海上沉樁施工工藝與質量控制

李光明 王鑫

（中國廣核新能源控股有限公司，北京 100071）

0.引言

在海上，其風電項目具備一定的優勢特點，占地資源相對較少且風力和風能密度較大，在海上的風電項目技術發展不斷成熟的今天，風電基礎施工的技術得到了不斷的提升，海上的風電項目的建設成本也得到了逐年的下降，針對于大型化機組不斷發展的今天，需要對海上沉樁施工工藝與質量進行科學化的控制，以此來實現其社會效益和經濟效益的全面提升。

1.海上沉樁施工原理

1.1 應力波動沉樁原理

在沉樁施工的原理方面，拿鋼管樁來說，可以將其稱之為自由支撐的彈性桿件的一端在受到來自外界的撞擊力之后，其應力的縱波在桿件內部進行傳播的一個過程。其中，在各部分的質量以及其剛性結構的模擬過程當中，彈性主要是無質量的彈簧模擬，撞的側阻力和端阻力主要借助于黏彈塑性模型來進行描述。對于樁來說，受到錘擊的過程可以分割為時間函數，在接受錘擊的時候樁體本身會產生軸力，以此可以對對每一時間段樁的運動進行計算分析得出。

1.2 可行性分析

在沉樁效率的分析過程當中，可以根據其工程的地質資料借助于波動方程軟件 GRLWEAP來進行樁打入的可行性分析，如果沉樁的過程當為連續的滿沖沉樁，其液壓錘的最大打擊能量可以為1020kJ，在沉樁動端阻力為靜態端阻力的1.2倍，土體本身的沉樁動側阻力等效為靜態極限的承載力。在實際的施工過程當中，可以采用打樁-掏孔-沉樁工藝，來獲取良好的施工效果。

1.3 設備選擇

在進行施工設備的選擇方面，有多個方面：

（1）在鉆孔設備的效率方面。對于海上風電項目可以采用海上嵌巖設備來施工，其中包含了沖擊鉆機、旋轉鉆機、旋挖鉆機，在排除外界因素條件以及設備故障所造成的影響之后，對不同的嵌巖設備樁基嵌巖施工效率進行分析，可以發現其旋轉鉆機在淤泥沙土等覆蓋層的鉆井速度方面差距不大，在強風化巖以及弱風化花崗巖石層方面的施工效率屬于沖擊鉆的1.75～3倍。沖擊鉆對于覆蓋層進行施工的時候其效率屬于旋挖鉆機的120%，對于強風化巖石層鉆進速度來說，區別于其他設備較慢。旋挖鉆機對于強度較小的覆蓋層來說，在施工速度方面相對較快，但是針對于巖石層強度較大的弱風化巖層來說，鉆進的效率不高。

（2）在鉆孔的設備選擇方面。沖擊鉆具備安裝方便且施工成本較低的特點，但是應用于強風化巖層當中其施工鉆孔的效率相對較低，且對鉆頭部分需要定期進行養護維護加焊，對于其單孔的施工周期也相對較長，并且施工的過程當中鉆孔的深度需要保持在60m以內。利用旋轉鉆機進行鉆孔的話其速度較快，成孔較穩定且質量可靠，可以適用于較深的施工鉆孔，但是此種方式在外接電源的要求方面較高，鉆機的拆裝以及移動孔位的工作量巨大。旋挖鉆機具有方便移動的特點，對于非巖體部分的鉆進速度較快，但是對弱風化巖層等強度較大的巖體層鉆進的效率相對較低，如果利用此種設備來對大直徑的嵌巖樁施工的過程當中，需要借助于分級鉆進的方式來進行樁基施工，且孔深需要在100m以內。在不同的鉆孔設備下，其施工的效率、實驗范圍以及工程的場址地質條件下，可以采用沖擊鉆來實現二次沉樁前的施工，其中需要以旋轉鉆機為主來實現嵌巖施工。

2.施工關鍵技術

在本文當中主要對大直徑的鋼管樁施工關鍵技術進行分析，在這個過程當中需要分為多個方面來研究：

（1）對于沉樁的打入需要進行錘型的確定和分析，對于沉樁的順利施工需要提前進行地勘資料的分析和鉆孔土層分布狀態的掌握，根據實際情況來進行力學性能的相關鹽酸，結合樁體本身的結構，借助于打樁分析軟件來對沉樁進入土層之后所承受的摩擦力和阻力進行模擬，以此來對沉樁過程當中的所需夯擊能進行計算和研究，其中對于液壓打樁錘來說可以借助液壓傳動的特點來增強錘和樁體之間的錘擊時間，加強有效的貫入能量的同時還可以有效減少打壞樁頭的風險，比較適用于較大的管徑和較重質量的單鋼管樁沉樁施工項目當中[1]。

