深水、惡劣海況下大噸位吸力式導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工方案分析

■郎綠原 艾四芽 曾憲仁 程細(xì)平 李明林 席仁強(qiáng) 黃金星 劉 超

（1.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，武漢 430050；2.福建省交通科技發(fā)展集團(tuán)有限責(zé)任公司，福州 350004；3.福州大學(xué)，福州 350108；4.常州大學(xué)，常州 213164；5.福建路港（集團(tuán)） 有限公司，泉州 362000；6.福建省燕城建設(shè)工程有限公司，廈門 361000）

為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，我國計(jì)劃在“十四五”期間完成風(fēng)電新增裝機(jī)容量2.5 億kW。 福建海域年均風(fēng)速高，可開發(fā)風(fēng)能資源豐富，靠近粵港澳大灣區(qū)，便于就地消納，福建海域是我國海上風(fēng)電開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域。 然而，該區(qū)域海上風(fēng)電場建設(shè)、運(yùn)營面臨著惡劣施工環(huán)境和地震等自然災(zāi)害的威脅[1]。 為保證海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工安全與高效，通過改進(jìn)導(dǎo)管架制造、吊裝和施工現(xiàn)場觀測監(jiān)測技術(shù)，提高大型吸力式導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工效率。 結(jié)合橋梁和石油天然氣行業(yè)導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)[2-5]，基于工程實(shí)踐，本研究提出了一套大型吸力式導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工方案，可解決惡劣海況下導(dǎo)管架深水施工難題。

1 吸力式導(dǎo)管架制作施工程序

吸力式導(dǎo)管架在工廠整體制造，利用大型浮吊整體吊裝至運(yùn)輸船上并進(jìn)行裝船加固，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場后， 再次利用大型浮吊將導(dǎo)管架整體吊裝下放，采用負(fù)壓系統(tǒng)輔助導(dǎo)管架沉貫入泥就位，最后進(jìn)行筒內(nèi)灌漿施工。

1.1 吸力式導(dǎo)管架制造

吸力式導(dǎo)管架采用“分段臥式拼裝+節(jié)段翻身總拼”制造技術(shù)[6]。 先預(yù)制過渡段、吸力筒、架體三個(gè)大分段，各分段安裝完成相關(guān)附屬結(jié)構(gòu)后，在碼頭前沿利用大型龍門吊進(jìn)行過渡段與架體合攏，然后采用浮吊將架體翻身與吸力筒進(jìn)行最終大合攏，完成導(dǎo)管架整體制造。采用V 型架體整體制造翻身與平胎架體合攏方案，使得所有焊接工作均在1.5 m左右的高度進(jìn)行，避免了傳統(tǒng)架體合攏工藝的高支撐柱搭設(shè)、高處作業(yè)，可降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，并提高作業(yè)效率。 導(dǎo)管架V 型架體制作見圖1，架體與平胎架體合攏見圖2，傳統(tǒng)架體合攏工藝見圖3。

圖1 V 型架體制作

圖2 V 型架體與平胎架體合攏

圖3 傳統(tǒng)架體拼裝工藝

吸力式導(dǎo)管架在碼頭前沿制造完成后，利用浮吊將導(dǎo)管架整體吊裝至6 萬噸級(jí)運(yùn)輸船上，實(shí)現(xiàn)超大型吸力式導(dǎo)管架批量運(yùn)輸，單航次可運(yùn)輸5 套。 相對(duì)于傳統(tǒng)的模塊車滾裝及滑移裝船方案，整體吊裝裝船具有不受潮位影響、對(duì)碼頭前沿施工場地需求低、裝船布置靈活的特點(diǎn)。 為保證運(yùn)輸?shù)陌踩?，根?jù)裝船綁扎方案，對(duì)運(yùn)輸船舶穩(wěn)性、甲板強(qiáng)度、運(yùn)輸工裝強(qiáng)度、連接焊縫強(qiáng)度、導(dǎo)管架筒壁屈曲等進(jìn)行驗(yàn)算[7]。

