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

在我國海上風電場建設(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，得以廣泛應(yīng)用。但在風、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)在整個單樁基礎(chǔ)施工過程中尤為關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)海上風電工程中，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，通過穩(wěn)樁平臺上的定位油缸來調(diào)整沉樁垂直度，但這種方法沉樁工序復(fù)雜，輔助船機配套多；另一種方法是采用專用自升式風電安裝平臺，在平臺一端配備雙層抱樁器，以調(diào)整控制樁身的豎直度，這種方法工序簡單，但自升式風電安裝平臺的船機成本高。

因此，本文針對海上風電工程單樁基礎(chǔ)，提出了一種自升式穩(wěn)樁平臺施工方法，并成功應(yīng)用于國華東臺四期（H2）300 MW 海上風電場工程。

1 工程概況

國華東臺四期（H2）300 MW 海上風電場工程位于東沙北條子泥，離岸距離約42 km。風場總裝機規(guī)模302.4 MW，共布置63 臺上海電氣4.0 MW風機及12 臺遠景能源4.2 MW 的風電機組。

工程共包含75 臺風機基礎(chǔ)，其中47 號、66號風機基礎(chǔ)為已施工完成的試樁高樁承臺基礎(chǔ)，其余73 臺風機基礎(chǔ)均采用無過渡段單樁基礎(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 57～76 m，樁重 446～623 t，樁端進入⑥-2 層粉細砂、⑦層粉質(zhì)黏土或⑧層粉細砂[1]。

根據(jù)《國華東臺四期（H2）300 MW 海上風電項目工程地質(zhì)勘察報告》[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，研制了一種簡易的自升式穩(wěn)樁平臺“穩(wěn)樁1 號”。平臺總平面布置如圖1 所示[3]，自升式穩(wěn)樁平臺主要參數(shù)見表2。

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

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

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

自升式穩(wěn)樁平臺艏部布置一套穩(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 個定位液壓油缸，每個液壓油缸抱樁能力為70 t，穩(wěn)樁直徑范圍為5.5～7.5 m；平臺艉部設(shè)置舵槳系統(tǒng)，實現(xiàn)場區(qū)內(nèi)自主移船和進點粗定位；穩(wěn)樁平臺四角各設(shè)1 套錨泊定位系統(tǒng)，配合DGPS 實現(xiàn)精確駐位；穩(wěn)樁平臺設(shè)置升降系統(tǒng)，其中樁腿布置在平臺兩舷，從而增加甲板有效面積，樁靴可拆卸以適應(yīng)不同的海床，液壓插銷式升降系統(tǒng)能夠保持工作平穩(wěn)、安全可靠；穩(wěn)樁平臺中部采用局部加強，便于加裝200 t 履帶式吊機兼顧其他施工作業(yè)。

3 自升式穩(wěn)樁平臺單樁施工工藝研究

3.1 插樁深度計算

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

式中：Qd為單樁軸向承載力的設(shè)計值，kN；γR為單樁軸向承載力的分項系數(shù)，取2.0；U 為樁身截面外周長，m；qfi為單樁第i 層土極限側(cè)摩阻力的標準值，kPa，沒有當?shù)亟?jīng)驗值時，可按表1 取值；li為樁身穿過第i 層土的長度，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準值，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，同時保證樁腿的極限承載力310 t。

插樁深度計算的結(jié)果詳見表3 所示。

表3 插樁深度計算結(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，而且持力層下部無軟弱土層，無穿刺的風險。

3.2 水平穩(wěn)定計算

在實際施工過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（包括平臺上荷載）+1.5×千斤頂推力（70 t）+0.7×1.5×波流力+0.7×1.5×風荷載（按7 級風考慮）。

2）工況二為臺風

作用荷載：1.2×結(jié)構(gòu)自重（包括平臺上荷載）+0.7×1.5×波流力+0.7×1.5×風荷載（按 12 級風考慮）。

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行復(fù)算，此時樁基入土為11.2 m。

計算得到，在頂推工況下，自升式海上穩(wěn)樁平臺樁身最大應(yīng)力為62.6 MPa＜205 MPa，最大水平位移為87.3 mm；在臺風工況下，自升式海上穩(wěn)樁平臺樁身的最大應(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

1）施工工藝流程

自升式穩(wěn)樁平臺單樁施工工藝流程見圖2。

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

2）進點、抬升

自升式穩(wěn)樁平臺通過兩艘錨艇綁拖至機位附近進行拋錨，總共拋4 口錨，拋錨完成后通過絞錨及DGPS 定位至樁中心位置（抱樁器中心與樁中心重合），平臺就位完成后，待高平潮時進行自升式穩(wěn)樁平臺插腿頂升，頂升時，平臺底標高控制在+5.5 m。

3）主起重船進點

自升式穩(wěn)樁平臺插腿就位頂升完成后，松開錨纜；隨后主起重船進點，考慮到現(xiàn)場漲落潮對運樁駁靠泊的影響，主起重船船頭方向與潮流向一致，船位布置示意圖見圖3。拋錨時先進行起重船拋錨作業(yè)，待起重船完成拋錨后再進行運樁駁靠泊。起重船進場后拋6 口錨，控制船位到達設(shè)定的坐標附近，通過GPS 顯示船位，調(diào)整錨纜長度，對其進行精確定位。

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 臺全站儀進行鋼管樁的垂直度監(jiān)測和控制，調(diào)整鋼管樁的垂直度，偏差不超過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，將鋼管樁實際自重入土深度與理論計算自重入土深度進行對比[6]，如有明顯差別應(yīng)及時進行分析并決定是否調(diào)整；當單樁自沉正常后，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，如果樁身無變化，則進行下一施工工序；如樁身有變化，則繼續(xù)觀察。

單樁確認穩(wěn)定后，解除主吊耳處鋼絲繩，然后通過液壓錘及其工裝對樁頂施加額外荷載進行壓樁施工，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，確定單樁無下沉變化后起吊液壓錘及其工裝至甲板并解除工裝開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（開錘前單樁垂直度按0.05%～0.10%控制），開動液壓錘，先用小能量的錘擊力點動2～3 錘，暫時停止一段時間，無異常后繼續(xù)點動2～3 錘，再次暫時停止一段時間，反復(fù)3～4 次，并派測量員觀測實時的樁身數(shù)據(jù)，以調(diào)整樁身姿態(tài)[7]。

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

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

4 應(yīng)用效果分析

自升式穩(wěn)樁平臺于2019 年1 月13 日首次應(yīng)用國華東臺四期（H2）300 MW 海上風電場項目45號基礎(chǔ)的單樁施工中，施工實景見圖4。

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

其中自升式穩(wěn)樁平臺當日13:00 進點定位，13:20 開始精定位；13:52 精定位完成；15:42 開始插樁腿；19:46 頂升保壓完成。穩(wěn)樁平臺耗時7 h具備沉樁施工條件，遠小于導(dǎo)管架穩(wěn)樁平臺2 個有效工作日的搭設(shè)時間。同時無需配備搭設(shè)穩(wěn)樁平臺的起重船、運輸駁和振動錘。

沉樁過程總錘擊數(shù)為3 378 擊，沉樁過程中錘擊最大能量為1 000 kJ，停錘時最后25 cm 平均貫入度為5 mm，樁頂實測標高為+11.12 m（設(shè)計高程為+11.0 m，設(shè)計高程允許偏差＜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)計和規(guī)范要求。

5 結(jié)語

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