海上风电大直径钢管桩沉桩施工技术研究

海上风电大直径钢管桩沉桩施工技术研究

董雪

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 杭州 311122

摘要：海洋环境复杂，海上风电建设中的大直径钢管桩沉桩施工，一直以来都是海上风电施工的难点和风险点。针对上述情况，本文具体探讨了海上风电大直径钢管桩沉桩过程中存在的难点问题，并详细分析了沉桩过程中需要使用到的施工技术，其主要目的在使海上风电大直径钢管桩沉桩施工工作能够顺利展开，为整体施工效益的保证打下良好的基础。

关键词：海上风电；大直径钢管桩；沉桩施工；单桩基础

前言

由于海上环境风能密度大、风力大，相较于陆地风电，海上风电通常具有更高的年发电量，且占地资源更少。国家对海上风电建设一直高度关注，截至2020年底，我国海上风电的总装机规模已达到6GW。伴随着最近几年我国经济发展速度的加快，针对风电技术的研究也开始进入一个全新的阶段，我国海上风电建设技术越来越成熟。相比于海上风电的建设初期，现阶段我国海上风电的建设成本也呈现出了稳步下降的趋势。海上风电的建设正逐步由近岸风电场向深远海风电场转变。从现阶段的情况来看，在海上风电的建设过程中，大直径钢管桩的沉桩仍是海上风机基础施工的重难点，并在一定程度上制约了海上风电的更快速发展。

一、海上风电大直径钢管桩沉桩施工中存在的难点问题

（一）桩锤选择难度高

在海上风电建设过程中，目前最常采用的基础形式为大直径单桩基础，且随着水深的加深和海洋水文条件越来越恶劣，单桩直径呈增大趋势，因此，大直径钢管桩的沉桩是海上风电建设中一个必须保证的重要环节。通常情况下，大直径钢管桩的入土深度可达几十米，而相比于其他类型的基础形式来说，大直径钢管桩不仅具有较高的壁厚，同时单桩的直径也相对较大，在实际进行沉桩施工的过程中所需要克服的外部阻力也相对较多，最常见的主要包括端阻力以及侧阻力，在正式开始沉桩操作之前，需要提前做好打入分析的相关操作^[1]。为了达成相应的施工目标，合理选择桩锤就十分有必要。从我国现阶段的情况来看，市场上所销售的液压锤中，多数不具备足够的夯击能来满足海上风电大直径钢管桩沉桩施工的实际需要，桩锤选择的难度相对较高。加之最近几年我国海上风电建设力度的进一步加大，液压锤档期非常紧张，施工过程中进行短时间调配的难度很大。

2. 
   

3. 沉桩过程中难以调整垂直度

海上施工与陆地施工存在很大不同，海洋水文气象条件复杂、近海海域环境复杂，通常会使得施工存在一定的安全隐患，对于大直径单桩的施工尤其如此。在大直径钢管桩沉桩施工过程中，施工操作往往对于钢管桩沉桩的垂直度有着较高的要求，且一旦施工过程出现偏离的情况，调整难度整体较大。在这样的大背景之下，传统施工工作开展过程中所使用的打桩架配合打桩船的方式则很难全面满足现阶段的实际施工需要。在实际进行沉桩操作的过程中，要想更好地控制桩体的垂直度，则需要在充分考虑相关部分施工工作的实际情况的基础之上，建立专用的辅助施工平台，进而有效减少沉桩施工过程中桩体偏移的情况。但是从现阶段我国海上风电整体的施工情况来看，沉桩施工难以达到工程设计标准依然是一个普遍存在的问题，比如，施工空间狭小、较难定位钻孔位置、天气环境恶劣、泥浆使用困难等问题的存在，不仅会严重拖慢施工进度，同时也会对施工整体质量的保证产生十分不利的影响。

