潮间带风电场无过渡段单桩基础施工关键技术

陈　强，刘凤松，肖纪升

（天津港航工程有限公司，天津300457）

潮间带风电场无过渡段单桩基础施工关键技术

陈强，刘凤松，肖纪升

（天津港航工程有限公司，天津300457）

在国内第一个潮间带风电场项目——江苏龙源如东150 MW海上风电场一期示范工程中，首次采用了无过渡段单桩作为风机基础。文中通过对该项目实施经验的总结，介绍了潮间带风电场无过渡段单桩基础施工工艺、船舶选型、打桩锤选择、桩身垂直度测量与控制以及施工操作要点等关键技术，可为类似工程施工提供参考。

风电；单桩基础；过渡段；钢管桩

0　引言

单桩风机基础具有材料省、造价低、施工效率高等优点，在海上风电场建设中被普遍采用，但由于风机基础顶部法兰水平度的高精度要求，必须尽量控制在0.275%以内，最大不得超过0.5%，因此一般采用带过渡段的单桩基础，利用过渡段来调整打桩带来的偏差，过渡段与单桩之间通过高强灌浆料进行连接，但这种施工方法增加了成本和工期，且易出现灌浆料连接部分发生微裂纹，导致过渡段滑移的质量问题。

在国内首个潮间带风电场项目——江苏龙源如东150 MW海上风电场一期示范工程中，首次进行了无过渡段单桩基础施工，通过不断优化工艺，实现了5.0 m直径单桩基础沉桩过程中有效导向和纠偏，保证基础法兰水平度误差在0.5%以内，形成了一套科学合理的无过渡段单桩基础施工技术。

1　工程概况

该工程位于江苏如东沿海的潮间带上，泥面高程为-2.0～1.0m，平均高潮位时水深2～5 m，平均低潮位时露滩。

风机基础采用无过渡段变直径钢管桩，如图1所示，法兰与桩焊接为一体，桩长为43～58 m，其中：上段4.5m直径长3m，中间变径段长8m，下段5.0 m直径长32～47 m。桩顶标高为+9.0 m，入土深度35～48m，钢管桩壁厚为45～65 mm，总重量约为280～420 t。

图1　无过渡段变直径单桩基础Fig.1 Monopile foundation w ithout changed diameter in transition

2　沉桩工艺选择及流程

单桩基础钢管桩采用起重船吊大型液压冲击锤吊打施工[1]。由于基础桩位处泥面较高，平均高潮位水深较小，且高潮历时短，大部分时间低潮露滩，所以选择专业坐底起重船低潮位坐滩打桩，高潮位移船驻位的工艺。为保证打桩操作安全及质量控制，坐滩沉桩尽量安排在白天且退潮后露滩时间较长情况下进行。基础施工流程如图2。

图2　施工工艺流程Fig.2 Technological process for construction

3　关键船舶设备选择与设计

3.1起重船

在潮间带进行无过渡段单桩基础钢管桩施工，起重船必须具备坐滩功能，吃水尽可能小，保证在高潮位时有足够的时间移船驻位，要对起重船吊机的吊重、吊高和作业半径等起重性能进行复核，最好是双主钩。在考虑起重船吊高时，要保证吊机能将液压冲击锤套入钢管桩顶，见图3。

图3　起重船吊液压冲击锤示意图Fig.3 Schematic diagram of hydraulic im pacthammer hoisted by a floating crane

起重船起吊高度可以按如下公式计算：

式中：H为起重船在抱桩器处甲板面以上起吊高度，m；L为桩长，m；h0为液压冲击锤高度，m；h1为钢管桩自沉后入泥深度，m；h2为吊锤时，锤套筒最下端到桩顶的高度，一般取1.0m；h3为锤的吊点中心到钩头的高度，一般取6.0m；h4为起重船型深，m；h5为由于起重船自重和冲刷，起重船坐滩后陷入泥面的深度，m。

3.2液压打桩锤

风电单桩基础钢管桩直径和重量大、承载力要求高，必须选用大型液压冲击锤、柴油锤或振动锤进行施工，由于液压冲击锤具有打击能量大、效率高、操作灵活简单等优点，一般选用大型液压冲击锤进行施工。大型液压冲击锤目前世界上只荷兰IHC公司和德国MENCK公司可以生产，最大液压冲击锤已达到3 500 kN·m，可以施打直径7.0 m的钢管桩。无过渡段单桩基础钢管桩施工为标高控制，必须将钢管桩打入到设计标高，选择合适的打桩锤是关键，可以采用海利公式、波动方程理论等进行计算[2-4]，并结合打桩经验选择打桩锤。本工程设计要求桩端进入标贯击数60～64击的粉砂层至少3 m，选用IHC公司S800型液压冲击锤（表1），通过波动方程理论计算[5]，该锤使用90%打击能量可以将钢管桩打到设计标高，最小贯入度为5.9mm/击，钢管桩的最大压应力为111.7 MPa，最大拉应力为48.1 MPa，最大总锤击数为3 558击。

表1　 IHC公司S800型液压冲击锤主要参数Table 1 M ajor parametersof IHC S800 hydraulic im pact hammer

