大直径桩身开孔单桩在海上风电中的应用

赵黎明，林 烁，黄艳红，雷俊卿

（1.中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137；2.上海临港海上风力发电有限公司，上海 200010）

引言

近年来海上风电行业发展迅速，单桩基础是应用最为广泛的基础型式。江苏海域风能资源丰富，占国内海上风电市场份额总量的71.3 %。但江苏海域表层土以砂性土为主，地基土液化严重，水下地质条件复杂[1]，存在软弱土质夹层。根据近年来江苏近海风电场沉桩施工情况统计，大直径单桩沉桩发生“溜桩”的现象较为频繁，且存在“溜桩”距离长达40 m 的长距离。海上风电场大直径单桩沉桩通常采用大型起重船吊挂大型液压锤沉桩施工工艺，船机设备资源非常紧俏，做好大型沉桩船机设备施工过程的保护是保障海上风电项目顺利实施的一大关键。沉桩过程中，液压锤通过桩帽“座”在桩顶上，吊锤钢丝绳处于松弛状态并留有一定松弛长度，作为预防“溜桩”的基本措施。但“溜桩”距离较长时，基本措施保护效果弱，对船机设备的安全性和施工安全性影响较大，需要采取有效的长距离溜桩防控保护措施。

1 溜桩现象及风险

1.1 溜桩现象

以协鑫如东海上风电场项目为依托，进行单桩沉桩溜桩分析，该项目地基土在20 m 深度范围内，分布有饱和粉土、粉砂（①层粉土、③-1 层粉土夹粉砂、③-2 层粉砂夹粉土），其粘粒（粒径＜0.005 mm）含量一般小于10 %[1]，经判别本场地土地基的液化等级为严重。

根据目前单桩沉桩情况，对溜桩深度较长的几个机位进行溜桩分析如表1 所示。

表1 溜桩深度和土层分析

该项目“溜桩”现象较频繁，且溜桩距离较长，28#、29#、34#钢管桩沉桩过程中均发生液压锤被顶起的现象，施工安全性大大降低。因此，需要采取有效的溜桩保护措施，避免再次发生液压锤被顶起的险情。

1.2 溜桩风险

“溜桩”现象一方面可能造成桩基倾斜，桩身垂直度超出设计要求的3 ‰的要求，造成质量问题；另一方面“溜桩”过程中如没有提前做好预防措施，极有可能造成起重船及液压锤损毁，更严重者造成人员伤亡，危害性极大。

根据近年来施工情况和经验，长距离“溜桩”可能导致液压锤和桩分离的险情发生。采用PDCA 循环方法进行要因分析，最终确定“溜桩”过程桩内气体短时间急剧压缩将液压锤顶起，造成桩、锤脱离是可能造成险情的主要因素。

经分析，通过及时排出桩内气体，可有效降低压缩气体对桩锤的顶冲力，以达到保护沉桩船机设备和提高施工安全性的目的。通过技术研究和创新，确定采用桩身开设通气孔的溜桩保护技术措施；条件允许时，可在桩帽设置排气孔作为补充保护措施。

2 桩身开孔保护措施

2.1 桩身开孔方案设计

以直径5.5m 的钢管桩为例，在桩身第二个管节中间位置开通气孔（椭圆孔），开孔位置在沉桩套锤后桩帽以下，通气孔尺寸为Ф160×80 mm+R5 mm，通气孔沿桩周均匀分布，共开2 个，开孔位置不与其他设备干涉即可，开孔设计图如图1 所示。

图1 桩身开孔示意图

2.2 桩身开孔尺寸计算公式

为适用于不同直径的钢管桩桩身开孔设计，推导出桩身开孔尺寸计算公式：

已知液压锤2 的重量为M（kg）；钢管桩1的桩长为L（m），直径为R（m），水面A 距离桩底高度即单桩入水的高度为h1（m），钢管桩1 的截面面积用S1 表示，单位为m2，如图2。

图2 桩身开孔尺寸计算参数图

假设椭圆形通气孔 1-3 的长轴长度为 a（m），短轴长度为b（m），a＞b＞0，1 个椭圆形通气孔1-3 的面积用S2表示，单位为m2，开A 个椭圆孔，如图3；假设单桩沉桩时溜桩高度为h2（m），溜桩时长为t（s）。

