大直徑樁身開孔單樁在海上風電中的應用

趙黎明，林 爍，黃艷紅，雷俊卿

（1.中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137；2.上海臨港海上風力發電有限公司，上海 200010）

引言

近年來海上風電行業發展迅速，單樁基礎是應用最為廣泛的基礎型式。江蘇海域風能資源豐富，占國內海上風電市場份額總量的71.3 %。但江蘇海域表層土以砂性土為主，地基土液化嚴重，水下地質條件復雜[1]，存在軟弱土質夾層。根據近年來江蘇近海風電場沉樁施工情況統計，大直徑單樁沉樁發生“溜樁”的現象較為頻繁，且存在“溜樁”距離長達40 m 的長距離。海上風電場大直徑單樁沉樁通常采用大型起重船吊掛大型液壓錘沉樁施工工藝，船機設備資源非常緊俏，做好大型沉樁船機設備施工過程的保護是保障海上風電項目順利實施的一大關鍵。沉樁過程中，液壓錘通過樁帽“座”在樁頂上，吊錘鋼絲繩處于松弛狀態并留有一定松弛長度，作為預防“溜樁”的基本措施。但“溜樁”距離較長時，基本措施保護效果弱，對船機設備的安全性和施工安全性影響較大，需要采取有效的長距離溜樁防控保護措施。

1 溜樁現象及風險

1.1 溜樁現象

以協鑫如東海上風電場項目為依托，進行單樁沉樁溜樁分析，該項目地基土在20 m 深度范圍內，分布有飽和粉土、粉砂（①層粉土、③-1 層粉土夾粉砂、③-2 層粉砂夾粉土），其粘粒（粒徑＜0.005 mm）含量一般小于10 %[1]，經判別本場地土地基的液化等級為嚴重。

根據目前單樁沉樁情況，對溜樁深度較長的幾個機位進行溜樁分析如表1 所示。

表1 溜樁深度和土層分析

該項目“溜樁”現象較頻繁，且溜樁距離較長，28#、29#、34#鋼管樁沉樁過程中均發生液壓錘被頂起的現象，施工安全性大大降低。因此，需要采取有效的溜樁保護措施，避免再次發生液壓錘被頂起的險情。

1.2 溜樁風險

“溜樁”現象一方面可能造成樁基傾斜，樁身垂直度超出設計要求的3 ‰的要求，造成質量問題；另一方面“溜樁”過程中如沒有提前做好預防措施，極有可能造成起重船及液壓錘損毀，更嚴重者造成人員傷亡，危害性極大。

根據近年來施工情況和經驗，長距離“溜樁”可能導致液壓錘和樁分離的險情發生。采用PDCA 循環方法進行要因分析，最終確定“溜樁”過程樁內氣體短時間急劇壓縮將液壓錘頂起，造成樁、錘脫離是可能造成險情的主要因素。

經分析，通過及時排出樁內氣體，可有效降低壓縮氣體對樁錘的頂沖力，以達到保護沉樁船機設備和提高施工安全性的目的。通過技術研究和創新，確定采用樁身開設通氣孔的溜樁保護技術措施；條件允許時，可在樁帽設置排氣孔作為補充保護措施。

2 樁身開孔保護措施

2.1 樁身開孔方案設計

以直徑5.5m 的鋼管樁為例，在樁身第二個管節中間位置開通氣孔（橢圓孔），開孔位置在沉樁套錘后樁帽以下，通氣孔尺寸為Ф160×80 mm+R5 mm，通氣孔沿樁周均勻分布，共開2 個，開孔位置不與其他設備干涉即可，開孔設計圖如圖1 所示。

圖1 樁身開孔示意圖

2.2 樁身開孔尺寸計算公式

為適用于不同直徑的鋼管樁樁身開孔設計，推導出樁身開孔尺寸計算公式：

已知液壓錘2 的重量為M（kg）；鋼管樁1的樁長為L（m），直徑為R（m），水面A 距離樁底高度即單樁入水的高度為h1（m），鋼管樁1 的截面面積用S1 表示，單位為m2，如圖2。

圖2 樁身開孔尺寸計算參數圖

假設橢圓形通氣孔 1-3 的長軸長度為 a（m），短軸長度為b（m），a＞b＞0，1 個橢圓形通氣孔1-3 的面積用S2表示，單位為m2，開A 個橢圓孔，如圖3；假設單樁沉樁時溜樁高度為h2（m），溜樁時長為t（s）。

