口与航道工程中钢管桩水下截桩技术分析

口与航道工程中钢管桩水下截桩技术分析

吴奇 张梦帝

天津港航工程有限公司 天津 300456

摘 要：针对华能灌云海上风电项目47#、48#试桩机位钢管桩截桩工程，简要介绍了施工工艺及施工要点，可以为后续港口与航道工程钢管桩水下截除施工提供较好的参考经验。

关键词：截桩、桩内排泥、水下切割

工程概况

华能灌云海上风电项目位于江苏省连云港市灌云县灌河口海域，场址南北宽约7.3km，东西长约8.5km，水深5～11m，场址中心距离岸线约14km，场址东侧距离燕尾港出港航道约2.5km，整个场址面积约为62km2。

本分项工程在试桩阶段进行了ZK6和ZK8机位的施工，对应现机位编号为47#和48#机位，每个机位共进行了7根钢管桩的施工，其中试验桩1根，桩径为2.0m，采用直桩型式，桩顶标高为+7.0m，钢管桩壁厚为30mm；锚桩4根，分布在试验桩周边，桩径为2.0m，采用斜桩型式，斜度为5：1，桩顶标高为+7.0m，钢管桩壁厚为30mm；基准桩2根，桩径为1.2m，采用直桩型式，基准桩已由原施工单位截除。本工程截桩标准为：截除至现状泥面标高以下4.0m。

自然条件

2.1潮汐

江苏沿海主要受两个潮波系统的影响，一是来自太平洋通过东海的前进波，自南北进入黄海，影响江苏南部海域；另一是东海前进潮波受山东半岛的阻挡，形成南黄海半日潮无潮点为中心的逆时针旋转潮波，在苏北沿海自北向南推进，影响江苏北部海域，这两股运动方向相反的潮波大致在弶港至庄家沙一带海域辐合。本风电场区位于灌河口外北部海域，地理位置离南黄海半日潮无潮点较远，潮汐类型主要受旋转潮波系统控制，潮差相对较大。最高潮位为 3.53m，最低潮位为-3.01m，平均高潮位为1.89m，平均低潮位为-1.51m。最大潮差为5.02m，最小潮差为1.17m，年平均潮差 3.40m，涨潮历时小于落潮历时。在观测年内，平均涨潮历时为5小时35分，平均落潮历时为6小时49分，平均涨、落潮历时差 1 小时14分钟。

2.2波浪

秋季，以小浪为主，出现频率合计55.63%，其次为轻浪，出现海流频率合计28.53%，中浪出现频率合计14.29%，亦有1.56%的大浪出现。

冬季，以小浪为主，出现频率合计54.90%，其次为轻浪，出现频率合计32.75%，中浪出现频率合计11.91%，亦有0.44%的大浪出现。

2.3工程地质条件

2.3.1地形地貌

工程场地位于江苏省连云港市灌云县沿海灌河口北部，距离岸线约14km，本次勘察区域实测水深约5.0～11.0m，水下地形总体较为平坦，海底泥面高程一般为-4.9～-10.3m，风电场区地形总体特征为离岸方向海底面高程逐渐降低，并呈北低南高，东低西高的趋势。工程区地貌类型为近海海域沉积地貌。

2.3.2地基土构成与特征

本工程截除钢管桩的位置为泥面以下4m，根据建设单位提供的地质勘查资料可知，施工周边及深度范围内的土层如下：

Ⅲ1 层灰黄～灰色淤泥质粘土（Q4m）饱和，流塑。切面光滑，土质均匀，该层局部为淤泥；一般夹少量薄层粉土或粉砂，单层厚约0.2～2.0cm，含少量有机质、腐植物和贝壳碎片；摇振无反应，干强度高，韧性高。该层在拟建场地遍布，一般直接出露于海底，厚度较大，一般为8.00～18.48m。实测标准贯入试验击数一般为<1～2 击。

