海上风电超大型单桩沉设垂直度控制

邹天城，刘星

0 引言

近几年，国内海上风力发电技术得到了快速发展，单机容量在逐步的扩大，重力式、导管架、单桩等风机基础形式也有了较成熟的应用经验，但风电场主要建设在潮间带区域，没有在外海真正的实施，尤其是采用无过渡段的单桩基础形式，更对钢管桩的沉设提出了高要求，桩顶法兰水平度要求在0.3%以内。因此除了沉桩船机设备的要求外，对垂直度的严格控制也不言而喻，下面以工程实例说明海上风电超大型单桩沉设垂直度的控制措施。

1 工程概述

本工程风机布置区域的海底高程在-3.7耀-15.3 m（85高程基准面）之间。总装机容量为152 MW，共布置了38台单机容量为4.0 MW的西门子风机，海上配套1座110 kV升压站，基础形式均为无过渡段的法兰式单桩基础[1]。

单桩基础为变截面钢管桩，桩顶直径均为5.5 m，通过变截面过渡到6耀6.5 m。钢管桩最大直径6.5 m、最大重量950 t、最大桩长93 m。沉桩以标高控制为主，桩顶标高均为+14 m，沉设完成后安装集成式附属构件，基础防冲刷保护采用砂被铺设形式。

本工程沉桩采用“导管架稳桩平台稳桩，起重船吊打沉桩”的施工工艺，即4根工艺桩支撑导管架形成稳桩定位平台，超大型钢管桩植桩后（见图1）再通过起重船吊IHCS1800液压锤进行锤击沉桩。

2 垂直度控制难点

如此大型的钢管桩，首先是沉桩过程中桩体垂直度的监测，然后辅以控制措施使垂直度满足要求。以下根据工程特点及采用的导管架稳桩平台工艺，探讨垂直度控制的难点。

图1 吊桩、稳桩Fig.1 Hanging pile,stabilizing pile

2.1 垂直度测量监测难点

1）风电场地处无遮蔽外海海域，无测量平台，且风机之间间距约1 000 m，若搭设固定的测量平台，现有的测量技术无法涵盖本工程39根单桩的垂直度测量控制；如按照机位搭设测量平台，投入的成本较大，且建设工期长。

2）本工程利用导管架平台吊打钢管桩的工艺，在国内首次应用，无配套的测量方案可借鉴。

3）沉桩时采用起重船吊打，起重船受风浪的影响晃动较大，不宜架设测量仪器观测。

4）钢管桩桩径大，长度长，并存在变截面，整体监测较困难[2-3]。

5）市场上能实时监测垂直度的仪器扫描过程较长，此类仪器及其配套软件在制桩过程中已应用，但面对外海的工况条件，其稳定性要求太高，且实时反映数据能力较差。

2.2 垂直度控制难点

1）钢管桩按照设计要求制作，垂直度存在着一定的偏差。

2）植桩过程中，在风浪流的影响下，起重船产生晃动，吊钩与桩体的垂直度控制困难。

3）吊打过程中，由于浪涌、地质、锤击等多方面的影响，钢管桩的垂直度会产生偏差。

3 垂直度监测技术比选

3.1 监测方法

1）全站仪观测法

在导管架定位平台的边缘，正交方向架设2台全站仪，即2条观测视线分别与起重船吊臂轴线方向垂直和平行，并通过桩切边（如图2所示）。

通过全站仪观测桩身切边上2个不同高度（高差20 m以上，降低整体控制误差）的水平投影差与高差计算该方向的桩身垂直度。

图2 全站仪观测示意图Fig.2 Observation sketch of total station

2）激光垂准仪观测法

预先在桩上安装激光垂准仪托架和接收靶，同样是在桩的两个轴线方向，在整平的情况下，通过发射激光束来测量桩身的垂直度，见图3。

图3 激光垂准仪观测示意图Fig.3 Observation sketch of laser verticality machine

3）钢丝垂吊法

在钢管桩变截面以下，避开起吊因素的影响，在桩身的两个正交轴线方向各悬挂1根4 mm的细钢丝，下吊50 kg的重物，观测高度在30~50 m。要求钢丝提前穿过悬挂钢板并临时绑定，待测垂直度前在钢丝上绑好重物及另一端固定到平台的卷扬机上（如图4所示）。

钢丝在重力的作用下成竖直向下的铅垂线，通过桩身与钢丝的距离比较，计算出桩的垂直度。

4）水平尺观测法

图4 钢丝垂吊法观测示意图Fig.4 Observation sketch of steel wire hanging method

采用数字高精度数显水平尺（长度1.2 m，垂直精度为1/1 145）贴在桩身上，可及时显示数据反映局部桩身的垂直度情况。

5）激光扫平仪观测法

采用激光扫平仪直接测量钢管桩顶部法兰的水平度，扫描结果可精确反映钢管桩水平偏差。

3.2 监测方法的缺点

1）平台空间狭小，易晃动，全站仪需在平台较稳定的时候观测。

2）平台晃动会影响激光垂准仪精度，一般用于桩身垂直度调整到位后校对。

3）垂线法易受锤击和风力等因素影响，精度受人为估算影响较大。

4）水平尺较短，制桩椭圆度对实测精度影响较大，适合对局部性测量，则用于下桩前快速检测和最终的垂直度测定。

5）液压锤上不能配套安装激光扫平仪，需提起液压锤方能测量桩顶法兰水平度，安全风险较大，作业时间也较长。

3.3 确定监测方法

综合考虑现场的实际操作性，以及几种垂直度监测方法的特点和局限性，其中激光垂准仪观测法、钢丝垂吊法均需预先在钢管桩上安装辅助设施，受桩体晃动影响测量偏差大且实时性不高。从施工工艺、风浪影响、实时性操作等角度考虑，最终采用“高精度数显水平尺进行粗调，全站仪进行精调”的监测技术，以及为消除制桩及锤击时产生的偏差，开锤前监测垂直度要求在0.1%以内，主要措施如下：

