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随着我国新型清洁能源项目的大力开发建设，海上风力发电项目也在如火如荼地开展起来，尤其十九大对新能源产业“十三五”规划宏伟蓝图的提出，迎来了海上风电产业蓬勃发展的机遇，广东省海上风电规划更是大手笔，到2030年底建成投产海上风电装机容量约30 GW[1]。海上风湍流强度小，具有稳定的主导风向，风能资源丰富、区域广阔平坦，是陆上风力资源的3倍，将成为未来风电发展的重点[2]。
我国近海拥有约1.8×104 km长的大陆海岸线，风电可利用海域主要分布在华东、华南的黄海、东海和南海[3]。海上风电场的风机基础型式按结构及其安装方法分为桩式基础、重力式基础、吸力式筒基础和浮式基础等。桩基础是最常用的基础，适用于我国近海风电场，其又分为单桩基础、群桩导管架基础、高桩承台基础等[4,5]。因其所处的海域、海况、海床地质的不同，各类型基础适用的海域也不同，导管架群桩基础(以导管架四桩为典型)具有结构刚度大、动力响应弱，可避免发生共振，迎流面积分散、设备荷载与风载及波浪力作用下挠度变形小、基础稳固等优势，用于60 m以内水深的海上风电项目更为安全经济[6]，导管架四桩基础与其他几种代表类型的比较如图1所示。
海上风电场以四桩与导管架结合作为基础的施工技术在我国仍处于探索阶段，此前国内没有施工经验和实操案例，再加之四桩基础对插桩相对位置与打桩倾斜度的要求较单桩和三桩更高，施工控制难度更大，尤其在受风、浪、流影响的波涛汹涌的海面上实现高质量、高效率沉桩和导管架安装作业具有极大的挑战性。珠海桂山海上风电场是国内第一次采用导管架四桩做基础的海上风电项目，该项目综合分析了风电场的地质、海况等相关资料，参考国内外已有的风机基础结构型式，通过安全、造价等多专业比选最终确定为四桩导管架基础方案[7]，本文以该项目为载体，对导管架四桩基础的插桩位置精确控制、倾斜度精确控制、水下多点对接精确控制等关键技术进行了研究论证，并在项目实施过程中进行检验。
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珠海桂山海上风电场首批建设34台3 MW风机，场址位于珠江河口的伶仃洋水域，水下地形较平坦，海底泥面标高一般为-6～-11 m，属于近海风电场，如图2所示。
Figure 2. Plan of wind farm layout
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珠海桂山海上风电场的风机采用四桩导管架基础结构，是由四根沉至硬质岩层的钢管桩与露出水面的导管架组成，在导管架顶部设过渡段塔筒和连接法兰，与风机塔筒对接。风机单机施工顺序为(1)打桩(四桩)；(2)导管架水下对接安装；(3)风机整体吊装(或风机现场拼装)。
导管架四根腿与四根桩的连接为内插式，中对中时桩腿外壁与钢管桩内壁间距理论仅为95 mm，其中导管架腿加工存在误差、钢管桩插桩位置存在偏差、插桩倾斜度存在偏差，各种偏差累计若超出95 mm，将发生导管架与钢管桩无法对接的风险。由此可见，四桩导管架基础的插桩位置控制技术、倾斜度控制技术、水下多点对接控制技术等直接决定着项目的成败，对该套技术的研究、论证、应用是整个海上风电项目建设的关键。
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该风电场风机的四桩导管架基础结构，桩号分别编号为01#、02#、03#、04#，导管架腿对应编号为01#、02#、03#、04#，其中导管架02#、03#腿设靠船桩，且导管架该边方向位于西北，如图3所示。钢管桩沉桩设计要求桩顶标高-7 m、桩顶偏位<50 mm、高程偏差<50 mm、纵轴线倾斜度偏差≤3‰。
Figure 3. Wind turbine base bearing
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该风电场各机位至桂山岛海岸线最远距离约12 km，距离珠海吉大海岸线距离约23 km，综合考虑采用于桂山岛建立基准站的卫星定位GPS-RTK相位差分技术作为测量方案，风电场各机位的平面位置和垂向位置测量偏差均满足设计要求[8,9]，以连续运行发布差分服务的单基站CORS测量系统作为应急方案[10]。在该测控网内，主要施工船舶安设流动站GPS和倾斜仪作为实时定位系统，可在施工区实现风机基础位置和方位的测量定位作业，工作演示如图4所示。
Figure 4. Surveying and positioning
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四桩导管架基础结构的风机施工，因要进行桩基与导管架结构的对接拼装，所以对桩基的平面位置和相对位置的控制要求特别高，如果发生相对位置偏差超限，就会发生无法对接的风险。因此，为了控制四桩间的相对位置，保障桩间距控制在要求范围内，研究设计了一套用于沉桩定位及插桩导向的双层钢结构专用装置。