（三）桩顶法兰的保护存在困难

在针对大直径钢管桩上部结构与桩基进行连接的过程中，桩顶法兰是必不可少的一个重要的组成部分，而实际施工工作的开展过程中，在大直径钢管桩沉桩施工的环节，为了保证大直径钢管桩沉桩施工的效果，则往往需要更大的夯击能量，因此非常容易破坏桩顶法兰，且桩顶法兰被破坏之后，多数具有不可逆性，修复难度相对较高^[2]。从我国现阶段的施工情况来看，在实际进行海上风电施工的过程中，所使用的大直径钢管桩桩顶多数情况下使用的都是“L型”工装替打法兰，但是采用这种方式进行施工存在着较大的局限性，具体体现在施工过程中所选择的桩锤的直径、替打法兰的直径则必须与桩顶法兰的直径保持一致。而从现实的情况来看，即使是在针对同一工程项目进行施工的过程中，工程中所使用到的桩顶法兰的直径也普遍存在一定程度的差异性，加之前文所提到的桩锤的限制，导致实际施工要求的满足难度相对较高。

（四）施工精度保证难度高

海上风电工程的施工过程中，针对大直径钢管桩沉桩的施工往往有着较高的精度要求，在结束钢管桩沉桩操作之后，为了有效保证工程整体的质量，通常情况下桩顶法兰在水平方向的角度偏差需要控制在3‰以内，在平面的角度所出现的位置偏差不得大于50cm，在高程的部分，偏差需要控制在5cm以内。由于实际施工过程中对于高精度的要求，在实际进行沉桩施工的过程中，相关人员就需要实时观察侧桩位的情况，针对其存在的变化，要能够随时进行监测并调整，尤其是对桩体的垂直度要加大监测力度，由于后期调整桩体垂直度的过程中难度相对较大，则需要在施工的过程中随时进行调整

^[3]。由于施工过程会受到多种外部因素的影响，这也在一定程度上导致了施工过程中的精度保证难度相对较大。

二、海上风电大直径钢管桩沉桩施工中需要使用的主要技术

（一）要合理确定桩锤型号

海上风电施工中，为了保证大直径钢管桩能够顺利沉桩，避免工期受到影响，在正式开始沉桩施工操作之前，就需要提前做好沉桩分析工作，包括分析沉桩深度及贯入度、斜桩的过大倾斜因素、断桩的常见原因、桩接头的断离原因、过大桩位偏差原因等，还应提前进行力学性能的验算，明确需要钻孔部位的组成分布情况^[4]。在充分考虑桩体实际情况的基础之上，可以尝试借助GRLWEAP打桩分析软件，对钢桩在进入到土层之后所需要克服的各方面阻力进行模拟，具体包括对于端阻力的模拟以及摩擦力的模拟两个重要的组成部分，而针对实际沉桩施工的过程中，为了达成最终的施工目标，针对施工过程中所需要的夯击能则需要提前进行计算。

实际进行测算的过程中一方面需要考虑到本项目的实际情况，另一方面则可以尝试参考邻近海域同类施工工作开展过程中所取得的打桩经验，针对沉桩施工所需要使用到的液压锤，要在明确不同型号液压锤特点的基础之上，以本项目施工的相关需求为基础，合理进行选择。

（二）在进行沉桩调节的过程中主要使用独立双层稳桩平台

为了使沉桩施工过程中桩体的垂直度能够最大限度地得到保证，而人工进行垂直度测算的难度又相对较大，因此，为了使沉桩过程中的钢管桩在竖直方向和平面方向都有精确的导向以及定位，海上稳桩平台就发挥了十分重要的作用^[5]。海上稳桩平台本质上属于固定式钢管桩平台，其在实际工作的过程中不仅具有工作效率高、作业操作难度低的特点，同时不容易受到水文变化的影响，能够使大直径钢管桩沉桩的整体质量切实得到保证。

从实际施工的角度来看，很多工程在充分考虑实际施工需要的基础之上都使用到了双层导管架式稳桩平台，在对稳桩平台进行支撑的过程中，通常情况下需要4根钢管桩，钢管桩的长宽以及壁厚根据实际的施工环境来进行确定。用于支撑的钢管桩多数情况下需要在海床上扎根，这样的操作方式能够最大限度地减少潮位给实际施工过程带来的不利影响，而在实际施工的过程中，所使用到的操作平台多为双层钢结构平台，为了满足实际施工的需要，两层钢结构平台之间的高差需要保证在8m以上。每一层平台都需要根据实际的施工需要架设抱桩器，并进行液压顶推缸的设计。而实际施工过程中，在对钢管的垂直度进行调节的过程中，多数情况下都是通过稳桩平台来实现的，由于实际施工中钢管桩垂直度的调节都是分段来进行的，而在实际操作的过程中，通过保证两层钢结构平台间的钢管桩垂直度能够达到要求，进而实现对于钢管桩整体的垂直度进行控制。

