陳 震

（中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司 廣東珠海 519000）

1 引言

我國海洋面積遼闊，有豐富的風(fēng)資源可利用，近年來，政府出臺大量優(yōu)惠措施支持海上風(fēng)電建設(shè)，海上風(fēng)電發(fā)展迅速。海上風(fēng)電海況多、地質(zhì)復(fù)雜、施工難度大，且受氣候、潮汐等多方面影響，施工周期相對陸上風(fēng)電場更長，而且向深海區(qū)域發(fā)展［1］。為減少基礎(chǔ)施工環(huán)節(jié)達(dá)到減少施工周期的目的，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)利用單樁大直徑基礎(chǔ)的情況較多，成為當(dāng)前主要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式［2］。本文結(jié)合廣東某開敞海域在建項目，針對復(fù)雜海況條件下研究大直徑鋼管樁沉樁施工技術(shù)。

2 工程概況

廣東某開敞海域，瀕臨南海。風(fēng)場場址涉海面積約40.69 km2，外圍風(fēng)機(jī)包絡(luò)海域面積約為35.52 km2，水深范圍約30～38 m，場址離岸距離約21～34 km。典型的海洋性季風(fēng)季候，受臺灣海峽“狹管效應(yīng)”影響，是全國沿海氣候最為惡劣的地區(qū)。

本海域漲落潮為不規(guī)則半日潮，流向復(fù)雜，根據(jù)附近海上工程全潮觀測成果，工程海域各測站漲潮流向為33°～109°之間，落潮流向為193°～258°之間。風(fēng)大浪高，海區(qū)的波浪比較大，工程海區(qū)的波浪絕大多數(shù)屬于以外海涌浪為主的混合浪。海況復(fù)雜，地質(zhì)條件較差，土層分布特征有淤泥層、黏土層、砂性黏土層、砂層等。

本工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為非嵌巖單樁鋼管樁結(jié)構(gòu)，單樁最大重量1 823 t，鋼管樁壁厚65～95 mm，最大樁長113.57 m，最大樁徑φ8.5 m，樁頂標(biāo)高＋18.0 m。

3 技術(shù)難點

3.1 船機(jī)裝備要求高

φ8.5 m單樁基礎(chǔ)沉樁施工，鋼管樁最大重量1 823 t，最大長度113.57 m。在開敞海域流向復(fù)雜，水深在30 m以上，風(fēng)大浪高，波距較長。沉樁過程垂直度控制難度較大，鋼管樁直徑大較長且重，地質(zhì)條件較差，對沉樁施工的船機(jī)設(shè)備要求高。

3.2 沉樁精度要求高

本工程單樁基礎(chǔ)用鋼管樁沉樁允許偏差：

（1）絕對位置允許偏差＜500 mm；

（2）高程允許偏差＜＋50 mm；

（3）沉樁完成后的基礎(chǔ)頂水平度（樁軸線傾斜度）偏差≤3‰。

3.3 樁頂法蘭保護(hù)

本工程所有鋼管樁沉樁完成后，按照設(shè)計要求，均對樁體頂法蘭、頂法蘭與樁體焊接區(qū)域進(jìn)行100% UT無損檢驗，驗收等級為Ⅰ級。如大型液壓沖擊錘直接作用在樁頂，會對樁頂法蘭及其焊縫造成影響。

3.4 可能發(fā)生溜樁現(xiàn)象

分析地質(zhì)資料可知，海上風(fēng)電場局部區(qū)域存在地基土中夾雜的軟弱下臥層，呈可塑～軟塑狀，且層厚最大可達(dá)到19.1 m。鋼管樁在穿過地基土較為堅硬的土層進(jìn)入該軟弱下臥層后，可能會發(fā)生溜樁的危險。

