深水導管架式風機基礎(chǔ)安裝平臺設(shè)計及施工

李輝，林振東

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200120）

0 引言

風力發(fā)電清潔高效，是國家倡導的綠色能源發(fā)展方式。我國海岸線綿長，風能資源豐富，大力發(fā)展海上風力發(fā)電是大勢所趨。海上風電的開發(fā)利用需要建設(shè)海上風場，而風電裝備的基礎(chǔ)管樁施打又是極為重要的環(huán)節(jié)。東南沿海的廣東、福建海域是我國風能資源最豐富的地區(qū)之一，適合大規(guī)模海上風電開發(fā)。但該區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，既有砂土地質(zhì)，又有巖基地質(zhì)，規(guī)劃風場的水深也比較大，普遍在15~30 m 之間，而且因該區(qū)域直接面對南海外海及臺灣海峽，風況和海況對于風場建設(shè)來說都是極為惡劣的。這些不利條件對于風場建設(shè)，尤其是風機基礎(chǔ)的安裝提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

通常來說，水深超過20 m，海上風機基礎(chǔ)將由單樁基礎(chǔ)轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄻秾Ч芗芑A(chǔ)，即需要安裝4 個導管架基礎(chǔ)樁[1-4]。隨著水深的增加，海上施工環(huán)境愈發(fā)惡劣復(fù)雜，施工設(shè)備需要在克服風、浪、流等環(huán)境載荷影響下保持作業(yè)能力。自升式風電安裝船，可保證在較惡劣海況下的施工進度和精度要求，但數(shù)量供不應(yīng)求，另外基礎(chǔ)樁深水嵌巖施工作業(yè)周期長，風電安裝船日租費高昂，長期租賃成本巨大。為此，在確保施工進度和精度的前提下，配合小型運輸船、浮吊等日租費相對較低的船舶來代替自升式風電安裝船，設(shè)計出一套簡便、高效的基礎(chǔ)樁施工平臺進行基礎(chǔ)樁打設(shè)和嵌巖施工作業(yè)就顯得十分必要了。

1 工程概述

國內(nèi)已建、在建的海上風電場大多集中在淺水砂土地質(zhì)海域，該海域地質(zhì)較軟，常使用液壓沖擊錘進行沉樁，技術(shù)較為成熟。而福建、廣東等地多為巖基地質(zhì)，硬度大，最大飽和抗壓強度約為130 MPa，需要進行嵌巖施工。目前僅有個別企業(yè)在此種地質(zhì)上成功實施過單樁基礎(chǔ)的嵌巖施工，但對于深水導管架式基礎(chǔ)的嵌巖施工，國內(nèi)暫時處于空白狀態(tài)。目前廣東陽江有項目正在進行實驗性施工，陽江沙扒風場水深23～27 m 之間，是國內(nèi)在建風場中水深較大的區(qū)域。對該海域現(xiàn)有工程地質(zhì)進行鉆孔分析可知，場區(qū)多處機位覆蓋層厚度在10~20 m 范圍內(nèi)，較大一部分機位持力層為碎塊狀、強風化基巖且厚度較大（≥10 m），最大飽和抗壓強度超過60 MPa，部分機位的基礎(chǔ)樁施工需要嵌巖?？紤]到自升式風電安裝船設(shè)備緊缺且費用高昂，基于該風場項目的水深、地質(zhì)特點及風機基礎(chǔ)形式，設(shè)計了一套導管架式風機基礎(chǔ)安裝平臺，該平臺結(jié)構(gòu)簡單輕便、便于安裝和拆解，能夠滿足海況和地質(zhì)的要求，實現(xiàn)四樁導管架基礎(chǔ)的打樁、嵌巖、灌漿等施工任務(wù)。

2 安裝平臺結(jié)構(gòu)

