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        海上風(fēng)電大直徑鋼管樁沉樁精度控制措施研究

        2020-06-29 05:34:48
        鐵道建筑技術(shù) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:起重船沉樁全站儀

        董 鵬

        (中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司第三工程分公司 山東青島 266000)

        1 引言

        海上風(fēng)電擁有占地資源少、風(fēng)力和風(fēng)能密度大的優(yōu)勢,在國家政策大力支持下,我國海上風(fēng)電得到了快速發(fā)展[1]。隨著國內(nèi)海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)電基礎(chǔ)施工技術(shù)日趨成熟,海上風(fēng)電場選址逐步從淺海走向深海建設(shè),單機容量也向大型化機組發(fā)展,對風(fēng)電基礎(chǔ)施工精度提出了更高的要求[2]。

        2 工程概況

        中船重工大連市莊河海域海上風(fēng)電場址Ⅱ(300 MW)項目風(fēng)機基礎(chǔ)施工I標(biāo)段工程位于莊河市石城島東側(cè)約11 km,場址涉海面積約48 km2。

        本工程共計需完成30根非嵌巖單樁鋼管樁風(fēng)機基礎(chǔ)。鋼管樁樁徑6.0~6.8 m,樁頂直徑6.5 m,樁頂標(biāo)高+12.0 m,樁底標(biāo)高-60.0~-65.0 m,樁長72~77 m,壁厚60~78 mm,單樁最大重量約917 t,全部為超長、超重型大直徑樁。

        3 沉樁工藝

        (1)施工流程

        鋼管樁沉樁施工工藝流程如圖1所示。

        圖1 沉樁施工工藝流程

        (2)穩(wěn)樁平臺

        本工程采用雙層導(dǎo)管架式穩(wěn)樁平臺,如圖2所示。該平臺由4根φ2.42 m長57 m、壁厚25 mm的鋼管樁組成支撐系統(tǒng),扎根于海床上,不受潮位變化影響。操作平臺采用雙層鋼結(jié)構(gòu)平臺,高差10 m,每層平臺上設(shè)抱樁器并配置4臺250 t液壓頂推缸,單個有效壓力約21 MPa[3-4]。

        圖2 雙層導(dǎo)管架式穩(wěn)樁平臺

        (3)船舶選型與定位

        本項目采用雙機抬吊工法,主起重船選用1 100 t的秦航工68#,輔助起重船選用500 t的利通起重9#。船舶定位順序為穩(wěn)樁平臺船→主起重船→輔助起重船→運樁船,最終駐位如圖3所示。

        圖3 船舶駐位

        4 精度控制難點分析

        (1)沉樁精度要求高

        海上風(fēng)電基礎(chǔ)施工精度要求高,根據(jù)設(shè)計要求,鋼管樁沉樁后平面位置偏差≤500 mm,樁頂法蘭面水平度偏差≤3‰,高程偏差≤50 mm。

        (2)現(xiàn)場作業(yè)條件差

        本工程穩(wěn)樁平臺為小型平臺,自動化程度低,需要起重船與平臺協(xié)調(diào)配合才能完成樁的定位,易受風(fēng)浪、潮流等不利因素影響,致使操作難度極大[5]。

        (3)GPS性能要求高

        海上風(fēng)電項目距離岸線較遠(yuǎn),且為無掩護(hù)區(qū)域,施工范圍較廣,對GPS性能要求高。

        5 沉樁測量控制

        5.1 測量控制總體概述

        (1)鋼管樁沉樁平面位置采用高性能、高精度的天寶SPS855型GPS進(jìn)行控制,通過GPS(RTK)技術(shù)對穩(wěn)樁平臺進(jìn)行精確定位。穩(wěn)樁平臺通過液壓頂推缸對樁進(jìn)行調(diào)節(jié)定位,液壓頂推缸調(diào)節(jié)范圍為50 cm,滿足設(shè)計精度要求。

        (2)樁頂法蘭水平度通過樁的垂直度進(jìn)行控制,在穩(wěn)樁平臺架設(shè)全站儀進(jìn)行不間斷測量,通過穩(wěn)樁平臺上下兩層8個液壓頂推缸進(jìn)行調(diào)節(jié),保證樁的垂直度。

        (3)樁頂高程通過GPS將標(biāo)高導(dǎo)入至穩(wěn)樁平臺,采用全站儀進(jìn)行測量。

        5.2 沉樁平面控制

        海上鋼管樁沉樁施工定位系統(tǒng)采用動態(tài)實時差分GPS(RTK)技術(shù),具有全天候、高效率、準(zhǔn)確、可靠等優(yōu)點。首先GPS衛(wèi)星和基站對船進(jìn)行定位,在此基礎(chǔ)上,再以船體作為已知參照物,利用穩(wěn)樁平臺中心沉樁位置在船體平面的相對位置,對樁位進(jìn)行測定,從而達(dá)到GPS對鋼管樁定位沉樁施工精度的控制目的。

