单桩加斜桩海上风机基础特点与施工技术_张祖涛.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 4 期 2023 年 2 月Vol.54 No.4 Feb.2023411单桩加斜桩海上风机基础特点与施工技术张祖涛，陈 春（中交第三航务工程局有限公司厦门分公司，361000，福建厦门）摘要：海上风电多采用单桩基础，对于大直径单桩需要嵌岩成孔后再复沉钢桩的机位（也称型单桩机位），目前国内成功案例较少。基于中广核平潭大练海上风电项目，提出了一种将已初沉的单桩超高部分割除后，在单桩周围增设 6 根小直径钢管桩，变成一种新型的单桩加斜桩基础再浇筑混凝土承台的组合结构形式并成功实施。结果表明，在保证安全可靠的前提下，该基础结构形式成功规避了大桩嵌岩的施工难题，并且加快了施工进度，也有效降低了工程投资。关键词：海上风电；新型结构形式；单桩加斜桩；组合结构中图分类号：TU 74 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)04-0411-03cHArAcTErisTics AND coNsTrucTioN TEcHNoloGy oF siNGlE pilE AND iNcliNED pilE coMposiTE FouNDATioN oF oFFsHorE wiND powErZHAnG Zu-tao,CHEn Chun(CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Xiamen Branch,361006,Xiamen,Fujian,China)Abstract:Offshore wind power mostly adopts single pile foundation.For large-diameter single pile foundation that requires rock-socketed and then re-sinking(also known as type II single pile foundation),there are few successful cases in China at present.Based on the CGN Pingtan Dalian offshore wind power project,a new composite structure foundation of single pile,inclined pile and then poured concrete cap is proposed.It is a construction technology that adds six small-diameter steel pipe piles around the single pile after cutting off the over-elevation part of the single pile.As a result,under the premise of ensuring safety and reliability,this foundation structure successfully avoids the construction problem of large-diameter rock-socketed piles,accelerates the construction progress and effectively reduces the project investment.Keywords:offshore wind power;new structure;single pile and inclined pile;composite structure1 单桩加斜桩基础结构形式的由来目前，单桩基础广泛地应用于我国海上风电场的建设中，单桩桩重在 1 000 t 左右。