圖3 通氣孔詳圖

1）在不開孔情況下，單樁沉樁發生溜樁，液壓錘剛好能被頂起時的樁內氣體壓強P

根據壓強計算公式：

式中：P 為壓強，Pa；F 為壓力，N；S 為受力面積，即為鋼管樁的截面面積S1，m2；

此時，壓力F 等于樁錘重力，即：

式中：M 為液壓錘的重量，Kg；g 為重力加速度，取9.8 N/kg；

代入可得：

2）溜樁高度h2

根據波義耳定律,在定量定溫下，理想氣體的體積與氣體的壓強成反比[2],計算公式為：

式中：P1為大氣壓強，通常1 個標準大氣壓=0.1 MPa=1.01×105 N/m2；V1為未被壓縮時樁內氣體的體積，m3；P2為壓縮后樁內氣體的壓強，Pa；V2為壓縮后樁內氣體的體積，m3；

代入可得：

式中：L 為鋼管樁的總長度，m；h1為鋼管樁的入水高度，m；h2為鋼管樁的溜樁高度，m；

計算可得：

3）P2狀態下空氣流速V，m/s

根據伯努利原理，氣體流動過程中，伯努利方程可簡化為：

式中：ρ 為空氣密度，取1.29 kg/m3;

計算可得：

4）鋼管樁樁身上開設的每個氣孔面積S2

根據從A 個通氣孔排出的氣體體積與被壓縮的氣體體積相等可得：

計算可得：

將計算得到的h2和V 代入上式可得：

式中：t 為鋼管樁的溜樁時長，取30 s；

5）根據計算出的通氣孔的面積S2，設定一個通氣孔的長直徑a 和短直徑b

從常規的橢圓形通氣孔的面積計算公式：S2=πab/4 中設定長直徑a 和短直徑b。

3 樁身開孔優點分析

3.1 保護大型沉樁船機設備

通過樁身設置通氣孔，及樁帽設置排氣孔補充保護措施，可保證長距離“溜樁”工況下，樁內壓縮氣體及時排出樁外，避免液壓錘被壓縮氣體頂起發生樁、錘脫離的險情，可有效保護大型沉樁船機設備免受損害，提高施工安全性。

3.2 降低密閉空間作業風險

傳統鋼管樁樁身不開孔，內平臺板安裝完成后，與鋼管樁樁壁和樁內水面形成密閉空間，鋼管樁內的海生物尸體腐敗產生的有毒有害氣體不能及時排出。在風場建設和運維過程中，這些有毒有害氣體可能會對施工和維修作業人員的生命健康造成危害。

樁身設置通氣孔，使得樁內環境與大氣環境貫通，及時排出樁內有毒有害氣體，在一定程度上可降低密閉空間作業風險。

3.3 優化施工工藝

傳統鋼管樁樁身完整無開孔，施工工藝主要流程為：單樁制作及海上運輸；單樁沉樁；樁內吸水、撒石灰；集成式附屬構件安裝；防沖刷施工，如圖4 所示。

圖4 傳統單樁基礎主要施工工藝流程

通過樁身設置通氣孔，條件允許時可免去沉樁完成后需要樁內吸水及拋灑石灰的施工工序，施工工藝流程如圖5 所示，可縮短單樁沉樁施工時間，提高施工工效，降低施工成本。

圖5 樁身開孔的單樁基礎施工工藝流程

4 工程應用

海上風電長距離溜樁樁身開孔保護措施于2020 年8 月應用于協鑫如東H15#海上風電場項目中，已在36 根鋼管樁上實施了樁身開孔措施，樁身開孔改造實物照片如圖7 所示。并在沉樁用液壓錘樁帽上設置排氣孔作為補充保護措施，在樁帽法蘭螺絲下300 mm 位置沿樁帽圓筒壁均布4 個排氣孔，排氣孔直徑為250 mm。2020 年10 月28 日，完成10 根樁身開孔的鋼管樁沉樁，其中5 根鋼管樁發生“溜樁”現象，且溜樁距離較長，采取樁身開孔措施后均未發生液壓錘被頂起的現象，實施效果良好，實際溜樁數據見表2，工程應用實景如圖6 所示。

表2 樁身開孔的鋼管樁溜樁數據統計表

圖6 工程應用實景圖

5 結語

通過采取樁身開孔溜樁技術保護措施，及樁帽開孔補充保護措施，能夠有效降低長距離溜樁對船機設備的影響，確保施工過程中大型船機設備的安全，同時降低了密閉空間作業風險，條件允許時可免去沉樁完成后需要樁內吸水及撒石灰的施工工序，縮短了單樁沉樁施工時間，降低了施工成本，并推導出不同直徑鋼管樁樁身開孔尺寸計算公式，具有較好的推廣應用價值和經濟社會效益。