潮间带风电单桩基础法兰面水平度控制方法研究

文 | 冯小星

经统计，国外海上风电场76%基础采用大直径单管桩结构，其优点是施工效率高、成本低；但单管桩沉桩的关键技术和难点是单管桩法兰面水平度控制。通常国外对于单桩的施工技术仅能达到法兰面水平度≤5‰的施工标准要求，无法满足风电机组设备安装对基础水平度≤2.75‰的要求，故需要采用过渡段进行灌浆调平。

但是采用灌浆调平工艺存在几个问题：（1）灌浆后需要等待数天，当灌浆材料强度达到施工要求才能进行风电机组设备安装，从开始沉桩到具备风电机组设备吊装条件至少需要7天，故施工效率相对较低；（2）适合于这种基础形式的灌浆料完全依赖进口，费用高昂，大大增加海上风电场建设成本；（3）灌浆料经过长期承载后，容易疲劳失效，大大增加了风电场后期维护成本。

为了克服传统海上风电场单管桩基础形式的缺陷，提高施工效率，同时保证沉桩完毕后水平度（即单管桩倾斜度，以下简称倾斜度）要求达到≤2.75‰的目标。本文改进传统单桩基础形式，提出一种新型的无过渡段单桩基础，研究了单桩基础的建造、运输以及沉桩过程中的精度控制技术，最终建立起无过渡段单桩法兰面水平度控制方法，并将其应用于实际工程中，取得了很好的效果。

单桩基础建造过程中的控制技术

单桩在建造过程中，需要通过一定的建造工艺和技术来很好地控制结构的制作误差。本文采用新加工定型工艺、变形控制等技术开展单桩结构在建造过程中的控制技术研究。

一、新型无过渡段单桩基础

为提高施工效率、节约成本，对传统的单桩海上风电机组基础（如图1所示）进行改进，提出一种无过渡段单管桩基础结构形式，将与上部风电机组设备安装连接的法兰直接焊接在单管桩上端，如图2所示。

图1 国外海上风电场带过渡段单管桩基础常用形式

图2 新型无过渡段单管桩基础形式

二、新型基础的原材料定型、加工

由于单管桩长度为43～59m，需要由宽度为3m左右的钢管节分别组装而成，存在大量焊接，为了尽量减少焊接变形，每个钢管节采用一整张定制钢板进行卷板焊接。而传统工艺是采用2张钢板进行拼接，会增加一条纵向焊缝，给后道工序“卷圆”椭圆度控制带来很大难度，见图3。

定制钢板在抽边数控切割（长度方向留余量）后，采用四辊大型卷板机进行卷制，然后将长度余量切割完毕后，开制坡口进行组对焊接。

然后将钢管节焊缝打磨平整后，送入四辊大型卷板机进行复圆，将其椭圆度控制在±0.1%D以内（D为单管桩外径）。

图3 管节拼接工艺

三、钢管节组对

钢管节采用1+1=2、2+2=4、4+4=8…的方式进行组对，组对错边量不超过3mm，焊接采用自动焊接小车进行焊接，最终保证直线度误差不超过0.1%桩长且不大于30mm。

四、划线、贴标尺

采用SolidWorks对单管桩进行有限元分析，在自重的影响下单管桩会产生6mm的变形，如图4所示。

为避免自重产生的变形对划线造成的影响，采取以下措施：

（1）单管桩下方布置滚轮架数量不少于4个。

（2）采用激光经纬仪进行倾斜度控制线划线时在单管桩上侧面进行，上侧划线完毕后将单管桩旋转90°，再划上侧线，依次类推，直至单管桩周向均布4条倾斜度控制线，见图5。

