海上大型测风塔设计与施工工艺

◎ 李长城 中交第三航务工程局有限公司厦门分公司

1.工程概况

防城港海上风电场项目建设于广西防城港市后湖海上风电场南面海域，拟建场地与最近陆域相距40km。施工内容以测风塔为核心，建设区水深约35m，海域四周开阔，具有良好的海上风力资源。本工程的工作原理是在钢管桩上部安放一个测风平台，之后在平台上安装光伏板、蓄电池和测风装置，最后通过测风装置向上空发射激光波束，联合感应器收集风向、风速等信息。

2.测风塔的总体结构设计

2.1 测风塔的形式

海上测风塔的结构形式可根据实际建设条件灵活选择。一是自立式测风塔，特点在于塔体下部宽度较大，施工所需材料用量偏多，对基础的稳定性提出较高要求；二是拉线式测风塔，优势在于稳定可靠、材料用量较少，但拉线基础施工工作量较大。

拟建测风塔的建设除考虑现场环境对装置的影响外，还兼顾到测风塔对过往船舶的通航影响，若选择拉线式测风塔将影响船舶的正常通行，主要原因在于船舶难以准确辨别拉线位置，严重时将引发安全事故。对此，决定采用自立式测风塔，考虑到基础的稳定性要求，配套使用钢管桩基础。

2.2 下部结构设计

海上测风塔为高耸结构建筑物，基础形式一般可分为桩基础、重力式基础或二者相结合三种形式，其中以桩基础形式最常见。适用于测风塔的桩基础又分钻孔灌注桩、预制钢筋混凝土桩和钢管桩，其中以钢管桩的形式最常见，而在预制钢筋混凝土桩中基本采用管桩。在海上测风塔采用桩基础形式时，也可选用单桩、三桩、四桩或多桩的形式进行搭建。

防城港测风塔项目采用了单桩形式，其在单桩顶部直接架设测风平台，然后通过焊接加强钢板以实现固定，并且在单桩沉桩作业时采用吊打工艺。施工中，单桩下部桩径为2.5m，上部桩径为1.8m，采用起重船吊打工艺沉桩；其次在钢构加工厂加工好上部的平台和靠船构件、爬梯，先安装靠船构件、爬梯，再安装顶部的测风平台，最后加固平台。

2.3 荷载计算

测风塔与周边海岸的间距较小，建设期间海况错综复杂，因此设计方案必须具有可行性，在设计时应充分考虑多种荷载组合。测风塔的使用年限通常为5年或更短，通过对区域内台风资料的查阅与分析后，得知最大基本风压为0.55kN/m2，将该值视为测风塔运行期间的风压，设计工况风荷载考虑十二级台风的条件，具体为0.79kN/m2；内力校核工况风荷载考虑十三级台风条件，风压为0.98kN/m2。

潮流力：以项目所在地多年来的水文资料为准，经分析将流速取为2.4m/s。

外界撞击力：渔船和海域漂浮物是主要撞击来源途径，根据现场调研结果，船速V取1.5m/s，船长度L取12m，安全系数取1.2，根据此条件展开计算，求得船舶所形成的撞击力可达到20t。

3.测风塔施工技术要点

3.1 施工方案

施工过程中以海恩32 2起重船作为沉桩施工主体，进行吊桩、翻桩和沉桩作业及单桩沉桩后安装测风平台、附属构建；起重船上搭载配D220打桩锤、测风平台、钢管桩单桩等施工配套设备，用6000匹以上拖轮由厦门港刘五店拖至防城港施工海域进行测风塔施工。又因施工现场面临开阔海域，常年受季风、台风影响，对船舶施工安全构成较大威胁。考虑避风条件和指挥中心的布置情况，在具备避风条件的防城港北海湾内设避风锚地。

3.2 桩基施工

3.2.1 施工要求

桩基施工以机械化方式为主，配套起重船、拖轮、锚艇、液压式桩锤、交通船等设备。根据施工要求，打桩船应适配合适规格的桩锤，以便快速完成沉桩作业。打桩船沉桩的主要工艺流程为：起桩→翻桩→立桩→插桩→锤击→检验。打桩期间应及时观察现场情况并检测贯入度，保证实测结果符合预期要求。通过GPS准确定位，利用吊打方法打设钢管桩。钢管桩的沉桩以标高为主要控制指标，并通过贯入度检验。