1）钢管桩入泥前，采用2把高精度数显水平尺（精度0.5 mm）测量桩身正交两个轴线的垂直度，也可测量多个不同侧面进行比对；在入泥过程中实时反映测量数据，确保垂直度控制在0.1%以内。

2）钢管桩入泥后，采用2台90毅方向布置的全站仪观测桩身切边倾斜度，并计算垂直度，在桩身垂直度臆0.1%条件下插桩；沉桩过程中按上述方法全程监测。

4 垂直度控制措施

1）桩体质量保障措施

钢管桩制作过程中需严格控制桩体同轴度，按设计要求进行验桩；运输工艺要保障桩体不受损伤、弯曲等。

2）起重船控制措施

起重船吊桩为双钩起吊，在入泥前首先调整吊钩与桩身在同一条铅垂线上，然后通过监测数据平衡2个吊钩的受力，或者通过锚机稍作绞缆移船，在导管架定位平台的辅助下保证桩身轴线的垂直度在0.1%以内。

3）导管架定位平台调整装置

导管架定位平台上设置可伸缩的调整装置，以千斤顶受力；导管架上下两层千斤顶朝桩心呈环状均列布置，顶推箱梁的前端通过带橡胶保护的滚轮与桩体接触（千斤顶分2层，每层7个）。

在钢管桩沉桩过程中，导管架定位平台调整装置是主要的控制措施，在钢管桩稳桩、插桩到自沉结束的过程中，均要求保证垂直度在0.1%以内；在锤击的过程中，桩尖未到设计承载土层前，尤其是淤泥质、粉质黏土等土体力学性质较差土层，一定要加大观测频率，若发现偏差，及时调节千斤顶，边打边纠。

5 实践情况

通过所述的沉桩垂直度控制措施，本工程39根超大型钢管桩顺利沉设完成，施工过程中垂直度可控，桩顶法兰水平度验收后全部在0.3%以内，满足设计要求[4-6]。

6 注意事项及优化

垂直度测量控制方法适用于稳桩平台吊打钢管桩施工工艺，在观测平台较稳定的工况下也基本适应，在垂直度控制中部分事项应引起重视。

1）由于全站仪、数显水平尺等都属于高精度、敏感性高的仪器，故需做好保护，平时做好鉴定及校核工作。如在锤击沉桩时，仪器均需拆下放好，做好防震措施；水平尺在潮湿的环境中易损坏，应做好防护工作，宜多备备用尺。

2）全站仪在平台上的位置做好固定支架，由于桩太长以及存在变截面，可能观测角度、长度等存在差异，因此需要进行数据的比对。数显水平尺数据随着桩的晃动跳动较大，需待桩基本稳定的情况下读数，并在数据上下浮动较小时取值。

3）起重船的下桩过程中应缓慢进行，除测量数据及时反馈外，2个吊钩的重量亦要同时关注，保持同速下钩。

4）导管架定位平台的调整装置中多备垫板，随时注意千斤顶的受力及行程，并与测量数据结合及时进行调整。

5）钢管桩最终要求的是桩顶法兰水平度偏差臆0.3%，可在制作时将法兰与桩身的偏差位置做好标识，在沉桩时可针对桩身的垂直度进行适当预控，即测量桩顶直线管段垂直度时，向反方向调整偏差。

7 结语

通过钢管桩垂直度监测技术的探讨与实践，选用数显尺粗调、全站仪精调的技术，在导管架平台吊打大型钢管桩工艺中适用性强，对仪器要求低，操作简单且实时性佳，在本工程已得到良好的应用和体现，该施工方法对类似工程具有一定的推广价值。

[1]华东勘测设计研究院有限公司.中广核如东150 MW海上风电场示范项目施工图设计[R].2015.Huadong Engineering Co.,Ltd.Design of construction drawings for CGNPC Rudong 150 MW offshore wind farm demonstration project[R].2015.

[2] 梁奎，邹天城，叶路明，等.一种稳桩定位平台支腿架：中国，ZL201521140113.8[P].2016.LIANG Kui,ZOU Tian-cheng,YE Lu-ming,et al.A platform for stabilizing pile:China,ZL201521140113.8[P].2016.

[3]中国科学院上海科技查新咨询中心.近海风电场超大型单桩风机基础沉桩技术科技查新报告[R].2016.Shanghai Science and Technology Consulting Center of China Academy of Sciences.Sci-tech novelty retrieval report for the super large single pile fan foundation pile sinking technology of the off原shore wind farm[R].2016.

[4]GB 50026—2007，工程测量规范[S].GB 50026—2007,Code for engineering surveying[S].

[5]JTS 131—2012，水运工程测量规范[S].JTS 131—2012,Specifications for port and waterway engineering survey[S].

[6]GB/T 50571—2010，海上风力发电工程施工规范[S].GB/T 50571—2010,The code for construction of offshore wind power project[S].