潮间带地区海上风电高桩承台斜桩吊打关键技术*

李 帅，许伟群，娄学谦

(1.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230； 2.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，广东 珠海 519082； 3.中交四航局第三工程有限公司，广东 湛江 524009)

1 工程概况

越南海上风电项目朔庄风电场位于越南南端朔庄省沿海地区，为10台单机3.3MW、总装机规模33MW的海上风电项目。项目场址离岸距离1～3km，风电场区的泥面高程按越南国家高程平面计算为-0.800～-2.800m，场址的潮位区间为-2.120～2.180m。 风机承台采用高桩承台基础，共10个承台，每个承台共设6根工程桩，斜率均为6∶1 (见图1)。工程桩采用Q355B钢材，直径1 400mm，长62～71m，其中桩顶36m以及桩端2m范围内钢管桩厚度为25mm，其余中间位置钢管桩厚度为20mm。钢管桩由国内专业厂家整体生产并海运到施工现场。

图1 钢管桩承台

2 海上风电斜桩吊打总体施工工艺

由于朔庄风电场位于潮间带地区，无法采用常规的陆上沉桩方法或打桩船沉桩施工方法，根据现场条件及船机性能，朔庄风电场机位采用平板驳起重机船趁潮坐底后借助定位桩架进行吊打沉桩的施工工艺。钢管桩斜桩吊打基本施工流程为：船舶定位坐底→插打定位桩→导向架安装→限位架安装放样→起重机泊位取桩→立桩→桩自沉→桩位侧偏→振动锤初打→液压锤替打→沉桩至导向架顶部→拆除上限位架→沉桩至标高→测桩偏位→同一机位桩基全部施打完成→拆除导向架→进行下一机位沉桩。

3 船舶定位坐底

在主要作业流程施工前，先选定坐底区域扫海，通过扫海测量海床面标高，同时确定船舶坐底区域有无凸起物或障碍物，如发现凸起物或障碍物及时安排清除，确保船舶坐底安全。选定坐底区域后，采用拖轮在GPS测量装置的协助下趁高潮位将驳船拖至预定位置抛锚定位。对于潮位变化导致抛锚时间不够的区域，应考虑提前抛好备用锚并设好锚标，趁潮将施工船拖到定位区域后带缆与备用锚连接。由于施工船舶在潮间带区域作业低潮时会搁浅坐底，船舶坐底前确保所有船锚位于船底以上位置处悬挂，防止船舶在搁浅坐底过程中船锚戳穿船体。由于桩位于船身一侧时起重机起重跨距相对于船艏方向较小，起重机在同等吊重条件下负荷率较低，有利于起重安全(见图2)。实施过程中将对平板驳船体下沉量和平1衡性进行监测，如侧向吊装对船体平衡有影响将改为船艏方向定位和吊装。工程实践证明，由于本项目斜桩吊打所用的 14 000t 平板驳船尺寸较大(110m(长)×32m(宽))，履带式起重机侧向吊桩所产生的偏心力矩对船体坐底不均匀下沉无太大影响，故采用桩位于船身一侧进行吊打沉桩合理。

图2 桩基位于船侧方向抛锚定位

为减小船舶搁浅坐底对海床的荷载，当水深 <1.2m 时，14 000t平板驳船应将压载水减少到最小吃水状态。为提高船舶坐底后的稳定性，当水深>1.2m时，平板驳船应根据水深的变化动态调整压载水重，保证调载后的等量吃水比对应水深多1m，相当于维持船底对海床面的平均荷载在约10kPa。平板驳船坐底后须进行船体倾斜度测量，当倾斜度<0.5% 时起重机可正常作业，当倾斜度>0.5%时应在履带式起重机的履带下方增加钢板垫片调平起重机水平度后方可开展起重作业。

