海上风电场单桩基础施工技术方案研究

海上风电场单桩基础施工技术方案研究
摘要：随着国内海上风电的开发，风电场建设各方面技术均日益成熟。

风机机组逐步大型化，风机基础随之呈现多样化趋势。

单桩基础为主流基础型式之一，国内针对大体型单桩基础的施工方案随着江苏、福建等海域的海上风电场工程的建设，进行了深入细致的研究，各种施工方案代表了目前国内近海海域单桩基础施工的先进施工思路与水平，船机设备的选择也符合目前国内现有大型工程船只的资源条件。

关键词：海上风电；单桩基础；浮式起重船
近年来，国内海上风电建设飞速发展，风机基础型式多样化，目前已经应用的海上风电基础施工方案有单桩基础、多桩基础、重力式基础等，其中单桩基础因其结构简单、施工方便快捷、造价相对较低等优点，受到施工单位和建设单位的青睐，是目前海上风电基础的主要类型。

单桩基础由大直径钢管桩与附属构件组成，根据目前国内海上风电项目的最新数据获悉，单桩基础的钢管桩直径已达到8m以上，桩重则突破1500t。

钢管桩由液压冲击锤沉入海床，海上沉桩系统主要包括打桩船、运桩船、抛锚艇、拖轮与交通艇等船舶组合，其中以打桩船为主要施工设备。

施工前，需根据钢管管桩设计参数与海洋环境的特点对沉桩的各环节进行分析，选择合适的设备配置。

根据目前各海上风电场工程的实施，单桩基础包括非嵌岩桩和嵌岩桩两种情况，本文主要介绍非嵌岩单桩基础常规采用的浮式起重船施工方案。

1.船只设备的选择
单桩基础常采用起重船配置打桩锤进行吊打施工。

大型浮式起重船在单桩基础施工中，主要承担单桩结构的起吊、立桩、进龙口、稳桩、定位等作业，吊打沉桩之前全部的准备工作将由其完成，因此对浮式起重船的性能要求很高。

如采用无法单独完成钢管桩空中翻身工作的全回转式起重船，则需配置辅助起重船，采用双船抬吊的方式完成管桩的空中起吊、翻身的工作。

辅助起重船可利用全回转起重船配合完成，主臂架操作灵活，便于与主起重船的协调配合进行空中操作。

2.锤击沉桩系统
目前大型的海上打桩机械主要有筒式柴油打桩锤、液压打桩锤、液压振动锤三种型式，其中以柴油打桩锤应用最为广泛，但考虑到海上风电单桩基础钢管桩属于超长大直径钢管桩，承载力要求高，对锤击能力要求较高，同时采用吊打的沉桩施工方式，使用柴油锤需增加一定的临时设施才可以进行沉桩施工，降低了其使用优越性。

根据国内已施工的风机单桩基础相关施工经验，通常选择大型液压冲击锤进行锤击沉桩。

液压冲击锤属于大当量打击能力的打桩锤，根据地质条件、钢管桩的特性选择合适的打桩锤，并可采用GRLWEAP等软件进行沉桩可打性分析。

在国内龙源振华、中交三航局、中铁大桥局、中海油等多家海上施工单位具有S1200、S1800、S2000、S3000等级别大型液压打桩锤可供选择。

3.辅助定位稳桩平台
辅助定位稳桩平台设施是保证单管桩沉桩施工精度控制的主要配套设施，也是整个施工方案的关键工艺。

稳桩平台上需设置扶正、导向装置，以调整大直径钢管桩的垂直度，稳桩平台的安装位置决定了钢桩沉桩的桩位，故必须严格控制稳桩平台的测量放样定位的准确度，特别要控制下桩龙口的定位精度。

定位稳桩平台一般由4根工艺桩、平台主体及平台与桩的连接系统组成。

可
根据工程地质条件进行计算确定钢管桩直径和桩长等参数。

平台主体采用整体制作，现场整体安装，根据工期要求可投入多套周转使用，结构示意图如图1所示。

定位平台上下层分别均匀布置数个千斤顶作为单桩沉桩扶正、导向装置，以调整大直径
钢管桩的垂直度，导向滚轮为高分子材料，能够有效保护钢管桩防腐涂层。

稳桩平台沉桩工
艺已经成功应用在江苏如东、响水、东台等多个海上风电场工程中，有效地保证桩身垂直度
在3‰以内，并取得了较好工程效果。

4.单桩沉桩
4.1 船位布置
定位稳桩平台搭设完成后，由现场船舶调度指挥船舶进点就位。

主起重船顺潮流方向就位，使定位稳桩平台位于主起重船的左舷或右舷，且船头方向与稳桩平台龙口方向一致。

辅
起重船同样顺潮流方向就位，船头方向与稳桩平台龙口方向相对。

起重船就位完成后，运桩
驳停靠辅起重船且桩顶方向尽量向主起重船船头方向靠拢，使吊耳位于主起重船主吊钩下方。

4.2 抬吊
待现场人员检查确认无误后，主起重船与辅起重船开始同步起吊，当桩完全离开运桩驳
甲板大约0.5m时，暂停起吊，再次检查钢丝绳受力情况，无异常后继续起吊，当桩距离运
桩驳甲板6～7m时运桩驳退出施工区域。