该装置采用钢结构制造，为空间结构，具有足够的刚度，本文称为导向定位架系统(即导向架)。导向架坐落于海床后会发生不均匀沉降或倾斜滑移，需另设四根临时定位桩(即临时桩)，将导向架定于海床。同时，加设临时桩与导向架固定装置，将上层导向架提起悬吊在临时桩上，调平导向架倾斜度至满足施工要求，且防止导向架发生较大倾斜影响钢桩插桩精度。
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导向架的设计需要满足精确控制钢桩的平面相对位置和倾斜度，且需要为钢桩沉桩施工提供稳固的导向能力(即在沉桩过程中不能发生平移或歪斜)。同时，为保护国家一级保护动物白海豚，需要在导向架下层结构上设置削弱打桩噪音的装置(即空气帷幕)。导向架结构设计及结构功能如下：
1)导向架设计为两层套插结构，考虑风场区各机位水深，取单层高度6 m，共12 m高整体使用可满足施工要求。
2)四角设置钢桩定位套管，在其顶部设置钢桩调位系统，底部为不可调限位，限位在桩顶标高上。
3)在导向架平台内设置4个临时桩定位套管及其与临时桩连接固定装置。
4)设4个空气帷幕固定于下层导向架四角定位套管下部，以空压机为气源制作空气帷幕。
5)导向架下层结构的底部设置防沉板，避免导向架坐落于海床时过多沉陷。
6)增设送桩替打结构(即送桩器)，实现钢桩桩头穿越导向架套筒沉至设计标高位置。
7)导向架钢桩导向套管的直径和间距根据四桩基础的参数调整，如桂山风电桩间距15 m，导向套管间距也需15 m。
向架上层结构包含了钢桩导向套管、临时桩导向套管、钢桩调位系统、临时桩连接固定装置和工作平台等，如图5所示。
Figure 5. Guide frame super-structure
导向架下层结构包含了钢桩定位套管、临时定位桩导向套管、防沉板、不可调限位、空气帷幕等，如图6所示。
Figure 6. Guide frame lower-structure
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导向架由全回转吊船安装，借助船上设置的RTK GPS平面定位系统与激光测距仪实现精确定位。在定位过程中，RTK GPS定位系统的显示器实时显示导向架位置与目标桩基位置，并标示相对距离，通过绞移吊船引导导向架与桩基机位初始对位，位置控制在中心偏差小于30 cm，转角偏差小于1.0°范围内，实现初步定位如图4所示。导向架借助吊船落钩下放至接触海床，达到初始稳定状态，测量人员登上导向架采用GPS RTK流动站复测导向架的转角、平面倾斜度和各导向套管的位置，如果偏差超过设计要求则起吊调整再沉放、再复测直至达到设计要求，一般导向架沉放微调需要反复2～3次方能完成，如图7所示。
Figure 7. Guide frame mounting title tuning
导向架经初步定位、复测微调最终达到安装要求，同时四桩导管架基础的桩基也同步完成了精确定位。
安装好的导向架，由临时定位桩导向套管内插入四根临时桩被固定在海床上。临时桩采用直径为2.0 m，壁厚20 mm钢管桩四根，单桩长约50 m，采用YZ230振动打桩锤插打。临时桩单桩极限承载力范围按150～250 t复核计算，施工前根据深度范围进行每个机位的桩长计算，以承载力控制入泥深度。
临时桩插打到位后，在定位桩顶部安装锚固横梁，如图8所示，共计四个，利用精轧螺纹钢筋将导向架四个边同步悬挂于临时桩的锚固横梁上，调整精轧螺纹钢筋悬挂长度，使导向架精确调平，平面倾斜度控制在1.5‰以内，平面高差小于30 mm。导向架标高及水平调整到位后，将导向架与临时钢桩锁定，形成施工固定平台。
Figure 8. Guide frame fixation
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导管架四桩的桩基施工是借助工装导向架来控制倾斜度，如图5所示，上层导向架每个钢桩套筒均布安设四个水平千斤顶；如图6所示，下层导向架每个钢桩套筒安设不可调限位，在插桩过程过程中测量人员从成90°角的两个方向采用全站仪切线测量钢桩的倾斜度，在某个方向倾斜度超标就顶出对应的千斤顶调直钢桩，直至完成自重插桩。导向架影响插桩精度结构的尺寸设计是该项技术的关键，包含导向架钢桩套筒的直径取值(即套筒内径与钢桩外径间隙设计)、不可调导向的限位高度和布设位置等，如图9所示。
Figure 9. Adjust the gradient structure
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钢桩套筒内径的大小直接影响到插桩的施工效率和插桩的倾斜度。内径偏大，插桩时的倾斜度就会偏大，插桩倾斜度难以控制；内径偏小，则插桩对孔困难，会大大降低插桩施工效率，增大施工成本，可见，内径的取值十分关键。吸取多项类似工程的施工经验，总结归纳出如下经验公式：
((1)) 式中：P为间隙与钢桩直径比率，考虑倾斜度控制和施工效率成本控制，根据经验一般取10%较合理；d为钢桩外径，珠海桂山项目为2.2 m；D为钢桩套筒内径。将P、d代入上式，求得D＝2.42 m，综合考虑结构制作和施工方便，取钢桩套筒内径D为2.4 m。如图9的样图A所示，钢桩与套筒对中时单边空隙间距为0.1 m。
