海上沉桩施工工艺与质量控制

李光明 王鑫

（中国广核新能源控股有限公司，北京 100071）

0.引言

在海上，其风电项目具备一定的优势特点，占地资源相对较少且风力和风能密度较大，在海上的风电项目技术发展不断成熟的今天，风电基础施工的技术得到了不断的提升，海上的风电项目的建设成本也得到了逐年的下降，针对于大型化机组不断发展的今天，需要对海上沉桩施工工艺与质量进行科学化的控制，以此来实现其社会效益和经济效益的全面提升。

1.海上沉桩施工原理

1.1 应力波动沉桩原理

在沉桩施工的原理方面，拿钢管桩来说，可以将其称之为自由支撑的弹性杆件的一端在受到来自外界的撞击力之后，其应力的纵波在杆件内部进行传播的一个过程。其中，在各部分的质量以及其刚性结构的模拟过程当中，弹性主要是无质量的弹簧模拟，撞的侧阻力和端阻力主要借助于黏弹塑性模型来进行描述。对于桩来说，受到锤击的过程可以分割为时间函数，在接受锤击的时候桩体本身会产生轴力，以此可以对对每一时间段桩的运动进行计算分析得出。

1.2 可行性分析

在沉桩效率的分析过程当中，可以根据其工程的地质资料借助于波动方程软件 GRLWEAP来进行桩打入的可行性分析，如果沉桩的过程当为连续的满冲沉桩，其液压锤的最大打击能量可以为1020kJ，在沉桩动端阻力为静态端阻力的1.2倍，土体本身的沉桩动侧阻力等效为静态极限的承载力。在实际的施工过程当中，可以采用打桩-掏孔-沉桩工艺，来获取良好的施工效果。

1.3 设备选择

在进行施工设备的选择方面，有多个方面：

（1）在钻孔设备的效率方面。对于海上风电项目可以采用海上嵌岩设备来施工，其中包含了冲击钻机、旋转钻机、旋挖钻机，在排除外界因素条件以及设备故障所造成的影响之后，对不同的嵌岩设备桩基嵌岩施工效率进行分析，可以发现其旋转钻机在淤泥沙土等覆盖层的钻井速度方面差距不大，在强风化岩以及弱风化花岗岩石层方面的施工效率属于冲击钻的1.75～3倍。冲击钻对于覆盖层进行施工的时候其效率属于旋挖钻机的120%，对于强风化岩石层钻进速度来说，区别于其他设备较慢。旋挖钻机对于强度较小的覆盖层来说，在施工速度方面相对较快，但是针对于岩石层强度较大的弱风化岩层来说，钻进的效率不高。

（2）在钻孔的设备选择方面。冲击钻具备安装方便且施工成本较低的特点，但是应用于强风化岩层当中其施工钻孔的效率相对较低，且对钻头部分需要定期进行养护维护加焊，对于其单孔的施工周期也相对较长，并且施工的过程当中钻孔的深度需要保持在60m以内。利用旋转钻机进行钻孔的话其速度较快，成孔较稳定且质量可靠，可以适用于较深的施工钻孔，但是此种方式在外接电源的要求方面较高，钻机的拆装以及移动孔位的工作量巨大。旋挖钻机具有方便移动的特点，对于非岩体部分的钻进速度较快，但是对弱风化岩层等强度较大的岩体层钻进的效率相对较低，如果利用此种设备来对大直径的嵌岩桩施工的过程当中，需要借助于分级钻进的方式来进行桩基施工，且孔深需要在100m以内。在不同的钻孔设备下，其施工的效率、实验范围以及工程的场址地质条件下，可以采用冲击钻来实现二次沉桩前的施工，其中需要以旋转钻机为主来实现嵌岩施工。

2.施工关键技术

在本文当中主要对大直径的钢管桩施工关键技术进行分析，在这个过程当中需要分为多个方面来研究：

（1）对于沉桩的打入需要进行锤型的确定和分析，对于沉桩的顺利施工需要提前进行地勘资料的分析和钻孔土层分布状态的掌握，根据实际情况来进行力学性能的相关盐酸，结合桩体本身的结构，借助于打桩分析软件来对沉桩进入土层之后所承受的摩擦力和阻力进行模拟，以此来对沉桩过程当中的所需夯击能进行计算和研究，其中对于液压打桩锤来说可以借助液压传动的特点来增强锤和桩体之间的锤击时间，加强有效的贯入能量的同时还可以有效减少打坏桩头的风险，比较适用于较大的管径和较重质量的单钢管桩沉桩施工项目当中[1]。