（3）划线完毕后采用白色油漆喷绘出线条，宽度10mm。

通过以上措施可保证喷绘出的倾斜度控制线与理论垂线（与法兰垂直）的误差在20mm以内。将该倾斜度控制线作为后道工序中“单管桩自沉”时倾斜度粗调基准。

通过上述方法和工艺可大大减小单桩基础在建造过程中的误差，为单桩基础法兰面水平度精度控制奠定基础。

单桩基础运输过程中的变形控制

为消除运输过程中运输船摇摆对单管桩变形造成的影响，按图6进行绑扎运输，主要采取如下措施：

（1）单管桩下支撑点数量不少于3个，布置位置尽量等距均匀。

图4 单管桩自重引起的变形有限元分析

图5 倾斜度控制线划线要求

图6 单管桩基础绑扎运输图

图7 单管桩换双钩竖立流程图

（2）侧面设横档，防止船舶摇晃引起单管桩横向位移。

（3）利用钢丝绳、葫芦将单管桩与运输船甲板拉紧。

单桩基础沉桩过程中的精度控制技术

沉桩过程是单桩基础保证精度的关键部分，直接关系到单桩的最终倾斜度。本文从桩竖立方案、沉桩过程的精度控制、测量技术等方面开展单桩在入泥过程中的精度控制技术研究。

一、单桩竖立方案

为便于单管桩自沉过程中吊耳方向垂直度调整，需要单管桩竖立后采用双钩吊装。但由于单管桩初始状态是水平的，且起重机双钩与臂架垂直无法直接做到双钩起吊，需要按以下工艺流程操作：

（1）挂好吊装索具，将单管桩抬起。

（2）将单管桩放置在起重船艉部空旷滩面上（潮间带海域低潮可露滩）。

（3）施工人员下滩面将单管桩尾部索具拆除，再将单管桩上部单钩索具更换为双钩。

（4）利用滩面作为单管桩尾部支点竖立单管桩；单管桩竖立后套入抱桩器。

二、沉桩过程精度控制

（一）自沉调整倾斜度（粗调）

单管桩套入抱桩器后，合拢上下抱桩器，通过上下抱桩器4个千斤顶伸缩动作，并配合800t起重机钩头起降和臂架起升动作调整单管桩倾斜度，使单管桩倾斜度满足≤0.5‰后，缓慢下降800t起重机钩头，开始自沉。自沉过程中根据测量的倾斜度数据，实时通过抱桩器千斤顶和800t起重机配合来调整单管桩倾斜度，使其倾斜度直至自沉结束始终满足≤0.5‰要求。通常自沉入土深度为2.5～7m。

倾斜度测量方法：按图8布置两个经纬仪布置点，以倾斜度控制线为基准，采用激光经纬仪分别测量单管桩两个垂直度方位倾斜度。

图8中倾斜度控制线是在单桩基础建造时，在单管桩周向划线位置贴上长度200mm的防水标尺，每隔5米1个标尺，标尺最小刻度5mm，见图9。

（二）压锤过程

1.确定精调基准

自沉完毕后，通过浪风绳将索具脱离吊耳，然后将所有索具拆卸至甲板上。再通过吊篮将测量人员吊至单管桩顶部平台内，采用激光经纬仪直接测量法兰倾斜度（图10），两个方向的测量数据记为F①n‰、F②n‰。然后根据下面测点位置（图8）读取每隔5米处的标尺读数，两个测量点读数分别记为B①1n、B①2n、B①3n…B②1n、B②2n、B②3n…

符号说明：F表示法兰处直接测量的倾斜度；①表示1测量点方向；②表示2测量点方向；B表示下面2个测量点测量的标尺读数（单位mm）；1、2、3…分别表示从上至下第1、2、3…个标尺的读数；n表示第n次测量读数，分别为 1、2、3…

按表1所示方法确定2个测量方向理论倾斜度控制线标尺数据B①m标＝B①m1－F①1*5*m、B②m标＝B②m1－F②1*5*m，该数据作为后面工作中所有倾斜度调整的理论依据。其优点是该理论数据B①m标、B②m标可消除单管桩自身变形、划线误差等造成的积累误差。

2.精调

若测量结果F①1‰、F②1‰超过0.5‰，则通过上下抱桩器4个千斤顶伸缩动作，并配合800t起重机钩头起降和臂架起升动作调整单管桩倾斜度，使法兰倾斜度计算结果满足≤0.5‰的要求。