1.2 吸力式導(dǎo)管架安裝

吸力式導(dǎo)管架采用浮吊整體吊裝下放，在自重作用下完成下沉、吸力筒內(nèi)土塞形成有效密封后，通過吸力泵進(jìn)行筒內(nèi)抽水形成內(nèi)外壓差促使導(dǎo)管架沉貫到位[4]。 導(dǎo)管架負(fù)壓下沉原理見圖4。 下沉過程中，通過負(fù)壓系統(tǒng)精準(zhǔn)控制并調(diào)整每個(gè)吸力筒的內(nèi)外壓差，從而控制各吸力筒下沉速度，保證下沉過程導(dǎo)管架整體水平度。 負(fù)壓系統(tǒng)采用“單筒單泵”工藝，即每個(gè)吸力筒采用1 個(gè)吸力泵進(jìn)行控制，相對(duì)傳統(tǒng)的“單泵多筒”工藝，其負(fù)壓下沉速度更快，導(dǎo)管架調(diào)平精度更高。

圖4 負(fù)壓下沉原理

1.2.1 運(yùn)輸船、浮吊拋錨定位

運(yùn)輸船、浮吊均采用多錨定位，兩船呈“T”字形站位，根據(jù)橫水試驗(yàn)，浮吊順?biāo)?、運(yùn)輸船橫水時(shí)，兩船相對(duì)起伏、晃動(dòng)幅度最小。 現(xiàn)場施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)位情況及當(dāng)天海況，結(jié)合數(shù)值仿真[9]，制定當(dāng)前機(jī)位的具體拋錨方案及兩船艏向并計(jì)算各錨點(diǎn)坐標(biāo)，拋錨艇嚴(yán)格按錨點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行拋錨作業(yè)。 運(yùn)輸船、浮吊拋錨示意見圖5。

圖5 運(yùn)輸船、浮吊拋錨圖

受浮吊吊幅控制，導(dǎo)管架掛鉤時(shí)兩船之間的距離較小， 浮吊船艏2 根前進(jìn)纜將穿過運(yùn)輸船船底，存在纜繩兜掛運(yùn)輸船船底及螺旋槳的問題，兩船絞錨貼近前要求浮吊船艏2 根前進(jìn)纜必須保持松弛，為確保浮吊船體穩(wěn)定及兩船相對(duì)位置調(diào)整，在兩船之間掛設(shè)3 道高強(qiáng)纜繩。

1.2.2 負(fù)壓系統(tǒng)安裝

運(yùn)輸船、浮吊拋錨定位完成后，進(jìn)行負(fù)壓系統(tǒng)安裝。 負(fù)壓系統(tǒng)由3 臺(tái)吸力泵+3 條臍帶纜+3 套動(dòng)力滑輪+1 臺(tái)中控室組成，吸力泵安裝在導(dǎo)管架吸力筒頂，中控室、動(dòng)力滑輪擺放在浮吊上，臍帶纜連接吸力泵和中控室。

圖6 負(fù)壓系統(tǒng)布局

1.2.3 導(dǎo)管架起吊、定位

導(dǎo)管架3 個(gè)主吊耳設(shè)置在過渡段頂3 個(gè)支撐柱上，采用插入式井字形吊耳。 為保證能快速完成掛鉤，廠內(nèi)在吊耳側(cè)板上提前安裝好手搖鎖銷裝置。手搖鎖銷裝置裝好后，只需轉(zhuǎn)動(dòng)手輪帶動(dòng)頂進(jìn)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)即可輕松將銷軸頂入耳板內(nèi)。 相對(duì)于傳統(tǒng)銷軸安拆，具有省時(shí)省力特點(diǎn)。 吊耳及手搖鎖銷裝置設(shè)計(jì)見圖7。

圖7 吊耳及手搖鎖銷裝置設(shè)計(jì)