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下层导向架不可调导向，是导向架平台上水平千斤顶调整钢桩倾斜度时钢桩的下部支点。首先，如图9样图B所示，不可调限位高度越大，调整效果越佳，但应预留足够的插桩间隙；其次，不可调限位需做坡口，起到引导钢桩通过不可调限位的作用；其三，不可调导向距离水平千斤顶距离越大，调桩效果越佳；其四，不可调限位应高于桩顶设计标高，否则与钢桩卡靠贴近，将增大吊除下层导向架的困难。
综上所述，不可调限位高度取7 cm、长度取37 cm，留3 cm插桩间隙，顶部开1∶1.73的顺坡用作插桩导向，设于距顶平台7.5 m处、且高出桩顶位置，如图9所示。
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导向架按要求安装后，吊机开始插桩作业。插桩初始时，钢桩在重力作用下贯通上层导向架、下层导向架及不可调限位，自沉入泥直至稳定，在钢桩接近稳定前需要量测、监控倾斜度，倾斜度超限就需要调桩，插桩过程如图10所示。
Figure 10. Insert pile construction
插桩前测量人员在导向架平台上成90°角架设两台全站仪，用于插桩时从两个垂直方向切边测量倾斜度，如图11所示。切边测量借助全站仪监控钢桩南北、东西竖向十米范围的偏距，以不可调限位为支点推算桩顶偏离，借助导向架平台上水平调位千斤顶A、B、C、D来调正钢桩，使其在允许的倾斜度范围内继续自沉，每沉入3～5 m进行一次监控测量，直至自沉停止，完成了插桩作业。此法可在插桩过程中监控调整钢桩的倾斜度。
Figure 11. Steel pile inclination monitoring
钢桩自沉终止，将导向架平台上四个方向的千斤顶顶紧钢桩(千斤顶顶杆设滚轮)，限制钢桩在初始振沉过程中发生倾斜，直至其沉入地层足够深度，镶嵌至地层中将不再发生倾斜，此时可撤掉千斤顶，继续打桩直至桩顶达到设计标高。
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风机钢桩基础完成后，需水下对接安装导管架，导管架内插于钢管桩，重约450 t，为四腿钢结构，两个腿设有靠船柱，且靠船柱在西北方向，即导管架安装有方向要求。导管架结构如图12所示。
Figure 12. Jacket structure
导管架四腿与四桩对接是在水下进行的，需借助着床测量平台，在平台上采用GPS RTK流动站测定两个坐标点，在两个坐标点上架设全站仪实时测量导管架桩腿的位置，将其引导定位至已知坐标的桩头位置，来实现对接安装，施工过程如图13所示。
Figure 13. Jacket installation process
因单个风机机位四根钢桩桩顶高程相同，若想将导管架四腿同时插入钢桩非常困难，所以，将导管架腿设计成三种长度规格，即一组对角两根腿长分别为5.9 m、5.2 m，另一组对角两根腿长均为4.5 m，对接安装时先安装最长腿、再安对角次长腿，两根长腿插入后直接下落，两根短腿就会顺利对接，安装过程如图14所示。
Figure 14. The jacket is connected with the steel pile
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珠海桂山风电试验项目采用该套四桩导管架基础精确施工的成套技术，高标准地完成了全部机位的沉桩和导管架安装施工，且各机位四桩的平面位置、标高和倾斜度均得到了精确控制。原设计方案考虑钢桩相对偏位控制难度大，避免导管架腿与钢桩对接偏差，要求导管架腿待钢桩打完按桩顶测量成果进行调位，以保障对接顺利。在实际施工中，因采用该套技术实现了钢桩间的精确定位，省去了导管架腿待成桩调位的工序，大大提高了导管架的生产工效和供货速度，为整个风电场项目的快速推进争取到了更多的宝贵时间。
2.1 定位要求
2.2 测量方案设计
2.3 桩基定位
2.3.1 导向架的结构设计
2.3.2 桩基借助导向架定位
2.4 倾斜度控制
2.4.1 钢桩套筒内径设计
2.4.2 不可调导向设计
2.4.3 插桩监控及调整
2.5 水下多点对接
2.6 技术成果
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本文主要以海上风电项目导管架四桩基础施工来作为究研对象，结合珠海桂山海上风电试验项目特定情况，对群桩基础平面位置、高程和倾斜度精确控制施工技术，对导管架水下与钢桩多点对接施工技术进行了分析研究，探索出了一套适用可靠的海上风电群桩导管架基础施工的先进技术，并在珠海桂山海上风电试验项目中为四桩导管架基础的施工解决了精确定位控制难题，实现了钢桩倾斜度的精确控制。项目的导管架四桩基础施工的顺利实施，也验证了该套技术的优越性和先进性，但该套技术也不具备海上风电项目的普遍适用性，受水深和桩基形式的限制较大，在20 m以浅导管架群桩基础的海上风电项目中可推广借鉴，本文希望为后续类似海上风电群桩基础施工提供技术参考和施工经验，希望为我国风电可再生清洁能源事业的发展贡献一份力量。
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