海上风电大直径钢管桩沉桩精度控制措施研究

董 鹏

(中国铁建港航局集团有限公司第三工程分公司 山东青岛 266000)

1 引言

海上风电拥有占地资源少、风力和风能密度大的优势，在国家政策大力支持下，我国海上风电得到了快速发展[1]。随着国内海上风电技术的发展，风电基础施工技术日趋成熟，海上风电场选址逐步从浅海走向深海建设，单机容量也向大型化机组发展，对风电基础施工精度提出了更高的要求[2]。

2 工程概况

中船重工大连市庄河海域海上风电场址Ⅱ(300 MW)项目风机基础施工I标段工程位于庄河市石城岛东侧约11 km，场址涉海面积约48 km2。

本工程共计需完成30根非嵌岩单桩钢管桩风机基础。钢管桩桩径6.0～6.8 m，桩顶直径6.5 m，桩顶标高＋12.0 m，桩底标高-60.0～-65.0 m，桩长72～77 m，壁厚60～78 mm，单桩最大重量约917 t，全部为超长、超重型大直径桩。

3 沉桩工艺

(1)施工流程

钢管桩沉桩施工工艺流程如图1所示。

图1 沉桩施工工艺流程

(2)稳桩平台

本工程采用双层导管架式稳桩平台，如图2所示。该平台由4根φ2.42 m长57 m、壁厚25 mm的钢管桩组成支撑系统，扎根于海床上，不受潮位变化影响。操作平台采用双层钢结构平台，高差10 m，每层平台上设抱桩器并配置4台250 t液压顶推缸，单个有效压力约21 MPa[3-4]。

图2 双层导管架式稳桩平台

(3)船舶选型与定位

本项目采用双机抬吊工法，主起重船选用1 100 t的秦航工68＃，辅助起重船选用500 t的利通起重9＃。船舶定位顺序为稳桩平台船→主起重船→辅助起重船→运桩船，最终驻位如图3所示。

图3 船舶驻位

4 精度控制难点分析

(1)沉桩精度要求高

海上风电基础施工精度要求高，根据设计要求，钢管桩沉桩后平面位置偏差≤500 mm，桩顶法兰面水平度偏差≤3‰，高程偏差≤50 mm。

(2)现场作业条件差

本工程稳桩平台为小型平台，自动化程度低，需要起重船与平台协调配合才能完成桩的定位，易受风浪、潮流等不利因素影响，致使操作难度极大[5]。

(3)GPS性能要求高

海上风电项目距离岸线较远，且为无掩护区域，施工范围较广，对GPS性能要求高。

5 沉桩测量控制

5.1 测量控制总体概述

(1)钢管桩沉桩平面位置采用高性能、高精度的天宝SPS855型GPS进行控制，通过GPS(RTK)技术对稳桩平台进行精确定位。稳桩平台通过液压顶推缸对桩进行调节定位，液压顶推缸调节范围为50 cm，满足设计精度要求。

(2)桩顶法兰水平度通过桩的垂直度进行控制，在稳桩平台架设全站仪进行不间断测量，通过稳桩平台上下两层8个液压顶推缸进行调节，保证桩的垂直度。

(3)桩顶高程通过GPS将标高导入至稳桩平台，采用全站仪进行测量。

5.2 沉桩平面控制

海上钢管桩沉桩施工定位系统采用动态实时差分GPS(RTK)技术，具有全天候、高效率、准确、可靠等优点。首先GPS卫星和基站对船进行定位，在此基础上，再以船体作为已知参照物，利用稳桩平台中心沉桩位置在船体平面的相对位置，对桩位进行测定，从而达到GPS对钢管桩定位沉桩施工精度的控制目的。

在岸上设立基准站，稳桩平台定位船上安装两台移动站。为保证定位精度，本工程采用天宝SPS855型GPS接收机。定位精度为10 mm＋20 km×1 ppm＝30 mm，最大误差不超过50 mm，完全可以满足施工规范要求。

船位调整全程数字化显示，数据直观、操作简便，如图4所示。

图4 船舶定位数字化显示

5.3 沉桩垂直度控制

通过调节控制钢管桩的垂直度从而控制钢管桩法兰的水平度。

钢管桩垂直度测量方法有全站仪观测法、激光垂准仪观测法、钢丝垂吊法等。根据不同方法的优缺点及可操作性综合考虑，本项目采用全站仪测量法进行垂直度控制。

沉桩施工中，利用GPS接收机放样出两条垂线，采用2台全站仪与桩切线呈90°角布置[6]，从而控制钢管桩垂直度满足设计要求。测量仪器同时观测上下抱桩器间钢管桩垂直度，通过调节稳桩平台上下两层各4台液压顶推缸，对钢管桩垂直度进行调节[7]。

图5 全站仪布置

如图5所示，全站仪1可观测桩在测线2方向的偏位，全站仪2可观测桩在测线1方向的偏位。为防止桩在测线1方向的偏位与测线2方向的偏位叠加超出桩的允许偏差值，需算出两台全站仪各自观测方向桩的允许偏差值。由于测线1与测线2呈90°角，当桩在测线3方向出现最大允许偏差，两台全站仪所测各自方位偏差最小，为设计允许偏差的1/倍，可用此值作为调节桩偏位的限值。当任意1台全站仪观测差值超过此限值时，就应使用液压顶推缸对桩进行调节，以保证桩的垂直度。

为提高沉桩效率，可在沉桩工序前建立观测水平角与垂直度的关系，大于理论观测水平角则需进行调整。

通过公式建立桩体水平角与垂直度关系，每台仪器通过观测水平角得出桩体垂直度是否满足要求。水平投影差及垂直度计算公式[8]:

通过以上公式可得出最大偏差情况下，测量仪器观测得到的观测角差值:

式中，S为钢管桩在观测方向水平偏移投影距离；Δβ为上下视线瞄准观测角差；ρ为角度与弧度转化数值，1弧度对应的秒值为206 265；Δh为仪器观测桩体上下视线刻度差，即Δh＝h上-h下；L为测站至钢管桩边沿水平距离。因仪器架设位置固定，故上层观测平台取L＝5 m，下层观测平台取L＝10 m。⊥为每台仪器观测方向的垂直度。桩垂直度按照1‰控制，则每台仪器控制垂直度为

以43＃桩为例，根据上述计算公式、假定条件及允许垂直度偏差值，推算出在沉桩的不同阶段及不同位置的全站仪水平角差Δβ允许值以方便进行沉桩控制，如表1所示。

随着钢管桩入泥深度增加，液压顶推缸调节能力变差。考虑钢管桩制作偏差、现场振动影响等不利因素，每一次调节必须将垂直度控制在1‰以内，确保沉桩完成后法兰面水平度满足＜3‰的设计要求。

表1 43#桩允许水平方向角度偏差

5.4 沉桩高程控制

稳桩平台定位完成后，对稳桩平台4根支撑桩进行沉桩。通过GPS将标高引入至平台之上支撑桩位置，利用全站仪测量钢管桩标高。稳桩平台具有承载力强、稳定性好的特点[9]，满足测量稳定性需求。但施工过程中需对临时标高控制点进行复核，防止发生较大沉降，影响测量数据。

当钢管桩顶标高接近设计标高，适当降低夯击能，增加观测频率，严格控制标高[10]。

6 沉桩过程施工控制

6.1 起重船喂桩过程控制

(1)调节起重船缆绳，使起重船轴线与稳桩平台轴线基本为一条线。同时起重船将钢桩缓缓喂入抱桩器，利用抱桩器平台及钢桩上预先设置好的标记控制钢管桩的平面转角[11]。

(2)钢管桩进入抱桩器内，利用抱桩器顶推油缸的限位功能控制钢桩平面位置，使钢管桩位于抱桩器中心位置。

(3)调节稳桩平台上下两层抱箍8个液压顶推油缸，用以调整钢管桩垂直度，见图6。

(4)当钢管平面位置偏差＜500 mm、平面转角偏差 ＜5°时，将桩下放至桩尖距泥面1 m距离。闭合抱箍，利用两台全站仪呈90°角同时观测钢管桩垂直度，通过调节抱桩器液压顶推油缸调节桩身垂直度，保证垂直度＜1‰。

(5)起重船缓慢起钩，保持钢丝绳竖直，同时全站仪不间断测量钢管桩的垂直度，大于偏差要及时调整。

6.2 钢桩自沉阶段控制

(1)钢桩入泥后，通过调整两个钩头高度以调整垂直吊耳方向“垂线”垂直度，另一方向通过起重船扒杆调整方位使桩保持垂直状态，使液压缸推杆滚轮接触管桩外壁稍受力即可；慢减吊荷慢松钩头，使桩沿着稳桩平台上下层定向平稳自沉，利用抱桩器上下两层顶推油缸限位控制平面位置及垂直度，同时检查垂直度，保持钢桩垂直下沉[12]。

(2)随着钢桩入泥深度增加，液压顶推油缸可调节作用越发微弱，故在桩入泥前期必须严格控制桩身垂直度＜1‰。

(3)钢管桩自沉至稳定后，吊送测量人员至桩顶，利用水准仪测量桩顶法兰水平度，满足＜1‰后摘钩。

(4)自沉过程中测量人员及时对沉桩深度进行观测，钢管桩每下沉1 m，向船舶总调度通报一次；在抱桩器平台上对桩的垂直度进行复测，如发现偏差大于1‰时，及时进行纠偏。

6.3 静压过程控制

(1)钢管桩自沉完成后，经桩顶实测水平度满足1‰以内，即可进行主吊耳钢丝绳摘除。为防止停滞时间较长致使桩底部及四周土质发生液化，引起钢管桩溜桩现象，自沉桩结束应立即进行锤击沉桩施工。

(2)主起重船起吊液压锤至桩顶后进行静压。静压过程中注意观察垂直度变化，如果垂直度偏差＞1‰，及时利用液压顶推缸进行纠偏。

6.4 锤击沉桩控制

(1)锤击沉桩前放松吊锤吊绳，整个沉桩过程吊绳应始终保持松弛状态，幅度0.5 m左右。

(2)沉桩初始打击能量必须设定为液压锤的最小能量140 kJ。前三锤实施单击，每击一锤后即停锤检查贯入度、垂直度变化、桩身与液压顶推缸上导向轮的接触情况。

(3)当贯入度在10～50 mm时开始手动连击，刚开始采用轻击、小贯入度沉桩，使桩平稳下沉，以防桩有较大倾斜。IHC S-1400液压锤连续锤击频率一般控制在30～35击/min。

(4)施工过程中应密切关注地质变化，当桩底标高接近软弱土层时，必须减小锤击能量及频率，必要时采用单击或2、3连击，防止“溜桩”现象。每沉桩1～2 m即停锤，采用全站仪测量桩体垂直度，如偏差值超出1‰，立即纠偏。

(5)当桩顶距设计标高1 m左右时，每沉250 mm停锤观测一次垂直度；待桩顶接近设计标高时，采用全站仪测量控制桩顶高程。

7 结束语

通过对大直径钢管桩沉桩精度控制方法的探讨，确保了钢管桩沉桩的水平位置、高程以及垂直度的精度均满足设计和规范的要求。海上风电大直径钢管桩的平面位置最大偏差360 mm，高程偏差40 mm以内，法兰水平度小于1‰，均满足设计要求。