4 导向架设计与安装

为了满足风机高桩承台基础斜桩吊打工艺的实施，设计了辅助沉桩的导向架。导向架由两大部分组成，第1部分为锚桩基础，第2部分为导向架和限位装置。导向架采用直径400mm、厚6mm钢管制作平台及支撑架，总高度为15m，在工厂按设计图纸加工成型(见图3)，运输到现场进行组拼。导向架根据桩自沉、振动锤初打、液压锤替打等主要工序进行验算，确保其应力、应变稳定性等均满足要求。沉桩导向架顶层(见图4)与底层(见图5)设有导向轮，上、下导向轮相对位置与工程桩斜率要求相匹配，可实现 6∶1 斜率定位，且上、下导向轮桩架设置微调装置，其中顶层内侧导向轮调节行程为180mm，其余导向轮调整行程约为140mm。通过上、下层限位架微调装置结合测量数据可调整桩的倾斜度，同时也可防止出现桩架蹩桩现象，便于桩架拆除。顶层限位架设置成可沿导向架中心转动的单片架，利用电动减速机转动限位架移位，可实现6个桩位共用1个顶层限位架，通过伸缩调节构造，每个桩位沉桩至导向架顶部时收起上层限位架后继续将桩施打至设计标高，如此沉桩导向架每次安装后可同时实现6根工程桩的定位需求。

图3 导向架整体示意

图4 导向架顶层限位架布置

图5 导向架底层平面布置

固定导向架的定位锚桩采用6根直径为1 000mm、 总长度约为27.5m的钢管桩，呈六角形布置，在施工前测量放样确定锚桩沉桩位置。锚桩采用Q235B钢材，在工厂整体加工运到现场使用。锚桩插打采用振动锤沉桩，沉桩深度应满足计算要求，需同时保证承载力及振动锤拔桩要求，理论计算及工程实践证明，锚桩的沉桩深度约为25m。锚桩插打完成后，按设计标高割平锚桩桩头。采用1 4000t平板驳船上的800t起重机吊装导向架，导向架与锚桩接触处采用[28焊接加固。为保证导向架安装方位正确，安装前应在锚桩桩顶上测量放样出导向架的安装位置，并在锚桩顶上与导向架接触位置焊接限位卡槽。导向架平台按设计标高安装完成后，按桩身倾斜度要求调整上、下层导向轮位置，为工程桩施工做好准备。导向架安装施工流程如图6所示。

图6 导向架安装施工流程

5 沉桩吊打

充分考虑现场工作条件及各种锤型的优缺点，结合对本工程进行的可打性分析，选用1台ICE44B型振动锤和1台YC40型液压冲击锤进行初打及替打，振动锤及液压锤参数如表1，2所示。斜桩吊打施工使用到的主要施工设备包括1艘 14 000t 平板驳船及布置在其甲板上的800t履带式起重机和320t履带式起重机。

表1 振动锤参数

表2 液压冲击锤参数

本工程沉桩采用等级高且信号半径覆盖范围大的中海达IRTK5X进行测量控制，为便于沉桩过程桩位和标高监测，在沉桩位附近安装临时测量平台，使用GPS在临时测量平台上建立临时控制点，采用全站仪交会法监测钢管桩位置。测量平台采用3根800mm钢管桩搭设，桩顶搭设临时测量平台。钢管桩吊打总体施工流程如图7所示。

图7 钢管桩吊打施工流程

5.1 吊桩与立桩

导向架安装完成后，运桩船趁高潮位靠吊打驳船定位，利用吊打驳船上的800t履带式起重机和320t履带式起重机从运桩船抬吊取桩和翻身立桩(见图8)。吊索具连接后，由2台履带式起重机配合抬吊和翻身立桩。桩身上设有4个吊耳，抬吊时主起重机(800t履带式起重机)吊钩钢丝绳通过平衡滑轮挂桩顶侧的S1，S2号吊耳，副起重机(320t履带式起重机)钢丝绳通过平衡滑轮挂桩端侧S3，S4号吊耳，为四点吊工况。立桩时副起重机缓缓下放，副起重机解钩后，钢管桩靠主起重机连接吊点受力，为两点吊工况。为方便高空解钩，钢丝绳与桩身吊耳通过卸扣和自动脱钩器连接。

图8 双起重机联合吊桩

5.2 工程桩定位

立桩完成后800t履带式起重机将钢管桩吊至导向架进行定位。先将桩端套入导向架下平台限位口，复核调整下限位架位置固定桩位，再调整吊臂使钢管桩倾斜套入导向架上平台限位口，起重机慢慢松放吊绳下桩。为防止导向架拆除后工程桩在自重作用下发生位置偏移，在螺旋千斤顶配合下调节导向架顶层导向轮使桩身向外预留偏位约150mm。桩身入土前测量复核钢管桩的倾斜度及坐标，确认无误或调整位置后起重机缓慢松钩使桩身在自重作用下下沉稳定，当桩下沉稳定并复测桩身偏位后解除连接桩身的吊索。

