建筑技术丨海上风电植入式高桩承台基础节本增效优化工艺研究

1 工程概况

福建省某海域海上风电场项目拟安装44台风力发电机组，总装机容量308 MW。该风场共有6台植入式高桩承台基础。高桩承台基础上部钢筋混凝土承台为现浇强度等级为C45高性能海工混凝土，承台直径均为15.6 m，底高程+4.0 m（1985国家高程基准，下同），顶高程9.0 m，厚5.0 m。承台混凝土分两期浇筑，其中一期封底结构混凝土厚0.8 m，二期主体结构混凝土厚4.2 m。为有效应对该植入式高桩承台基础现场作业工序较多、海上有效作业时间较少等问题，提出了两个工艺优化措施，分别为植入桩钢板封底和整体式预制承台封底组合结构。

2 基础工艺优化的必要性

2.1 钢板封底替代混凝土封底

海上风电植入式钢管桩施工工艺流程如下：先搭设施工平台，随后打入钢护筒。待护筒稳固后，再下钻机进行钻孔作业，直至达到设计桩底标高。此时，将钢管桩植入孔内并固定，并通过水下封底混凝土浇筑桩芯混凝土于钢管桩底部。钢管桩外壁与嵌岩孔壁间隙则采用水下灌浆工艺，填充水下不分散灌浆材料，以实现侧壁灌浆，从而将钢管桩与基岩粘结形成永久性连接。该工艺需搅拌船定位于机位旁执行混凝土浇筑任务。为避免混凝土离析，必须采用导管法进行水下混凝土浇筑。浇筑完成后，封底混凝土初凝时间约需12 h，待初凝完成后方可进行侧壁灌浆。

目前工艺中下放混凝土导管耗时4 h，搅拌船定位起锚以及浇筑过程需6 h，等待封底混凝土初凝12 h，总计耗费22 h。该工艺还导致搅拌船及锚艇投入增加，施工总时长较长。同时，由于侧壁灌浆等待时间过长，会相应地提升侧壁塌孔风险，因此对混凝土封底进行优化成为关键。可采用植入桩桩底钢板封底方案替代传统混凝土封底方法，从而解决搅拌船投入以及等待混凝土强度发展的时间问题，实现植桩至侧壁注浆的连续作业。在制桩环节，安装封底装置。该装置能有效隔绝桩内外环境，进而可直接开展桩外侧壁注浆作业。如此一来，不仅节省了施工时间，而且减少了船舶资源的投入，同时降低了侧壁塌孔风险，提升了施工质量。

2.2 整体式预制封底组合结构代替海上现浇

海上风电项目中，植入式高桩承台主要用于地质条件复杂、地层起伏变化较大的风场基础结构。施工工艺流程为：嵌岩平台搭建→嵌岩孔成型→植入工程桩→工程桩封底处理→工程桩外壁注浆→拔除护筒→桩芯混凝土浇筑→嵌岩平台拆除→附属套笼装配→承台封底模板布置→工程桩间加固→承台封底钢筋绑扎→承台封底混凝土浇筑→承台底部钢筋网构建→承台套箱安装就位→基础环装配→连接件固定→连接腹板焊接及承台钢筋整体绑扎和混凝土浇筑作业。

鉴于高桩承台基础施工涵盖众多工序，且海上可利用的有效作业时间有限，因此迫切需要对高桩承台基础施工工艺进行优化升级。本研究深入探究了适用于高桩承台基础的大部件陆上模块化组合预制技术，以及配套的海上吊装施工新工艺，有望进一步拓展施工技术的应用范围与工效提升空间。整体式预制封底组合结构如图1所示。

