查昊

摘 要：导管架式基础对钢管桩插打精度要求远远高于单桩及多桩基础。介绍了整体定位导向反力架的结构形式及施工中其整体定位、导向的运用以及抗压、抗拔、水平力试验。

关键词：海上风电；导管架基础；整体定位导向反力架；试验

1 引言

导管架基础是深海深淤大型风电场未来发展的趋势之一，珠海桂山海上风电示范项目风机机组全部采用导管架式基础。导管架基础为钢质锥台型空间框架，以钢管为骨棱，基础为四腿结构[1]。风机安装时须先将导管架四腿分别插入对应钢管桩中。因此，采用导管架式基础对钢管桩插打精度要求远远高于单桩及多桩基础。试桩采用锚桩横梁反力法对试桩进行竖向抗压、竖向抗拔及水平静载试验。为降低试验成本，试桩辅助锚桩均采用拟建风场风机基础永久桩，因此，对辅助锚桩的施工质量、精度要求大大提高。一套能同时满足导管架式基础施工整体定位导向及试桩反力的结构对整个项目的顺利实施显得尤为重要。

2 管桩参数及桩位布置

本项目钢管桩桩径为2.2m、壁厚30mm（加厚段55mm）、桩长70m，试桩钢管桩参数与永久桩（辅助锚桩）相同。四根永久桩中心桩位呈15m×15m正方形分布，试验桩位于桩位正中心。

3 整体定位导向反力架结构

为同时满足钢管桩沉桩桩顶允许偏差小于75mm、高程允许偏差小于50mm、纵轴线斜度偏差不大于0.5%等各项沉桩指标及试验各项功能和力学指标，并考虑到控制指标较其他工程精准度高、在海上较为恶劣的自然环境下精度控制难度大，特设计本整体定位导向反力架（以下简称该结构）。该结构各功能部件间由高拴连接，总重量230T，其集钢管桩整体定位导向功能与试验反力架功能为一体，即先作为钢桩沉桩的整体定位及导向架，后作为试桩试验的反力架，全过程作为测量监控平台，且拆卸安装简便，能满足后期风场建设钢管桩插打定位导向要求。整体定位导向反力架安装于“华尔辰”海上风电专用船支撑垫梁上，并可通过导向架调位系统对其位置进行调节。

3.1 整体定位系统

该结构整体定位系统由四根与桩位布置相同（1500×1500cm）的导向钢管、反力梁及其相互间连接系组成。导向钢管截面尺寸均为R=1205mm>钢管桩r=1100，△r=105mm可保证施工过程中顺利将钢管桩插入整体导向系统。整体定位导向反力架出厂时对其四边及两对角线共6组进行竣工验收，其平面最大误差为11mm，满足本项目施工整体定位要求。系统如图1整体定位示意图所示。

图1 整体定位系统 单位：mm

施工时，桩位整体定位采用海上风电专用船自备GPS打桩定位系统来实现，该系统平面及高程控制精度为厘米级，可满足本项目要求。海上风电专用船驶入设计桩位后，根据各钢管桩中心坐标进行抛锚初定位。3台测斜装置及2台GPS流动站以RTK方式实时控制船体的位置、方向和姿态，由于施工受施工海域风力及潮汐影响，施工过程中需通过绞锚以及导向架调位系统持续对该结构进行精定位，直至完成各沉桩施工。

整体定位导向反力架对桩位进行整体定位，保证了桩位的绝对坐标偏差在误差允许范围内。

3.2 导向系统

导向系统由导向钢管、导向装置1、导向装置2及其连接系组成。导向钢管参数分别为：直径2410mm、壁厚20mm、高6000mm，整体定位导向反力架出厂时对其四根导向钢管分别进行4组（共16组）竣工验收，其垂直最大误差为17mm即垂直度最大误差T=2.8‰

图2 导向系统 单位：mm

施工时钢管桩插入各导向钢管后且未入土前，通过测量并调节上层导向装置1达到对钢管桩绝对坐标的控制；调节下层导向装置2达到对钢管桩沉桩垂直度的控制。

整体定位导向反力架导向系统在沉桩过程中对各钢管桩的导向，不仅保证了各钢管桩桩位的绝对坐标偏差在误差允许范围内，而且保证了各钢管桩中心距离误差小于竣工的导管架四腿中心距离，可满足后期导管架基础及风机安装要求。

