單樁入龍口效率優(yōu)化措施
——以中廣核平潭大練海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為例

林善懿

（中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門(mén)分公司，福建 廈門(mén) 361006）

中廣核平潭大練海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目單樁基礎(chǔ)采用大直徑鋼管樁，其直徑6.3m～6.8m，樁長(zhǎng)約68.6m～84.6m，樁重664t～973t，目前項(xiàng)目上鋼管樁吊耳設(shè)計(jì)一般設(shè)置在鋼管樁重心偏上的位置，下吊點(diǎn)采用在樁底部兜底吊方式進(jìn)行起吊，由于主吊點(diǎn)距離重心較近，導(dǎo)致下吊的受力分配值較小，起吊翻樁后，因管軸式主吊耳處與鋼絲繩圈的摩擦阻力作用使樁無(wú)法自然形成豎直狀態(tài)，從而導(dǎo)致單樁入龍口困難，，延長(zhǎng)施工時(shí)間，浪費(fèi)了寶貴的窗口期。如何優(yōu)化設(shè)計(jì)，使單樁起吊、下吊點(diǎn)脫鉤后能夠達(dá)到自然豎直的狀態(tài)、提高施工效率成為一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。

1 工程概況

中廣核平潭大練海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目位于平潭大練、小練東北側(cè)及白青東北側(cè)，場(chǎng)址分A、B、C 3 塊區(qū)域，合同范圍主要為C 區(qū)18 臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及A 區(qū)41 臺(tái)風(fēng)機(jī)安裝工程，其中采用大直徑鋼管樁基礎(chǔ)的共計(jì)28 臺(tái)。單樁基礎(chǔ)的沉樁施工施工工藝流程如圖1 所示。

圖1 非嵌巖型單樁沉樁施工工藝流程圖

為了保證鋼管樁沉樁垂直度以及鋼管樁脫鉤后穩(wěn)定，采用穩(wěn)樁平臺(tái)進(jìn)行對(duì)鋼管樁進(jìn)行固定。由于大直徑鋼管樁直徑6.3m～6.8m，樁長(zhǎng)約68.6m～84.6m，樁重664t～973t，翻樁完成后進(jìn)入穩(wěn)樁平臺(tái)吊裝對(duì)起重船的吊高要求非常高，因此穩(wěn)樁平臺(tái)上留有一個(gè)U 型口（即龍口），待鋼管樁進(jìn)入龍口后，將龍口封閉。穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2 現(xiàn)況調(diào)查

現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，C13 單樁完成翻樁后，在重力作用下，樁身還是與鋼絞線（豎直線）存在的夾角較大，始終保持傾斜狀態(tài)。在入龍口的過(guò)程中，調(diào)直困難，且由于涌浪的影響，船身晃動(dòng)，導(dǎo)致樁身經(jīng)常與穩(wěn)樁平臺(tái)發(fā)生碰撞剮蹭，遲遲無(wú)法進(jìn)入下一步驟，最終采用各種方法進(jìn)行頂推調(diào)整，直至樁身垂直度滿(mǎn)足要求，共耗時(shí)14h 才調(diào)整完成進(jìn)入單樁自重入土（即穩(wěn)樁）步驟。后續(xù)又對(duì)C04、C11、C15 單樁沉樁進(jìn)行調(diào)查，其結(jié)果與C13 單樁入龍口相近，耗時(shí)10h～16h才完成單樁調(diào)直步驟。具體結(jié)果如表1 所示。

表1 單樁沉樁調(diào)查結(jié)果

工程所處的平潭海域地質(zhì)條件復(fù)雜，海上風(fēng)電施工船機(jī)設(shè)備租金昂貴，每年可作業(yè)天數(shù)約在105 d 左右，因此為了達(dá)到施工進(jìn)度目標(biāo)，施工窗口期尤為寶貴。且海上施工不確定因素多，海況瞬息萬(wàn)變，長(zhǎng)時(shí)間吊樁入龍口作業(yè)會(huì)增加樁體與穩(wěn)樁平臺(tái)碰撞的概率和次數(shù)，出現(xiàn)穩(wěn)樁平臺(tái)破壞松動(dòng)、樁體變形以及增加施工安全等風(fēng)險(xiǎn)。

3 原因分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 原因分析

由于在C13、C11、C15、C04 四根單樁施工過(guò)程中，下吊點(diǎn)松鉤后，樁體成傾斜狀態(tài)，無(wú)法自動(dòng)豎直，因此對(duì)樁體結(jié)構(gòu)以及翻樁工藝進(jìn)行研究，最終確定主要原因?yàn)殇摴軜兜牡醵O(shè)計(jì)得與樁重心距離太近。對(duì)此，可根據(jù)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式：

式中：為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m；為單樁質(zhì)量，kg；為重心到吊耳的距離，m。

由式（1）可知，越小單樁的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小。因此，單樁保持靜止的特性越差，單樁整體起吊翻樁，下吊點(diǎn)脫鉤后稍微受風(fēng)浪影響就會(huì)繞吊耳轉(zhuǎn)動(dòng)，接近于蕩秋千狀態(tài)，豎直狀態(tài)不穩(wěn)定。圖3 為單樁豎直起吊狀態(tài)下受力示意圖，圖中為上吊點(diǎn)受力（kN），為單樁重力（kN），為吊耳到重心距離（m）。