3、特点及难点分析

（1）本分项工程涉及潜水作业、水下切割作业，施工危险性较大。

（2）由于本工程采用的是桩内水下切割施工工艺，截桩标准为截除至泥面标高以下4m，桩内排泥达到标准后才可进行水下切割，吸泥工程量大。

（3）对水下截桩环向切割长度的控制，直接关系到施工人员人身安全和船舶的选型问题，需要对钢管桩环向切割长度进行计算分析和论证。

（4）由于桩内排泥施工需要用吊机起吊吸泥头，施工过程中受海况影响大，施工作业期间为多风季节，施工区域海况复杂，施工窗口期较短，施工效率难以保证。

4、设备选型及环向切割长度

本工程采用130t全回转起重船“铭发起89”用于拉断和起吊钢管桩，且所有施工机械和潜水设备放置在起重船上，“兴发518”方驳用于钢管桩的搁置和外运工作

4.1钢管桩的拉断力分析

经过对钢管桩参数和工况进行计算分析，提出钢管桩内切割剩余1/3周长的方案。根据钢管桩内切割剩余1/3周长材料工况，进行分析钢管桩拉断的可行性计算。

4.1.1 直桩拉断力F的计算

图4.1直桩计算简图

当夹角α为15°时

轴 向力：

竖 向分力作用：

负摩阻力的作用：

水 平方向土压力作用：

水 平分力作用：

根据公式:

联 立上述各式解得：

根据上述计算，再依次计算30°，45°，60°，90°，105°，120°工况下的拉断力F，结果汇总见表4-1所示。

直桩计算结果汇总 表4-1

4.1.2 斜桩拉断力F的计算

图4.2斜桩计算简图

当夹角α为15°时

轴 向：

竖 向分力作用：

负 摩阻力的作用：

水平方向：土压力作用：

水 平分力作用：

重 力分力作用：

根据公式：

联立上述各式解F=629.805KN

根据上述计算，再依次计算30°，45°，60°，90°，120°工况下的拉断力F，结果汇总见表4-2所示。

计算结果汇总 表4-2

4.1.3拉断力分析结论

综上所述，根据计算结果可知，在拉力作用与竖直方向成15°的方向时，直桩用力为524KN；在拉力作用与竖直方向成90°的方向时，直桩用力为133KN。

在拉力作用与钢桩轴线方向成15°方向时，5：1斜桩所需要拉力为630KN；在拉力作用与钢桩轴线方向成90°方向时，5：1斜桩所需要拉力为161KN。

4.2建立有限元模型

α为15° α为30° α为45°

由有限计算结果可知，在上述钢管桩计算的拉力作用下，钢管桩均为拉坏状态。所以，按照上述力计算，钢管桩是可以拉断的。

4.3起重船作业分析

4.3.1拉断力分析

根据以上拉断力计算可知，按照最不利情况考虑，拉断钢板桩最大受力需630KN，吊杆长为45m的“铭发起89”在跨距为8.5m时的最大拉力为666KN，满足本工程拉断力的要求。

4.3.2吊重能力分析

本工程起吊的最大钢管桩的重量为28.7t，按照1.3的安全保证系数计算，所需的最大起重能力为37.3t，吊杆长为45m的“铭发起89”在跨距为8.5m时的起重量为68t，满足本工程吊重的要求。

4.3.3吊高能力分析

本工程起吊的最大钢管桩的长度为19m，选用长度为20m的钢丝绳，吊装过程中对折使用钢丝绳，因此按照10m高度考虑。吊杆长为45m的“铭发起89”在跨距为8.5m时的最大起重高度经过计算为42m>29m（19m+10m），满足本工程吊高的要求。

综上所述，确定了钢管桩内环向切割剩余1/3周长的方案，拟采用的130t全回转起重船“铭发起89”可顺利拉断钢管桩，符合方案要求。

施工工艺

5.1 船舶驻位

为减少潮水对船舶冲击位移，“铭发起89”驻位轴线与涨落潮方向尽可能平行，驻位方向西偏北30度左右（涨、落潮流向基本呈西偏北30°向），船头抛八字锚，船尾抛交叉锚，缆绳大概抛出200m；“兴发518”靠泊“铭发起89”。

5.2 水下探摸

探摸时注意探摸区域为桩中心半径为20m范围，探摸时利用钢筋棍进行探摸，插入泥面以下1m，进行桩内排泥施工前，在船舶甲板上照料员配合潜水员完成潜水服和各种器具的穿戴，确定整个潜水装具性能正常后下水探摸。

5.3 桩内排泥

5.3.1水下清理及开孔

吸泥之前，进行钢管桩内部清理，同时为保证吸泥设备正常运行和钢管桩内外压力平衡，需在钢管桩上开孔，将海水引入钢管桩内，开孔位置考虑本工程海域设计低潮位为-2.08m，因此开孔中心位置为-2.2m，开孔尺寸为30cm×30cm，开孔采用水下切割工艺进行施工。