在进行单桩基础施工过程中，可能会因某些特殊情况如沉桩时遇到孤石、需要嵌岩的 I 型、型大直径单桩基础钢管桩在初次沉桩时造成桩尖卷边变形，无法继续进行施工，单桩的桩顶标高不到位，无法继续锤击下沉或钻孔清孔后复沉。在单桩不具备复沉条件的情况下，为确保该机位仍可在原机位处完成基础施工并顺利实现投产，福建平潭中广核大练海上风电项目 A 区、C 区工程在遇到如上所述的技术瓶颈时，经过业主、设计、施工等多方努力，推荐了一种全新的结构形式，保留已沉设但并未达到设计标高的大直径单桩，在单桩周围增设 6 根小直径斜桩，再现浇一座钢筋混凝土承台，形成一种单桩加斜桩复合式结构，进而完成类似机位基础的施工。中间 1 根大直径单桩加周围 6 根小直径斜桩复合式承台结构形式的主要特点是保留原先大直径单桩基础未沉桩到位的单桩半成品，对单桩超高部分进行割除，后续再进行周边 6 根小桩沉桩、现浇混凝土承台形成整体，以提高风机基础的桩基抗拔承载力及水平抗倾覆能力，在保证质量安全可靠的前提下，不仅规避大桩嵌岩的施工难题，还加快了施工进度，有效降低了工程投资(图 1)。2 单桩加斜桩基础施工工艺中间 1 根大直径单桩加周围 6 根小直径斜桩复合式承台结构基础施工流程：单桩沉桩单桩超高段割除 6 根小桩沉桩小桩超高段割除承台钢套箱安装套箱内过渡段、钢筋、连接件安装承台混凝土浇筑。2.1 单桩沉桩（1）工艺一：1 200 t 起重船+六桩拆搭式稳桩收稿日期：20221226作者简介：张祖涛（1977），男，湖北荆州人，高级工程师，e-mail:Z.建 筑 技 术第 54 卷第 4 期412图 1 单桩加斜桩基础结构示意平台+IHCS3000液压锤。主要步骤：平台搭设起吊单桩入龙口锤击沉桩平台拆除。采用辅助桩支撑稳桩平台配合单桩沉桩施工。平台主体长约 30 m，宽约 18 m，高 6 m，稳桩平台支撑桩直径 2 m，壁厚 22 mm，辅助桩通过起重船配合振动锤逐根进行施工。单桩重约 1 000 t，沉桩采用1 200 t 起重船+IHCS3000 液压锤吊打沉桩。（2）工艺二：2 000 t 以上起重船+整体坐底式平台+IHCS3000 液压锤。整体坐底式平台无须烦琐的拆搭过程，其转场、定位效率高，平台重量一般在 1 500 t 以上，需采用2 000 t 以上起重船进行整体起吊移位。单桩沉桩关键施工技术如下：所选择的起重船，需克服施工现场恶劣天气、海况的影响，能充分利用有限的可作业窗口期进行海上施工；因施工工艺的不同，沉桩施工效率会不同，但对起重船的起重能力也有不同的要求，需根据各方面实际情况选择合适的施工工艺。2.2 单桩超高段割除施工针对大直径单桩的沉设并没有达到设计标高，单桩桩顶是处于一种超高的状态。在避免单桩嵌岩后复沉的同时，又能够顺利完成后续施工，而将基础结构形式变更为单桩加斜桩的一种特殊基础结构形式，这就需要将已沉单桩的超高部分割除。采用一种包括环形吊具和割桩平台一体的割桩工具。环形吊具包括筒体、法兰板和锁螺栓操作平台，下部割桩平台为一环形台板，平台通过尼龙绳与桩顶环形吊具连接成一体，起重船一吊安放就位。施工操作要点具体如下。（1）大桩沉桩完成后进行实际沉桩数据复测，确定相关参数。（2）桩顶环形吊具在起重船甲板上组装，起重船挂环形吊具起吊。在环形吊具内的操作平台上，准备桩顶锁螺栓、螺栓打力矩所需要的工人和工具，随环形吊具一起起吊至高空作业。（3）搁置桩顶后，环形吊具与桩顶法兰采用 64颗 M48 螺栓连接。（4）下部割桩平台上，采用履带式起重机+吊篮方式上人，测量人员进行割除位标高放线，采用切割机进行割桩施工，割桩的同时，在桩身底部焊两个翻身吊耳，割桩完毕后，人员撤离平台。（5）人员撤离完成后，起重船 1 号主钩起吊，一起竖运转向空旷海面处。（6）在空旷海面处，翻身至水平状态落于运输驳船上。单桩超高部分割除后，利用原单桩运输的鞍座落驳于驳船，运输至钢结构加工厂按图纸加工改造成风机基础上部与下部相连接的过渡段，即高桩承台基础环，加工后标明塔筒门方向，待后期承台浇筑时再次利用。