        在岸上設(shè)立基準(zhǔn)站,穩(wěn)樁平臺定位船上安裝兩臺移動站。為保證定位精度,本工程采用天寶SPS855型GPS接收機。定位精度為10 mm+20 km×1 ppm=30 mm,最大誤差不超過50 mm,完全可以滿足施工規(guī)范要求。

        船位調(diào)整全程數(shù)字化顯示,數(shù)據(jù)直觀、操作簡便,如圖4所示。

        圖4 船舶定位數(shù)字化顯示

        5.3 沉樁垂直度控制

        通過調(diào)節(jié)控制鋼管樁的垂直度從而控制鋼管樁法蘭的水平度。

        鋼管樁垂直度測量方法有全站儀觀測法、激光垂準(zhǔn)儀觀測法、鋼絲垂吊法等。根據(jù)不同方法的優(yōu)缺點及可操作性綜合考慮,本項目采用全站儀測量法進(jìn)行垂直度控制。

        沉樁施工中,利用GPS接收機放樣出兩條垂線,采用2臺全站儀與樁切線呈90°角布置[6],從而控制鋼管樁垂直度滿足設(shè)計要求。測量儀器同時觀測上下抱樁器間鋼管樁垂直度,通過調(diào)節(jié)穩(wěn)樁平臺上下兩層各4臺液壓頂推缸,對鋼管樁垂直度進(jìn)行調(diào)節(jié)[7]。

        圖5 全站儀布置

        如圖5所示,全站儀1可觀測樁在測線2方向的偏位,全站儀2可觀測樁在測線1方向的偏位。為防止樁在測線1方向的偏位與測線2方向的偏位疊加超出樁的允許偏差值,需算出兩臺全站儀各自觀測方向樁的允許偏差值。由于測線1與測線2呈90°角,當(dāng)樁在測線3方向出現(xiàn)最大允許偏差,兩臺全站儀所測各自方位偏差最小,為設(shè)計允許偏差的1/倍,可用此值作為調(diào)節(jié)樁偏位的限值。當(dāng)任意1臺全站儀觀測差值超過此限值時,就應(yīng)使用液壓頂推缸對樁進(jìn)行調(diào)節(jié),以保證樁的垂直度。

        為提高沉樁效率,可在沉樁工序前建立觀測水平角與垂直度的關(guān)系,大于理論觀測水平角則需進(jìn)行調(diào)整。

        通過公式建立樁體水平角與垂直度關(guān)系,每臺儀器通過觀測水平角得出樁體垂直度是否滿足要求。水平投影差及垂直度計算公式[8]:

        通過以上公式可得出最大偏差情況下,測量儀器觀測得到的觀測角差值:

        式中,S為鋼管樁在觀測方向水平偏移投影距離;Δβ為上下視線瞄準(zhǔn)觀測角差;ρ為角度與弧度轉(zhuǎn)化數(shù)值,1弧度對應(yīng)的秒值為206 265;Δh為儀器觀測樁體上下視線刻度差,即Δh=h上-h下;L為測站至鋼管樁邊沿水平距離。因儀器架設(shè)位置固定,故上層觀測平臺取L=5 m,下層觀測平臺取L=10 m?!蜑槊颗_儀器觀測方向的垂直度。樁垂直度按照1‰控制,則每臺儀器控制垂直度為

        以43#樁為例,根據(jù)上述計算公式、假定條件及允許垂直度偏差值,推算出在沉樁的不同階段及不同位置的全站儀水平角差Δβ允許值以方便進(jìn)行沉樁控制,如表1所示。

        隨著鋼管樁入泥深度增加,液壓頂推缸調(diào)節(jié)能力變差??紤]鋼管樁制作偏差、現(xiàn)場振動影響等不利因素,每一次調(diào)節(jié)必須將垂直度控制在1‰以內(nèi),確保沉樁完成后法蘭面水平度滿足<3‰的設(shè)計要求。

        表1 43#樁允許水平方向角度偏差

        5.4 沉樁高程控制

        穩(wěn)樁平臺定位完成后,對穩(wěn)樁平臺4根支撐樁進(jìn)行沉樁。通過GPS將標(biāo)高引入至平臺之上支撐樁位置,利用全站儀測量鋼管樁標(biāo)高。穩(wěn)樁平臺具有承載力強、穩(wěn)定性好的特點[9],滿足測量穩(wěn)定性需求。但施工過程中需對臨時標(biāo)高控制點進(jìn)行復(fù)核,防止發(fā)生較大沉降,影響測量數(shù)據(jù)。

        當(dāng)鋼管樁頂標(biāo)高接近設(shè)計標(biāo)高,適當(dāng)降低夯擊能,增加觀測頻率,嚴(yán)格控制標(biāo)高[10]。

        6 沉樁過程施工控制

        6.1 起重船喂樁過程控制

        (1)調(diào)節(jié)起重船纜繩,使起重船軸線與穩(wěn)樁平臺軸線基本為一條線。同時起重船將鋼樁緩緩喂入抱樁器,利用抱樁器平臺及鋼樁上預(yù)先設(shè)置好的標(biāo)記控制鋼管樁的平面轉(zhuǎn)角[11]。