導(dǎo)管架吊具采用可拆卸三點(diǎn)組合式結(jié)構(gòu)，通用性強(qiáng)，適用于單拔桿四主鉤、雙扒桿四主鉤、單拔桿雙主鉤浮吊。 吊具分為上下兩部分，上吊具為變截面箱型梁結(jié)構(gòu)，下吊具為三角錐型結(jié)構(gòu)，上下吊具通過軟吊帶連接。 吊具結(jié)構(gòu)見圖8、9。 導(dǎo)管架起吊時(shí)， 浮吊四主鉤通過4 根軟吊帶與上吊具連接；下吊具通過3 根軟吊帶與吊耳連接。 在吊具底部設(shè)置導(dǎo)向裝置確保吊具與吊耳快速順利連接。

圖8 吊具立面圖

圖9 吊具側(cè)面圖

導(dǎo)管架起吊后，解除浮吊與運(yùn)輸船的3 根高強(qiáng)系纜，浮吊絞錨后移，并調(diào)整船位至設(shè)計(jì)位置后緩慢落鉤，進(jìn)行導(dǎo)管架自重下沉，通過負(fù)壓系統(tǒng)3 個(gè)吸力泵進(jìn)行導(dǎo)管架水平度調(diào)整，見圖10。

圖10 導(dǎo)管架定位、自重下沉

1.2.4 導(dǎo)管架負(fù)壓沉貫

導(dǎo)管架自重下沉完成后， 進(jìn)行導(dǎo)管架負(fù)壓沉貫。 導(dǎo)管架沉貫施工過程中，需對(duì)吸力筒內(nèi)外壓差、導(dǎo)管架水平度進(jìn)行監(jiān)測和控制：實(shí)際吸力不宜超過該機(jī)位沉貫過程中土塞失效的允許吸力控制線，確保下沉過程不發(fā)生土塞失效；實(shí)際吸力在任何情況下不允許超過該機(jī)位沉貫施工屈曲控制曲線，避免筒壁屈曲造成沉貫失敗；導(dǎo)管架基礎(chǔ)頂法蘭水平度要求≤2‰。

沉貫結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)以吸力筒外側(cè)入泥深度為控制標(biāo)準(zhǔn)，筒內(nèi)泥面高程作為輔助指標(biāo)。 通過固定在吸力筒外壁的水下攝像頭觀測筒外實(shí)際入泥深度，相對(duì)于傳統(tǒng)的潛水員水下觀測，其安全性更高，相對(duì)于水下機(jī)器人觀測，其不受海況影響，環(huán)境適應(yīng)性更好。 通過負(fù)壓系統(tǒng)中控室實(shí)時(shí)顯示的導(dǎo)管架水平度、筒內(nèi)外壓力差、筒內(nèi)泥面高程控制每個(gè)筒頂吸力泵進(jìn)行導(dǎo)管架水平度及下沉速度調(diào)整，使導(dǎo)管架平穩(wěn)沉貫至筒內(nèi)泥面距離吸力泵口極限位置。 沉貫到位后，進(jìn)行吸力式導(dǎo)管架摘鉤及吸力泵回收。

1.2.5 導(dǎo)管架灌漿

當(dāng)吸力筒完成沉貫時(shí)，可能因海床不平整或傾斜、土塞沉降等原因?qū)е挛ν矁?nèi)海床和筒頂蓋存在局部間隙，需采用灌漿料填滿空隙，以確保頂蓋和海床之間達(dá)到有效接觸。 所選用的灌漿料應(yīng)具有零泌水率、低密度（和海床表層土相同）、低強(qiáng)度、自流平特性。 導(dǎo)管架灌漿前由潛水員在每個(gè)吸力泵口安裝水下攝像頭用于溢漿觀測。