4 沉樁施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 主要船機(jī)裝備選型

4.1.1 起重船

起重船選型時首先考慮起重應(yīng)滿足的條件，其次考慮船體在該海域的穩(wěn)定性。沉樁主船需用大型起重船，要求在旋轉(zhuǎn)半徑內(nèi)起重量能覆蓋運輸船舶?？糠秶醺邼M足吊索具長度加樁長，可利用施工海域水深作為樁身豎直高度。目前國內(nèi)起重設(shè)備現(xiàn)狀是大型起重船舶不多且起重設(shè)備老舊，所以起重設(shè)備的各類剎車系統(tǒng)及部件也是選型時應(yīng)考慮的關(guān)鍵條件之一。在北方海域施工時水流較為平穩(wěn)，船體的長度、寬度和吃水深度可選擇范圍大。在臺灣海峽及南海海域施工時，需選用吃水較深，寬度及長度都較大的船體，船的長度選擇時最好在該海域較大波長的1.5倍波長以上，本項目選用宇航32起重船。

4.1.2 打樁錘

沉樁錘選擇，對于單樁基礎(chǔ)打樁，首先考察的是打樁設(shè)備，樁錘是沖擊沉樁的主要設(shè)備，選擇合適的錘型，使錘擊力能充分超過沉樁阻力而使樁貫入，如果樁錘重量不足，則沉樁困難，并容易引起樁頭破損。但當(dāng)用大錘型打擊小直徑樁時，也會使樁產(chǎn)生縱向屈曲和局部破壞，在用大樁錘施打小直徑鋼管樁時，可調(diào)節(jié)液壓錘的錘擊能量達(dá)到需求值。根據(jù)設(shè)計要求選擇建立打樁分析模型計算復(fù)核所選用錘型是否滿足要求，滿足要求即可選用。

4.1.3 穩(wěn)樁平臺

穩(wěn)樁平臺可選用浮式穩(wěn)樁平臺或座底式穩(wěn)樁平臺。浮式穩(wěn)樁平臺是利用大型駁船配套移動抱樁架，座底式平臺轉(zhuǎn)移場址時利用起重船吊運至下一場址。在工期緊，要及時把握施工窗口的情況下，建造一艘平臺船時間較長且費用較高，建議建造座底式穩(wěn)樁平臺，建造周期短能快速投用。淤泥層較厚的海域，建議使用浮式穩(wěn)樁平臺，座底式穩(wěn)樁平臺容易造成自重下沉后提升困難而不適用。項目前期選用亨通藍(lán)德浮式穩(wěn)樁平臺，后期增加座底式穩(wěn)樁平臺。

4.1.4 拖輪、錨艇及運輸船舶

南海地區(qū)拖輪可配置成一艘5 000 HP以上錨拖一體船，在特殊情況需要拖輪時用作拖輪，遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)場時如果需要增加拖輪則可以臨時增加1艘拖輪，在施工期間作錨艇用，再增加一艘4 000 HP錨艇即可。運輸船舶選型時在滿足裝載能力的條件下，同時滿足抗風(fēng)浪能力和是否能夠自錨，根據(jù)鋼管樁生產(chǎn)廠家在出運碼頭的裝船方式來確定船體尺寸及運輸工裝。

4.2 沉樁精度控制技術(shù)

4.2.1 定位測量

定位測量方法采用Trimble5700型號GPS動態(tài)實時差分技術(shù)，Trimble5700靜態(tài)定位精度5 mm＋1 ppm，動態(tài)定位（實時差分定位 RTK）10 mm＋1 ppm?？梢噪S時準(zhǔn)確進(jìn)行84坐標(biāo)、54坐標(biāo)、當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)以及施工坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換。