（2）还需要具备独立的双层稳桩平台来实现沉桩的调节技术，对于沉桩的垂直度来说，可以借助于稳桩平台来为钢管桩的沉桩施工提供出一个可靠稳定的平面定位和竖直导向，此种类型的固定式的钢管桩平台在水文方面的影响较小，其作业也比较方便，施工的效率相对较高。利用此种方式可以保证钢管桩的沉桩质量。比如一个工厂当中采用双层导管架式的稳桩平台来进行支撑，其支撑系统需要扎根在海床上且正常的操作不受到潮位的变化影响，借助于双层钢结构的平台来进行每层平台设置一个抱桩器，利用对上下抱桩器的调节来实现对桩体垂直导向的调节，最终实现整根钢管桩的调节。与此同时还可以根据定位来实现稳桩平台的精准定位施工[2]。

（3）对于内嵌式的送桩器来说，可以采取桩顶法兰保护的技术，利用内嵌式的送桩器其顶部和桩锤部分需要保持相适应的状态。底口部分需要和桩顶的法兰直径相一致，将桩锤和管桩来相连接可以有效地解决桩锤和桩顶的连接问题，同时可以保护法兰不会受到破坏。除此之外，对于大直径的钢管桩法兰面水平度的测量控制技术来说，需要对管桩加工的过程当中进行垂直度的控制，做好法兰面和桩轴线的垂直度验收工作，在桩体运输的过程当中需要做好对成品桩的保护工作，防止钢管桩的变形。对于沉桩的过程需要充分借助于双层稳桩来进行控制，在这个过程当中，对于喂桩过程当中，需要利用起重船来将钢桩喂到稳桩平台的抱桩器当中，借助于抱桩器和钢桩上的预先做好的标记来实现对钢桩转角的控制，借助于抱桩器的液压推缸当中的限位功能来实现对钢桩的平面位置的控制。对于钢桩的自沉阶段来说，需要在钢桩入泥之后对2个钩头的高度进行调节，实现对垂直方向的调整[3]。

3.操作要点

（1）需要对稳桩平台进行定位安装，在这个过程当中其一需要进行稳桩平台船的定位，根据桩位的坐标和锚揽的长度来对船舶进行定位轴线和铺位坐标，进行抛锚之后进行锚揽的调节实现船舶的中心线和既定轴线保持一致的状态。对于船位来说，可以进行全程数字化的显示。在这个过程当中可以采取SPS855型GPS接收机来实现信号的定位精度确定，该种型号的接收机采用外挂模式的方式。对于稳桩平台和临时支撑桩的吊装来说，需要实现平台的整体上升，到预定高度的状态下放置在稳桩平台的支撑座当中，借助于4根支撑桩来插入稳桩平台的导管内。

（2）对于稳桩平台的支撑桩沉桩操作，需要利用振动锤进行沉桩操作，沉桩的深度需要根据桩位所在的地质条件环境确定，一般来说，入泥的深度需要在16m以上的范围。对于稳桩平台的提升和固定，需要根据其管桩的标高，对于平台的提升到位之后，就可以进行精确程度的确定和调整，在对全部吊挂结构进行锁定之后，可以利用钢楔块实现平台和支撑桩之间的缝隙可以固定，以此来形成一个独立且稳定的框架平台。对于稳桩平台，提升之前需要进行钢管桩的标记，提升的过程需要保证整体提升，对于四角的提升高度都需要观察注意，防止出现影响结构的因素和现象[4]。

4.实例应用

在本文当中，主要以广东某地区的海上风电场项目来作为主要的研究对象，该工程场址面积约64km²，共40个机位，其中包括20个单桩施工，水深在30m～42m之间，桩重约1800t～2150t，桩长100.5m～113.5m，最大单桩桩径9.5m；在该工程当中需要实现单桩施工。在我国现阶段的国内单桩基础较多应用于25m以内水深，基础重量控制在1500t以内，一般采用的是双浮吊翻身施工工艺。该工程的风电单桩桩重1800t～2150t，对船机施工工艺等要求较高，双钩翻身风险大；再加上该地区的海域受到台风的影响，其海况相对恶劣，在施工条件和地质条件方面都有一定的难度。地质淤泥层20m左右，易溜桩，对单桩垂直度影响大。