        (2)鋼管樁進(jìn)入抱樁器內(nèi),利用抱樁器頂推油缸的限位功能控制鋼樁平面位置,使鋼管樁位于抱樁器中心位置。

        (3)調(diào)節(jié)穩(wěn)樁平臺上下兩層抱箍8個液壓頂推油缸,用以調(diào)整鋼管樁垂直度,見圖6。

        (4)當(dāng)鋼管平面位置偏差<500 mm、平面轉(zhuǎn)角偏差 <5°時,將樁下放至樁尖距泥面1 m距離。閉合抱箍,利用兩臺全站儀呈90°角同時觀測鋼管樁垂直度,通過調(diào)節(jié)抱樁器液壓頂推油缸調(diào)節(jié)樁身垂直度,保證垂直度<1‰。

        (5)起重船緩慢起鉤,保持鋼絲繩豎直,同時全站儀不間斷測量鋼管樁的垂直度,大于偏差要及時調(diào)整。

        6.2 鋼樁自沉階段控制

        (1)鋼樁入泥后,通過調(diào)整兩個鉤頭高度以調(diào)整垂直吊耳方向“垂線”垂直度,另一方向通過起重船扒桿調(diào)整方位使樁保持垂直狀態(tài),使液壓缸推桿滾輪接觸管樁外壁稍受力即可;慢減吊荷慢松鉤頭,使樁沿著穩(wěn)樁平臺上下層定向平穩(wěn)自沉,利用抱樁器上下兩層頂推油缸限位控制平面位置及垂直度,同時檢查垂直度,保持鋼樁垂直下沉[12]。

        (2)隨著鋼樁入泥深度增加,液壓頂推油缸可調(diào)節(jié)作用越發(fā)微弱,故在樁入泥前期必須嚴(yán)格控制樁身垂直度<1‰。

        (3)鋼管樁自沉至穩(wěn)定后,吊送測量人員至樁頂,利用水準(zhǔn)儀測量樁頂法蘭水平度,滿足<1‰后摘鉤。

        (4)自沉過程中測量人員及時對沉樁深度進(jìn)行觀測,鋼管樁每下沉1 m,向船舶總調(diào)度通報一次;在抱樁器平臺上對樁的垂直度進(jìn)行復(fù)測,如發(fā)現(xiàn)偏差大于1‰時,及時進(jìn)行糾偏。

        6.3 靜壓過程控制

        (1)鋼管樁自沉完成后,經(jīng)樁頂實測水平度滿足1‰以內(nèi),即可進(jìn)行主吊耳鋼絲繩摘除。為防止停滯時間較長致使樁底部及四周土質(zhì)發(fā)生液化,引起鋼管樁溜樁現(xiàn)象,自沉樁結(jié)束應(yīng)立即進(jìn)行錘擊沉樁施工。

        (2)主起重船起吊液壓錘至樁頂后進(jìn)行靜壓。靜壓過程中注意觀察垂直度變化,如果垂直度偏差>1‰,及時利用液壓頂推缸進(jìn)行糾偏。

        6.4 錘擊沉樁控制

        (1)錘擊沉樁前放松吊錘吊繩,整個沉樁過程吊繩應(yīng)始終保持松弛狀態(tài),幅度0.5 m左右。

        (2)沉樁初始打擊能量必須設(shè)定為液壓錘的最小能量140 kJ。前三錘實施單擊,每擊一錘后即停錘檢查貫入度、垂直度變化、樁身與液壓頂推缸上導(dǎo)向輪的接觸情況。

        (3)當(dāng)貫入度在10~50 mm時開始手動連擊,剛開始采用輕擊、小貫入度沉樁,使樁平穩(wěn)下沉,以防樁有較大傾斜。IHC S-1400液壓錘連續(xù)錘擊頻率一般控制在30~35擊/min。

        (4)施工過程中應(yīng)密切關(guān)注地質(zhì)變化,當(dāng)樁底標(biāo)高接近軟弱土層時,必須減小錘擊能量及頻率,必要時采用單擊或2、3連擊,防止“溜樁”現(xiàn)象。每沉樁1~2 m即停錘,采用全站儀測量樁體垂直度,如偏差值超出1‰,立即糾偏。

        (5)當(dāng)樁頂距設(shè)計標(biāo)高1 m左右時,每沉250 mm停錘觀測一次垂直度;待樁頂接近設(shè)計標(biāo)高時,采用全站儀測量控制樁頂高程。

        7 結(jié)束語

        通過對大直徑鋼管樁沉樁精度控制方法的探討,確保了鋼管樁沉樁的水平位置、高程以及垂直度的精度均滿足設(shè)計和規(guī)范的要求。海上風(fēng)電大直徑鋼管樁的平面位置最大偏差360 mm,高程偏差40 mm以內(nèi),法蘭水平度小于1‰,均滿足設(shè)計要求。

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