為了確保導管架基礎(chǔ)樁沉樁施工的精度，方便鉆孔嵌巖，根據(jù)施工區(qū)域的平面尺寸及精度要求，設(shè)計研發(fā)了1 套深水導管架式風機基礎(chǔ)安裝平臺（后簡稱安裝平臺），用于替代自升式風電安裝船。該平臺既適用于軟底泥土地質(zhì)，也能夠滿足巖基地質(zhì)嵌巖施工的要求。具有承受設(shè)計條件內(nèi)的風、浪、涌等環(huán)境載荷，滿足嵌巖施工鉆機產(chǎn)生的震動載荷及承載安裝平臺本身與鉆機設(shè)備、輔助工裝設(shè)備等重量的能力。

安裝平臺設(shè)計思路如下：

1）為了保證安裝平臺的剛度和強度，本平臺分上下兩層進行設(shè)計，同時也保證了儲物空間的位置。

2）共設(shè)5 根樁腿。四角各1 根，作為安裝平臺主要承力樁，用于調(diào)平及最終固定安裝平臺主體結(jié)構(gòu)；中間1 根，上端設(shè)計有法蘭，用于安放50 t 吊機，作為后續(xù)施工過程中的起吊設(shè)備。

3）平臺四周設(shè)有4 個基礎(chǔ)樁導向槽口，槽口內(nèi)設(shè)置可移動的基礎(chǔ)樁導向裝置，用于調(diào)控基礎(chǔ)樁的垂直度，并且可在一定范圍內(nèi)調(diào)整基礎(chǔ)樁間距，以適用于不同導管架尺寸的風場。

4）鉆機、發(fā)電機等一系列設(shè)備可直接存放在安裝平臺上儲物空間內(nèi)，海上施工時，設(shè)備與平臺整體起吊，減少了起吊次數(shù)。

5）安裝平臺采用卡鍵聯(lián)接形式，可快速將平臺主結(jié)構(gòu)與樁腿聯(lián)接成一個整體。

基于上述思路，深水導管架式風機基礎(chǔ)安裝平臺主要構(gòu)件分為：平臺主結(jié)構(gòu)、5 根樁腿、50 t船用吊機、1～2 套鉆機設(shè)備、其余配套部件等6部分。平臺主結(jié)構(gòu)上設(shè)計有樁腿導向套，樁腿的下段與導向套的間隙略大，以便通過，上段則與導向套內(nèi)孔采用較為精密的間隙配合，并與導向套間用卡鍵式聯(lián)接方式聯(lián)接，卡鍵聯(lián)接的軸向間隙用螺桿（釘）調(diào)節(jié)。

圖1 為安裝平臺總布置圖。

圖1 安裝平臺總布置圖Fig.1 General plan of installation platform

安裝平臺主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 安裝平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of the installation platform

3 安裝平臺作業(yè)工況分析

為了保證安裝平臺在安裝、鉆孔及拆除回收作業(yè)過程中的結(jié)構(gòu)安全，結(jié)合風機基礎(chǔ)安裝的施工方案、安裝平臺作業(yè)工況要求、項目場址的環(huán)境數(shù)據(jù)以及土壤數(shù)據(jù)，建立了安裝平臺的有限元模型，進行如下工況分析[5-9]：

1）作業(yè)（鉆孔）工況：安裝平臺就位、鉆機安裝完成，在鉆孔作業(yè)情況下，進行平臺承受外部環(huán)境力作用的整體結(jié)構(gòu)校核。校核環(huán)境條件為1 a一遇的環(huán)境數(shù)據(jù)：波高3 m，波浪周期7 s；風速13.8 m/s；流速 1.24 m/s。

2）風暴自存（極限環(huán)境條件）工況：鉆機、吊機拆除，作業(yè)平臺承受外部環(huán)境力作用下的整體結(jié)構(gòu)校核。校核環(huán)境條件為：波高10 m，波浪周期9 s；風速52.5 m/s，流速1.24 m/s。

