浅谈海上风电坐底式稳桩架单桩基础沉桩施工工艺

张梦帝

（天津港航工程有限公司，天津 300457）

1 工程概况

华能山东半岛南4 号海上风电项目为山东省首个海上风电项目，风电场位于山东省海阳市南部海域，场区中心点距离海岸约30 km，总规划面积约45.56 km2，风电场场址水深为29～31 m。该项目的风机基础均采用无过渡段单桩基础结构型式，桩顶高程+12.0 m（85 高程系），桩长79.5～96.5 m，桩重1 004.69～1 305.43 t，单桩基础桩径6.0～7.7 m。

2 基面的高程关系

根据2018 年12 月至2019 年11 月一年的实测数据分析可知，计算本施工海域平均海面平面在1985 国家高程基准面以上1 cm，理论深度基准面在平均海面以下228.8 cm。

3 特点及难点分析

1）本工程采用固定扒杆起重船通过钢丝绳连接主吊耳起吊，小型全回转起重船进行溜尾的方式来吊桩立桩，并且在定位驳上配备大型液压冲击锤进行吊打沉桩。

2）本工程采用固定扒杆起重船起吊稳桩架并由锚艇拖带的方式进行移场，采用坐底式稳桩架代替传统打桩船的自带稳桩架，结构稳定可靠。

3）本工程由于水深较深，采用传统的溜尾方式无法顺利摘钩，因此钢管桩桩底部通过管桩钳夹桩，立桩触底或立桩完成后自动摘钩。

4）坐底式稳桩架定位系统采用星站差分（RTX）技术，具有测量效率高、精确度高、数据可靠、单机作业等优点[1]。

5）本工程采用液压冲击锤吊打施工时，采用替打法兰作为有效保护措施，确保桩顶法兰在沉桩过程中不受破坏。

6）本工程施工海域水深浪大、施工窗口期较短，施工效率难以保证。

7）本工程地形地质条件复杂，各土层的标准贯入试验击数差别较大，存在沉桩困难以及溜桩的双重风险，施工难度大。

8）本工程钢管桩桩长最大达96.5 m、桩径最大达7.7 m、桩重最大达1 305.43 t，施工船机要求吨位、起重量等均较大，选型困难。

4 主要船机设备

1）1 500 t 固定扒杆起重船“嘉泰68”。“嘉泰68”船长90.8 m，船宽35 m，型深6.7 8m，空载吃水2.4 m，满载吃水5.0 m。

2）800 t 全回转起重船“特顺起重1 号”。“特顺起重1 号”船长78.3 m，船宽29.3 m，型深5.5 m，空载吃水2.07 m，满载吃水3.2 m。

3）坐底式稳桩架。坐底式稳桩架由架体、底部防沉板、浮筒、抱桩器平台（两层）、动力站、4 根定位桩组成。其中架体高50.18 m、长25 m、宽23 m；定位桩桩长70 m；总重1 280 t。

4）打桩锤。结合已有的类似项目和类似工程的单桩施工经验，综合考虑施工海域的工程地质情况、桩基设计技术参数等因素，经沉桩可打性分析，桩锤选用MENCK3500 液压锤。

5）定位驳船“今海龙2 号”。“今海龙2 号”船长97 m，船宽27 m，型深5 m，空载吃水3.5 m，满载吃水3.7 m，总吨位3 465 t。

5 施工工艺

采用坐底式稳桩架进行单桩基础沉桩施工的工艺流程如下。

5.1 坐底式稳桩架定位

采用由固定扒杆起重船起吊稳桩架进行拖航定位，稳桩架的抱臂面向固定扒杆起重船的大臂。定位系统采用星站差分（RTX）技术，根据坐底式稳桩架的结构形式、移场方式确定坐底式稳桩架上两台固定GPS 位置。由于本工程设计要求塔筒门方面为正西方向，因此装船的方式和钢管桩主吊耳的方向决定现场的驻位方式，即驻位方式取决于坐底式稳桩架抱臂朝向。锚艇根据锚点进行抛锚，起重船通过绞锚完成坐底式稳桩架方位和位置的调整[2]。

5.2 船舶驻位

在坐底式稳桩架定位完成后，定位驳由锚艇拖船至施工范围内，到达机位进行抛锚定位，定位驳轴向方向与固定扒杆起重船轴向方向一致，确保人员可以正常上下稳桩架，船艏与船艉抛下八字锚，长度约为500 m。在定位驳驻位完成后，全回转起重船靠泊定位驳一侧，固定扒杆起重船副钩起吊振动锤进行坐底式稳桩架定位桩打设。坐底式稳桩架施工完成后，运输船进场靠泊在全回转起重船一侧。

5.3 翻身立桩

固定扒杆起重船通过绞收锚绳，将吊索具移至钢管桩主吊耳上方并松钩，双主钩通过主吊钢丝绳挂住环形吊耳，小型全回转起重船的主钩连接管桩钳（承重400 ）t 夹至桩底部的正上方。固定扒杆起重船和全回转船同步起吊，当钢管桩与运输工装完全脱离时，先暂停起吊，待钢管桩晃动幅度很小时继续起吊，当钢管桩高出运输船烟囱有一定安全距离时，运输船解除缆绳，退出施工区域。两条起重船相互配合从而实现钢管桩由水平变为直立状态。

