海上高桩承台基础斜桩吊打新工艺

刘凤松，丁文智，陈强，赵雨来

（1.天津港（集团）有限公司，天津　300461；2.天津港航工程有限公司，天津　300457）

海上高桩承台基础斜桩吊打新工艺

刘凤松1，丁文智2，陈强2，赵雨来2

（1.天津港（集团）有限公司，天津300461；2.天津港航工程有限公司，天津300457）

为了推动高桩承台基础在海上风电工程的应用，克服传统打桩船施工移船驻位次数多，受风浪影响大的不足，文中提出了海上高桩承台基础斜桩吊打新工艺。研究了振动锤沉桩设备，设计了定位桩与限位导架，分析了施工关键技术，并在天津大神堂浅海活牡蛎礁独特生态系统保护与修复项目——海洋监视监控平台建设项目中应用成功。工程实践表明，该工艺具有施工速度快，沉桩质量高，施工费用低的特点。

高桩承台基础；振动锤；吊打；斜桩；工艺

0　引言

高桩承台基础结构是在群桩基础上后浇混凝土承台形成的一种水工结构，基桩多采用斜桩，具有承载力高、稳定性好等优点，在码头、海上风电等领域得到了广泛的应用[1]。特别是在海上风电领域，采用多根斜桩抵抗风机水平荷载，受力最为合理，是比较经济合理的风机基础形式。但是，高桩承台基础传统工艺都是采用打桩船进行施工，由于海上风电均处于离岸较远的外海，施工无掩护，风高浪急，作业海况恶劣，导致打桩船可作业时间非常少，施工效率极低，且打桩时容易损坏打桩架或者钢桩，发生事故，制约了高桩承台基础在海上风电领域的推广使用。在天津大神堂浅海活牡蛎礁独特生态系统保护与修复项目——海洋监视监控平台建设项目中，首次采用起重船吊振动锤振沉钢管桩施工工艺，开发出了高桩承台基础斜桩吊打施工技术，为推动高桩承台基础在海上风电的应用奠定了基础。

1　工程概况

天津大神堂浅海活牡蛎礁独特生态系统保护与修复项目——海洋监视监控平台建设项目位于大神堂牡蛎礁海洋特别保护区南端，中心渔港防波堤西南方向，距中心渔港防波堤堤头4 km，垂直渔港航道距离2 km。工程采用高桩承台基础结构，8根φ1 000 mm斜桩斜度为4：1。钢管桩壁厚26～28mm，桩顶标高+5.7 m，桩底标高-42m，桩长49.5m。单桩重22.7 t。见图1。

图1 高桩承台基础Fig.1　High-rise pile cap foundation

2　斜桩吊打施工工艺

斜桩吊打工艺如图2所示，采用专门设计的旋转式打桩导架，由起重船或方驳吊机组吊打桩锤沉桩，可实现船舶一次驻位施打全部钢管桩，具有施工速度快、打桩精度高、施工安全等优点，尤其适合高桩承台基础群桩施工。施工时，首次在群桩基础中心施打一根定位桩，然后安装旋转式打桩导架进行沉桩。旋转式打桩导架具有伸缩和旋转功能，可根据施打斜桩的斜度和桩位进行调整，打桩完成，拆除导架，采用振动锤拔出定位桩。

3　关键设备选择与导向架设计

3.1振动锤选型

振动锤沉桩的原理是通过成对的偏心块旋转，在横向力相互抵消，仅上下力存在的情况下，产生上下振动，利用夹桩器夹住桩，使桩产生沿桩身方向的运动，将振动荷载通过桩身传递到桩尖土层，使土体发生液化（砂土）或被剪切（黏性土），阻力减小，利用锤和桩的自重实现沉桩施工[2]。

根据日本建机调查株式会社[3]的经验统计，选择沉桩振动锤必须满足以下三个条件：1）振动锤实际振幅大于临界振幅；2）激振力大于动侧阻力；3）沉桩设备及桩总重量大于动端阻力。

对本工程中桩的可打性进行分析[4]，选用上海振中600 kW电动振动锤EP800进行沉桩施工。该锤最大激振力为350 t，能够满足施工要求。振动锤参数如表1所示。

