林善懿

（中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門分公司，福建 廈門 361006）

中廣核平潭大練海上風(fēng)電場項目單樁基礎(chǔ)采用大直徑鋼管樁，其直徑6.3m～6.8m，樁長約68.6m～84.6m，樁重664t～973t，目前項目上鋼管樁吊耳設(shè)計一般設(shè)置在鋼管樁重心偏上的位置，下吊點采用在樁底部兜底吊方式進行起吊，由于主吊點距離重心較近，導(dǎo)致下吊的受力分配值較小，起吊翻樁后，因管軸式主吊耳處與鋼絲繩圈的摩擦阻力作用使樁無法自然形成豎直狀態(tài)，從而導(dǎo)致單樁入龍口困難，，延長施工時間，浪費了寶貴的窗口期。如何優(yōu)化設(shè)計，使單樁起吊、下吊點脫鉤后能夠達到自然豎直的狀態(tài)、提高施工效率成為一個亟需解決的問題。

1 工程概況

中廣核平潭大練海上風(fēng)電場項目位于平潭大練、小練東北側(cè)及白青東北側(cè)，場址分A、B、C 3 塊區(qū)域，合同范圍主要為C 區(qū)18 臺風(fēng)機基礎(chǔ)及A 區(qū)41 臺風(fēng)機安裝工程，其中采用大直徑鋼管樁基礎(chǔ)的共計28 臺。單樁基礎(chǔ)的沉樁施工施工工藝流程如圖1 所示。

圖1 非嵌巖型單樁沉樁施工工藝流程圖

為了保證鋼管樁沉樁垂直度以及鋼管樁脫鉤后穩(wěn)定，采用穩(wěn)樁平臺進行對鋼管樁進行固定。由于大直徑鋼管樁直徑6.3m～6.8m，樁長約68.6m～84.6m，樁重664t～973t，翻樁完成后進入穩(wěn)樁平臺吊裝對起重船的吊高要求非常高，因此穩(wěn)樁平臺上留有一個U 型口（即龍口），待鋼管樁進入龍口后，將龍口封閉。穩(wěn)樁平臺結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 穩(wěn)樁平臺結(jié)構(gòu)示意圖

2 現(xiàn)況調(diào)查

現(xiàn)場施工過程中，C13 單樁完成翻樁后，在重力作用下，樁身還是與鋼絞線（豎直線）存在的夾角較大，始終保持傾斜狀態(tài)。在入龍口的過程中，調(diào)直困難，且由于涌浪的影響，船身晃動，導(dǎo)致樁身經(jīng)常與穩(wěn)樁平臺發(fā)生碰撞剮蹭，遲遲無法進入下一步驟，最終采用各種方法進行頂推調(diào)整，直至樁身垂直度滿足要求，共耗時14h 才調(diào)整完成進入單樁自重入土（即穩(wěn)樁）步驟。后續(xù)又對C04、C11、C15 單樁沉樁進行調(diào)查，其結(jié)果與C13 單樁入龍口相近，耗時10h～16h才完成單樁調(diào)直步驟。具體結(jié)果如表1 所示。

表1 單樁沉樁調(diào)查結(jié)果

工程所處的平潭海域地質(zhì)條件復(fù)雜，海上風(fēng)電施工船機設(shè)備租金昂貴，每年可作業(yè)天數(shù)約在105 d 左右，因此為了達到施工進度目標(biāo)，施工窗口期尤為寶貴。且海上施工不確定因素多，海況瞬息萬變，長時間吊樁入龍口作業(yè)會增加樁體與穩(wěn)樁平臺碰撞的概率和次數(shù)，出現(xiàn)穩(wěn)樁平臺破壞松動、樁體變形以及增加施工安全等風(fēng)險。

3 原因分析及設(shè)計優(yōu)化

3.1 原因分析

由于在C13、C11、C15、C04 四根單樁施工過程中，下吊點松鉤后，樁體成傾斜狀態(tài)，無法自動豎直，因此對樁體結(jié)構(gòu)以及翻樁工藝進行研究，最終確定主要原因為鋼管樁的吊耳設(shè)計得與樁重心距離太近。對此，可根據(jù)剛體的轉(zhuǎn)動慣量公式：

式中：為轉(zhuǎn)動慣量，kg·m；為單樁質(zhì)量，kg；為重心到吊耳的距離，m。

由式（1）可知，越小單樁的轉(zhuǎn)動慣量越小。因此，單樁保持靜止的特性越差，單樁整體起吊翻樁，下吊點脫鉤后稍微受風(fēng)浪影響就會繞吊耳轉(zhuǎn)動，接近于蕩秋千狀態(tài)，豎直狀態(tài)不穩(wěn)定。圖3 為單樁豎直起吊狀態(tài)下受力示意圖，圖中為上吊點受力（kN），為單樁重力（kN），為吊耳到重心距離（m）。