2.3 6 根小桩沉桩每个机位沿已割除的大桩一周布置 6 根小桩，均为 51 斜桩，呈圆形布置。采用桩架式打桩船进行斜桩的沉桩施工，沿大桩一周依次完成 6 根钢管桩沉桩。小桩沉桩施工步骤为：打桩船、运桩驳定位钢管桩检查、划桩吊桩 GPS 测量定位下桩、稳桩锤击沉桩达到设计要求并停锤沉桩结束。2.4 小桩超高段割除沉桩完成后进行复测，根据测量后的数据标识割桩位置，采用小型桩顶平台对小桩超高部分进行人工割除。2.5 承台钢套箱安装依据设计要求的承台外形尺寸设计整体钢套箱，承台钢套箱在专业钢结构加工厂内加工制作，分为 4片运输到码头组装后整体落驳并拖运至现场安装。钢套箱采用起重船四点吊整体吊装。钢套箱安装的受力支点为现场单桩加斜桩共 7 根桩，在桩顶设反吊结构支撑钢套箱重量。钢套箱安装完成后，先浇筑800 mm 厚度的一期钢筋混凝土，经结构设计做配筋加强，该混凝土层兼作后续施工作业支撑面和承台大体积混凝土（800 m3）的底模承重结构。2.6 套箱内过渡段、钢筋、连接件安装钢套箱及一期封底混凝土施工完成后，进行套箱内过渡段、钢筋、铁件连接件等的安装。2023 年 2 月413张祖涛，等：单桩加斜桩海上风机基础特点与施工技术最重件为风机基础上部与下部连接的关键部件过渡段，该过渡段重量在 220 t 左右，其下部与基础桩基中心的大桩通过环缝灌浆，外加多方向铁件焊接的方式与桩基础及混凝土承台结构形成有效可靠的连接，其上部为原有单桩桩顶法兰结构，可实现与上部风机设备可靠连接。承台内另有钢筋、连接铁件等，按设计图纸施工。2.7 承台混凝土浇筑承台采用 C45 高性能混凝土。单个承台混凝土方量约为 800 m3。单个承台混凝土浇筑按一次浇筑完成，承台混凝土浇筑由 1 艘 100 m3/h 以上的混凝土搅拌船提供，分层下灰浇筑方法，分层厚度控制在300 mm 以内，浇筑时长控制在 812 h。3 单桩加斜桩基础的特点（1）该结构形式为原设计型桩单桩基础已沉桩但未完成嵌岩的特殊情况下，所推荐实施的一种特殊结构形式。（2）该结构形式为大桩、小桩均参与结构受力计算的一种复合结构形式，由单桩“单点”受力，调整为群桩“大范围”整体受力，经设计复核，大部分需要嵌岩的机位均取消嵌岩，施工进度得到实质性提升。（3）1 根大桩+6 根小桩，每根桩均应做详细的现场桩基高应变测试，根据实际沉桩情况来复核设计，以确保群桩基础的桩基承载力满足设计要求。（4）实例：单桩加斜桩高桩承台机位 A11：大桩原设计入土深度 36 m，实际入土深度 26 m，大桩超高部分割除后，增设 6 根小桩 2.5 m 桩径，入土深度/总桩长为 51%，现场测试每根小桩锤击沉桩停锤时桩端静土阻力值在 2 000 t 以上，满足设计要求，单桩改群桩，有效避免了嵌岩工序（图 2）。4 单桩加斜桩基础施工关键技术（1）需应用一种大桩割除专用环形吊具，该吊具从起重钩头到最底部割桩平台，一体化结构设计，一吊安装到位，且实际操作方便、快捷，减少船机设备投入，缩短工期。使用该吊具的起吊方式能满足的施工工序包含：吊具连接桩顶、桩顶操作平台、桩顶螺栓施打力矩，下部操作平台割桩、下部翻身吊耳焊接、挂扣、下部平台拆除、起吊的桩头件翻转等多道工序，功能强大，能够便捷有效地解决单桩割桩施工难题。总桩长：51 m软土层全风化层 融体状强风化层 碎块状强风化层 中风化层15 m5 m桩基入土深度：26.0 m深水：17.4 m图 2 A11 机位示意（2）单桩超高部分割除后，回场改造加工成为承台基础环二次利用，在海上施工现场进行安装、调平、焊接、灌浆连接固定，现场安装精度要求高。（3）承台基础环与承台基础的连接，设计为一种钢结构与混凝土的固态连接与钢结构之间的灌浆连接相结合的双重复合受力结构，连接工艺新颖，连接质量有保障。（4）承台底部设置有 800 mm 厚度的一期钢筋混凝土，经结构设计做配筋加强，该混凝土层兼作后续施工作业支撑面和承台大体积混凝土（800 m3）的底模