王俊杰，黃艷紅，張成芹

（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137）

0 引言

在我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中單樁基礎(chǔ)由于其海上施工工效高、可工廠化制作等優(yōu)勢(shì)，得以廣泛應(yīng)用。但在風(fēng)、浪、流以及地質(zhì)條件等因素的共同作用下，為保證單樁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量（平面位置偏差≤50 cm，垂直度偏差≤0.3%），沉樁穩(wěn)樁技術(shù)在整個(gè)單樁基礎(chǔ)施工過(guò)程中尤為關(guān)鍵。

目前，國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電工程中，單樁施工主要有兩種施工方案，一是采用起重船搭設(shè)導(dǎo)管架穩(wěn)樁平臺(tái)，通過(guò)穩(wěn)樁平臺(tái)上的定位油缸來(lái)調(diào)整沉樁垂直度，但這種方法沉樁工序復(fù)雜，輔助船機(jī)配套多；另一種方法是采用專(zhuān)用自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)，在平臺(tái)一端配備雙層抱樁器，以調(diào)整控制樁身的豎直度，這種方法工序簡(jiǎn)單，但自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的船機(jī)成本高。

因此，本文針對(duì)海上風(fēng)電工程單樁基礎(chǔ)，提出了一種自升式穩(wěn)樁平臺(tái)施工方法，并成功應(yīng)用于國(guó)華東臺(tái)四期（H2）300 MW 海上風(fēng)電場(chǎng)工程。

1 工程概況

國(guó)華東臺(tái)四期（H2）300 MW 海上風(fēng)電場(chǎng)工程位于東沙北條子泥，離岸距離約42 km。風(fēng)場(chǎng)總裝機(jī)規(guī)模302.4 MW，共布置63 臺(tái)上海電氣4.0 MW風(fēng)機(jī)及12 臺(tái)遠(yuǎn)景能源4.2 MW 的風(fēng)電機(jī)組。

工程共包含75 臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，其中47 號(hào)、66號(hào)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為已施工完成的試樁高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，其余73 臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)均采用無(wú)過(guò)渡段單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，單樁直徑5.5 m，樁頂高程+11.0 m（85 高程系，下同），樁長(zhǎng) 57～76 m，樁重 446～623 t，樁端進(jìn)入⑥-2 層粉細(xì)砂、⑦層粉質(zhì)黏土或⑧層粉細(xì)砂[1]。

根據(jù)《國(guó)華東臺(tái)四期（H2）300 MW 海上風(fēng)電項(xiàng)目工程地質(zhì)勘察報(bào)告》[2]，該地區(qū)的土體參數(shù)情況如表1 所示。

2 自升式穩(wěn)樁平臺(tái)研制

為優(yōu)化單樁穩(wěn)樁措施，提高施工工效，降低施工成本，研制了一種簡(jiǎn)易的自升式穩(wěn)樁平臺(tái)“穩(wěn)樁1 號(hào)”。平臺(tái)總平面布置如圖1 所示[3]，自升式穩(wěn)樁平臺(tái)主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1 Design parameters of pile foundation

圖1 自升式穩(wěn)樁平臺(tái)總平面布置Fig.1 General plan layout of jack-up stable pile platform

表2 自升式穩(wěn)樁平臺(tái)參數(shù)Table 2 Parameters of jack-up stable pile platform

自升式穩(wěn)樁平臺(tái)艏部布置一套穩(wěn)樁系統(tǒng)，用以控制單樁沉樁垂直度，穩(wěn)樁系統(tǒng)采取雙層抱樁形式，上下兩層高差7 m，每層4 個(gè)定位液壓油缸，每個(gè)液壓油缸抱樁能力為70 t，穩(wěn)樁直徑范圍為5.5～7.5 m；平臺(tái)艉部設(shè)置舵槳系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)自主移船和進(jìn)點(diǎn)粗定位；穩(wěn)樁平臺(tái)四角各設(shè)1 套錨泊定位系統(tǒng)，配合DGPS 實(shí)現(xiàn)精確駐位；穩(wěn)樁平臺(tái)設(shè)置升降系統(tǒng)，其中樁腿布置在平臺(tái)兩舷，從而增加甲板有效面積，樁靴可拆卸以適應(yīng)不同的海床，液壓插銷(xiāo)式升降系統(tǒng)能夠保持工作平穩(wěn)、安全可靠；穩(wěn)樁平臺(tái)中部采用局部加強(qiáng)，便于加裝200 t 履帶式吊機(jī)兼顧其他施工作業(yè)。

3 自升式穩(wěn)樁平臺(tái)單樁施工工藝研究

3.1 插樁深度計(jì)算

本次施工過(guò)程不安裝樁靴，因此只進(jìn)行樁腿插樁深度的計(jì)算[4]。計(jì)算依據(jù)JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》，計(jì)算方法如下。