在实际进行稳桩平台架设的过程中，通常情况下需要使用到大型稳桩平台船，而在对稳桩平台进行定位的过程中，多数情况下也是通过稳桩平台船上的相关设备来实现的。

（三）桩顶法兰保护过程中主要使用内嵌式送桩器

海上风电大直径钢管桩沉桩施工操作的过程中，为了避免桩顶法兰受损，则需要适度地对桩顶法兰进行保护，进而有效避免因桩顶法兰被破坏而导致的施工进度受到影响的情况出现。传统施工工作的开展过程中，为了达到对桩顶法兰进行保护的目的，多数情况下采用的都是工装替代法兰的工艺，但是在前文的研究中我们曾经提到过，这种操作工艺有其固有的缺陷，不利于施工整体质量的保证，针对上述情况，可以尝试对相应的施工工艺进行优化。内嵌式送桩器可以对桩顶法兰进行保护，在实际使用内嵌式送桩器的过程中，由于机器的桩锤大小与顶口直径的大小能够最大限度地保持一致，两者配合过程中的适应度相对较高，且桩顶法兰的内径能够与底口的直径保持一致，因此在实际连接钢管桩与桩锤的过程中，能够有效避免因桩顶直径与桩锤的直径无法保持一致而产生的一系列连接问题。与此同时，借助替打的力量，锤击力能够直接对桩顶法兰产生作用，直接将力传导至桩壁内部，进而有效避免了桩顶法兰因受力过大而出现破坏的情况。

（四）通过法兰面水平度控制保证施工精度

要想更好地控制钢管桩的垂直度，首先要做的就是控制好法兰面的水平度。在实际加工钢管桩的过程中，尤其需要关注的一个重点问题就是桩体同轴度的控制，确保桩轴线要能够与法兰面最大限度地保持垂直，并在结束相关部分的施工之后进行验收，其主要作用在于使沉桩施工操作过程中能够有十分直观的参考。在实际运输钢管桩的过程中，要注意保护成品桩，避免在运输过程中出现钢管桩变形的情况。而在实际进行沉桩操作的过程中，则要能够确保双层稳桩平台的价值能够得到充分发挥，控制过程中主要包含以下几个步骤。

首先，在实际进行喂桩操作的过程中，为了使钢管桩能够顺利地进入到稳桩平台内部的抱桩器，则需要充分利用起重船的作用，参考提前设置好的钢桩以及抱桩器表面的标记，进行钢桩平面转角位置的控制。由于现阶段的施工过程中，所使用到的液压顶推缸器多数情况下自身具备限位功能，施工中则可以充分利用这一功能，对钢管桩的平面位置进行调整。施工结束之后，要对钢管桩的转角以及平面位置进行检查，确保两者之间的角度能够最大限度地满足设计需要，在检查合格之后，对钢管桩进行下放处理，在钢管桩的桩尖距离泥面还有1m距离的时候，对钢管桩的垂直度进行调整，调整过程中主要利用上下两层抱桩器。其主要目的是确保后续施工工作的过程中，相关操作会影响钢管桩的垂直度，使施工要求能够最大限度地得到满足。

其次，在实际落实钢桩自沉相关操作的过程中，在将钢桩打入泥土中之后，通过对两个勾头的高度进行调节，使钢管桩的垂直度能够最大限度地靠近垂线，另一方面，利用起重船的扒杆对于桩体的垂直度进行调节。缓慢下放钢管桩，使其能够始终沿着垂直的方向缓慢自沉，进而有效保证施工的精度。但是在这一部分操作的过程中需要注意，钢管桩每下沉一段距离之后，需要注意测量其垂直度，直到沉桩施工彻底结束为止。

结语

综上所述，海上风电工程的施工过程中，大直径钢管桩的沉桩施工是必不可少的一个重要环节，这一环节的施工不仅会直接影响整体的工程质量，也会影响工程整体的施工进度，实际施工中需要加大对于相关问题的关注力度。从现阶段的情况来看，我国海上风电工程施工过程中针对大直径钢管桩沉桩的施工依然存在一系列的问题，而在明确这些问题的基础之上，有针对性地采取相应的施工技术予以解决十分有必要。

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