動態(tài)實時差分GPS定位方法：在岸上設(shè)立永久性基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站距移動站小于20 km，定位精度為10 mm＋20 km×1 ppm＝30 mm，最大誤差不超過50 mm，滿足施工規(guī)范要求。每艘定位船上安裝兩臺Trimble5700移動站，利用中海達(dá)儀器公司的“海洋成圖軟件”對定位船進(jìn)行實時動態(tài)定位或Trimble海測成圖軟件HYDRO Pro。在施工過程中，預(yù)先在微機(jī)上設(shè)置好施工區(qū)域，通過GPS定位實時顯示和調(diào)整船的姿態(tài)，直觀而且準(zhǔn)確地控制施工［3］。

4.2.2 穩(wěn)樁平臺定位

考慮施工區(qū)域波浪及水流情況，為保證穩(wěn)樁平臺受波浪、水流影響較小，穩(wěn)樁平臺船采取正南正北站位，船艏4個錨纜的出繩方向均與穩(wěn)樁平臺船縱軸線成40°，錨纜長度為600 m，拋錨長度控制在500 m以上。穩(wěn)樁平臺具體施工步驟［4］：

（1）利用平臺船艏部凹槽設(shè)置支撐座。

（2）在預(yù)設(shè)的支撐座上安放穩(wěn)樁平臺。

（3）在穩(wěn)樁平臺四角導(dǎo)向管內(nèi)插入臨時支撐樁，并采用振動錘沉樁。支撐樁打入泥15～16 m。

（4）提升穩(wěn)樁平臺，離開船體；懸吊穩(wěn)樁平臺在臨時支撐樁上，基本調(diào)平后與臨時支撐樁鎖定。

（5）穩(wěn)樁平臺就位完成［5］。穩(wěn)樁平臺支撐樁沉樁如圖1所示。

圖1 支撐樁沉樁

4.2.3 主起重船定位

穩(wěn)樁平臺定位完成后，起重船由拖輪拖向施工海域，主起重船艏部和艉部拋“八”字錨，同時在艏部和艉部各增加一個牽引錨，所有錨均為霍爾錨，重5.25 t。拋錨長度為500 m，主起重船錨纜壓穩(wěn)樁平臺錨纜。

起重船定位時船舶縱向中心軸線應(yīng)基本與穩(wěn)樁平臺船縱向中心軸線的延長線重合，艏部朝向穩(wěn)樁平臺船，留有足夠的安全距離。

4.2.4 鋼管樁立樁

（1）主吊耳掛鋼絲繩、溜尾鉤吊掛，鋼管樁主吊耳共兩個，需掛兩根鋼絲繩。通過主起重船吊鋼絲繩，人員引導(dǎo)掛鉤的方法完成。

使用新工藝用430 t溜尾鉤作為翻樁措施替代了翻樁吊耳。溜尾鉤通過鋼絲繩與輔助起重船吊鉤連接，翻身鉗吊掛于鋼樁上方管壁。溜尾鉤吊掛管壁如圖2所示。

圖2 溜尾鉤吊掛管壁

（2）待鋼絲繩掛吊耳完畢、溜尾鉤吊掛完成后，人員撤離至安全位置。運樁船提前進(jìn)行調(diào)載，向鋼樁起吊一側(cè)壓水，保證起吊后船舶穩(wěn)性。主、輔起重船在統(tǒng)一指揮下，相互配合將鋼管樁緩緩吊離運樁船，起吊前主、輔起重船配合起吊多次，起吊高度10 cm，試吊時間約20 min。檢查焊點、吊索具是否滿足施工要求，保障后續(xù)安全施工。

（3）立樁通過主起重船主鉤加力緩緩上升，輔助起重船主鉤減力緩緩下降將鋼管樁立成豎直狀態(tài)。鋼管樁豎直后，溜尾鉤自動脫離。

4.2.5 自沉樁

鋼管樁豎直穩(wěn)定后主起重船吊樁送至抱樁器。移樁通過主起重船絞纜進(jìn)行。主起重船通過絞纜先進(jìn)行南北方向位移，再進(jìn)行東西方向位移，最終將鋼管樁吊運至穩(wěn)樁平臺抱樁器中，抱樁器通過液壓頂控制閉合。