式中：Qd為單樁軸向承載力的設(shè)計(jì)值，kN；γR為單樁軸向承載力的分項(xiàng)系數(shù)，取2.0；U 為樁身截面外周長(zhǎng)，m；qfi為單樁第i 層土極限側(cè)摩阻力的標(biāo)準(zhǔn)值，kPa，沒(méi)有當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)值時(shí)，可按表1 取值；li為樁身穿過(guò)第i 層土的長(zhǎng)度，m；η 為承載力折減系數(shù)，可按《港口工程樁基規(guī)范》表4.2.4-3取值；qR為單樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa，可按《港口工程樁基規(guī)范》表4.2.4-2 取值；A 為樁端外周面積，m2[5]。

考慮如下4 種工況：

1）工況一：樁腿初始預(yù)壓400 t。

2）工況二：樁腿初始預(yù)壓310 t。

3）工況三：考慮4 m 的沖刷，同時(shí)保證樁腿的極限承載力400 t。

4）工況四：考慮4 m 的沖刷，同時(shí)保證樁腿的極限承載力310 t。

插樁深度計(jì)算的結(jié)果詳見(jiàn)表3 所示。

表3 插樁深度計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation result of cutting depth

由于樁端持力層所處土層屬于砂質(zhì)土層，土質(zhì)較好，而且持力層下部無(wú)軟弱土層，無(wú)穿刺的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 水平穩(wěn)定計(jì)算

在實(shí)際施工過(guò)程中考慮如下兩種工況。

1）工況一為千斤頂頂推

作用荷載：1.2×結(jié)構(gòu)自重（包括平臺(tái)上荷載）+1.5×千斤頂推力（70 t）+0.7×1.5×波流力+0.7×1.5×風(fēng)荷載（按7 級(jí)風(fēng)考慮）。

2）工況二為臺(tái)風(fēng)

作用荷載：1.2×結(jié)構(gòu)自重（包括平臺(tái)上荷載）+0.7×1.5×波流力+0.7×1.5×風(fēng)荷載（按 12 級(jí)風(fēng)考慮）。

按照之前的插樁分析結(jié)果，選取預(yù)壓310 t，且考慮4 m 沖刷的情況為最不利情況進(jìn)行復(fù)算，此時(shí)樁基入土為11.2 m。

計(jì)算得到，在頂推工況下，自升式海上穩(wěn)樁平臺(tái)樁身最大應(yīng)力為62.6 MPa＜205 MPa，最大水平位移為87.3 mm；在臺(tái)風(fēng)工況下，自升式海上穩(wěn)樁平臺(tái)樁身的最大應(yīng)力為33.3 MPa＜205 MPa，最大的水平位移為14.1 mm，滿足施工要求。

3.3 施工工藝設(shè)計(jì)

1）施工工藝流程

自升式穩(wěn)樁平臺(tái)單樁施工工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 自升式穩(wěn)樁平臺(tái)單樁施工工藝Fig.2 Single pile construction technology of jack-up stable pile platform

2）進(jìn)點(diǎn)、抬升

自升式穩(wěn)樁平臺(tái)通過(guò)兩艘錨艇綁拖至機(jī)位附近進(jìn)行拋錨，總共拋4 口錨，拋錨完成后通過(guò)絞錨及DGPS 定位至樁中心位置（抱樁器中心與樁中心重合），平臺(tái)就位完成后，待高平潮時(shí)進(jìn)行自升式穩(wěn)樁平臺(tái)插腿頂升，頂升時(shí)，平臺(tái)底標(biāo)高控制在+5.5 m。

3）主起重船進(jìn)點(diǎn)

自升式穩(wěn)樁平臺(tái)插腿就位頂升完成后，松開(kāi)錨纜；隨后主起重船進(jìn)點(diǎn)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)漲落潮對(duì)運(yùn)樁駁靠泊的影響，主起重船船頭方向與潮流向一致，船位布置示意圖見(jiàn)圖3。拋錨時(shí)先進(jìn)行起重船拋錨作業(yè)，待起重船完成拋錨后再進(jìn)行運(yùn)樁駁靠泊。起重船進(jìn)場(chǎng)后拋6 口錨，控制船位到達(dá)設(shè)定的坐標(biāo)附近，通過(guò)GPS 顯示船位，調(diào)整錨纜長(zhǎng)度，對(duì)其進(jìn)行精確定位。

圖3 船位布置示意圖Fig.3 Ship layout

4）沉樁作業(yè)