圖3 單樁豎直起吊狀態(tài)下受力示意圖

圖4 為雙鉤抬樁時(shí)受力示意圖。為上吊點(diǎn)受力（kN），為下吊點(diǎn)受力（kN），G 為單樁重力（kN），為吊耳到重心距離（m），為重心到樁底距離（m）。在整個(gè)翻樁過(guò)程中，下吊點(diǎn)受力最大，然后根據(jù)下吊點(diǎn)慢慢下放，下吊點(diǎn)受力慢慢變小，鋼管樁逐漸趨于豎直狀態(tài)。

圖4 雙鉤抬樁時(shí)受力示意圖

取吊耳點(diǎn)為軸心，根據(jù)力學(xué)原理列力矩平衡方程和力平衡方程可得式（2）、式（3）。

式中：∑為力矩和，kN·m；為單樁重力，kN；為吊耳到重心距離，m；為重心到樁底距離，m；∑為合力，kN；為上吊點(diǎn)受力，kN；為下吊點(diǎn)受力，kN。

由式（2）、式（3）可得出上下吊點(diǎn)受力。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)各樁入龍口時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)，做出下吊點(diǎn)受力占比與入龍口時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)關(guān)系圖，如圖5 所示。

通過(guò)分析圖5 發(fā)現(xiàn)，下吊點(diǎn)受力占比與單樁入龍口耗時(shí)呈負(fù)相關(guān)。

圖5 下吊點(diǎn)受力占比與龍口時(shí)長(zhǎng)關(guān)系圖

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行分析，以C13、C04 為參考，聯(lián)系業(yè)主、監(jiān)理設(shè)計(jì)單位投遞聯(lián)系單，經(jīng)過(guò)力學(xué)原理分析，對(duì)下點(diǎn)受力占比較低的C12，C02 單樁吊耳位置做出修改，使下吊點(diǎn)受力達(dá)到10%以上。修改后單樁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 修改后單樁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

4 優(yōu)化效果

大直徑鋼管樁吊耳位置修改后，根據(jù)C12、C02 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況顯示，單樁起吊翻樁時(shí)，由于吊耳位置改變，其上吊點(diǎn)與下吊點(diǎn)的受力發(fā)生改變，下吊點(diǎn)受力變大。當(dāng)下吊點(diǎn)受力分配比值達(dá)到10%以上后，下吊點(diǎn)松鉤后，由于重力的作用，樁底下垂，很容易達(dá)成自然豎直狀態(tài)。樁身翻樁一步到位，垂直度明顯變好，單樁入龍口時(shí)間大大縮短，提高了現(xiàn)場(chǎng)施工效率，保障施工安全，表3 為吊耳調(diào)整及沉樁時(shí)間表。

表3 吊耳調(diào)整及沉樁時(shí)間表

5 取得效益

該方法應(yīng)用后，平均每次沉樁施工可減少工作時(shí)間約10h，起重船機(jī)、輔助船舶臺(tái)班費(fèi)、船機(jī)耗油量、人員設(shè)備投入費(fèi)用等可節(jié)約接近20 萬(wàn)元。關(guān)系更大的是：該項(xiàng)目所處海域每一個(gè)可作業(yè)窗口期的時(shí)間并不長(zhǎng)，一般為2d～6d，如果單樁入龍口調(diào)直花了較長(zhǎng)時(shí)間，而失去了在同一個(gè)窗口期內(nèi)沉單樁的可能性，那么經(jīng)濟(jì)損失會(huì)增加。如果按沉單樁的1 個(gè)船組的半個(gè)月的船租及油耗來(lái)估算，1 個(gè)機(jī)位的平臺(tái)搭設(shè)，該優(yōu)化方案能體現(xiàn)出的經(jīng)濟(jì)效益約300 萬(wàn)元。

單樁起吊后樁身傾斜程度越大，入龍口施工時(shí)間越長(zhǎng)，樁身與穩(wěn)樁平臺(tái)千斤頂碰撞的次數(shù)越多，危險(xiǎn)性因素持續(xù)時(shí)間也就越長(zhǎng)，該優(yōu)化措施可有效避免單樁與穩(wěn)樁平臺(tái)千斤頂之間的碰撞，優(yōu)點(diǎn)是快速、高效，調(diào)直入龍口，明顯減少現(xiàn)場(chǎng)安全隱患。

此外單樁沉樁過(guò)程基本不可逆，一旦單樁起吊后下吊點(diǎn)脫鉤，就必須沉樁至單樁能自穩(wěn)的標(biāo)高，如果因?yàn)闃渡韮A斜，入龍口調(diào)直耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)或無(wú)法入龍口調(diào)直，導(dǎo)致船機(jī)不能及時(shí)退場(chǎng)避風(fēng)避臺(tái)，后果不堪設(shè)想，該優(yōu)化方案產(chǎn)生的潛在安全效益不可用金錢(qián)衡量。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于單體質(zhì)量600t～1000t 級(jí)別的單樁主吊點(diǎn)的設(shè)置，保證下吊點(diǎn)的受力值占整根樁質(zhì)量的13%以上，30%以下，較為合理。如果下吊點(diǎn)受力值占比在30%以上，就會(huì)有新的問(wèn)題出現(xiàn)，這樣會(huì)使下吊點(diǎn)的受力值提高很多，經(jīng)常會(huì)達(dá)300t 以上，單船起吊往往會(huì)因副鉤起吊能力不足而不能實(shí)現(xiàn)，雙船抬吊又增加了很多不可控因素及安全風(fēng)險(xiǎn)。因此合理參考。設(shè)置單樁吊耳位置，能夠確保單樁入龍口時(shí)保持垂直狀態(tài)，縮短入龍口時(shí)長(zhǎng)，節(jié)約寶貴窗口期時(shí)間，為后續(xù)單樁施工提供參考。