5.4 喂桩

当桩成竖向状态时，再次用GPS-RTX 复验坐底式稳桩架周围的3 个固定的坐标点位置验证桩中心是否满足设计要求[3]。与此同时，固定扒杆起重船通过绞锚移动将桩慢慢喂进抱桩器，桩进抱桩器的时机选择在水流平缓时进行。

5.5 沉桩

沉桩过程主要控制点包括：自沉桩身垂直度控制、沉桩过程中垂直度控制、法兰水平度调整、桩顶标高控制。

1）自沉桩身垂直度控制。自沉阶段以入泥10 m或卸重1/3 为分界。稳桩至入泥10 m 或卸重1/3，因为桩身受水平力较小，上部随起重船晃动较大，垂直度主要通过调整抱桩器千斤顶、起重船钩头高度、起重船的前后位置。卸重1/3 至脱钩，桩处于趋于稳定状态，垂直度主要通过调整抱桩器千斤顶、起重船钩头高度。

2）锤击沉桩过程中桩身垂直度控制。锤击沉桩以锤击入泥前20 m、溜桩和锤击20 m 后为界。锤击入泥前20 m 是垂直度控制的关键时期之一。其中因地质原因，溜桩垂直度控制是本阶段垂直度控制的重点。本阶段主要以千斤顶调整为主，上下层千斤顶顶进方向相同。

锤击入泥前20 m 桩身垂直度观测，观测范围与初始观测范围一致，通过观测偏差进行调整。桩身垂直度调整时千斤顶不应一次顶到位，应调整偏差量的一半，使桩身在锤击下沉过程中随着千斤顶的顶力慢慢进行调整。

根据地勘资料，详细分析各土层参数，预估溜桩位置和距离，当沉桩接近理论溜桩位置时，指挥人员加强与液压冲击锤锤组的沟通，根据实际贯入度实时调整锤击频率和锤击能量，以小能量单击为主，当贯入度大于20 mm/击时，停止锤击，同时加大垂直度观测频率，如偏差超出1‰，立即纠偏[4]。锤击20 m 后桩身入泥深度过大，只能通过观测偏数据使用千斤顶对桩身偏移的趋势进行控制。

3）法兰水平度调整。法兰盘水平度调整在自沉完毕后进行，其调节主要分为桩顶法兰水平度调整和桩身初始偏差量的观测，桩顶法兰水平度调整是通过调整千斤顶减小桩顶法兰面高差，其具体观测和调整方法如下：桩顶法兰水平度测量，使用水准仪测量稳桩架上下层平台4 个千斤顶对应桩顶法兰处高差，高差为对角位置两读数之差。以高差数值为依据调整千斤顶，使高差不超过2 mm 为止。

4）桩顶标高控制。通过桩身刻度和坐底式稳桩架的高程来计算控制，使用GPS-RTX 进行测量，用GPS-RTX 测量稳桩架上层的高程，再通过钢尺将稳桩架上层测量点的高程传递到下层稳桩架上。根据贯入度控制锤击能量，必要时停锤观测，保证桩顶的标高偏差满足设计要求。

5）坐底式稳桩架移场。坐底式稳桩架上层平台上有四个轴销式吊点，两根86 m 的主吊钢丝绳连接1500T 平衡梁和两根周长36 m 的高分子吊带连接副钩，再通过分别连接上平台两个吊耳的方式进行转场，提升坐底式稳桩架时，“嘉泰68”首先缓慢提升副钩，减少防尘板的吸附力，“嘉泰68”提升主钩使坐底式稳桩架离开泥面，随后主副钩同时起吊，离开泥面5 m 位置后整体采用倒拖的方式拖运到下一个机位。

6 质量控制要点

1）沉桩允许偏差。绝对位置（WGS1984 或国家2000 坐标系）允许偏差500 mm；桩顶高程允许偏差50 mm；沉桩完成后的基础顶法兰水平度偏差≤3‰；钢管桩塔筒门方向为正西方向。

2）贯入度。最后6 个连续25 cm 的沉桩平均贯入度不超过20 mm 时，做好沉桩记录报告监理。

7 后续施工改进建议

1）由于本工程水深在30 m 左右，为保证沉桩施工顺利进行，在综合考虑成本及安全的情况下，在深水区尽可能的选择吨位较大的船机进行施工。

2）为保护钢管桩面漆，在进行坐底式稳桩架设计时，将坐底式稳桩架千斤顶尺寸和油缸尺寸设计大一些，保证钢管桩和千斤顶充分接触。

3）加强气象的收集并及时与各施工船舶沟通，综合分析并合理安排窗口期，提高施工效率。

4）针对大直径钢管桩施工，采用“一桩一议”的方法，根据静力触探测试成果图，充分认识每层土质的性能指标，分析可能溜桩的区段，在沉桩时着重注意该土层，以最小能量点击为主。

8 结束语

本文主要对采用坐底式稳桩架沉桩施工的工艺流程和测量控制重点等进行了详细的论述，并根据现场具体情况提出了一些后续施工改进建议，其中关于坐底式稳桩架定位和钢管桩垂直度控制仍为该工程的重点。经过充分的前期准备和精心的现场管理，实测数据表明，已沉钢管桩的沉桩效果良好，各项技术指标均达到设计要求。通过本工程，希望后续有类似在30 m 左右水深的海域进行单桩基础沉桩施工的海上风电项目充分考虑各种因素，在确保安全和质量可控的前提下，保证工程顺利完成。