（1）液壓頂頂推固定鋼管樁，鋼管樁穩(wěn)定不再搖晃后，抱樁器上下兩層共8個液壓頂推缸固定鋼管樁。

（2）調(diào)整平面位置，通過上下兩層液壓頂推缸相互配合調(diào)整平面位置，使鋼管樁基本位于抱樁器中心位置，調(diào)節(jié)液壓頂推缸同時進(jìn)行垂直度調(diào)節(jié)。

（3）沉樁前結(jié)合地質(zhì)情況，打樁分析中自沉深度與實際自沉深度對比，注意在鋼管樁自沉過程中嚴(yán)格控制沉樁速度，測量人員實時觀測，及時調(diào)整垂直度。自沉穩(wěn)定后，測量人員檢測樁身垂直度，并通過臨時作業(yè)平臺登至樁頂，利用水準(zhǔn)儀測量法蘭面水平度是否滿足＜1‰的要求（規(guī)范要求3‰）。如不滿足，則調(diào)節(jié)液壓頂推缸直至法蘭面水平度最終控制在1‰以內(nèi)為止。

4.2.6 垂直度調(diào)控方法

亨通藍(lán)德穩(wěn)樁平臺上下抱箍各設(shè)4個300 t液壓缸推桿，上下抱箍高差10 m，單個有效壓力約21 MPa，沿圓周均勻布設(shè)，以調(diào)整鋼管樁垂直度［6］。

（1）喂樁過程，當(dāng)鋼管樁大約吊放在設(shè)計位置時，點鉤下放至樁尖距離泥面1 m。調(diào)節(jié)兩臺全站儀呈90°角同時觀測鋼管樁垂直度，樁身垂直度調(diào)節(jié)通過液壓頂推油缸進(jìn)行，保證垂直度＜1‰。

鋼管樁第一次調(diào)整尤為重要，在插樁入位過程中進(jìn)行鋼管樁垂直度的初步調(diào)整。由于鋼管樁重量大，糾偏難度大，為預(yù)防垂直度偏差過大對后續(xù)工序造成影響，鋼管樁完成插樁和自重入泥過程中，要及時完成垂直度調(diào)控。

（2）自沉階段，鋼樁入泥后，調(diào)整垂直吊耳方向“垂線”垂直度通過調(diào)整兩個鉤頭高度進(jìn)行，另一方向垂直狀態(tài)通過起重船扒桿調(diào)整方位，使液壓缸推桿頂滾輪接觸管樁外壁稍受力即可；慢松鉤頭慢減吊荷，使樁沿著穩(wěn)樁平臺定向平穩(wěn)自沉，同時檢查垂直度，保持鋼管樁垂直下沉；并利用抱樁器上下兩層頂推油缸限位控制垂直度及平面位置。

鋼管樁自沉至穩(wěn)定后，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‰后允許摘鉤，進(jìn)行錘擊沉樁施工。同時測量人員在穩(wěn)樁平臺上使用經(jīng)緯儀與水準(zhǔn)儀測量法蘭的水平度與鋼管樁垂直度的關(guān)系，將關(guān)系值作為沉樁過程控制鋼管樁垂直度的依據(jù)，法蘭的水平度與鋼管樁垂直度誤差控制在0.5‰。

為保障操作人員安全和防止溜樁等，并有效提高鋼樁垂直度及平面位置精度控制，在整個沉樁過程中應(yīng)緩慢進(jìn)行吊鉤卸力；此外，進(jìn)行復(fù)測穩(wěn)樁平臺平面位置，密切觀察抱樁器，如平臺位置發(fā)生偏移應(yīng)停止插樁，查明偏差大小及具體原因，制定補(bǔ)救措施。