5.3 振动锤初打

为了增加钢管桩锤击前的入土深度和稳定性，先采用ICE44B型振动锤将钢管桩沉到一定深度再改用YC40型液压冲击锤进行后续沉桩。为避免溜桩及桩身偏位等影响，振动锤斜桩吊打过程中应始终保持钩头具有足够的带力。沉桩过程中始终保持监测钢管桩位置和倾斜度，如有较大偏差应在千斤顶和起重机共同作用下及时调整。随着桩身入土深度的不断增加，起重机钩头缓慢下放，同时时刻观察钢管桩与导向架的接触情况，当导向架有振动时，及时调整扒杆的幅度和钩头带力。

5.4 液压冲击锤沉桩

钢管桩在自身入土锚固和导向架共同作用稳定后，换用YC40型液压冲击锤进行后续沉桩(见图9)。液压冲击锤沉桩分成2个步骤：第1步是将钢管桩施打至导向架上平台顶部约3m位置，第2步是待拆除、挪开顶层限位架后将钢管桩施打至桩顶设计标高。为便于套桩，应调节连接液压冲击锤的吊索长度使之倾斜角度与工程桩一致。为进一步保证整个导向架的稳定性，当1根工程桩施工完成后，后续应施打该桩位所对称的另一根工程桩，直至3对工程桩全部沉桩完毕。

图9 液压冲击锤沉桩

为提高导向架的整体稳定性，防止钢管桩发生溜桩现象及减小工程桩受力和位移，在钢管桩入土较浅时，液压冲击锤采取低能量沉桩方法，起始阶段采用手动挡低跳高锤击，待工程桩贯入度较小后再改用自动挡锤击，同时根据贯入度变化情况再逐渐增加跳高施打。当吊钩不受力时，桩锤自重直接作用于桩顶，会使钢管桩受力过大，呈现较大挠度，因此在钢管桩施打过程中，当入土深度较小时，起重机吊钩要保持一定的带力，起重机操作手应根据钢管桩贯入度大小下放吊钩使钢丝绳处于轻微带力状态，以此来减小桩锤自重对钢管桩挠曲变形和锤击偏心的影响。

5.5 定位桩拆除

按上述方法施工完一个风机基础的全部基桩后，利用平板驳船将打桩导向架拆除吊放在驳船上进行下一机位安装。拆除前需将导向架与锚桩的连接槽钢割除，割除后，先将导向架用起重机吊放至平板驳船上，再用振动锤拔除锚桩。

6 实施效果

经项目实践得到单个承台沉桩各作业工序时间，如表3所示，从表中可看出，每个承台桩基沉桩施工所需时间为86～98h，平均每根桩施工用时14～16h。

表3 单个承台沉桩作业工时分析

7 结语

1)采用沉桩导向架辅助吊打的施工工艺，可有效解决打桩船无法在潮间带地区沉桩作业问题。

2)导向架顶层限位架加装滑轮装置，可实现6个桩位共用1个顶层限位架，同时满足6根工程桩的定位需求，很大限度地减少了导向架的制作、安装成本；且导向架的上、下层限位架的导向轮装置可调节桩身位置，能有效避免桩身偏位、蹩桩等现象。

3)工程桩入土前，调节导向架顶层导向轮使桩身上端往外偏移150mm，可有效抵消导向架拆除后桩身在自重作用下产生的下挠。

4)平板驳船坐底施工过程中，根据潮位动态调整压载水重，可有效减小船舶搁浅坐底对海床的荷载、提高船舶坐底后的稳定性。

5)施工过程中先采用振动锤将钢管桩沉到一定深度再改用液压冲击锤进行后续沉桩，能有效保证钢管桩锤击前的入土深度和稳定性。

6)在斜桩吊打过程初期，始终保持钩头具有足够的带力，能避免锤重过大导致出现溜桩、桩身出现较大挠度等问题。