超大直径钢管桩近海施工关键技术

张跃辉

（中交第三航务工程局江苏分公司，江苏 连云港 222042）

摘 要：近年海上风电工程在国内沿海得到大规模建设，作为风机基础主要承载力的桩基，普遍采用螺旋焊缝超大直径钢管桩。超大直径钢管桩沉桩施工对海上沉桩打桩锤及替打的选择、沉桩稳桩定位方式比常规沉桩工艺提出更高的要求。文章结合江苏响水海上风电工程钢管桩打桩施工情况，阐述超大直径钢管桩施工主要关键技术，包括沉桩打桩设备选择、工艺流程和技术措施及经验等。工程施工效果良好，满足设计和规范要求，可在大型海上风电工程、测风塔工程和港口工程中推广使用。

关键词：近海；风电；超大直径；钢管桩；关键技术

近几年我国建设的风电场项目大多处于近海海域，水文、气象和地质等环境复杂多变，这给海上风电场施工带来诸多难点和风险[1]。海上风电基础主要有单桩基础、多桩承台基础和重力式基础，单桩基础主要为超长超大直径的钢管桩[2]。本文以江苏响水近海风电场为例，以单桩钢管桩施工为背景，介绍了超长超大直径钢管桩的设计与制作、打桩船系统的组成、稳桩平台结构、钢管桩沉桩工艺等，对沉桩打桩锤的选择、沉桩精度的控制等关键技术进行了较深入的分析。

1 工程概况

江苏响水近海风电场项目位于响水县外侧海域，风电场涉海面积34.7 km2，场区水深8～12 m。

地质以砂土及淤泥质土为主，粉土、粉砂及黏性土交互。桩持力层为⑧-2层粉细砂：灰色，饱和，密实，偶见贝壳碎屑。标贯实测锤击数为32～65击，平均值47.2击。

项目16台风机采用单桩钢管桩基础，钢管桩采用下粗上细的变径开口桩，主要参数见表1。

表1 钢管桩主要参数表
Table 1 Steel pipe pile main parameter table

桩径/m φ5.6～4.3，10根φ5.8～4.3，6根 桩重/t 520～620桩长/m 64～76 入土深度/m 46～57桩顶高程/m +10 顶法兰面水平度/% ≤0.3

2 单桩施工特点和难点分析

2.1 单桩施工特点

1）单桩桩长64～76 m，重520～620 t，全为超长、超重大直径直桩。

2）施工水域远离陆地，自然条件差，施工难度大，且要求桩身垂直度（桩顶法兰面水平度）偏差≤0.3%，较港内沉桩要求更高。

3）吊桩采用2艘起重船抬吊施工，施工中需要合理布置锚位。

4）分析地质条件将单桩沉至设计标高需选择大能量（600 kJ左右）的液压锤，经沉桩可行性分析，选择S800液压锤。

2.2 工程难点

1）本工程桩型适中，制桩对桩中线和桩顶平整度要求高。

2）考虑地质条件的前提下，将近6 m直径工程桩沉至设计标高需选择大功率冲击锤（500 kJ左右），因此沉桩作业重点在于选择合适的锤型。

3）高强度的沉桩锤击，易损坏桩顶法兰。

4）部分桩基位置由于存在粉质黏土夹粉土层，沉桩时有可能会产生溜桩

5）本工程的最主要难点在于工程桩的精度控制，要求沉桩完成后的基础顶法兰面水平度（桩轴线倾斜度）偏差≤0.3%；当水平度偏差大于0.3%时，施工方应联系设计单位，协商解决方案。

2.3 针对工程难点制定应对措施

1）经沉桩可行性理论分析，选择S800或S1800液压锤可将工程桩沉至设计标高。

2）通过保护工装法兰的运用，使单桩顶法兰面上的应力水平大大降低，保护单桩顶法兰。

3）通过精确的GPS定位技术保证单桩的绝对位置和高程偏差在设计要求范围内；采用2层钢桁架作为定向导向架来控制单桩沉桩的垂直度，通过自重入土、压锤入土、轻击至可调土层3个阶段的不断调整确保单桩质量指标。

