关键词：水下挤密砂桩；海上风电基础；施工工艺；质量控制
引言
海上风力发电站建设中海洋水文、气候条件和海底地质条件非常复杂，风力发电机基础设计和建设存在很多技术困难，因此必须从基础到基础设计做出决定，在满足风扇垂直度要求的前提下，根据成本和方案可行性进行比较调查。
1水下挤密砂桩运用于海上风电基础施工工艺
1.1砂料供应及检验
水下挤密砂桩用砂采用2艘2000t运砂船从码头运输到现场。水下挤密砂桩用砂质量要求：桩体材料宜采用粗砂、中砂等，最大粒径不宜大于5mm，含泥量不宜大于5%。砂料运输到现场后，根据船型及装备状况采用相应的上料方式：自行配置上料吊机的水下挤密砂桩船，砂驳直接靠泊在水下挤密砂桩船一侧，由水下挤密砂桩船抓斗吊机将砂料分批装入储料斗；未配置抓斗吊机的水下挤密砂桩船另行配置1艘上料抓斗船协助上料。
1.2施工前泥面标高测量
泥面标高测量可采用两种方式：
一是采用GPS无验潮测量技术进行水下地形测量，绘制水下地形图，以此确定泥面标高。二是通过船前设置的测深仪测量所打砂桩位置的海底泥面标高并通过信号传输装置传送到控制室自动记录。根据砂桩长度，输入砂桩的桩底及桩顶标高（泥面标高）数据，计算相关参数。
1.3桩位计算及沉桩定位
基于施工前设计研究中的文件位图和控制点的坐标，计算每个水下压缩沙文件的文件中心坐标，并导入水下压缩沙文件船舶GPS定位系统。水下压缩沙堆线使用GPS测量系统位置(由GPS基站和船上的两个GPS接收器组成)在工程坐标系中确定船体的位置、方向和姿势，从而确定水下压缩沙堆的位置。验证文件位置时，位置检查员会仔细观察GPS系统中显示的文件位置偏差，以确保文件位置偏差小于0 . 2DMM(320mm)。同时在沉没过程中调整水下压缩砂桩船舶压载数，控制水下压缩砂桩的垂直度，严格控制沙管垂直度在1 . 5%以内。
1.4打设套管、管内排水
水下压缩砂桩船完成移动线和准确定位后，三个水下压缩砂桩套筒分别沉没，当套管接近泥浆表面(管道底部高程和泥浆表面高程在锁定的PLC监控系统的显示器上实时显示)，关闭水下压缩砂桩套管的导向门(即向上砂导门)，打开加压系统，在管道内正确加压(压力p取决于水深)，通过sl计量器控制管道内的水面，直到管道内的基本水流结束(可以留下1至2米的水流)，在保持压力状态下继续沉没管道内部的排水压力必须根据套管下沉之前的水深数据计算来确定，并且可以设置压缩空气的最大压力p = 0 . 9 ph(ph是文件泥面上的水压)压力，以防止压缩空气在管道末端流动。
1.5内灌砂
采用“干法灌砂”工艺。当套管打入土层一定深度后（一般为刚接触泥面或入泥小于一倍管径），检测管内是否入泥，如没有入泥，将砂灌入套管中达到一定的高度，同时保持管内一定的空气压力，并继续下沉钢套管至设计的底面标高。下沉套管时，通过测量管底标高和管内砂面标高观测套管内土塞高度，并根据观测结果调整管内气压，尽量使套管内的土塞高度保持在1m左右。
1.6端部处理
由于套管底部是开口的，一般使用的套管端部为双挡板结构，在下沉套管过程中，端部挡板下有部分淤泥进入，为此需将部分淤泥排挤掉。其方法为提升套管，保持一定的气压，将泥留在原位，并由上面的砂充填套管底部，再将套管振入至原底标高，把淤泥挤开，使套管内由砂充填。
1.7拔管、回打、逐段成桩