图1 整体式预制封底组合结构示意

3 基础工艺优化技术

3.1 钢板封底替代混凝土封底原理及技术

钢板封底替代混凝土封底的原理主要是利用钢板进行封隔，防止桩外侧注浆料向桩内渗入。同时，为确保工程桩顺利植入，采用环板钢板与封堵钢板相结合的工艺措施。具体来说，是在钢管桩底部焊接环板，环板中间预留溢水孔，盖桩搁置于溢水孔下方，随工程桩一同植入。待工程桩植入到位后，通过系于盖板上的缆绳向上提紧，再进行桩外侧环缝注浆。关键在于植桩时需调节溢水孔进水速度，使其与起重船的钩速相匹配，从而保持钢管桩的稳定下沉。

植入式钢管桩植桩时的排水量计算见表1。采用在钢管桩底部加设钢板进行封底的方式，待钢管桩沉入至设计标高且封闭溢水孔后，可立即开展桩身外侧环缝注浆作业。

表1 植入式钢管桩排水量计算

这种作法不仅可减少海上搅拌船的投入，还能实现海上注浆作业的连续性，进而保证注浆质量。其具体操作步骤如下。

（1）在制作钢管桩的过程中，于钢管桩内部安装封底装置。该封底装置由1块封底板和1块底盖板构成。在封底板的中心位置开设溢水孔，溢水孔底部焊装套管，套管底部装配橡胶圈，同时在套管底部安装1个盖板，盖板直径略大于套管直径，且在盖板上设置1个固定绳圈。

（2）在植桩作业期间，于底盖板上的固定绳圈中穿过一根收紧绳索，将收紧绳索的两端从橡胶圈的内孔引入并固定在钢管桩的顶端。

（3）植桩到位后，拉紧收紧绳索使其受力，促使底盖板紧密闭合密封封底板上套管的下口。

（4）借助布置在钢管桩内的灌浆管线，对钢管桩与嵌岩孔之间的嵌岩段环形空间以及钢管桩与岩层上方土层之间的土层环形空间实施灌浆作业。同时，利用钢管桩下部的进浆孔向封底板以下的钢管桩内部浇筑灌浆料，直至封底板以下的钢管桩内、嵌岩段环形空间以及土层环形空间均被灌浆料完全填充。

（5）当灌浆料达到初凝状态后，回收收紧绳索。

3.2 预制封底组合结构整体式安装技术

3.2.1 封底组合结构陆上整体预制施工技术

（1）封底组合结构预制工艺流程。先定位封底预埋钢套管及槽钢加固件，然后绑扎封底结构钢筋并安装吊耳，随后进行封底浇筑及基础环底座安装，再依次完成二期承台主体结构底层与环侧向钢筋绑扎、基础环与上、下连接板、连接腹板、十字连接件的拼装焊接安装，之后开展基础环内外钢筋绑扎，最后实施套钢箱安装。

（2）封底组合结构预制操作步骤。

1）定位封底预埋钢套管及槽钢加固件。封底预埋套管及槽钢加固件的定位精度直接关系现场安装的成败。预制封底套管的位置利用现场实测的植入桩相对位置数据进行放样，未完成植桩的机位则依据护筒中心点实测数据放样。预埋套管安装相对偏差需控制在不大于3 mm范围内，套管直径较植入桩大20 cm即可，再通过槽钢连接各预埋套管，构成整体结构。

2）绑扎封底结构钢筋及安装吊耳。完成封底承台底层钢筋绑扎后预埋吊耳，封底承台共设置8个吊点，并将吊耳均匀预埋于承台之中。

3）在承台封底结构上，按图纸要求布设基础环调平支座与辅助支座，混凝土浇筑作业采用泵送工艺实施。

4）绑扎承台主体结构底层与环侧向钢筋。

5）开展基础环与上、下连接板、连接腹板、十字连接件拼装、焊接及安装工作。承台连接件的定位放样基于施工现场反馈的实测放样工程桩（已植入桩及未植入桩护筒）测量定位图纸，据此进行承台连接件尺寸下料、拼装与焊接。遵循海上施工现场安装需求，连接件模块预制时十字连接板单侧加宽50 mm，以增强现场安装冗余度，加宽位置如图2所示。