（3）錘擊沉樁階段，錘擊沉樁通過穩(wěn)樁平臺上下兩層的液壓頂推桿調(diào)節(jié)，方法參考自沉階段。

4.2.7 測量頻次

在沉樁作業(yè)過程中，由測量人員對沉樁深度進(jìn)行觀測，每下沉1 m，及時反饋到指揮人員，停止錘擊或停止吊鉤卸力，隨后在穩(wěn)樁平臺上對樁的垂直度進(jìn)行復(fù)測。如發(fā)現(xiàn)垂直度偏差超過允許范圍時進(jìn)行糾偏，將偏差調(diào)整到1‰以內(nèi)，再進(jìn)行沉樁作業(yè)，直至到沉樁作業(yè)結(jié)束。

4.3 法蘭保護(hù)

4.3.1 鋼管樁軸向承載力計算

本項目鋼管樁為擴(kuò)口樁，打入鋼管樁軸向承載力按樁的軸向極限承載力計算，打樁分析計算采用GRLWEAP軟件進(jìn)行計算。

在進(jìn)行打樁分析時，打樁阻力參考《海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和推薦作法-工作應(yīng)力設(shè)計法》規(guī)范進(jìn)行計算，打樁阻力可按以下公式進(jìn)行估算。

式中，Qf為樁側(cè)摩阻力；Qp為樁端總承載力；f為單位樁側(cè)摩阻力；AS為樁側(cè)表面積；q為單位樁端承載力；Ap為樁端總面積［7］。

單樁基礎(chǔ)進(jìn)行可打性分析［8］。首先考察的是打樁設(shè)備，樁錘是沖擊沉樁的主要設(shè)備，選擇合適的錘型，使錘擊力能充分超過沉樁阻力而使樁貫入，如果樁錘重量不足，則沉樁困難，并容易引起樁頭破損。但當(dāng)用大錘型打擊小直徑樁時，也會使樁產(chǎn)生縱向屈曲和局部破壞。根據(jù)設(shè)計要求，選用IHC-S3000錘型進(jìn)行分析［9］，建立打樁分析模型，分析結(jié)果如表1所示。

表1 基礎(chǔ)可打性分析結(jié)果

4.3.2 送樁器及液壓錘吊裝

（1）送樁器吊裝：送樁器上設(shè)有4個吊點，由主起重船通過吊索具連接，安放樁頂法蘭盤上。在安裝過程中，起重船起吊緩慢進(jìn)行，防止送樁器對法蘭碰撞造成損壞［10］。

（2）液壓錘的吊裝及壓錘：液壓錘的吊裝利用主起重船主鉤緩緩將組裝件從甲板吊運至樁頂；液壓錘重約380 t，臨時送樁器重約110 t，合計約490 t；待液壓錘安裝完畢后進(jìn)行壓錘靜壓施工。

4.3.3 錘擊

（1）錘擊施工，開始沉樁前三錘實施最小能量單擊（IHC S-3000液壓錘最小能量為204 kJ），每次停錘后，均進(jìn)行垂直度監(jiān)測。然后以最小能量連擊，并根據(jù)打樁分析、鋼管樁實際貫入度情況并結(jié)合地勘情況調(diào)節(jié)夯擊能，每沉樁2～3 m即停錘檢查垂直度一次，以防鋼管樁發(fā)生較大傾斜，確定無誤后再逐漸加大夯擊能持續(xù)進(jìn)行錘擊［11］。

（2）通過GPS測量穩(wěn)樁平臺下層平臺標(biāo)高，采用液壓頂端部作為標(biāo)記。當(dāng)樁頂標(biāo)高沉樁至距設(shè)計標(biāo)高1 m左右時，控制錘擊貫入度和打擊能量，設(shè)定每觀測一次垂直度的下沉高度為250 mm。樁頂接近設(shè)計標(biāo)高位置時，全站儀采用三角高程方法測量并記錄樁頂高程。錘擊結(jié)束后，吊裝內(nèi)平臺，測量人員在內(nèi)平臺復(fù)測樁頂高程，滿足偏差50 mm要求［12］。