3.压锤控制

利用起重机将S800液压冲击锤套入单管桩顶部，缓慢下降S800液压冲击锤，直至重量完全压在单管桩顶部。在压锤过程中单管桩每下降0.5米计取一次标尺读数B①mn、B②mn，根据公式：

图8 单管桩倾斜度测点布置

图9 倾斜度控制线示意图

图10 测量人员至桩顶测量法兰倾斜度

计算出法兰倾斜度F①n‰、F②n‰，若计算结果超过0.5‰，则需要通过上下抱桩器4个千斤顶伸缩动作，如图11所示，并配合800t起重机钩头起降和臂架起升动作调整单管桩倾斜度，使法兰倾斜度计算结果始终≤0.5‰，直至自沉完毕。

表1 单桩倾斜度控制数据

（三）连续沉桩过程

S800冲击锤以最低能量、流量单击沉桩，每响一锤观测一次倾斜度和贯入度，若倾斜度超过0.5‰，则采用可调节包桩器进行调整。

连续3～5次单击过程无溜桩、垂直度偏差变大等异常情况后，开始连续沉桩，沉桩过程中适当加大冲击锤能量和流量，控制贯入度在20～50mm范围内（说明：贯入度过大容易导致倾斜产生较大偏差，不利于调整。）

在整个沉桩过程中，根据式（1）、（2）计算出的倾斜度数据分别不能超过0.5‰（入土10m范围内）、1‰（入土10～20m）、1.5‰（入土20m以上），否则应立刻停锤通过上下抱桩器左右前后动作、千斤顶伸缩动作和800t起重机起降等动作配合，将倾斜度控制在指定范围内。

（四）最终数据

沉桩完毕后，通过800t起重机将液压冲击锤吊卸至甲板面。测量人员进入单管桩顶部采用激光经纬仪直接测量法兰倾斜度并作为最终验收数据。

工程应用案例

将上述方法和工艺应用于如东海上潮间带项目、中广核如东项目以及福建南日岛项目等海上风电场的单桩基础施工中。如东海上潮间带风电场场区布置于洋口港环港作业区以东、刘埠闸沟槽以西的海域，风电场边沿距海堤约4.5km，北为外海侧。场区地貌为沿海潮间带，地面高程一般为1.0～-2.2m（1985 国家高程基准），平均高潮位时水深1～4m，平均低潮位时露滩，露滩时间约4～6h。该风电场布置40台2.3MW风电机组，基础形式均为无过渡段单管桩结构：外径4.7～5.2m，板厚45～65mm，长度43～59m，重量320～400t，结构形式见图2。

图11 可调节的包桩器

为控制无过渡段单管桩在沉桩完毕后倾斜度误差，需重点控制钢结构加工制作、运输绑扎方案、现场竖立方案和沉桩过程四个方面，满足了单管桩沉桩完毕后倾斜度≤2.75‰的要求。该方法和工艺得到了验证，效果良好。

结论

本文提出了一种潮间带海域无过渡段单管桩沉桩倾斜度控制工艺方法，主要采取了以下措施：（1）钢结构加工制作过程中在材料规格选取、组装焊接控制、划线方法选定等方面进行控制，以保证粗调基准（倾斜度控制线）的精度；该基准偏差越小越有利于单管桩自沉过程中倾斜度的调整；（2）单管桩竖立后的吊装方法，选定了双钩吊装方式，其优点是有利于通过升降双钩调整单管桩吊耳方向的倾斜度；（3）通过标尺读数计算精调基准，该基准可以完全消除粗调基准的误差；（4）双层液压抱桩器的设计应用，区别于国外单层抱桩器，更有利于单管桩倾斜度调整。

采用该方法，其倾斜度均满足≤2.75‰要求，平均倾斜度为1‰。通过实践证明本文阐述的海上潮间带无过渡段单管桩沉桩倾斜度控制方式是可行的、高效的、低成本的，超越了国外同行技术水平≤5‰，值得在国内潮间带海域风电场项目中推广应用。