3.2.2 基础桩吊装

首先利用海恩322起重船搭载钢管桩、D220液压锤、靠船构件、测风平台等设施，再通过8000匹的“青港拖”拖轮拖带至施工海域进行施工。在运输基础桩时要掌握好其方向，将桩顶朝向船艉，桩底朝向船艏，以方便后续作业顺利开展。之后进行打桩，利用海恩322起重船的主钩和副钩，分别挂住主吊耳和溜尾钩进行翻桩，然后立桩，完成后通过自重脱落溜尾钩，并利用钢管桩自重进行沉桩入泥稳定，待钢管桩通过自重入泥稳定0.5～1h后起吊液压锤对立桩进行锤击，达到标高和贯入度的数值要求后停锤检验。打桩作业完成后方可安装靠船构件和测风平台。

3.2.3 液压锤沉桩

沉桩精度控制：通过抱桩器自动纠偏装置实时监控、自动调整和有效控制每根桩的垂直精度，沉设过程中利用架设的全站仪实时监测及核对数据。本工程中，抱桩器固定在海恩322起重船的右舷处。

压桩：将D220液压锤放置在桩基顶部后缓慢下钩，直至液压锤帽套至桩上，注意吊钩张力变化，暂停下钩，测量人员查看基础桩垂直度，核对自动纠偏系统的检测调整状况；继续下钩直至吊钩不带力，基础桩在重压下向下沉降，待基础桩不再下沉，测量人员再次通过全站仪测量基础桩垂直度，并核对自动纠偏系统调整状况，直到垂直度满足要求。

液压锤试打：试打前检查液压锤吊装状态，确保吊锤钢丝绳完全处于自由状态和液压锤在打桩过程中能随桩自由下降；检查完毕后液压锤开始用低能量级别施打，手动单击打桩，打桩一次便密切注意桩下降的深度与速率，待桩下降稳定和锤芯下落稳定后再次按打桩按钮，禁止在桩下降过程中液压锤芯下落时按打桩按钮，谨防溜桩。

正式沉桩：逐步提高单击的能量，待桩的贯入度稳定后设置自动控制打模式，开始连续打桩。沉桩过程中经常检查桩的贯入情况、桩体倾斜度等，并作好沉桩记录。当液压锤桩帽接近抱桩器时松开抱桩器，沉桩作业过程中配合大应变检测作业，测量人员控制好垂直度、桩顶高程至沉桩完成。

3.2.4 打桩监测

沉桩至设计标高后，现场施工技术、测量人员检查基础桩标高、垂直度、平面位置等，检查合格后通报监理工程师检测验收。

当遇到下列情况之一时应立即终止沉桩作业，并将沉桩记录及时通告现场监理及业主，并同设计方联系，采取相应的解决措施：（1）桩顶达到设计标高且最后25cm平均贯入度超过20mm；（2）桩顶未达到设计标高且桩顶超高＞1.5m，最后50cm以最大锤击能量打击平均贯入度仍＜3mm；（3）桩身严重偏移、倾斜。

整理打桩检测时桩身应力形式多样，但以受压为主，最大压应力≤150MPa，其并未超出桩体材料的承受极限，因此桩身可维持稳定状态；阻抗反射方面以临近桩顶处较明显，除此之外的其它区域无异常状况，桩身完整度较好。综合采用CASE法和CAPWAP法，经分析后得知桩身承载力为3000kN，相较于设计方案中所提出的1970kN更大，因此承载力表现良好，满足要求。

3.3 钢平台安装

取标高+8.00m的位置并于该处搭设施工平台。结束钢桁架的安装作业后，取距离桩顶650mm的位置并于该处设水平线，从而明确钢桁架的具体安装位置，设置好钢桁架后安装剪力支撑。若无误则安装钢平台，采取焊接φ400mm钢管的方式，安装区域为钢平台下口处，共设置4根连接钢管，要求各自的顶标高误差≤2mm。根据设计图纸预制构件，在陆地工厂组装成完整的钢平台，确定合适的临时吊点，打桩船就位后吊装钢平台，使其到达安装位置上方500～600mm处，匀速下放过程中由施工人员辅助作业，保证钢平台位置的合理性。钢平台安装到位后全面检查，若无误通过焊接的方式固定。

此外，测风涉及到的光伏板、蓄电池和测风设备，已在厦门港刘五店基地提前完成安装，测风平台被运到现场后，直接套在单桩上并进行最后的调试便可使用。

4.结语

测风塔结构设计以海上施工条件为立足点，经分析后确定荷载和结构形式。从实践结果来看，施工效果良好，未发生安全事故，因此测风塔的设计方案具有可行性。