3.2导向架设计

图2 斜桩吊打示意图Fig.2　Schematic diagram of lifting and d riving ofinclined pile

表1 振动锤参数Table1　Vibratory hammer parameters

为了配合斜桩吊打工艺的实施，设计了用于辅助打桩的限位导架[5-6]。限位导架分为上、下两层，利用上下两层导架外伸距离的不同确定基桩的斜度。通过手拉葫芦可实现限位导架的伸出和收回，操作十分简便。同时限位导架具有旋转功能，根据基桩的位置在定位桩法兰盘上预留螺栓孔，采用方驳吊机组或起重船配合缆绳可将限位导架旋转到预定桩位。

考虑到本工程施工水位为+2.5 m，为了获得更多的施工时间，下层限位导架标高定为+3.0 m，同时上层限位导架标高定为+9.0 m。这样，施工时的基桩与上层限位导架距离为0.939m，当振动锤通过上层限位导架沉桩至设计标高时，上层限位导架与振动锤的间距仅为0.32 m，详见图3。上层限位导架的标高受到限制。

图3　振动锤与上层导架间距Fig.3　Spacing of vibratory hamm er w ith the upper guide

3.3定位桩

定位桩上设置上下2层法兰盘，法兰盘根据桩位布置预留螺栓孔，采用螺栓与限位导架连接。沉桩过程中，定位桩承受上、下层限位导架传递的水平荷载，因此要求定位桩应该有足够的强度和刚度。定位桩参数如表2所示。

表2 定位桩参数Table2　Spud parameters

4　施工技术

4.1测量定位

本工程基桩的定位确定是由定位桩的平面位置和限位导架的伸缩机构的外伸长度所决定的。限位导架伸缩机构的外伸长度在施工开始前已根据设计图纸核实并计算完毕。

定位桩测量定位直接采用GPS在船舷侧进行放点定位。起吊定位桩至预定桩位后直接沉桩，沉桩中采用2台经纬仪直角交汇对桩的垂直度进行控制。

4.2定位桩沉桩

定位桩的沉桩质量决定了全部基桩的位置，因此定位桩沉桩是施工中的重点。定位桩采用振动锤振沉，沉桩过程中保证钩头的带力大于振动锤的自重，钢管桩的垂直度就可以得到保证。

4.3限位导架安装

在定位桩沉桩完成后，在潮水低于定位桩下层法兰盘时进行导架的安装。用方驳吊机组将导架吊起，在定位桩法兰盘顶3 cm稳住导向架，通过缆绳调整限位导架的方向，当导向架固定结构上的限位孔与法兰盘上的限位孔重合时，用限位销将导架与法兰盘连接，然后用18个M36螺栓将导向架与法兰连接牢固。螺栓的拧紧顺序是先拧紧施工位置相反侧的螺栓，且是从中间向两边拧紧；然后再拧紧施工桩位侧的螺栓，同样是从中间向两边拧紧。导架安装见图4。

图4　导架安装Fig.4　Installation ofguides

4.4吊桩立桩

钢管桩的起吊采用两点起吊。在钢管桩顶端切割2个对称的吊孔作为上吊点，下吊点采用吊耳，并保证2个吊孔布置方向的连线与下吊耳所在桩身轴线垂直。并在上吊点处焊接门架，通过缆绳解除上吊点处的卸扣。钢管桩立桩采用起重船的2个主钩。

立桩完成后，移动起重船将钢管桩吊入稳桩架，然后用捯链将钢管桩与稳桩架固定。稳桩架高15m，考虑到钢管桩自沉10 m，钢管桩重心位于固定捯链下方，钢管桩连接可靠。连接时应注意不要太紧，应使钢管桩能够自由晃动。

4.5吊锤夹桩

将振动锤吊离稳锤架，然后调整起重船扒杆的幅度以满足吊高的要求，缓慢起钩直至振动锤夹具下端距钢管桩顶15～20 cm。达到高度后，先将夹具的前段导向对准桩顶，下放钩头，使钢管桩桩顶全部进入夹具。在吊锤过程中，方驳吊机组要配合起吊振动锤的电缆来调整振动锤的夹桩方向。

4.6调整斜度

夹具夹紧钢管桩后，将自沉的钢管桩拔出。钢管桩拔出后，将其吊入下层限位导架的微调结构，使其与微调结构内侧导向轮接触，此时，应保持钢管桩未入泥。然后趴杆，使钢管桩倾斜，过程中要注意观察钢管桩是否入泥。如果入泥，在趴杆的同时要提升钩头，始终要保持钢管桩桩底未入泥。

