海上風電高樁承臺工程施工技術及創新對策

黃金偉

深圳海勤工程管理有限公司 廣東 深圳 518000

海上風電工程臨水而建、自身體量大，在進行工程項目施工的過程中也會涉及樁基礎、大體積混凝土等特殊的施工需求。從工程質量管理的角度進行分析，其均屬于質量管理的難點部分。在項目實施過程中通過全面的質量要素分析、工程技術要點明確、引入創新型管理手段等方式，實現工程項目的質量的全面優化和管理加強。

本文所引用的工程項目是莆田某海上項目，在進行建設的過程中涉及承臺部分的大體積混凝土以及鋼管樁沉樁；項目位于石城碼頭外側，南依平海半島，西臨黃瓜島，東連牛嶼，南距岸線1 ～5km，海域水深 5 ～ 25m。基于該工程項目較高的質量需求，針對項目質量要點進行全面優化和專項管理。

1 風電承臺大體積混凝土質量控制

1.1 管理需求分析

本工程項目涉及一批大型風機，基礎采取高樁承臺基礎的形式，基礎部分的主要材料結構為鋼筋混凝土。在進行施工的過程中考慮到施工環境較為特殊、混凝土的體積較大，因此需要進行專項的質量管理。從工程項目質量的控制的角度進行分析，需要從以下幾個方面進行質量管理工作的優化和加強：

（1）混凝土的材料管理，混凝土材料是由多種材料混合而成的工程料，從質量管理的角度進行分析，原材料的質量、配合比情況、材料攪拌的操作時間等問題都將成為混凝土質量的影響因素。因此在進行施工的過程中需要根據環境情況、施工需求進行混凝土材料的專項研發和管理。

（2）大體積混凝土在進行施工和養護的過程中會產生大量的水化熱，而混凝土材料的熱量變化將會成為工程項目質量的顯著影響因素，因此在進行施工的過程中，針對溫度問題開展防范和管理也是具有必要性的。其需要從材料、施工工藝、養護管理等多個環節共同控制。

（3）混凝土的開裂問題屬于常見額度質量通病之一，對于風機承臺工程，若存在開裂的問題，對于整體結構的強度、耐久性、抗腐蝕的問題均會具有影響。因此在施工全過程中進行開裂質量問題進行全面、合理地控制也是具有必要性的。

1.2 質量控制措施

1.2.1 混凝土材料配合比的優化

在進行工程項目施工過程中，考慮到與一般工程項目相比具有顯著的不同，因此針對混凝土材料進行專項優化。按照設計要求，此位置需要采用高性能C50海工混凝土，通過實驗室專項測試和研發，最終確定混凝土的配合比如表1所示。

表1 C50海工混凝土材料配合比

表2 鋼管原材料質量控制要點

在該混凝土配方中，其中①砂石部分的顆粒級配進行嚴格控制，確保顆粒級配的連續性，避免過大粒徑的骨料，其作為混凝土的強度來源之一，同時也需考慮混凝土所具有的開裂問題和氯離子滲透風險。使用的砂石材料避免機制砂石，主要是考慮到機制砂石的配合比不穩定情況。②混凝土中添加了一定比例的粉煤灰，其同樣具有參與膠凝反應的作用，同時較少產生水化熱，能夠保障在同等性能的前提下控制質量穩定；③阻銹劑是該混凝土中的外加劑之一，其主要作用是能夠阻礙氯離子和其他非金屬離子對混凝土鋼筋材料所造成腐蝕的質量問題，避免在海水中高滲作用下導致混凝土材料出現性能改變；④適當添加減水劑材料可減少混凝土的用水量，提高和易性及可泵送性能，同時提高其早期強度[1]。在進行混凝土施工的過程中因混凝土材料需要與海水接觸，因此控制早期強度是把控工程質量的切入點之一。

1.2.2 混凝土溫度控制措施

混凝土結構的熱量來源主要是水泥的水化熱，按照既有經驗、結合行業內現有資料，根據混凝土配合比的水泥、粉煤灰和礦粉的用量，膠疑材料水化熱折減系數粉煤灰0.89，礦渣粉0.96，折算后水泥用量當量值為408.85kg。水泥采用PO42.5水泥，水泥水化熱按經驗值取，3d：242kJ/kg，7d：271 kJ/kg。基于此信息和數據，通過有限元模擬仿真分析的技術建立材料溫度應力的模擬計算書[2]。主要考慮大體積混凝土結構的內部熱量散失速度慢，以熱傳遞、熱輻射的形式完成熱量交換。

