浅谈海上风机大直径钢管桩沉桩施工技术

顾天凌陈伟球

摘要：对于风电场单桩式基础施工，由于打桩垂直度精度要求高，须控制在0.3％以内，施工中难以达到这一要求，因此，通常是采用过渡钢套管进行调整打桩误差，再在过渡钢套管与钢管桩之间，通过高强灌浆料进行连接。但这种工艺不仅消耗了额外的钢材和灌浆料，增加了成本，增加了海上施工环节及工期，同时也增加了安全风险，并易出现灌浆料连接部位发生微裂纹，导致过渡段滑移的质量问题。项目通过多次探索和反复总结，证实了海上风电场采用大直径无过渡段无定位驳单桩施工是安全可靠的、也是合理有效的、更是经济适用的，并对相关工程实践有一定的指导意义。

关键词：海上风电；大直径钢管桩；“打入法”沉桩

一、工程概况

广东某海上风电项目场址,位于湛江市徐闻县新寮岛及外罗以东的近海区域。场址距离西侧徐闻县陆域的最近距离10km，最远距离约20km，项目规划面积约30km2。共布置36台容量为5.5MW抗台型风力发电机，装机容量为198MW，基础形式均为无过渡段单桩结构；风电场配套建设一个陆上集控中心，1座220kV海上升压站，8组35kV场内集电海缆进入升压站，升压后通过220kV海底电缆登陆接入陆上集控中心，然后以220kV架空线路接入闻涛变电站，线路长度约30km。

二、水文、地质概况

本风电场根据湛江港潮位站和硇洲岛潮位站以往资料，以及本次全潮观测所设临时潮位站资料，工程附近海域潮性系数在0.88～1.04之间，属于不正规半日潮，其特征是一太阴日有两次高潮和两次低潮，随着月球赤纬的增大，半日周期相邻两潮期的高潮或低潮高度不相等的现象逐渐显著。同时在第一个17:00～23:00涨潮过程中，涨潮流向在30°左右，在第二个5:00～12:00涨潮过程中，涨潮流向在210°左右，这两个涨潮期间流向完全相反，沉桩施工时必须实时监测海况。依据潮汐表和湛江外罗海面高程，可计算出施工现场海域各机位水深，并根据水深及打桩船满载吃水深等资料选择打桩船作业方式。计算得出大部分工程施工作业船舶吃水深在4.0米左右，故施工中低潮水深大于或等于5米时，采用全浮态方式进行钢管桩沉桩施工，低潮水深小于5米时采用坐滩方式进行钢管桩沉桩施工。

根据区域地质资料及钻探揭示，场区内大部分机位自上而下地层为第四系全新统海陆交互相和冲洪积相的砂土及粘性土层（A层）、第四系中更新统石卯岭组玄武岩层（B层）、第四系中更新统—早更新统北海组的粘性土及砂土层（C层）、第四系早更新统湛江组的粘土和砂土层（D层），各层根据工程性质的差异分为若干个亚层。

综上所述，风电场区域整体地质条件良好，溜桩风险较小，故选择打入法进行钢管桩沉桩施工方案。

三、钢管桩沉桩施工技术

1.钢管桩沉桩施工工艺与流程

国内外针对海上动力沉桩过程的研究主要围绕桩基承载力评价方法、桩的科达入性分析、打桩动态监测技术等方面[1]。张伟[2]等人采用ANASYS有限元程序模拟打桩过程桩土相互作用，结合渤海某打桩工程，分析了振动锤作用下动态土强度折减系数、激振频率、入土深度、土塞效应等主要因素对桩体可打入性的影响。闫淑旺[3]等人针对海上动力沉桩拒锤问题开展研究，特别是海上直径大、桩基础入泥深的沉桩作业工况，采用高应变动测技术对沉桩过程进行了监测，并进行了复打测试，分析了该项技术的实用性和可靠性。

钢管桩沉桩采用大型起重船配大型液压冲击锤进行吊打沉桩施工：水深小于或等于5米的机位，受水深控制，采用高潮就位坐滩沉桩，沉桩结束后利用高潮移出机位的方法组织施工；水深大于5米的机位，不受水深控制，采用全浮态或坐滩方法进行沉桩施工。

不同海床地址采用不同的钢管桩沉桩施工工艺：1）当风电场区为玄武岩且有覆盖层地质，单桩基础施工宜采用“打―钻―打”法沉桩施工工艺；2）当风电场区为玄武岩，无覆盖层地质时，单桩基础施工宜采用“钻―打”法（或交替）沉桩施工工艺；3）当风电场区为强风化玄武岩、沙土及沙粘土地质时，单桩基础施工宜采用“打入法”沉桩施工工艺，本项目采用此方法进行单桩沉桩施工，本文中的大直径无过渡段大功率风机单桩基础采用了“打入法”沉桩施工控制技术。