图3 通气孔详图

1）在不开孔情况下，单桩沉桩发生溜桩，液压锤刚好能被顶起时的桩内气体压强P

根据压强计算公式：

式中：P 为压强，Pa；F 为压力，N；S 为受力面积，即为钢管桩的截面面积S1，m2；

此时，压力F 等于桩锤重力，即：

式中：M 为液压锤的重量，Kg；g 为重力加速度，取9.8 N/kg；

代入可得：

2）溜桩高度h2

根据波义耳定律,在定量定温下，理想气体的体积与气体的压强成反比[2],计算公式为：

式中：P1为大气压强，通常1 个标准大气压=0.1 MPa=1.01×105 N/m2；V1为未被压缩时桩内气体的体积，m3；P2为压缩后桩内气体的压强，Pa；V2为压缩后桩内气体的体积，m3；

代入可得：

式中：L 为钢管桩的总长度，m；h1为钢管桩的入水高度，m；h2为钢管桩的溜桩高度，m；

计算可得：

3）P2状态下空气流速V，m/s

根据伯努利原理，气体流动过程中，伯努利方程可简化为：

式中：ρ 为空气密度，取1.29 kg/m3;

计算可得：

4）钢管桩桩身上开设的每个气孔面积S2

根据从A 个通气孔排出的气体体积与被压缩的气体体积相等可得：

计算可得：

将计算得到的h2和V 代入上式可得：

式中：t 为钢管桩的溜桩时长，取30 s；

5）根据计算出的通气孔的面积S2，设定一个通气孔的长直径a 和短直径b

从常规的椭圆形通气孔的面积计算公式：S2=πab/4 中设定长直径a 和短直径b。

3 桩身开孔优点分析

3.1 保护大型沉桩船机设备

通过桩身设置通气孔，及桩帽设置排气孔补充保护措施，可保证长距离“溜桩”工况下，桩内压缩气体及时排出桩外，避免液压锤被压缩气体顶起发生桩、锤脱离的险情，可有效保护大型沉桩船机设备免受损害，提高施工安全性。

3.2 降低密闭空间作业风险

传统钢管桩桩身不开孔，内平台板安装完成后，与钢管桩桩壁和桩内水面形成密闭空间，钢管桩内的海生物尸体腐败产生的有毒有害气体不能及时排出。在风场建设和运维过程中，这些有毒有害气体可能会对施工和维修作业人员的生命健康造成危害。

桩身设置通气孔，使得桩内环境与大气环境贯通，及时排出桩内有毒有害气体，在一定程度上可降低密闭空间作业风险。

3.3 优化施工工艺

传统钢管桩桩身完整无开孔，施工工艺主要流程为：单桩制作及海上运输；单桩沉桩；桩内吸水、撒石灰；集成式附属构件安装；防冲刷施工，如图4 所示。

图4 传统单桩基础主要施工工艺流程

通过桩身设置通气孔，条件允许时可免去沉桩完成后需要桩内吸水及抛洒石灰的施工工序，施工工艺流程如图5 所示，可缩短单桩沉桩施工时间，提高施工工效，降低施工成本。

图5 桩身开孔的单桩基础施工工艺流程

4 工程应用

海上风电长距离溜桩桩身开孔保护措施于2020 年8 月应用于协鑫如东H15#海上风电场项目中，已在36 根钢管桩上实施了桩身开孔措施，桩身开孔改造实物照片如图7 所示。并在沉桩用液压锤桩帽上设置排气孔作为补充保护措施，在桩帽法兰螺丝下300 mm 位置沿桩帽圆筒壁均布4 个排气孔，排气孔直径为250 mm。2020 年10 月28 日，完成10 根桩身开孔的钢管桩沉桩，其中5 根钢管桩发生“溜桩”现象，且溜桩距离较长，采取桩身开孔措施后均未发生液压锤被顶起的现象，实施效果良好，实际溜桩数据见表2，工程应用实景如图6 所示。

表2 桩身开孔的钢管桩溜桩数据统计表

图6 工程应用实景图

5 结语

通过采取桩身开孔溜桩技术保护措施，及桩帽开孔补充保护措施，能够有效降低长距离溜桩对船机设备的影响，确保施工过程中大型船机设备的安全，同时降低了密闭空间作业风险，条件允许时可免去沉桩完成后需要桩内吸水及撒石灰的施工工序，缩短了单桩沉桩施工时间，降低了施工成本，并推导出不同直径钢管桩桩身开孔尺寸计算公式，具有较好的推广应用价值和经济社会效益。