若材料的內外溫差較大，就會由于水化熱的影響出現應力差導致混凝土的開裂、滲漏等問題。基于工程項目的實際情況，所提出的優化解決對策為在混凝土構件內部埋設冷卻水管，通過布置冷卻水管方法來降低結構中心的最高溫度，從而達到降低內外溫差的目的。

在內部埋設冷卻水管后，其在養護階段通過內部水循環，能夠實現混凝土中心溫度的降低。其同樣按照構件的實際需求進行模型的建立，經有限元分析模擬，得出結論：在不影響其他指標的情況能夠有效降低混凝土構件中心的溫度，以實現內部溫度降低的目的。

1.2.3 混凝土抗開裂管理

避免出現早期開裂的解決措施可從以下幾個方面實現：（1）溫度控制：上文中已經初步提及混凝土的溫度變化會引發開裂的問題，除了在上一小節中所提及的布置冷卻水管之外，還可進行的控制方案包括①降低混凝土的前期溫度，如可通過對于砂石材料進行遮蓋處理的方式，避免材料前期溫度過高的問題；②拌合水可使用低溫水、冰水，也可一定程度上降低混凝土材料的前期溫度；③通過使用外加劑的方式，能夠延緩混凝土的初凝時間，同樣能夠使得混凝土的放熱緩慢，以實現降低內外溫差的目的。

（2）材料管理：水泥是混凝土中的主要膠凝材料，也是混凝土強度、粘接力的主要來源。若水泥的用量多，則產生的水化熱也大，因此需要考慮材料用量和性能之間的平衡問題。經綜合考量，該工程項目使用某知名品牌的PO42.5硅酸鹽水泥，同時在進行配合比設計的過程中通過添加外加劑、使用粉煤灰的形式，減少水泥材料的用量，也能一定程度上進行溫度的控制；此外水的用量越多，其干固收縮的比率越大，一般用水量每增加1%，干縮率可增大2%～3%。在進行材料拌合的過程中對于用水量進行嚴格控制，盡可能在滿足施工需求的前提下降低混凝土的坍落度指標。

（3）溫度監測：雖該工程項目對于混凝土模型已經進行了溫度的模擬分析，但在實際應用的過程中仍會出現因材料的不穩定特質、外部環境因素變化等情況造成的材料溫度波動。基于此方面的考量，在混凝土構件的中心和內部位置設置了溫度傳感器和應力傳感器，通過物聯網技術的持續檢測，對于溫度和應力的異常情況能夠及時察覺并進行相應的處理措施。

2 鋼管樁施工質量控制要點

2.1 質量管理需求分析

鋼管樁是海上風電工程項目的基礎部分，項目主要工程包含風機基礎工程以及海纜敷設工程，結構安全等級為一級，基礎設計使用年限為25年，以鋼管柱為風機部分的基礎。在進行施工的過程中所具有的質量控制特殊要點包括：

（1）本工程項目的施工位置位于海上，因此對于材料、施工平臺、作業機械設備均作出了較高要求。在進行施工的過程中需要考慮環境的特殊性和復雜性，并以此為基礎進行工程項目的優化管理工作。目前本工程項目詳盡的前期環境勘查數據已經確定，在進行設計和施工的過程中也需按照有關要求開展后續施工以及質量控制[3]。

（2）鋼管樁的施工偏差問題是需要進行專項管理的，尤其考慮到在施工過程中由于項目管理工作的復雜性、現場水流、海浪、地質的影響，其測量工作的開展以及偏差的控制均具有相應的難點問題，在進行使用的過程中，應用全面的測量工作和偏差控制體系是滿足工程管理的重要基礎。

2.2 鋼管樁質量管理要點

2.2.1 樁材料的生產和運輸

（1）鋼管樁材料是樁基礎在施工過程中較為重要的原材料，因此在前期進行全面的材料控制工作是具有必要的。針對鋼管原材料其質量控制要點可參考。

（2）考慮供應商位置和項目地之間的距離及運出成本，經綜合考量本工程項目的鋼管樁材料使用水運的形式進行運輸。為了規避在運輸過程中可能存在的質量影響問題，其所提出的質量管理要點包括：①工程項目使用的鋼管樁材料具有多個規格型號，在進行裝卸時需要避免后期材料出現頻繁的二次倒運問題，因此可按照實際使用順序進行裝駁[4]；②考慮截面圓形的鋼管樁材料可能會存在隨意滾動的問題，因此需要進行加固處理，通過安裝限位、使用專用的捆綁繩，避免出現鋼管樁的滾動、碰撞等問題。