（2）還需要具備獨立的雙層穩樁平臺來實現沉樁的調節技術，對于沉樁的垂直度來說，可以借助于穩樁平臺來為鋼管樁的沉樁施工提供出一個可靠穩定的平面定位和豎直導向，此種類型的固定式的鋼管樁平臺在水文方面的影響較小，其作業也比較方便，施工的效率相對較高。利用此種方式可以保證鋼管樁的沉樁質量。比如一個工廠當中采用雙層導管架式的穩樁平臺來進行支撐，其支撐系統需要扎根在海床上且正常的操作不受到潮位的變化影響，借助于雙層鋼結構的平臺來進行每層平臺設置一個抱樁器，利用對上下抱樁器的調節來實現對樁體垂直導向的調節，最終實現整根鋼管樁的調節。與此同時還可以根據定位來實現穩樁平臺的精準定位施工[2]。

（3）對于內嵌式的送樁器來說，可以采取樁頂法蘭保護的技術，利用內嵌式的送樁器其頂部和樁錘部分需要保持相適應的狀態。底口部分需要和樁頂的法蘭直徑相一致，將樁錘和管樁來相連接可以有效地解決樁錘和樁頂的連接問題，同時可以保護法蘭不會受到破壞。除此之外，對于大直徑的鋼管樁法蘭面水平度的測量控制技術來說，需要對管樁加工的過程當中進行垂直度的控制，做好法蘭面和樁軸線的垂直度驗收工作，在樁體運輸的過程當中需要做好對成品樁的保護工作，防止鋼管樁的變形。對于沉樁的過程需要充分借助于雙層穩樁來進行控制，在這個過程當中，對于喂樁過程當中，需要利用起重船來將鋼樁喂到穩樁平臺的抱樁器當中，借助于抱樁器和鋼樁上的預先做好的標記來實現對鋼樁轉角的控制，借助于抱樁器的液壓推缸當中的限位功能來實現對鋼樁的平面位置的控制。對于鋼樁的自沉階段來說，需要在鋼樁入泥之后對2個鉤頭的高度進行調節，實現對垂直方向的調整[3]。

3.操作要點

（1）需要對穩樁平臺進行定位安裝，在這個過程當中其一需要進行穩樁平臺船的定位，根據樁位的坐標和錨攬的長度來對船舶進行定位軸線和鋪位坐標，進行拋錨之后進行錨攬的調節實現船舶的中心線和既定軸線保持一致的狀態。對于船位來說，可以進行全程數字化的顯示。在這個過程當中可以采取SPS855型GPS接收機來實現信號的定位精度確定，該種型號的接收機采用外掛模式的方式。對于穩樁平臺和臨時支撐樁的吊裝來說，需要實現平臺的整體上升，到預定高度的狀態下放置在穩樁平臺的支撐座當中，借助于4根支撐樁來插入穩樁平臺的導管內。

（2）對于穩樁平臺的支撐樁沉樁操作，需要利用振動錘進行沉樁操作，沉樁的深度需要根據樁位所在的地質條件環境確定，一般來說，入泥的深度需要在16m以上的范圍。對于穩樁平臺的提升和固定，需要根據其管樁的標高，對于平臺的提升到位之后，就可以進行精確程度的確定和調整，在對全部吊掛結構進行鎖定之后，可以利用鋼楔塊實現平臺和支撐樁之間的縫隙可以固定，以此來形成一個獨立且穩定的框架平臺。對于穩樁平臺，提升之前需要進行鋼管樁的標記，提升的過程需要保證整體提升，對于四角的提升高度都需要觀察注意，防止出現影響結構的因素和現象[4]。

4.實例應用

在本文當中，主要以廣東某地區的海上風電場項目來作為主要的研究對象，該工程場址面積約64km2，共40個機位，其中包括20個單樁施工，水深在30m～42m之間，樁重約1800t～2150t，樁長100.5m～113.5m，最大單樁樁徑9.5m；在該工程當中需要實現單樁施工。在我國現階段的國內單樁基礎較多應用于25m以內水深，基礎重量控制在1500t以內，一般采用的是雙浮吊翻身施工工藝。該工程的風電單樁樁重1800t～2150t，對船機施工工藝等要求較高，雙鉤翻身風險大；再加上該地區的海域受到臺風的影響，其海況相對惡劣，在施工條件和地質條件方面都有一定的難度。地質淤泥層20m左右，易溜樁，對單樁垂直度影響大。