钢管桩“打入法”沉桩施工工艺流程包括：1）施工准备；2）打桩船初步定位；3）定位导向架平台安装；4）钢管桩运输船靠泊定位；5)钢管桩外观验收；6)钢管桩翻身立桩；7)钢管桩入导向架精确定位；8)调整垂直度；9)分级自重沉桩；10)分级压锤、锤击沉桩；11)高应变检测；12）高应变检测；13)终锤验收与施工总结

2．钢管桩主要沉桩设备

大直径无过渡段单桩沉桩施工，选择合适的打桩船舶很关键，依据工程需要，该项目选择了大国重器（国内首一首二大型海上施工平台）大型起重打桩船顺—1600，该船具有全浮态及坐滩施工的双功能，且具备单机双钩翻桩立桩能力，立桩时不需其他浮吊配合而独立完成。详见图1：

图1大型起重打桩船“顺一1600”

对于打桩锤的选择，依据施工前工程地质地勘资料、钢管桩尺寸等，采用波动方程理论进行了模拟计算及可打性分析，并结合打桩经验，依据计算沉桩需要的最大能量及总锤击数等指标，确定采用MENCK-S2400液压打桩锤（IHC-S3000液压打桩锤备用）进行钢管桩沉桩施工。

该项目的测量设备和基点布设主要如下：1）在陆地设置GPS基站及高增益天线，GPS测量基站辐射范围能有效覆盖整个风电场区域，满足施工测量和船舶定位要求；2）采用1台全站仪、2台经纬仪和一台水准仪进行坐标、垂直度及高程测量，并标定合格后才能使用；3）顺一1600浮吊上配备有GPS定位系统，能实时自动显示船舶坐标，并有8个16T大吨位锚进行船舶的精确定位。

3.沉桩施工设备的定位

顺—1600起重打桩船拖航至机位附近进行初步定位后，将8个锚通过锚艇抛设到预定位置，配合GPS定位系统进行船舶自身的初步定位，要求定位偏差<0.5m。

顺—1600起重打桩船初步定位后进行导向架稳桩平台安装及精确定位，其安装流程包括：

调整导向架稳桩平台中心坐标测量精确定位→采用APE600振拔锤分别对角打入4根Ø220mm定位钢桩→采用单机3钩提升导向架稳桩平台至预定标高（一般为高潮水位3~5米）→采用12根Ø38精轧螺纹钢吊挂系统进行调整导向架平台标高、水平度并固定导向架稳桩平台→复测导向架稳桩平台中心坐标→顺—1600起重打桩船退出导向架平台。

1）施工中导向架稳桩平台中心坐标测量精确定位是关键：在顺—1600起重打桩船设置两个GPS控制点，根据两点确定导向架中心位置。

2）导向架中心位置确定后，用GPS测量导向架四点位置确定4根定位钢管桩的中心点坐标，并进行精确定位。

3）导向架主体结构及工况：导向架平台整体依托于顺—1600起重打桩船的凹槽结构两侧，并通过顺—1600起重打桩船进入和退出机位。导向架设置有8个液压千斤顶，分上下两层各4个，两两相互水平对称垂直，整个导向架平台釆用4×Ø2.2m×37.0m的定位钢管桩，其又有海上物料过驳作业、海上设备吊装作业等。施工环节多，布置紧凑，穿插作业频繁，工序复杂。

措施：项目部已充分考虑各类因素，编制可行的作业计划，进行科学的组织协调，合理安排施工流程，避免各施工环节相互干扰，从而确保按期、保质完成施工任务。

2、施工难度大

本工程为海上风电基础防护施工，施工地点为海上风电场区域，施工期间受海上风浪及潮汐影响较大，需合理安排作业时间。

措施：项目部利用公司先进的设备，有技术过硬、经验丰富的队伍，成立一个严密的项目组织机构，编制合理可行的施工方案。并且根据提前掌握的潮汐水文资料，以及天气预报等资料，充分利用优良的作业窗口期进行施工。

五．结语

文以广东某海上风电项目单桩基础防冲刷保护工程为例，根据实际情况，总结了海上风机及升压站单桩基础防护技术要点，对相关的海上工程有借鉴指导性作用。

参考文献

[1]秦肖,翁雅谷,赵长军等.单桩局部冲刷抛石防护试验研究[J].公路.2016,(12):101-104.

[2]杨超.海上风机桩基础设计研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

[3]高宏飙，诸浩君等.海上风机单桩基础浪溅区腐蚀及复层包覆防护技术的应用[J].中国港湾建设.2014(5):57-61.