管道内的压力是根据文件管道所在的土壤深度设置的，压力拉动套管，管道内的沙子留在土壤中，踢板排放量不小于理论使用量时，继续保持管道内的压力回流，以确保沙柱得到压缩和膨胀，直到达到设计文件路径要求。在压力保持拉动管道过程中，必须保持套管内部的沙子留在土壤中，保持恒定的管道压力，打开套管底部的喷气入口，防止沙子穿过套管内部的凸轮堵塞，从而使沙子从套管底部顺利排出，并达到理论上的沙子数量。该施工过程利用沙面自动探测器(雷达)实时跟踪管道内沙面高度，通过施工监控系统对显示屏做出反应，使施工人员能够启动和监控。施工期间，每个踢板高度、回放深度和其他参数都应根据套管底部直径、水下压缩砂桩设计文件直径和每个段桩高度确定，并输入水下压缩砂桩自动监测系统。监视系统会自动记录每个段的文件直径和标高，并通过显示窗口执行实时监视。水下密砂桩抽取管道→反复多次，逐部分整体形成，为了提高施工质量，为了防止水下密砂桩直径减小等，通常每个循环的桩高度由1米控制。循环拔管→回打，逐渐形成整根水下挤密砂桩。每次上拔高度、回打深度和每段成桩高度的计算原理详见下图。
A =ΔGL ×（1-d 2/D2） H=ΔGL-A
其中：A—回打高度
SL1、SL2—拔管前后实测管内砂面标高GL1、GL2—拔管前后实测套管底面标高ΔGL= GL2- GL1
d2—套管底部内径
D—扩径后水下挤密砂桩直径H—成桩高度
1.8施工注意事项及要求
(1)在管道排沙过程中，通过砂面监视器自动跟踪套管中残留砂的高度，确保高度不低于3 ~ 5m(取决于套管渗透深度)；小于此值时，立即拔出插头并开始插入沙子，在排沙过程中，外部软土将下一次灌溉到水(土壤)，从而防止水下挤压砂桩泥浆等。
(2)控制套管中的拉动速度，观察(在显示屏上显示)排放量。也就是说，根据沙面探测器跟踪管道内沙质，通过监控系统计算排放量是否与理论上的沙质排放量基本一致。管道拔得太快，沙子排出相对较慢，进入周围的软土，防止淤泥。
理论与实测排砂量的计算原理详见下图。
(3)在某些地区，水下压缩砂桩顶部浅，周围土压力小，因此再生时减少管内压力，防止过大压力，防止管内沙子全部流出，水下压缩砂桩断桩。为此，在从文件顶部到1 ~ 2m的施工中，需要降低每个文件的高度，并最大限度地提高水下压缩沙堆的顶部密度。
(4)行动船位置的平面偏差严格控制在320mm以内，尤其是在急升降期间，在泥浆表面插入桩子后，如果平面偏差超标，应及时调整。另外，应根据船舶的实际位置适当地调整船舶的锚点，以更好地控制平面偏差。
2水下挤密砂桩质量措施
2.1砂桩施工过程质量控制
2.1.1原材料
砂桩所用的砂，必须经检验符合设计要求方可用于工程。
2.1.2工前地形测量
砂桩沉设前，必须进行工前水下地形测量，绘制砂垫层（泥）面标高地形图，以此确定该区域砂桩桩顶标高。当由于施工期较长或其他原因造成施工区砂垫（泥）面标高有变化时，应进行复测。
2.1.3桩位控制
(1)施工前应比较测量测量定位系统，以确保系统满足使用要求。(2)打桩前要先试打，根据水流、风向、风速、船舶等外部条件确定桩参数，以确保桩位置正确。
2.1.4桩身垂直度控制
通过在下桩前调整砂桩管的桩夹；如有必要，调整船舶的压载数，使船体保持平衡，以满足桩管的垂直要求。
2.1.5桩尖标高控制
(1)沉管中使用的振动锤必须根据桩直径、桩长和地质情况进行计算，选择合适的锤子，以确保沉管顺利进行。(2)砂桩管道沉没过程中，必须确保桩管底部的活页已关闭，一侧的淤泥进入桩管，影响砂桩尖水平。(3)砂桩管在沉没过程中基本上是闭合的，为了消除浮力作用，容易沉降，可以在沙桩管的适当位置安装小孔，以确保文件末端顺利进入设计高程。(4)在打桩过程中，如果桩尖靠近设计桩，则在震动作用下，桩沉降速度突然减慢，甚至停止沉降，表示已进入打桩土设计，从沉降日起，保持振动20s可能会停止锤子。如果设计文件提示的土层高度发生变化(即，文件基层与设计级别接触)，则可以在文件管道的停止状态下根据设计要求保持振动，也可以按60s在收缩小于300mm/min的情况下停止锤子。(5)浇砂前要检查沙堆底部是否进入泥中。测试绳可以通过从文件顶角分布来测试。沙子可用于确认桩管底部没有泥浆。管子里有泥的话，要当场拔掉沙堆，解决问题，修复活地，然后再次施工。