起重船起吊單樁入自升式穩(wěn)樁平臺(tái)抱樁器，緩慢釋放，單樁入土后調(diào)整抱樁器上下兩層的液壓油缸，將鋼管樁抱緊，并采用2 臺(tái)全站儀進(jìn)行鋼管樁的垂直度監(jiān)測(cè)和控制，調(diào)整鋼管樁的垂直度，偏差不超過(guò)0.1%。

單樁在自重的作用下，下沉到泥面下一定的深度停滯時(shí)，將鋼管樁實(shí)際自重入土深度與理論計(jì)算自重入土深度進(jìn)行對(duì)比[6]，如有明顯差別應(yīng)及時(shí)進(jìn)行分析并決定是否調(diào)整；當(dāng)單樁自沉正常后，起重船繼續(xù)緩慢下放鋼絲繩，讓鋼絲繩處于不脫鉤、不受力的狀態(tài)。觀察15 min，如果樁身無(wú)變化，則進(jìn)行下一施工工序；如樁身有變化，則繼續(xù)觀察。

單樁確認(rèn)穩(wěn)定后，解除主吊耳處鋼絲繩，然后通過(guò)液壓錘及其工裝對(duì)樁頂施加額外荷載進(jìn)行壓樁施工，該方式可以避免溜樁情況的發(fā)生。

壓樁完成后觀察樁身20 min，確定單樁無(wú)下沉變化后起吊液壓錘及其工裝至甲板并解除工裝開(kāi)始起吊液壓錘套錘操作。

在確保單樁垂直度滿足要求的情況下（開(kāi)錘前單樁垂直度按0.05%～0.10%控制），開(kāi)動(dòng)液壓錘，先用小能量的錘擊力點(diǎn)動(dòng)2～3 錘，暫時(shí)停止一段時(shí)間，無(wú)異常后繼續(xù)點(diǎn)動(dòng)2～3 錘，再次暫時(shí)停止一段時(shí)間，反復(fù)3～4 次，并派測(cè)量員觀測(cè)實(shí)時(shí)的樁身數(shù)據(jù)，以調(diào)整樁身姿態(tài)[7]。

完成樁身調(diào)整后，進(jìn)行15 min 觀測(cè)，如果沒(méi)有變化則繼續(xù)進(jìn)行沉樁施工，每間隔1～2 m 觀測(cè)記錄、樁身調(diào)整1 次，當(dāng)樁繼續(xù)入土10 m 時(shí)，變成每間隔3～4 m 觀測(cè)記錄、樁身調(diào)整1 次，當(dāng)樁入土深度為30 m 左右時(shí)，調(diào)整措施已沒(méi)有辦法起到調(diào)整的作用，改成連續(xù)液壓沉樁（此時(shí)單樁的垂直度按0.10%～0.15%控制）[8]。

主吊耳接近平臺(tái)時(shí)，單樁入泥深度超過(guò)30 m，扶正、導(dǎo)向裝置失去作用。收回扶正、導(dǎo)向裝置，讓主吊耳穿過(guò)平臺(tái)，完成沉樁。

4 應(yīng)用效果分析

自升式穩(wěn)樁平臺(tái)于2019 年1 月13 日首次應(yīng)用國(guó)華東臺(tái)四期（H2）300 MW 海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目45號(hào)基礎(chǔ)的單樁施工中，施工實(shí)景見(jiàn)圖4。

圖4 自升式穩(wěn)樁平臺(tái)施工實(shí)景Fig.4 Construction scene of jack-up stable pile platform

其中自升式穩(wěn)樁平臺(tái)當(dāng)日13:00 進(jìn)點(diǎn)定位，13:20 開(kāi)始精定位；13:52 精定位完成；15:42 開(kāi)始插樁腿；19:46 頂升保壓完成。穩(wěn)樁平臺(tái)耗時(shí)7 h具備沉樁施工條件，遠(yuǎn)小于導(dǎo)管架穩(wěn)樁平臺(tái)2 個(gè)有效工作日的搭設(shè)時(shí)間。同時(shí)無(wú)需配備搭設(shè)穩(wěn)樁平臺(tái)的起重船、運(yùn)輸駁和振動(dòng)錘。

沉樁過(guò)程總錘擊數(shù)為3 378 擊，沉樁過(guò)程中錘擊最大能量為1 000 kJ，停錘時(shí)最后25 cm 平均貫入度為5 mm，樁頂實(shí)測(cè)標(biāo)高為+11.12 m（設(shè)計(jì)高程為+11.0 m，設(shè)計(jì)高程允許偏差＜50 mm），入土深度46.88 m，沉樁偏位＜30 cm。垂直度偏差0.05%，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

自升式穩(wěn)樁平臺(tái)應(yīng)用于海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)施工，不僅可以減少對(duì)輔助船機(jī)的使用，還可以大大提高施工工效，具備較好的經(jīng)濟(jì)效益，可推廣應(yīng)用于其他單樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)電工程施工中。