2 工程案例分析

2.1 工程概述

長樂外海海上風(fēng)電場A 區(qū)項(xiàng)目位于福州市長樂區(qū)東部海域，場址距離長樂海岸線32～40 km，水深39～45 m，場址面積32.1 km2。風(fēng)電場總裝機(jī)容量300 MW，共布置37 臺(tái)風(fēng)機(jī)，單機(jī)最大容量10 MW。其中，該項(xiàng)目15 臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用吸力式導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)型式。

2.2 吸力式導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)

吸力式導(dǎo)管架由主體結(jié)構(gòu)（吸力筒、架體、過渡段）和附屬結(jié)構(gòu)組成[10]。 該項(xiàng)目15 臺(tái)吸力式導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式、尺寸相似。以A13 機(jī)位導(dǎo)管架為例，筒頂蓋直徑12 m，筒壁厚35～45 mm，筒頂蓋設(shè)置加強(qiáng)段，吸力筒高度25 m，入土深度24.5 m。 導(dǎo)管架高87.95 m，重2350 t，吸力筒中心間距30.335 m，過渡段支撐柱中心間距15 m，導(dǎo)管架總體結(jié)構(gòu)見圖11。

圖11 吸力式導(dǎo)管架總體結(jié)構(gòu)

2.3 工程施工流程

在碼頭前，采用900 t 龍門吊將導(dǎo)管架與過渡段合攏，隨后通過3 000 t 浮吊，將架體翻身與吸力筒合攏。 在運(yùn)輸前，根據(jù)綁扎方案，浮運(yùn)期間海洋氣象條件，通過數(shù)值仿真，對(duì)船舶、和導(dǎo)管架進(jìn)行校核。運(yùn)抵現(xiàn)場后，按照運(yùn)輸船、浮吊拋錨定位→負(fù)壓系統(tǒng)安裝→導(dǎo)管架起吊、定位→導(dǎo)管架負(fù)壓下沉→導(dǎo)管架灌漿流程進(jìn)行安裝。

運(yùn)輸船和浮吊均采用8 錨定位，錨纜長度分別為500 m 和1 000 m。在拋錨時(shí)，“大橋海鷗號(hào)”浮吊提前在設(shè)計(jì)機(jī)位處拋錨定位完成后，后退200 m，運(yùn)輸船再進(jìn)位拋錨，然后大橋海鷗再重新進(jìn)位，進(jìn)位過程掛設(shè)3 根高強(qiáng)纜繩，松前進(jìn)纜。 導(dǎo)管架吊裝見圖12。

圖12 吸力式導(dǎo)管架吊裝實(shí)例

在導(dǎo)管架定位時(shí)，本項(xiàng)目在導(dǎo)管架頂平臺(tái)預(yù)裝2 臺(tái)GPS，測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至“中鐵大橋局施工管理BIM 平臺(tái)”，見圖13。 指揮人員在后臺(tái)根據(jù)實(shí)時(shí)顯示的偏差數(shù)據(jù)指揮浮吊絞錨調(diào)整導(dǎo)管架平面位置及扭轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管架快速精確定位，并結(jié)合施工方案的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動(dòng)力仿真結(jié)果，為施工安全提供線上預(yù)警。 在安裝現(xiàn)場，為確定吸力筒土塞形成，通過布置于筒身的攝像頭實(shí)施觀測吸力筒入土情況，見圖14。

圖13 BIM 云測量定位系統(tǒng)界面（俯視圖）

圖14 筒外入泥觀察攝像頭及實(shí)時(shí)觀測影像

3 結(jié)語

本項(xiàng)目以國內(nèi)首座外海風(fēng)電場吸力式導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工為背景，從導(dǎo)管架制造、吊裝、深水快速精確定位及沉貫、水下灌漿等5 個(gè)方面，介紹了一種可適用于深水、惡劣海況下的大頓位吸力式導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工技術(shù)，施工過程創(chuàng)造了66 h 完成5 套海上吊裝的施工記錄，為后續(xù)同類型海上風(fēng)電基礎(chǔ)施工積累了可靠的經(jīng)驗(yàn)。