5.3.2吸泥

在所有吸泥设备连接完成后，起吊吸泥管至钢管桩内，潜水员下水进行吸泥工作。吸泥工作的质量主要通过用水砣不断打测标高来控制，方案要求截除至泥面标高以下4m，为保证吸泥满足截桩要求，一般吸泥至泥面标高以下4.5-4.7m。

5.4 水下切割

5.4.1切割设备的选择

①选用zx7-630i直流弧焊机，空载电压80V。

②切割电缆截面面积应大于70mm

²。

③水下割条采用上海产水下专用割条，割条直径为8mm。

5.4.2切割

本工程切割得原理：由zx7-630i焊机作为热源发起，割条接触切割的钢结构时，接触点受热开始融化，割条中心为空心，切割炬接氧气源作为切割保护气，切割时氧气由割条中心吹出，将金属氧化，同时将融化的割条、钢结构母材去除，随着水下电弧的不断移动和氧气的不断供给获得所需切割长度，达到切割的目的。

切割过程中最重要的是进行切割位置的控制。用水砣测量标高确定了切割位置后，潜水员开始进行切割，但是由于海水比较浑浊，几乎没有视线，仅靠触摸确定切割的方向，切割过程中不可避免的造成误判，如果切割方向向上偏，则可能会导致钢管桩截除长度不满足要求，如果切割方向向下偏，即使截除的钢管桩长度满足要求，也会增加切割的工程量，耗费时间。所以可以在选择切割位置的时候应该尽量往下，留出充分的偏差范围，保证截除长度满足要求。

5.5钢管桩拉断及装船

拉断钢管桩有以下四个步骤，①在钢管桩桩顶吊耳位置挂卸扣，卸扣连接钢丝绳。②全回转起重船左右转动，并不断调整船头，保证起重船大臂始终和钢管桩轴线位置处于一个平面上，拉断钢管桩。③钢管桩拉断后存在粘连位置，起重船再转动3至4次至完全断裂。④拉断钢管桩后，将钢管桩缓慢起吊，最后吊至驳船上。

拉断过程主要有以下管控关键点：①钢丝绳、卸扣和开孔位置按照专项方案执行，过程中现场管理人员提前检查并监督执行。②经过前期对船机设备的分析，130t起重船满足本工程的所需拉力要求，在拉断钢管桩开始阶段，起重船缓慢用力，摆动大臂和船头位置，主要使钢管桩所受水平力加大并且防止钢管桩突然断裂可能对船舶大臂稳定产生不利影响。③起重作业有专人指挥，起重臂旋转半径范围内严禁无关人员进入，现场专职安全员全程监督其执行情况。④起重船严禁使用最大力拉拽钢管桩，防止突然断裂对起重船稳定性产生不利

后续施工改进措施

为保证开孔在施工过程中始终在水面以下，在进行开孔的时候，开孔位置尽量开在要求的位置以下，以免影响吸泥施工，降低工作效率。

吸泥过程中，为避免在开孔时遗留的割条造成的吸泥管堵塞的问题，可为潜水切割人员配备专用的割条收纳袋，同时要求水下切割人员尽量将开孔时用的割条统一放置，不留在桩内。

48#机位二号桩和三号桩吸泥工作不顺利，主要是粘性土层比较厚，仅靠潜水人员手持高压水枪不足以打散泥层。在后续施工过程中，另外配备一个高压水枪并将其绑在吸泥头上，使吸泥效率有所提高。

为保证切割作业顺利进行，用透明胶带对割条进行包裹，防止药皮在海水浸泡中破坏影响性能，同时也防止割条带电影响水下切割作业。

（5）在后续施工过程中，可以对施工顺序做一下调整。在所有钢管桩排泥完成之后，选择一个合适的窗口期，统一进行水下切割作业，按照“切一根，拉一根，装一根”的步骤，尽量避免钢管桩切割完后在避风期间可能出现的折断等意外情况。

结束语

本文主要对港口与航道工程中截桩施工的环向切割长度、船舶选型、施工工艺和后续改进措施等进行了详细的论述，其中关于钢管桩内切割剩余周长的分析论证仍为该工程的重点。在确保安全和质量可控的前提下，提出了一些后续施工改进措施。经过充分的前期准备和精心的现场管理，本工程得以顺利进行并完工，所截除的10根钢管桩长度均满足要求。通过本工程，希望后续类似港口与航道工程中钢管桩水下截除施工充分考虑各种因素，在确保安全和质量可控的前提下，保证工程顺利完成。

参考文献：

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