在该工程单桩施工装备及工艺当中，包含浮吊船单船单钩翻身工艺研究、稳桩平台及抱桩器系统、液压打桩锤系统、辅助系统试验等，主要用于深水大容量海上风电机组基础单桩的起吊、翻桩、稳桩及打桩作业。其中浮吊船单钩翻桩工艺、坐底式单桩稳桩技术、稳桩平台结构轻量化技术、抱桩器液压伺服控制技术等需要作出重点研究，以此来实现超重单桩高效作业的目标。

在该工程的施工工艺当中，施工主船拖航至机位处抛锚精确定位，施工辅助翻身浮吊拖航至机位附近处抛锚定位。同时将稳桩平台定位于机位。运桩船四锚定位至两船中间。定位完成后，采用两船抬吊的方式进行翻桩，待翻身完成，通过绞锚移船将单桩吊入稳桩平台，然后起吊打桩锤，压锤、沉桩至设计标高，最后完成附属件安装，并完成验收。在施工的过程当中，由于其气候条件恶劣，需研究改造适用于项目的稳桩平台；本项目最大单桩重达到2150T，直径大，传统的双钩翻身工艺可操作性差；地质淤泥层厚，稳桩平台调平困难，沉桩垂直度控制难度大。

在该工程的施工过程当中，对于稳桩平台改造当中，目前海上风电场单桩基础主要适用于水深小于30m的海域，随着海洋风电开发向深海发展，现有单桩施工工艺及稳桩平台亟需研究发展。针对我国近海风电场海域水深情况以及风机单桩参数分析的基础上，研究稳桩平台改造分析，建立和完善试验系统，利用SESAM建模分析稳桩平台针对不同地质的定位以及固定状态，提出合理的工艺流程总体方案。对于稳桩平台改造，设计为上下2层，每层稳桩平台上布置4个油缸，推力200t，行程1250mm。结构设置4个套筒，通过焊接固定。采用嵌入式的方式，需要保证其净空尺寸不小于11m；上下层稳桩平台距离为8m。稳桩平台抱桩径范围：Φ7.5m～Φ10m；稳桩平台总重（含4根辅助桩）约为：1800t。在该工程的稳桩平台及抱桩器系统进行改进，辅助桩固定方法由原来插销固定改为马板焊接固定，稳桩平台就位后采用割除马板辅助桩自身重力冲击泥面的方式提高工作效率，提高定位精度及稳定性；考虑到惠州风场海域淤泥层20m左右，为保证稳桩平台沉放方向满足设计要求，切除稳桩平台底层卡板，使得稳桩平台水平度满足要求，从而保证单桩沉桩垂直度满足设计要求。在单钩翻桩工艺当中，需要借助于主安装船上的200t的履带吊开始将溜尾绳起吊，将扁嘴钩与基础桩底部相连，连接完成后履带吊受力将扁嘴钩固定住，同时主钩旋转下放钢丝绳至基础桩主吊耳处，以人工拖拽缆风绳将主吊钢丝绳平稳的挂在主吊耳处，再将副钩上的溜尾脱钩钢丝绳挂在主钩上，开始起吊主钩和副钩钢丝绳，从主作业船大吊上的左右缆风绳锚机上打2根缆带在基础桩桩身上，然后使主钩缓慢受力准备进行基础桩整体起吊翻身[5]。

5.结语

在对海上沉桩施工建设的过程当中，由于其工程本身的地质条件相对复杂，因此在岩层强度较大且覆盖层不高的情况下，需要实现对沉桩施工的打入性模拟分析，在掌握了沉桩参数的同时对施工的设备和工艺进行最大限度的确定。由于其桩基本身的覆盖层较厚且嵌岩深度较浅，因此可以借助旋挖钻机的方式来实现钻孔施工，还可以利用冲击钻和旋转钻组合的方式进行钻孔施工。