图2 连接件十字连接板加宽施工示意

6）完成基础环内外钢筋绑扎工作。

7）实施钢套箱安装。高桩承台上部模板选用钢套箱，钢套箱与封底承台混凝土经由锥台螺母相连，每个封底承台侧边预埋上下两排锥台螺母，呈等距分布，并在套箱对应位置开孔，借助锥台螺母实现与封底承台的紧密结合，构成整体结构。

3.2.2 封底组合结构安装技术

（1）支撑体系焊接。在植入式高桩承台预制封底组合结构中，在封底板上预埋与工程桩对应的套管以及与套管相连的内、外侧槽钢。在海上安装预制封底组合结构时，通过在工程桩上焊接承台支撑体系，将封底组合结构置于其上，可增强整体结构稳定性，简化施工流程。该支撑体系经由整体式焊接吊架平台置于桩顶，在此平台上进行桩身加筋板及环板的焊接作业，操作安全可靠。

（2）船舶就位。封底组合结构的安装借助起重船完成。运输驳抵达施工机位后先由锚艇配合抛锚定位，随后对起重船进行抛锚定位。起重船采用顶风顶浪方位定位，以降低风浪对起重吊装作业的不利影响，起重船定位方式如图3所示。

图3 船舶驻位（固定扒杆）示意

（3）吊索具挂钩及起吊。封底组合结构吊装采用4条双股钢丝绳，采取8点吊的吊装方式。

（4）起重船起吊预制构件后，先缓慢提升平台至距离甲板面2 m的高度，然后运输驳通过绞锚作业撤离机位。起重船绞锚至机位后将构件下放至桩身钢托座上。下放时先对准导向桩位置，缓慢下钩，待导向桩所在封底预留孔洞完全套入钢管桩内后，通过调整缆风绳或轻微绞锚改变船艏角度，直至其余孔洞全部对准，再将构件缓慢下放至桩身钢托座上。

（5）基础环调平。构件安装到位后，解除临时加固及其他限位措施，使用千斤顶进行调平作业。

（6）十字连接件安装。预制封底组合构件就位后，根据现场实际位置对底部工程桩进行开坡口槽处理。完成开槽后，解除十字连接件的临时限位板，将其安装至开坡口位置，并进行十字连接件与腹板及工程桩之间的焊接作业。

（7）工程桩与预埋套管间劲板焊接加固。反向劲板焊接加固设计用于承受后续施工中二期承台的全部荷载。

（8）预埋套管与工程桩间隙处理。内埋预埋套管与钢管桩之间的间隙采用强度等级为C50的无收缩灌浆料进行灌注处理。

（9）绑扎剩余钢筋并浇筑二期承台混凝土。

4 实施效果及效益分析

植入式高桩承台在实施工艺优化后，将部分施工工序调整至陆上完成，有效节省了船舶机械的投入成本。植桩作业结束后，能够直接开展桩外壁与嵌岩孔之间的灌浆工作，节省了传统工艺中等待封底混凝土初凝时间，进一步缩短了施工周期。此外，通过将海上预制封底组合结构的作业转移至陆上进行，大幅减少了海上作业时间，显著提高了工程工效。关于海上风电高桩承台基础工艺优化前后的工效对比分析，海上风电高桩承台基础工艺优化工效见表2。

表2 海上风电高桩承台基础工艺优化工效

5 结论

针对传统海上风电植入式高桩承台施工工艺存在的问题，如海上作业步骤烦琐、工效低下、有效作业时间有限，以及施工需依赖船舶、工效慢、质量与安全管理难度大等情况，本项目依托福建某海域海上风电工程，深入分析植入式高桩承台基础的结构特点及关键工序工艺特征，研究形成了一套海上风电群桩植入式高桩承台封底组合结构整体预制安装施工工艺，并成功付诸实践。该技术工艺未改变原设计结构的受力特性，完全符合设计要求。实践表明，其显著提升了高桩承台基础的施工效率和质量，经济效益和社会效益显著。