（3）鋼管樁在現場存放及使用應統籌安排，考慮到海上項目現場環境的復雜性，為了避免存放環境對于樁質量造成的影響問題，需要有計劃的安排樁的出廠裝駁，盡量減少樁在海上駁船的存放時間，確保不應規劃不合理造成樁的損毀問題。

2.2.2 沉樁施工過程控制

工程項目使用的機械設備為大型打樁船，按照項目的工藝要求，按照現場水流和船位的具體情況決定沉樁次序，打樁船拋八字錨共8根錨纜，打樁船拋錨定位一次可完成2根樁的沉樁施工作業。

（1）吊裝施工：在完成前期準備工作之后，即可吊裝就位鋼管樁，使用緊松錨纜確保設備就位，通過調整傾斜度、位置，實現樁體的精準定位。在進行吊裝時，需要考慮使用的打樁船吊裝能力是否滿足工程需求，尤其對于自身長度較大的鋼管，確保其吊裝位合理，避免出現傾覆、脫落等隱患問題。

（2）樁體沉入與錘擊：鋼管樁就位后，在樁帽替打的輔助作用下進行下放同時其進行自沉。此過程中需要保障樁體的垂直度，尤其在自沉前期，可能會因水流、流沙的作用，造成鋼管樁沉落出現偏移的問題。樁自沉環節完成之后需要進行錘擊，使用打樁機將鋼管樁緩慢的施工至自然土體之中。此過程中需進行持續性監控，對于發生的偏離問題需要及時進行調整。由于本工程的地質特點，在剛開始的錘擊時，應采取小能量單擊，待樁尖擊穿表層礫砂硬層后，鋼管樁可能有不同程度的溜樁，應在溜樁樁穩定豎立后再進行樁姿態的測量及調整。同時在施工環節，考慮自然環境的不穩定性，可通過每10cm進行一次監測測量的方式，記錄一次錘擊數、貫入度和錘擊能量，直至樁基礎的施工滿足工程要求為準。

（3）停錘標準：不同的工程項目由于建筑的需求不同，設計過程中所參照的數據也會具有差異性，因此具體的停錘要求需要按照設計方的實際需求進行確定。以本工程項目為例，經由BIM技術、有限元模擬仿真失效分析等技術組合使用，確定的停錘標準如下：情況之一，當有效錘擊能量≥550KJ，且最后3陣( 10擊/陣)平均貫入度不超過20mm/陣時此時停錘；情況之二，當有效錘擊能量≥550KJ，但最后3陣平均貫入度不能滿足上述要求，此時繼續下沉1.4m或繼續下沉小于1.4m 但滿足最后3陣(10擊/陣)平均貫入度不超過20mm/陣，可停錘。

3 工程質量管理創新策略

3.1 有限元分析技術的應用

一是對于大體積混凝土的溫度控制工作，通過對于溫度變化模型的建立，分析出該工程項目混凝土承臺部分對于溫度變化最不利的位置，通過設置冷卻水管的前后對比，證實相關方案的有效性和全面性；在進行施工的過程中也可根據項目的實際情況對于所存在的質量問題提前知悉并進行防范；

二是對于鋼管樁的全過程管理，通過對其進行模型的建立，在進行施工過程中，可確保鋼管樁處于安全狀態，對于材料的堆放、運輸、吊裝、沉入環節均可進行模擬失效分析，并校驗方案是否可達成安全應用的狀態。

3.2 Trimble 定位系統的應用

其是結合了GPS與RTK技術的定位系統，在海上位置由于缺乏參照物、作業平臺具有不穩固的特點，也會導致工程項目的施工工作受到影響。在施工過程中通過Trimble 定位系統的使用，其能夠根據海上環境進行立體坐標系的建立，同時通過對確定點進行空間分析、整合多組GPS數據的方式，實現海上的精準定位。同時結合技術特征，可智能化糾正偏移、抖動等異常數據，并以此為基準達成全面質量的狀態。

4 結語

本文主要圍繞著某海上風電工程質量管理的一系列問題展開研究，在施工過程中的大體積承臺混凝土以及鋼管樁的施工均屬于工程項目的難點部分，在實際施工環節對于質量管理需求進行全面分析，同時引入信息化技術和智能化管理系統等創新型管理體系，從而實現工程項目的高品質推行。研究表明，針對海上風電工程而言其所具有的質量管理要點較為復雜，也需從工程材料、施工 輔助措施、工程工藝等多個方面同步管理，結合有限元分析、Trimble定位系統等創新型技術形式，實現工程質量的優化和加強，以此保障大型海上項目的質量和安全。