浅谈海上潮间带风电场无过渡段单管桩基础施工方案

王徽华 曹春潼 冯小星

摘要：根据国外经验海上风电场基础适合采用大直径钢管单桩结构，目前国内尚处于探索试验阶段，其难点是施工效率的低、垂直度难以控制。我司通过1年多的探索和试验，成功掌握一套海上潮间带风电场无过渡段单管桩基础施工方法，该套施工方法可达1根/天的单管桩施工效率,垂直度均小于2.75‰，远小于国际上的5‰。适合于海上潮间带风电场规模化推广应用。

关键词：海上风电场、潮间带、单管桩、液压冲击沉桩、施工工艺

Abstract: based on the foreign experience offshore wind farms for the foundation of large diameter steel pipe single pile structure at present, our country is still in exploring stage, it is difficult to test the construction efficiency is low, the vertical degree is difficult to control. Our company through more than a year of exploration and test, the success to master a set of offshore wind farms intertidal zone without transition period of single pile foundation construction method, this set of construction method can reach 1 root/day of single pile construction efficiency, vertical degree are all smaller than 2.75 ‰, far less than the international 5 ‰. Suitable for sea on intertidal wind farm scale application.

Keywords: offshore wind farms, intertidal zone, single pile, hydraulic impact piles, construction technology

中图分类号： TU473.1 文献标识码： A 文章编号：

引言

随着化石能源逐渐枯竭，国际逐渐加大对非化石能源的开发和生产。近几年国内对非化石能源的开发主要致力于风力发电。由于陆上风电资源主要分布于西北、东北等远离人口密集的偏远地区，且陆上风电存在弃风、远距离输送、环境影响等因素，而国内人口密集的发达城市基本位于沿海地区，沿海海域风力发电开发利用前景广阔。

目前国内海上风电场尚未大面积开发利用的主要原因是施工设备短缺、施工技术不成熟等导致施工效率低下、施工成本高。鉴于当前国内的形势，我司定制了一艘可坐滩（搁浅）作业、有双层液压抱桩器、360°全回转双钩起重量800T的多功能施工船，并采购了一套荷兰IHC-S800液压打桩锤。利用这些主要设备和社会上的辅助船机设备，我司通过1年的实践摸索，探讨出一套高效率、低成本的潮间带无过渡段单管桩施工方法。

工程概述

该风电场场区布置于洋口港环港作业区以东，刘埠闸沟槽以西的海域，风电场边沿距海堤约4.5km，北为外海侧。场区地貌为沿海潮间带，地面高程一般为1.0～-2.2m（1985 国家高程基准），平均高潮位时水深1～4m，平均低潮位时露滩，露滩时间约4～6h[1]。

该风电场布置40台2.3MW风机[2]，基础形式均为无过渡段单管桩结构：外径4.7～5m、板厚45～65mm、长度43～59m，重量320T～400T，结构形式见图1。

图1.无过渡段单管桩基础结构图

施工方案

3.1运输方案

3.1.1施工和制作场地状况

根据潮汐表（85高程数据）和如东海面高程，计算出施工现场如东潮间带海域实际水深，从下表1中可看出，施工期间大潮汛约有2～3h水深为2.5.～3.5米。

表1. 2012年8月如东潮间带水深表（单位cm）

单管桩制作场地位于上海振华重工大南通基地（苏头大桥下游），从制作场地到施工现场采用水运，距离约250Km。

3.1.2运输船选择

故此运输船满载吃水必须满足＜2.2米（留0.3米余量）要求。结合社会上现有运输设备，租赁2艘3000吨左右平底运输船，可保证一艘现场施工，一艘内场装船。

船长68米，船宽14.2米，型深3.5米，满载吃水2.2米，航速15节，均具有座滩（搁浅）能力。

3.1.3单管桩装船方案

鉴于运输船宽度仅14.5米，而单管桩直径为4.7～5.2米，故一艘运输船装运2套单管桩及相应附属件，布置方式见图2。

图2.运输布置图

3.2立桩方案

3.2.1吊点设置

本项目单管桩规格参数：外径4.7～5m、长度43～59m，重量320T～400T。由于外形大、重量大，故在桩上端下方约12.5米位置桩外侧对称设置2个吊耳，采用Q345、50mm厚钢板卷制，并设置钢丝绳防脱板，结构形式见图3。

图3.吊耳布置图

通过SolidWorks对吊耳强度进行有限元分析，结果见图4。从图中可看出，最大应力为47.5Mpa＜275 Mpa，满足强度要求。

图4.吊耳有限元分析（800T载荷）

3.2.2吊具设计

1）吊梁设计

考虑吊梁在今后更大项目中可重复使用，吊梁的额定承载能力设计为800T，保持与800T起重机额定载荷一致。结构形式如图5，由于其下端设置6个耳孔，可以适用一定范围（5.25～6.65米）内不同直径单管桩的吊装需求。

图5.800T吊梁结构图

通过SolidWorks对吊耳强度进行有限元分析，结果见图6。从图中可看出，最大应力为104.3Mpa＜275 Mpa，满足强度要求。

图6.吊梁有限元分析（800T载荷）

2）索具选型

吊具均选择巨力公司标准吊具，详细配置如下：

单管桩上端索具：与800T吊梁相匹配，各种索具设置为：吊梁下端设置4个200T卸扣、2根250T-32米钢丝绳（对折使用，载荷400T），吊梁上端设置4个250T卸扣，2根300T-16米钢丝绳（对折使用，载荷480T）。