4.3 立桩
运桩驳退出后，两条起重船相互配合完成竖桩。

竖桩完成后辅起重船继续下放吊钩，使
钢丝绳不受力，同时主起重船继续上升吊钩，使单桩翻身吊耳处在水面上2～3m位置时安排
交通船将单桩翻身卸扣抽出。

4.4单桩入龙口
解扣完成后，主起重船继续起吊单桩，当桩底提升到适当高度时，旋转起重机，完成入
龙口操作。

桩处于稳桩平台龙口中间区域时开始下放单桩，当单桩翻身吊耳距离平台顶面大
约1m时，停止下放单桩。

安排翻身吊耳割除施工，同时完成稳桩平台上层平台外龙口梁安装，测量桩身姿态，调整各千斤顶完成预抱紧操作。

4.5自沉入土
单桩在自重作用下，下沉至泥面下一定深度后停滞下沉，单桩在自沉过程中，不断测量
监控桩身垂直度，通过吊机和液压千斤顶调整纠正，直至钢管桩自沉入泥稳定，即稳桩完成。

单桩确认稳定后，主吊船继续下放吊钩，使钢丝绳处于不受力且不脱钩状态。

观察15分钟
时间桩身无变化后，再进行下一道工序施工。

4.6压锤
单桩确认稳定后，解除主吊耳处钢丝绳，起重船吊机吊液压冲击锤套入钢管桩，开始压锤。

套锤过程中，必须保证锤、桩的中轴线相吻合，当桩与锤接触后，逐步下放吊钩，使压
桩重量逐步增加，此过程需全过程跟踪观测。

4.7 液压沉桩
主起重船吊液压锤套入桩顶后，分析自沉完成后土层的性能，采用最小能量点动沉桩，
测量控制桩身垂直度不断调整。

桩身入泥基本稳定后，才能稳定能量及合理频率锤击沉桩，
测量全过程控制桩身垂直度，施工如图5所示。

辅助平台拆除
在单桩沉桩完毕后，开始拆除辅助平台。

起重船下钩，工人在平台的吊耳处安装吊索具，上拉钢丝绳，使得钢丝绳受力，气割工人开始割除辅助平台与辅助桩之间的连接钢板。

割除
完毕后，起重船起钩，将辅助平台吊至运输船上，辅助桩采用起重船吊振动锤拔除。

6.防冲刷砂被施工
单桩基础由于桩径较大，且对冲刷敏感性较高，冲刷深度较大，采用铺设防护材料的防
冲刷处理措施能有效防止单桩基础冲刷坑的形成。

基础保护所需砂被及砂袋通过驳船运输至风机基础区域，利用起重船辅以人工进行铺设施工。

7附属设施安装
单桩基础常采用集成式附属构件，即将外平台、栏杆、爬梯、电缆护管、靠船构件等附属构件在陆上加工厂整体组装为一个集成式套笼结构，通过驳船运输至风电场拟安装机位，采用起重船整体吊装至钢管桩上，施工时需注意套笼的方向满足设计要求。

8.单桩沉桩要点
(1) 沉桩施工前充分做好起重船、拖轮、锚艇以及施工人员的技术和安全交底工作。

(2) 对天气预报跟踪分析，做好天气预测，选择合适的施工窗口期。

(3) 单桩基础施工前，仔细研究机位地勘资料，沉桩时做到桩、船分离，做好沉桩遭遇不良地层的预判，制定详细预案，采取相应响应措施。

(4) 单桩桩顶为无过渡段桩顶法兰，沉桩时法兰面应做好充分保护。

(5) 在立桩进龙口、插桩时密切观察定位架的情况，如发生位移等应停止插桩，必要时将桩吊起重新插桩；
(6) 单桩沉桩垂直度要求高，在下桩和沉桩过程中控制桩身垂直度，稳桩、套锤、沉桩过程中应多次观测。

(7) 沉桩过程中如有异常情况，立即与监理、设计、业主等有关方面取得联系，共同研究确定迅速做出处理。

结语
本文主要介绍了单桩基础采用大型浮式起重船吊液压锤沉桩，定位稳桩平台辅助配合的施工作业流程。

除以上施工方案外，单桩还可采用自升式平台船进行沉桩施工，目前国内已有多艘自升式平台船，最大起重能力可达到2000吨，采用自带抱桩器的自升平台船进行单桩沉桩的施工方式也在某些海上风电场建设中得到了成功的应用。

随着我国海上风电建设的发展，机组逐步大型化，离岸距离越来越远，地形条件复杂，施工难度也随之增加。

因此，不断优化施工工艺，提高施工设备能力，施工工效，是海上风电发展必然经历的过程。

参考文献：
【1】陈强，刘凤松，肖纪升潮间带风电场无过渡段单桩基础施工关键技术中国港湾建设2016年6月
【2】李海军,张泉泉,胡永波海上风电支腿船单桩沉桩技术海洋开发与管理 2018年 S1。