3 海上沉桩工艺流程与沉桩系统

3.1 海上沉桩工艺流程

根据工程的施工环境与技术要求制订了钢管桩吊打的施工工艺[3]，具体施工工艺见图1。

图1 沉桩工艺流程图
Fig.1 Flow chart of pile driving

3.2 海上沉桩定位平台

为确保大直径钢管桩沉桩工作的顺利进行，需搭设单桩定位平台（见图2所示）。在平台上留出桩位孔，利用平台支架体系控制桩位偏差及桩身垂直度[4]。辅助平台由4根辅助桩、平台主体及平台与桩的连接系统组成。辅助平台设计尺寸17 m×15 m×6 m，上下2层桁架钢结构，总重约120 t，见图2。定位平台上设置1套由数个50 t千斤顶组成的顶撑系统，以调整大直径钢管桩的垂直度。定位平台的安装位置决定了以后钢桩沉桩的桩位，故必须严格控制稳桩平台定位的准确度，特别要控制下桩龙口的定位精度。

图2 沉桩定位平台
Fig.2 Positioning platform for piling

3.3 船机选择

本项目中单桩长度最大为76 m，按最不利低潮位-2 m考虑起重船吊钩吊高，吊钩离水面吊高最少需满足平台高度、吊钩和钢丝绳长度和桩底安全距离要求，主吊船选用吊高超过90 m的1 500 t全回转起重船，单桩起吊立桩时增加1艘500 t起重船辅助抬吊立桩。

3.4 打桩锤选择

合理选择打桩锤是沉桩施工成败的关键，桩锤的选择主要考虑以下两点：1）桩的类型（是斜桩或是直桩）、桩身结构强度（牵涉到桩的材质——混凝土管桩或钢管桩等）、桩的长度、桩群密集程度及排布方式；2）沉桩区域的地质条件、土体的密实程度（通常以标贯击数为指标）不同所需桩锤的冲击能量相差很大，从某种意义上来说，沉桩区域的地质条件为沉桩锤击设备选取的决定性因素[5]。

选择夹砂层较厚达30 m的2座典型机位进行沉桩可打性分析，结果如表2所示。

因此，本项目选用S800液压锤进行单桩施工，可顺利将工程桩沉至预定标高，但锤击数偏高，拟采用桩底焊接破土环等措施减少锤击数。

表2 典型机位沉桩可打性分析表
Table 2 A typical pile drivability analysis table

机位 桩径/m 桩长/m 入土深度/m 锤型 理论锤击数/击 理论停锤贯入度/mm 最大锤击压应力/MPa 1号 5.6 72 55.5 S800 5 383 4.7 80 2号 5.6 72 55.5 S1800 1 860 11.9 109

3.5 桩顶法兰保护

图3 工装保护法兰结构图
Fig.3 Piling protection flange details

IHC-S800液压锤沉桩锤击数偏高，必须采取措施对塔筒法兰进行保护，防止锤击变形。施工时在桩顶增加了工装替打法兰，见图3。通过保护工装法兰的运用，使单桩顶法兰面上的应力水平大大降低，不会对法兰面的平整度产生破坏，不会对法兰的棱角产生塌角破坏，且在需要振动锤振拔纠偏时，也能够安全的保护单桩顶法兰。

