端套入導(dǎo)向架下平臺限位口，復(fù)核調(diào)整下限位架位置固定樁位，再調(diào)整吊臂使鋼管樁傾斜套入導(dǎo)向架上平臺限位口，起重機慢慢松放吊繩下樁。為防止導(dǎo)向架拆除后工程樁在自重作用下發(fā)生位置偏移，在螺旋千斤頂配合下調(diào)節(jié)導(dǎo)向架頂層導(dǎo)向輪使樁身向外預(yù)留偏位約150mm。樁身入土前測量復(fù)核鋼管樁的傾斜度及坐標，確認無誤或調(diào)整位置后起重機緩慢松鉤使樁身在自重作用下下沉穩(wěn)定，當樁下沉穩(wěn)定并復(fù)測樁身偏位后解除連接樁身的吊索。

5.3 振動錘初打

為了增加鋼管樁錘擊前的入土深度和穩(wěn)定性，先采用ICE44B型振動錘將鋼管樁沉到一定深度再改用YC40型液壓沖擊錘進行后續(xù)沉樁。為避免溜樁及樁身偏位等影響，振動錘斜樁吊打過程中應(yīng)始終保持鉤頭具有足夠的帶力。沉樁過程中始終保持監(jiān)測鋼管樁位置和傾斜度，如有較大偏差應(yīng)在千斤頂和起重機共同作用下及時調(diào)整。隨著樁身入土深度的不斷增加，起重機鉤頭緩慢下放，同時時刻觀察鋼管樁與導(dǎo)向架的接觸情況，當導(dǎo)向架有振動時，及時調(diào)整扒桿的幅度和鉤頭帶力。

5.4 液壓沖擊錘沉樁

鋼管樁在自身入土錨固和導(dǎo)向架共同作用穩(wěn)定后，換用YC40型液壓沖擊錘進行后續(xù)沉樁(見圖9)。液壓沖擊錘沉樁分成2個步驟：第1步是將鋼管樁施打至導(dǎo)向架上平臺頂部約3m位置，第2步是待拆除、挪開頂層限位架后將鋼管樁施打至樁頂設(shè)計標高。為便于套樁，應(yīng)調(diào)節(jié)連接液壓沖擊錘的吊索長度使之傾斜角度與工程樁一致。為進一步保證整個導(dǎo)向架的穩(wěn)定性，當1根工程樁施工完成后，后續(xù)應(yīng)施打該樁位所對稱的另一根工程樁，直至3對工程樁全部沉樁完畢。

圖9 液壓沖擊錘沉樁

為提高導(dǎo)向架的整體穩(wěn)定性，防止鋼管樁發(fā)生溜樁現(xiàn)象及減小工程樁受力和位移，在鋼管樁入土較淺時，液壓沖擊錘采取低能量沉樁方法，起始階段采用手動擋低跳高錘擊，待工程樁貫入度較小后再改用自動擋錘擊，同時根據(jù)貫入度變化情況再逐漸增加跳高施打。當?shù)蹉^不受力時，樁錘自重直接作用于樁頂，會使鋼管樁受力過大，呈現(xiàn)較大撓度，因此在鋼管樁施打過程中，當入土深度較小時，起重機吊鉤要保持一定的帶力，起重機操作手應(yīng)根據(jù)鋼管樁貫入度大小下放吊鉤使鋼絲繩處于輕微帶力狀態(tài)，以此來減小樁錘自重對鋼管樁撓曲變形和錘擊偏心的影響。

5.5 定位樁拆除

按上述方法施工完一個風(fēng)機基礎(chǔ)的全部基樁后，利用平板駁船將打樁導(dǎo)向架拆除吊放在駁船上進行下一機位安裝。拆除前需將導(dǎo)向架與錨樁的連接槽鋼割除，割除后，先將導(dǎo)向架用起重機吊放至平板駁船上，再用振動錘拔除錨樁。

6 實施效果

經(jīng)項目實踐得到單個承臺沉樁各作業(yè)工序時間，如表3所示，從表中可看出，每個承臺樁基沉樁施工所需時間為86～98h，平均每根樁施工用時14～16h。

表3 單個承臺沉樁作業(yè)工時分析

7 結(jié)語

1)采用沉樁導(dǎo)向架輔助吊打的施工工藝，可有效解決打樁船無法在潮間帶地區(qū)沉樁作業(yè)問題。

2)導(dǎo)向架頂層限位架加裝滑輪裝置，可實現(xiàn)6個樁位共用1個頂層限位架，同時滿足6根工程樁的定位需求，很大限度地減少了導(dǎo)向架的制作、安裝成本；且導(dǎo)向架的上、下層限位架的導(dǎo)向輪裝置可調(diào)節(jié)樁身位置，能有效避免樁身偏位、蹩樁等現(xiàn)象。

3)工程樁入土前，調(diào)節(jié)導(dǎo)向架頂層導(dǎo)向輪使樁身上端往外偏移150mm，可有效抵消導(dǎo)向架拆除后樁身在自重作用下產(chǎn)生的下?lián)稀?/p>

4)平板駁船坐底施工過程中，根據(jù)潮位動態(tài)調(diào)整壓載水重，可有效減小船舶擱淺坐底對海床的荷載、提高船舶坐底后的穩(wěn)定性。

5)施工過程中先采用振動錘將鋼管樁沉到一定深度再改用液壓沖擊錘進行后續(xù)沉樁，能有效保證鋼管樁錘擊前的入土深度和穩(wěn)定性。

6)在斜樁吊打過程初期，始終保持鉤頭具有足夠的帶力，能避免錘重過大導(dǎo)致出現(xiàn)溜樁、樁身出現(xiàn)較大撓度等問題。