（3）沉樁至頂標(biāo)高14 m左右，暫停錘擊，安裝高應(yīng)變檢測傳感器，完成后繼續(xù)錘擊至設(shè)計標(biāo)高，采集應(yīng)變檢測數(shù)據(jù)。沉樁完成后在內(nèi)平臺上進(jìn)行法蘭無損探傷。沉樁工時統(tǒng)計沉樁用時約為8 h。

（4）ZK59號樁夯擊能分析，鋼管樁自沉21.4 m，與可打入分析中自沉16 m的預(yù)測相比自沉深度較大。觀察夯擊能折線圖，在樁尖進(jìn)入粉砂層后，即入泥22.3 m后，夯擊能量無明顯變化，入泥23～24 m甚至發(fā)生溜樁現(xiàn)象，當(dāng)入泥29 m時，此時樁尖仍在粉砂層，但每米的總夯擊能量由38 202 kJ逐漸增大至62 760 kJ，每下沉1 m，增量約20 000 kJ，最后在粉砂層底部37 m附近增至160 000 kJ左右，在同一土層每1 m夯擊能出現(xiàn)較大變化。整個過程參考可打入分析的夯擊能損耗率達(dá)到58.7%。

4.4 溜樁控制

鋼管樁在穿過地基土較為堅硬的土層進(jìn)入該軟弱下臥層后，可能會發(fā)生溜樁的危險，用以下措施控制溜樁現(xiàn)象。

（1）根據(jù)地質(zhì)資料，逐樁對比分析，如標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)變化、相鄰?fù)翆酉鄬γ軐嵆潭?、是否存在易液化土層等判別會溜樁的軟弱土層，并制定防溜樁措施。

（2）沉樁開始時，液壓沖擊錘從小能量（380 kJ）開始，逐漸增大錘擊能量。

（3）在鋼管樁樁尖即將進(jìn)入易溜樁土層時，減小錘擊能量，保持低能量錘擊，避免沉樁過程中對周圍土體的過大擾動，并實時監(jiān)控鋼管樁樁身進(jìn)尺情況。

（4）進(jìn)入軟弱土層后，采用間斷錘擊的方式進(jìn)行沉樁，即手動小能量錘擊2擊，停頓1次，控制貫入度和錘擊能量，并觀察樁身穩(wěn)定情況。

（5）若該場區(qū)普遍出現(xiàn)超長溜樁現(xiàn)象，投入液壓振動錘聯(lián)動錘組進(jìn)行振沉送樁，穩(wěn)定后采用沖擊錘沉樁至設(shè)計標(biāo)高。

5 結(jié)論

在開敞海域復(fù)雜海況條件下，該設(shè)備選型和施工方法、工藝在大型鋼管樁沉樁施工中成功應(yīng)用，并得出以下體會：

（1）立樁環(huán)節(jié)采用新工藝，即使用溜尾鉤輔助翻樁后，立樁環(huán)節(jié)時間顯著縮短。相比使用立樁吊耳的輔助立樁方式，省去了現(xiàn)場工人安裝卸扣的時間，減少了高空作業(yè)，增加了安全性，同時無需在樁體加焊翻樁吊耳，節(jié)約了項目成本。

（2）起重船選型時，按起重量和船型的原則，重視起重剎車部分，國內(nèi)現(xiàn)有起重船的剎車部分有較大的優(yōu)化改進(jìn)空間。

（3）鋼管樁沉樁工效基本一致，從立樁開始到錘擊施工完成用時約為8 h。實際施工過程中，錘擊沉樁時間較短，僅占約35%。

（4）夯擊能分析，在同一土層每1 m夯擊能出現(xiàn)較大變化，整個過程參考可打入分析的夯擊能損耗率偏高時，要利用實際錘擊參數(shù)及時修正計算參數(shù)。