IHC公司S800型液压冲击锤配的锤帽直径5 200 mm，最大可施工直径5 100 mm的钢管桩，而本工程华锐3 MW风机设计桩顶法兰直径为4 500 mm，为保证锤帽和桩的同心度，在锤帽套筒内加焊12块导向筋板，如图4所示，将锤帽和钢管桩外壁间隙控制在7 mm以内，避免打桩时产生偏击，影响垂直度。

图4　桩帽结构图Fig.4 Structural diagram of pile capp ing

3.3导向及纠偏装置

无过渡段单桩基础钢管桩采用吊打施工，为保证桩顶法兰水平度不大于0.5%，在沉桩过程中需对钢管桩进行有效导向和垂直度调节，可在起重船甲板上设置2层抱桩器作为导向及纠偏装置。抱桩器的垂直度调节能力可以把钢管桩视为刚性短桩，在抱桩器最大水平力作用下，计算钢管桩最大转角位移，受力如图4，计算公式为：

式中：β为深度h处基础侧面土的地基反力系数与基础底地基反力系数之比，当地基土成层时，m值采用地面以下hm=2（d+1）深度范围内各土层的m加权平均值；ΣM为地面以上所有水平外力和偏心竖向力N对基础底面重心总弯矩，H为水平力合力；d为在作用力平行方向的基础直径或边长；W0为基础底面的抵抗矩；bp为基础的计算宽度；h为钢管桩入土深度。

本工程导向及纠偏装置如图5所示，下层抱桩器设置在船甲板上，上层抱桩器距离甲板面12.5 m，2层抱桩器间距12 m。每层抱桩器带2个可以张开和合拢的大臂，抱桩器的大臂上设置4个50 t千斤顶，千斤顶前端安装滚轮。

图5　导向及纠偏装置Fig.5 Guiding and deviation-rectifying device

钢管桩平面位置及垂直度粗调时通过抱桩器大臂张开或合拢来调节，精调时通过4个千斤顶来调节。通过计算：钢管桩入泥7 m时，可以将垂直度偏差在0.96%的钢管桩纠正，钢管桩入泥10 m时，可以将垂直度偏差在0.27%的钢管桩纠正，如果考虑打桩振动对砂性土的影响，实际纠偏能力会更大。

4　操作要点

4.1船舶驻位

在潮间带潮位满足起重船和运输船吃水要求时，起重船根据船上配置的GPS打桩定位系统指示，在设计桩位处抛锚粗略定位，运输船在起重船驻位后靠泊至起重船。在退潮后起重船即将坐滩时，通过绞锚调整起重船位置，使抱桩器中心对准设计桩位中心，保证起重船坐滩后桩位偏差在允许范围内。船舶定位应遵循海水涨落潮规律，使船身与退潮水流方向一致，减少水流对船位的影响。起重船和运输船平行布置，同时调整运输船位置，保证起重船吊机旋转中心与钢管桩重心对齐。

4.2钢管桩吊桩及立桩

在距离桩顶一定高度处焊接两吊耳。吊耳采用圆形钢管加椭圆盖板的形式，可以保证钢管桩在起吊过程中钢丝绳沿圆形钢管转动且钢丝绳不会滑出吊耳，保证起吊安全。在钢管桩吊入抱桩器，吊桩钢丝绳放松以后，通过预先系在钢丝绳上的溜绳，起重船甲板上的工人将吊桩钢丝绳拉出吊耳，实现吊桩钢丝绳自动脱钩，避免人工高空作业。

吊桩时先将钢管桩从运输驳船水平吊到泥滩上，放在起重船前方。起重船吊钩转到吊耳上方，当扒杆与钢管桩轴线基本垂直时，由800 t全回转吊机的2个钩头吊起钢管桩上端的2个吊耳。两钩同时缓慢起升，桩顶逐渐被吊离滩面，吊机慢慢转动扒杆，使钢管桩逐渐处于竖直状态，直到钢管桩完全被吊离滩面立直。最后将桩送入抱桩器，插桩稳定后解除吊索具。

4.3自沉、压锤及锤击沉桩

吊机将钢管桩吊入抱桩器后，调节抱桩器千斤顶的前端滚轮与钢管桩外壁间隙1～2 cm；吊机钩头缓慢下降使钢管桩入泥30～50 cm，调整桩顶法兰水平度到0.2%以内，抱桩器千斤顶前端滚轮将钢管桩顶紧，此时，上、下层抱桩器的8个千斤顶前端滚轮已将钢管桩在平面4个方向上完全限位；最后起重船吊机缓慢松钩，钢管桩开始自沉入泥。钢管桩自沉入泥过程中，根据桩顶倾角传感器的指示，及时用抱桩器千斤顶调节桩顶法兰水平度。