在該工程單樁施工裝備及工藝當中，包含浮吊船單船單鉤翻身工藝研究、穩樁平臺及抱樁器系統、液壓打樁錘系統、輔助系統試驗等，主要用于深水大容量海上風電機組基礎單樁的起吊、翻樁、穩樁及打樁作業。其中浮吊船單鉤翻樁工藝、坐底式單樁穩樁技術、穩樁平臺結構輕量化技術、抱樁器液壓伺服控制技術等需要作出重點研究，以此來實現超重單樁高效作業的目標。

在該工程的施工工藝當中，施工主船拖航至機位處拋錨精確定位，施工輔助翻身浮吊拖航至機位附近處拋錨定位。同時將穩樁平臺定位于機位。運樁船四錨定位至兩船中間。定位完成后，采用兩船抬吊的方式進行翻樁，待翻身完成，通過絞錨移船將單樁吊入穩樁平臺，然后起吊打樁錘，壓錘、沉樁至設計標高，最后完成附屬件安裝，并完成驗收。在施工的過程當中，由于其氣候條件惡劣，需研究改造適用于項目的穩樁平臺；本項目最大單樁重達到2150T，直徑大，傳統的雙鉤翻身工藝可操作性差；地質淤泥層厚，穩樁平臺調平困難，沉樁垂直度控制難度大。

在該工程的施工過程當中，對于穩樁平臺改造當中，目前海上風電場單樁基礎主要適用于水深小于30m的海域，隨著海洋風電開發向深海發展，現有單樁施工工藝及穩樁平臺亟需研究發展。針對我國近海風電場海域水深情況以及風機單樁參數分析的基礎上，研究穩樁平臺改造分析，建立和完善試驗系統，利用SESAM建模分析穩樁平臺針對不同地質的定位以及固定狀態，提出合理的工藝流程總體方案。對于穩樁平臺改造，設計為上下2層，每層穩樁平臺上布置4個油缸，推力200t，行程1250mm。結構設置4個套筒，通過焊接固定。采用嵌入式的方式，需要保證其凈空尺寸不小于11m；上下層穩樁平臺距離為8m。穩樁平臺抱樁徑范圍：Φ7.5m～Φ10m；穩樁平臺總重（含4根輔助樁）約為：1800t。在該工程的穩樁平臺及抱樁器系統進行改進，輔助樁固定方法由原來插銷固定改為馬板焊接固定，穩樁平臺就位后采用割除馬板輔助樁自身重力沖擊泥面的方式提高工作效率，提高定位精度及穩定性；考慮到惠州風場海域淤泥層20m左右，為保證穩樁平臺沉放方向滿足設計要求，切除穩樁平臺底層卡板，使得穩樁平臺水平度滿足要求，從而保證單樁沉樁垂直度滿足設計要求。在單鉤翻樁工藝當中，需要借助于主安裝船上的200t的履帶吊開始將溜尾繩起吊，將扁嘴鉤與基礎樁底部相連，連接完成后履帶吊受力將扁嘴鉤固定住，同時主鉤旋轉下放鋼絲繩至基礎樁主吊耳處，以人工拖拽纜風繩將主吊鋼絲繩平穩的掛在主吊耳處，再將副鉤上的溜尾脫鉤鋼絲繩掛在主鉤上，開始起吊主鉤和副鉤鋼絲繩，從主作業船大吊上的左右纜風繩錨機上打2根纜帶在基礎樁樁身上，然后使主鉤緩慢受力準備進行基礎樁整體起吊翻身[5]。

5.結語

在對海上沉樁施工建設的過程當中，由于其工程本身的地質條件相對復雜，因此在巖層強度較大且覆蓋層不高的情況下，需要實現對沉樁施工的打入性模擬分析，在掌握了沉樁參數的同時對施工的設備和工藝進行最大限度的確定。由于其樁基本身的覆蓋層較厚且嵌巖深度較淺，因此可以借助旋挖鉆機的方式來實現鉆孔施工，還可以利用沖擊鉆和旋轉鉆組合的方式進行鉆孔施工。