3.6 防溜桩措施

在单桩自重作用下，单桩下沉至泥面以下一定深度后停止下沉，但部分桩基位置由于存在粉质黏土夹粉土层，沉桩时有可能会产生溜桩[6]。

为了防止单桩溜桩对稳桩平台龙口的破坏，杜绝船机、人员安全事故的发生，制定了相应的应对措施：

1）单桩在自重入土稳桩后，用起重船起吊S800锤及其锤底座进行压桩；

2）做好现场沉桩资料与地质资料的分析，在单桩距离粉质黏土夹粉土层1 m时，减少液压锤锤击能量和锤击频率；

3）根据码头沉桩施工经验，可采取隔天复打，以检验桩周土对桩基握裹的时效效应；

4）液压锤上钢丝绳采取长绳扣挂锤，以避免单桩突然溜桩下沉，将液压锤带下的情况发生。

4 沉桩施工过程控制措施

沉桩施工过程控制主要分为6个阶段，分别为入龙口阶段、自重下沉控制阶段、开锤前垂直度确认阶段、正常沉桩垂直度可调阶段、连续沉桩阶段、桩顶标高控制阶段。

4.1 入龙口阶段

桩入平台口千斤顶顶到位后，采用120激光数显水平尺靠在桩壁，调整桩的垂直度。桩垂直度满足要求后开始下桩，至桩入泥1 m时千斤顶固定带紧。

4.2 自重下沉控制阶段

桩尖入泥后，在桩边的延长线上架设全站仪，2台全站仪90°布设，全站仪架设在固定在平台的支架上，固定时顶部用水平尺找平。在下沉阶段每下沉1 m观测1次，超过要求及时调整，观测方法为仪器对准底部的桩边为0方向，顺时针旋转分别观测桩顶的角度（桩顶两边），和另一侧的底部桩边，根据实测角度和桩的高度计算桩的垂直度。为了更好的控制桩的垂直度，消除制桩过程中的误差，2台全站仪分别架设在桩的另外两个方向，实测桩身垂直度。

4.3 开锤前垂直度确认阶段

液压锤套锤阶段需全程跟踪观测，发现异常时立即停止套锤并调整桩身垂直度。

4.4 连续沉桩垂直度可调阶段

在保证单桩垂直度的情况下，开动液压锤，先以小能量液压锤击沉桩，点动2～3锤，暂停一段时间，无异常后继续点动2～3锤，再次暂停一段时间，如此3～4次，并安排测量观测桩身数据，调整桩身姿态；

完成桩身调整后观测15 min，无变化后继续沉桩，每隔1～2 m观测、调整1次，当桩继续入土10 m时，改为每隔3～4 m观测、调整1次，当桩继续入土10 m时，此时桩入土深度约30 m，调整措施已经无法起到调整作用，改为正常液压沉桩。

4.5 连续沉桩阶段

在割除主吊耳时，继续观测垂直度。

4.6 桩顶标高控制阶段

沉桩前在上平台龙口边缘处用GPS测出顶面高程，把高程引测到下平台龙口边缘处，按桩顶设计标高计算桩顶到下平台的高差，并在桩身上做好停锤标记线，待停锤读数和平台高程一致时停锤。

5 结语

响水近海风电项目，针对项目地质实际情况和施工工期紧的特点，采用钢管桩基础，螺旋焊管工厂化程度高，制作速度快，质量有保证。经过最多7 000次的连续锤击，没有出现焊缝开裂、变形和桩尖卷口等问题，桩顶达到设计标高，桩身垂直度均小于0.3%要求。通过该项目的施工实践，说明设计选择的超长超大直径的管桩施工进度快，质量好，证明这一选择是正确的。

在浪高、流急、地质条件复杂的条件下沉大直径超长钢管桩，沉桩设备是关键。为沉桩选择合适的打桩船和打桩锤对顺利沉桩起了关键性的作用。

采用稳桩控制平台对钢管桩定位，具有精度高，速度快，劳动强度低的特点，成功地解决了海上沉桩垂直度和法兰精度控制标准高的问题。因此，该项目沉桩工程的顺利完成为以后海上超长大直径钢管桩沉桩施工奠定了基础。

参考文献：

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Key technologies for offshore construction of super large diameter steel pipe piles

ZHANG Yue-hui
（Jiangsu Branch of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Lianyungang,Jiangsu 222042,China）

Abstract：In recent years,offshore wind power projects in China's coastal areas have been large-scale construction.As the foundation of the main bearing capacity,the pile foundation generally used in large diameter spiral welded steel pipe pile.The construction of super large diameter steel pipe pile driving puts forward higher requirements for the selection of piling hammer and replacement,the positioning method of stabilizing pile compare to the conventional pile driving technology.Combined with the steel pipe pile driving construction of Jiangsu Xiangshui offshore wind engineering,we introduced the key technology of the construction of large diameter steel pipe piles,including piling equipment,technological process and technical measures,and introduced some experiences on piling of offshore super large diameter steel pipe pile.The construction has good effect,meet the requirements of design and specification,can be applied for large-scale offshore wind power projects,wind tower engineering and port engineering.

Key words：offshore;wind power;super large diameter;steel pipe pile;key technology

中图分类号：U655.55

文献标志码：B

文章编号：2095-7874（2017）03-0057-04

doi：10.7640/zggwjs201703012

收稿日期：2016-09-28

修回日期：2016-12-20

作者简介：张跃辉（1962— ），男，江苏连云港人，高级工程师，副总工程师，主要从事港口、海岸及近海风电工程施工研究。E-mail：[e-mail]