圖3 單樁豎直起吊狀態(tài)下受力示意圖

圖4 為雙鉤抬樁時受力示意圖。為上吊點受力（kN），為下吊點受力（kN），G 為單樁重力（kN），為吊耳到重心距離（m），為重心到樁底距離（m）。在整個翻樁過程中，下吊點受力最大，然后根據(jù)下吊點慢慢下放，下吊點受力慢慢變小，鋼管樁逐漸趨于豎直狀態(tài)。

圖4 雙鉤抬樁時受力示意圖

取吊耳點為軸心，根據(jù)力學(xué)原理列力矩平衡方程和力平衡方程可得式（2）、式（3）。

式中：∑為力矩和，kN·m；為單樁重力，kN；為吊耳到重心距離，m；為重心到樁底距離，m；∑為合力，kN；為上吊點受力，kN；為下吊點受力，kN。

由式（2）、式（3）可得出上下吊點受力。

根據(jù)現(xiàn)場各樁入龍口時長統(tǒng)計，做出下吊點受力占比與入龍口時長統(tǒng)計關(guān)系圖，如圖5 所示。

通過分析圖5 發(fā)現(xiàn)，下吊點受力占比與單樁入龍口耗時呈負(fù)相關(guān)。

圖5 下吊點受力占比與龍口時長關(guān)系圖

3.2 設(shè)計優(yōu)化

對以上結(jié)果進行分析，以C13、C04 為參考，聯(lián)系業(yè)主、監(jiān)理設(shè)計單位投遞聯(lián)系單，經(jīng)過力學(xué)原理分析，對下點受力占比較低的C12，C02 單樁吊耳位置做出修改，使下吊點受力達到10%以上。修改后單樁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表2。

表2 修改后單樁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

4 優(yōu)化效果

大直徑鋼管樁吊耳位置修改后，根據(jù)C12、C02 現(xiàn)場實際施工情況顯示，單樁起吊翻樁時，由于吊耳位置改變，其上吊點與下吊點的受力發(fā)生改變，下吊點受力變大。當(dāng)下吊點受力分配比值達到10%以上后，下吊點松鉤后，由于重力的作用，樁底下垂，很容易達成自然豎直狀態(tài)。樁身翻樁一步到位，垂直度明顯變好，單樁入龍口時間大大縮短，提高了現(xiàn)場施工效率，保障施工安全，表3 為吊耳調(diào)整及沉樁時間表。

表3 吊耳調(diào)整及沉樁時間表

5 取得效益

該方法應(yīng)用后，平均每次沉樁施工可減少工作時間約10h，起重船機、輔助船舶臺班費、船機耗油量、人員設(shè)備投入費用等可節(jié)約接近20 萬元。關(guān)系更大的是：該項目所處海域每一個可作業(yè)窗口期的時間并不長，一般為2d～6d，如果單樁入龍口調(diào)直花了較長時間，而失去了在同一個窗口期內(nèi)沉單樁的可能性，那么經(jīng)濟損失會增加。如果按沉單樁的1 個船組的半個月的船租及油耗來估算，1 個機位的平臺搭設(shè)，該優(yōu)化方案能體現(xiàn)出的經(jīng)濟效益約300 萬元。

單樁起吊后樁身傾斜程度越大，入龍口施工時間越長，樁身與穩(wěn)樁平臺千斤頂碰撞的次數(shù)越多，危險性因素持續(xù)時間也就越長，該優(yōu)化措施可有效避免單樁與穩(wěn)樁平臺千斤頂之間的碰撞，優(yōu)點是快速、高效，調(diào)直入龍口，明顯減少現(xiàn)場安全隱患。

此外單樁沉樁過程基本不可逆，一旦單樁起吊后下吊點脫鉤，就必須沉樁至單樁能自穩(wěn)的標(biāo)高，如果因為樁身傾斜，入龍口調(diào)直耗時過長或無法入龍口調(diào)直，導(dǎo)致船機不能及時退場避風(fēng)避臺，后果不堪設(shè)想，該優(yōu)化方案產(chǎn)生的潛在安全效益不可用金錢衡量。

6 結(jié)語

對于單體質(zhì)量600t～1000t 級別的單樁主吊點的設(shè)置，保證下吊點的受力值占整根樁質(zhì)量的13%以上，30%以下，較為合理。如果下吊點受力值占比在30%以上，就會有新的問題出現(xiàn)，這樣會使下吊點的受力值提高很多，經(jīng)常會達300t 以上，單船起吊往往會因副鉤起吊能力不足而不能實現(xiàn)，雙船抬吊又增加了很多不可控因素及安全風(fēng)險。因此合理參考。設(shè)置單樁吊耳位置，能夠確保單樁入龍口時保持垂直狀態(tài)，縮短入龍口時長，節(jié)約寶貴窗口期時間，為后續(xù)單樁施工提供參考。