钢管桩自沉入泥稳定后，将桩顶倾角传感器拆除。起重船吊机吊液压冲击锤套入钢管桩，开始压锤，每入泥10 cm用经纬仪观测1次垂直度，如有变化，则通过千斤顶进行调整。

压锤稳桩后，开始锤击沉桩，初始锤击时采用小能量轻击，每入泥10 cm观测1次垂直度，如有变化，则通过千斤顶进行纠偏；在钢管桩入泥达到一定深度后，如果每打击一锤垂直度变化不大，则逐渐加大能量，每贯入50 cm观测1次垂直度，直至将钢管桩打到设计标高，并在吊耳接近抱桩器1.0 m左右时将抱桩器打开。钢管桩沉桩施工应连续进行，不宜中途停顿，以免钢管桩周围的土壤恢复而增加沉桩阻力。沉桩完成后应及时测定桩顶标高和桩身垂直度，并做好记录。

4.4钢管桩垂直度测量及控制

为了满足无过渡段单桩基础桩顶法兰水平度高精度要求，钢管桩施工采用高灵敏度的倾角传感器和经纬仪直角交汇相结合的方法进行测量。钢管桩出厂前，在桩身准确划出纵向轴线，沿桩身轴线每隔5 m贴1道20 cm长的横向标尺，标尺量程刻度为-10～+10 cm，最小精度为5mm，标尺“0”对齐桩身轴线。钢管桩在起吊前，在钢桩法兰顶面安装高灵敏度的倾角传感器。

在钢管桩吊入抱桩器完成自沉入泥过程中，由倾角传感器测量法兰水平度，根据测量结果调整钢管桩的垂直度。钢管桩自沉入泥完毕后，由2台经纬仪采用直角交汇观测钢管桩的垂直度，记录倾角传感器偏差数值及每个刻度条原始数值，吊液压打桩锤前拆除倾角传感器，压锤及锤击沉桩过程中，经纬仪观测标尺的读数与初始读数比较，计算钢管桩的垂直度偏差，指导调节垂直度。

5　实施效果

本工程17台无过渡段风机单桩基础，平均2个有效工作日完成1台基础，第1天初步抛锚定位，第2天潮水合适时完成精确定位，船舶坐滩后开始进行吊桩，一般船舶移船驻位需要2～3 h，吊桩、立桩、锤击过程大约需6 h，施工速度较快；施工质量良好，17台基础平面位置和顶标高均满足设计要求，停锤时贯入度符合要求；桩顶法兰水平度只有3根桩超过0.275%，但在0.5%范围以内，需要通过底节塔筒来调节。各基础实测数据见表2。

表2　基础实测数据Table2 M easured data ofmonopile foundation

6　结语

通过江苏如东首个潮间带风电场项目的顺利实施，证实了海上风电场采用无过渡段单桩基础是可行的，将开辟我国海上风电场开发建设的新篇章，并将国内施打大直径管桩的能力提升一个台阶，达到国内外同行业先进水平。随着我国海上风电逐渐向近海发展，将面临自然环境更恶劣，施工条件更差，施工难度更大等问题，需要大胆创新，不断优化施工工艺，提高施工技术水平，为海洋新能源开发做出贡献。

[1]《桩基工程手册》编写委员会.桩基工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1995. Pile foundation engineering handbook Writing Committee.Pile foundation engineeringhandbook[M].Beijing:China Building Industry Press,1995.

[2]刘永锋.用波动方程法选择桩锤和打桩系统[J].中国港湾建设，2002（3）：33-36. LIU Yong-feng.Selection of pile driver hammer and pile driving system withwaveequationmethod[J].China Harbour Engineering, 2002(3)：33-36.

[3]张铁军，徐波，史虎彬.固定导向架高精度沉桩技术的研发与应用[J].中国港湾建设，2016，36（1）：59-62. ZHANGTie-jun,XU Bo,SHIHu-bin.Developmentand application of high precision sinking pile technology of fixed guide frame [J].China Harbour Engineering,2016,36(1):59-62.

[4]李胜，周维，徐立强.复杂地质条件下液压振动锤陆上打设大直径钢管桩[J].中国港湾建设，2015，35（9）：54-57，66. LISheng,ZHOUWei,XU Li-qiang.Pilingmethod of largediameter steel pipe with hydraulic vibratory hammer upon complicated ground condition[J].China Harbour Engineering,2015,35(9):54-57,66.

[5]董伟.打桩分析软件[D].天津：天津大学，2006. DONGWei.Software for pile driving analysis[D].Tianjin:Tianjin University,2006.

Key technologies for construction ofmonopile foundation w ithout transition in w ind farm in intertidal zone

CHENQiang,LIU Feng-song,XIAO Ji-sheng
（Tianjin Port&Channel Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300457,China）

The pilotworks for the firstphase ofRudong 150MW offshorewind farm was the firstdomestic wind farm project in the intertidal zone,and themonopile foundation without transition wasused in this projectas the wind turbine foundation for the first time.By the summary ofexperience in the implementation of the project,key technologies formonopile foundation without transition in the intertidal zone such as the construction technology,selection of shipsand hammers,measurement and controlof pile verticality,and the key points of construction and operation were introduced,which will provide a valuable reference for similar projects.

wind power;monopile foundation;transition;steel tube pile

U655.544

B

2095-7874（2016）06-0056-04

10.7640/zggw js201606014

2016-03-16

陈强（1979—），男，湖北武汉市人，硕士，工程师，港口与航道工程专业。E-mail：tjgh_ksb@126.com