2.1.6灌砂量控制
（1）砂桩施工前应进行试打，并根据设计要求的每延米用砂量进行调整，确定适应现场砂桩施工的每延米用砂量。（2）砂桩管振沉结束后，根据桩尖与桩顶标高确认砂桩桩长，按试打确定的每延米进行灌砂。在计算灌砂量时，为保证砂桩的有效高度，灌砂量考虑一定的富余。（3）严格控制灌砂量的计量精度，确保砂桩用砂量满足设计要求。
2.1.7拔管速度控制
桩管沉至设计标高或满足加固深度后，按确定的用砂量进行灌砂。砂量到位后，桩管起拔前，必须先振动20s，再以2m/min的速度均匀提升。当起拔至桩顶标高时，暂缓提升，再留振20s，确保桩顶处砂桩密实后，然后再往上提升。
2.1.8桩顶标高控制
砂桩顶标高必须保证砂桩与砂垫层相连通或在泥面上一定高度，对于有砂垫层时，一般不得低于砂垫层顶面；对于自然泥面，必须与设计单位协商决定。
2.2施工技术交底
开工前现场对船上施工员、船长、大副、轮机长、操作人员等进行技术交底，并履行双方交接签字手续。交底内容包括：质量检验标准、施工规范及标准、施工程序及操作要点、安全注意事项、环境保护注意事项等。
2.3质量验收标准
（1）水下挤密砂桩的砂料采用中、粗砂，含泥量不宜大于 5%； (2)水下挤密砂桩施工的允许偏差应满足下表的要求。
2.3水上作业一般安全保证措施
(1)确定施工水域，联系航行部门，设置雨标，使航行安全无虞。建设船只必须沿着从码头到工作区的航行路线行驶，最大限度地减少通行路线，从而最大限度地减少对航运部门的干扰。(2)所有船只必须有执照，适合乘务员使用，不得使用“三无”船只。(3)工程船舶必须遵守航行规定、停泊规定、船舶布置处理规定。(4)船舶火灾安全，救生设施原封不动，各种照明、号码、旗帜和通讯设备原封不动地使用，准确合理。(5)水上工人必须戴安全帽，穿救生衣。(6)正在水上工作的工程船只必须挂上慢车信号灯，晚上用灯标明。7)风太大，无法保证安全的时候，应停止运营，必要时将船只迁移到安全避难所。(8)乘坐交通线(船)不得超过规定人员，乘客必须穿救生衣。上下船时不要争先恐后地嬉戏，船不停歇，不能上下移动。(10)大家不能进水游泳。(11)夜间工作要有充足的电力照明以防电击或火灾。
结束语
综上所述，水密砂桩加固海上风力重力基础是当前海上风力发电趋势和新的研究方向，所以在工程施工期间，要对机械设备进行严格的管理与控制，保证水下挤密砂桩质量，严格按照水密砂桩加固施工工艺进行技术处理，为海上风电建设做出贡献。
参考文献
[1]杨威,张权,黄俊.水下挤密砂桩加固地基技术应用探讨[J].中国水运(下半月),2018,18(09):228-229.
[2]于健.海上挤密砂桩复合地基试验研究和理论分析[D].天津大学,2018.
[3]朱胜利,喻志发,李立新,于健,孟凡利.水下挤密砂桩施工技术与加固地基特性分析[J].中国港湾建设,2017,35(10):13-17.
[4]周明晖.水下打设挤密砂桩加固软土地基的应用[J].中国水运(下半月),2017,14(07):319-321.
[5]冯创志.浅谈水下挤密砂桩施工工艺及质量控制[J].中国水运(下半月),2017,13(12):366-367.
论文作者:王强 王营 胡杰
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年5卷20期
论文发表时间:2019/12/3
标签：水下论文; 标高论文; 套管论文; 管道论文; 文件论文; 沙堆论文; 高度论文; 《工程管理前沿》2019年5卷20期论文;