4.7锤击沉桩

斜桩吊打的关键就是钩头的带力控制。带力过小，易造成钢管桩变形过大，同时与龙口接触位置的钢管桩易被压瘪。限位导架承受的荷载较大，易发生较大振动；带力过大，易改变钢管桩的斜度，使钢管桩的倾斜度不符合设计要求。随着入泥深度的不断增加，钩头要缓慢下放，同时要时刻观察钢管桩与导向架的接触情况，当导向架有振动时，要增大扒杆的幅度。整个沉桩过程就是“颠钩抬杆”，始终保持钩头具有足够的带力，见图5。

图5 沉桩施工Fig.5　Piling construction

4.8拔出定位桩

全部基桩施工完毕后，将限位导架吊放在方驳上，起重船起吊振动锤，将定位桩夹紧。为了确保能够顺利将定位桩拔出，先开启振动锤振动5 min，然后放松钩头，使定位桩继续下沉10 cm左右，再提升钩头拔桩。拔桩初期要注意钩头的带力情况和起重船船头吃水情况，当钩头带力达到钩头额定带力的80%，且船头吃水较深，应先停止提升钩头，使船头慢慢恢复，然后再提升钩头完成拔桩。定位桩拔出后吊入稳桩架，起重船放下振动锤连接钢丝绳锁扣，重新连接定位桩上下吊点，将定位桩平放在方驳上，见图6。

4.9实施效果

图6 定位桩拔出Fig.6　Evulsion of spud

本工程的沉桩总工期为23 d，除去大风天气8 d，平均沉桩时间需要2 d。其中调整限位导架需要1 d，沉桩需要1 d。仅有第8根斜桩沉桩耗时1 d。原因在于第7根斜桩沉桩完毕后，水位处于低潮位，及时对限位导架进行了调整，仅用1 d时间完成沉桩。

沉桩结束后，对8根斜桩的桩顶偏移进行测量，钢管桩的桩顶偏差情况如表3所示。可以看出，外海作业条件下，采用起重船吊振动锤进行斜桩吊打沉桩施工，钢管桩的桩顶偏差满足施工验收规范的要求。

表3　单桩沉桩时间及偏位统计表Table3　Statisticsof the timeand position deviation of single p ile driving

对工艺中各个工序花费的时间进行统计，得出各个工艺的平均耗时如表4所示。

从表4中可以看出，整个沉桩的时间为234 min（不包括调整导架）。打桩过程中，吊锤夹桩的耗时主要取决于起重船的卷扬机速度。本工程施工沉桩过程中发电机过热，需停锤待发电机冷却，故锤击沉桩的时间有些长。导架调整需要150min。导架的调整时间过长，制约了斜桩吊打的施工效率。

表4　各工序耗时统计情况Tab le4　Time statisticsofeach step

5　结语

通过大神堂海上监视监测项目的顺利实施，证实了海上高桩承台基础斜桩吊打技术是可行的，同时规划出施工操作的质量控制点，总结出一套施工效率高、质量好的斜桩吊打工艺，为今后施工同类项目打下了坚实的基础，推动了高桩承台基础在外海深水区域的应用。

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New technology for lifting and driving of inclined pile in high-rise pile cap foundation of offshore

LIU Feng-song1,DINGWen-zhi2,CHENQiang2,ZHAOYu-lai2
（1.Tianjin Port(Group)Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China; 2.Tianjin Port&Channel Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300457,China）

In order to promote the application ofhigh-rise pile cap foundation in offshorewind power project,to overcome the shortage of traditional pile driving barge construction such as the large number ofbarge shift and the large impact ofwaves,we put forward new technology of lifting and driving of inclined pile in offshore elevated pile cap foundation.We studied the vibratory hammer equipment,designed the spud and limiting guide,analyzed the key construction technologiesand successfully used in shallow live oysters reefuniqueecosystem protection and restoration projects ocean in Dashentang of Tianjin，which is a surveillancemonitoring platform construction project.Engineering practice shows,this process has the characteristics of fast construction speed,high pile quality and low construction cost.

high-rise pile cap foundation;vibratory hammer;lifting and driving;inclined pile;technology

U655.4

B

2095-7874（2016）10-0060-05

10.7640/zggw js201610014

2016-07-29

2016-09-06

刘凤松（1974— ），男，天津市人，硕士研究生，高级工程师，水利工程专业。E-mail：13802009767@163.com