3.3 反力架系统

试桩系统由反力架、试验平台、试验仪器及基准系统组成。试桩采用锚桩横梁反力法对试桩进行竖向抗压、竖向抗拔及水平静载试验，系统结构受力满足垂直（抗压、抗拔）、水平静载荷试验力学要求。

3.3.1 基准系统

根据现场测试要求，在导向架两侧插打2组钢管桩作为基准桩，用于架设基准梁和固定位移测试表座，基准桩与试桩和锚桩的距离满足规范要求。基准桩和基准梁自成独立体系，具有足够的刚度和稳定性，主基准梁一端固定一端简支；同时架设副基准梁，用于竖向抗压试验时锚桩上拔量观测和水平推力试验时锚桩水平位移观测用表座的安装。为减小系统误差及偶然误差，现场试验进行前搭设防风防雨棚，确保测试时仪器设备、基准梁等不被雨淋、日晒，以防止基准系统受风力、温差影响；同时为减小潮汐、涌浪及风力对基准桩的影响，需在基准桩外插打一根大号桩径钢管桩，但大桩不能与基准桩相接触。基准桩与基准梁架设位置示意见图3所示。

3.3.2 抗压反力系统

抗压反力系统由反力梁、试验桩提升锚固系统、辅助装提升锚固系统三大体系构成，各体系连接方式如图4所示。其中，反力梁1、2与导向钢管间通过连接系连接而成形成能满足试验力学要求的反力架。抗压状态下试验桩提升锚固系统由焊接于试验桩上的钢套管1、扁担梁1及8束21-15.24mm钢绞线组成并由钢绞线连接于反力梁2上，扁担梁2焊接于钢套管1上，其结构布置如图5所示。抗压状态下辅助桩锚固提升系统由焊接于辅助桩上的钢套管2及钢垫块组成。

图3 基准桩与基准梁架设示意图

图4 抗压反力系统结构示意图

图5 抗压状态下试验桩提升锚固系统结构示意图

抗压试验时，安装于扁担梁2上的2台1350T液压千斤顶对扁担梁1进行加载，扁担梁1所受荷载通过钢绞线传递至反力梁，再通过钢垫块传递至钢套管2，最终将荷载传递至锚固桩；扁担梁2所受反作用力通过钢套管1传递至试验桩达到试验桩抗压加载目的。试验过程中试验桩下沉位移由安装于钢套管1及基准梁间的位移计测量得出。

3.3.3 抗拔反力系统

抗拔反力系统由反力梁、试验桩提升锚固系统、辅助装提升锚固系统三大体系构成，各体系连接方式如图6所示。抗拔状态下试验桩提升锚固系统即为焊接于试验桩上的钢套管1；辅助桩锚固提升系统即为焊接于辅助桩上的钢套管2，其中锚梁焊接于钢套管2上。辅助桩与反力架间通过32根经轧螺纹钢连接。

抗拔试验时，安装于反力梁2上的2台1350T液压千斤顶对扁担梁2进行加载达到试验桩抗拔加载目的。同时反力梁2所受反作用力通过经轧螺纹钢传递至锚梁再传递至钢套管2最终将力传递至各锚固桩。试验过程中试验桩上拔位移由安装于钢套管1及基准梁间的位移计测量得出。

图6 抗拔反力系统结构示意图

图7 抗拔状态下锚固桩提升锚固系统结构示意图

3.3.4 水平反力系统

水平反力系统由反力梁、水平反力梁、水平反力座、弧形垫座构成，其布置方式如图8所示。各锚固桩与相应导向钢管间间隙用钢楔抄垫，水平反力座焊接于反力梁2上。水平反力试验时，2台100T水平千斤顶对水平反力梁进行加载，并经弧形垫座将力传递至试验桩达到水平加载目的；水平反力座所受水平反作用力通过反力梁传递至各锚固桩。试验过程中试验桩水平位移由安装于试验桩及基准梁小分配梁1间的位移计测量得出。

图8 水平反力系统结构示意图

4 结语

珠海桂山海上风电示范项目风机基础试桩工程整体定位导向反力架的应用，满足项目对沉桩和试验的各项指标，经优化而成的整体定位导向架被运用于其后期风场施工中。整体定位导向反力架的经济、高效、精确的优点，对深海深淤大型风电场建设快速法施工的钢管桩插打、试桩数据采集及后期风机安装具有典型意义。

参考文献

[1] 徐荣彬.海上风电场风机基础结构形式探讨[J]建材技术与应用，2011.7

[2] JTJ 254-98，港口工程桩基规范[S]