单管桩下端索具：1根250T-32米钢丝绳圈（对折使用，400T）

3）吊具布置

单管桩采用800T起重机抬吊至滩面过程中索具布置如图7。

图7.单管桩抬吊索具布置图

单管桩竖立时先将单管桩下端索具拆除，然后上端索具重新挂双钩，如图8。

图8.单管桩竖立挂双钩

3.2.3立桩方案

鉴于如东潮间带海域潮汐特点：大潮汛期间每天有2次高潮，2次低潮，高潮时有2～3h水深为2.5.～3.5米，低潮时有5～6h露滩时间，立柱方案采取以下施工流程：

高潮时800T打桩船定位→运输船定位→低潮时抬吊单管桩至滩面→单管桩上端更换为双钩→竖立→入抱桩器。

1.抬吊单桩 2.至滩面 3.换双钩 4.竖立 5.入抱桩器

图9.立桩施工流程

3.3沉桩方案

3.3.1自沉

单管桩入抱桩器后，合拢上下抱桩器，通过每个抱桩器4个千斤顶伸缩动作，并配合800T起重机钩头起降和臂架起升动作调整单管桩垂直度，使垂直度满足≤0.5‰后，缓慢下降800T起重机钩头，开始自沉。自称过程中根据2个垂直方位测量的垂直度数据，实时通过抱桩器千斤顶和800T起重机配合来调整单管桩垂直度，使其垂直度始终满足≤0.5‰要求。直至自沉完毕，通常自沉入土深度为2.5～7米。

3.3.2压锤

自沉完毕后，通过浪风绳将索具脱离吊耳，然后将所有索具拆卸至甲板上。再将S800液压冲击锤吊装至单管桩顶，一般压锤后单管桩入土深度增加0.5～2米。压锤过程中通过望远镜观测冲击锤桩帽筋板是否与单管桩顶平台挡板干涉，若干涉则通过浪风绳旋转冲击锤桩帽，使冲击锤桩帽筋板避开单管桩顶平台挡板。

图10.压锤

3.3.3连续沉桩

以S800冲击锤以最低能量、流量【3】单击沉桩，每响一锤观测一次垂直度和贯入度，若垂直度产生偏差则需调整。

连续3～5次单击过程无溜桩、垂直度偏差变大等异常情况后，开始连续沉桩，沉桩沉桩过程中适当加大冲击锤能量和流量，控制贯入度在20～100mm范围内。

在整个沉桩过程中，通过两个垂直度方位水准仪的测量数据，实时控制垂直度偏差，若出现垂直度偏差有变大趋势，则立刻停锤通过上下抱桩器左右前后动作、千斤顶伸缩动作和800T起重机起降等动作配合，将垂直度控制在2.75‰范围之内。

在单管桩桩顶标高距离距离设计标高1.5米左右时，适当降低冲击锤能量并连续沉桩，将贯入度控制在10mm以内，直至单管桩桩顶标高至设计标高。最终桩顶标高偏差不超过50mm，垂直度误差不超过2.75‰。

3.3.4卸锤

沉桩完毕后，通过800T起重机将液压冲击锤吊卸至甲板面。

在起吊液压冲击锤过程中实时观测起重机承载数据，若发生突然增大现象，则发生了冲击锤桩帽筋板与桩顶平台挡板干涉现象，需要立刻停止起重机钩头起升，然后缓慢下降钩头，再旋转冲击锤，使桩帽筋板避开桩顶平台挡板，再重新起升起重机钩头。

总结

本文简述了一种潮间带海域无过渡段单管桩的运输、起吊、立桩和打桩施工过程， 该套施工方法的特点是：1）定制了适合于潮间带施工、有双层液压抱桩器、360°全回转双钩起重量800T的多功能施工船，并采购了大能量液压冲击锤S800,且整合社会现有资源租用了可坐滩、浅吃吃水运输船；2）充分结合了潮间带海域潮汐特点，高潮时移船定位，低潮露滩时立桩、打桩，并利用露滩时间滩面沙地为下支撑点进行单管桩竖立，大大减少工装的投入，提高施工效率；3）设计了专用800T吊梁，可以适应一定范围内不同直径单管桩的施工要求；4）通过经验总结，采用双钩竖立单桩，以便于后续沉桩过程中吊耳方向垂直度的调整；5）配置了双层液压抱桩器，其大臂即可前后伸缩，也可左右调整，并且每层抱桩器均配置4个100T千斤顶，以便单管桩垂直度的微调。

通过一年多的施工经验总结，已形成一套成熟的施工方法，现已达到每天1套风机单管桩基础沉桩的施工效率，我司2012年如东潮间带100MW风电场项目40台风机单管桩基础沉桩完毕后所有垂直度偏差均≤2.75‰，平均垂直度偏差1‰，最小垂直度偏差0.23‰。其施工效率之高、垂直度精度之高已处于世界同行领先水平。为国内海上风电场的规模化发展探索出了一条可行的道路，适合于潮间带风电场推广应用。

参考资料：

[1] 华东勘测设计研究院《风电场地质勘测报告》

[2] 华东勘测设计研究院《风电场单管桩设计蓝图》

[3] 荷兰IHC-S800液压冲击锤技术报告