3）樁腿打入深度分析：安裝平臺計算重量約為2 000 t，扣除浮力影響，樁腿實際需承受重量為1 840.5 t。每根樁腿需要的承載力為368.1 t。

由表2 計算結(jié)果可知，上述工況均滿足強度要求。

表2 作業(yè)工況計算結(jié)果匯總表Table 2 Summary table of calculation results of operating condition

4）整體動態(tài)分析：為保證鉆孔過程中，安裝平臺振動頻率避開鉆機鉆孔工作振動頻率，以避免共振產(chǎn)生較大的動態(tài)響應(yīng)載荷，保證鉆孔施工過程安全。

由表3 計算結(jié)果可知，采用5 根樁腿或4 根樁腿的情況下，平臺最大位移均較小。鉆機鉆孔作業(yè)頻率與安裝平臺自振頻率相差很遠，遠遠大于20%，鉆機作業(yè)過程中與安裝平臺不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

5）拆除作業(yè)工況：作業(yè)順序為先拆除中間樁腿，然后將平臺吊起，最后拔出其余4 根樁腿。經(jīng)計算，拆除過程中平臺吊起時其橫向加速度不能超過5 m/s2，否則，樁腿易屈曲損壞。

表3 動態(tài)分析結(jié)果匯總表Table 3 Summary table of dynamic analysis results

6）樁腿拔樁力分析：拔樁力主要來自樁腿與土體之間的摩擦力。經(jīng)計算，考慮樁腿經(jīng)過2 個月施工工期后再拔出，其拔樁力不超過450 t（不考慮樁自身重量和浮力的影響）。

4 安裝平臺嵌巖施工工法及環(huán)境要求

4.1 施工工法

根據(jù)陽江沙扒風場的水文、地質(zhì)資料、設(shè)計水位及環(huán)境載荷條件，結(jié)合設(shè)計的四樁式導管架風機基礎(chǔ)形式，采用本安裝平臺進行基礎(chǔ)樁施工編制的工法如下所述：

1）用小型運輸船將安裝平臺主結(jié)構(gòu)、樁腿、吊機等構(gòu)件及設(shè)備運輸?shù)街付L場海域。

2）浮吊與運輸船進入風場，在指定位置拋錨定位。根據(jù)機位的地勘、水文資料等提前計算插樁深度。利用浮吊安裝平臺四角的樁腿，然后浮吊將安裝平臺整體吊起后，將卡鍵卡緊，運輸船撤離。浮吊緩慢下降，依靠安裝平臺自重將樁腿沉入海床一定深度，再用振動錘將4 根樁腿逐一打到設(shè)計深度。

3）利用浮吊安裝中間樁腿并用振動錘將其打到設(shè)計深度，利用浮吊及卡鍵將安裝平臺調(diào)平，通過測量，保證安裝平臺的水平度。

4）安裝平臺整體平穩(wěn)后，安裝50 t 吊機。

5）浮吊吊裝導管架基礎(chǔ)樁，利用振動錘插打基礎(chǔ)樁，如圖2 所示。如遇有巖層不能順利沉樁，則架設(shè)鉆機進行鉆孔作業(yè)，再繼續(xù)將導管架基礎(chǔ)樁打入設(shè)計標高。

圖2 基礎(chǔ)樁安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of foundation pile installation

6）4 根基礎(chǔ)樁均到位后，水下截樁，該樁位基礎(chǔ)樁打樁作業(yè)結(jié)束。

7）拆除中間樁腿上的50 t 吊機。

8）運輸船在安裝平臺附近拋錨定位，松開5根樁腿的卡鍵后、利用浮吊將安裝平臺吊至運輸船甲板。

9）利用浮吊依次拔起5 根樁腿，放置于運輸船上，運輸船駛向下個機位。

4.2 環(huán)境要求

浮吊、運輸船現(xiàn)場移船定位、基礎(chǔ)樁起吊、沉樁與鉆巖施工過程中具體風速要求如表4。

表4 施工環(huán)境條件Table 4 Construction environmental conditions

5 結(jié)語

針對深水嵌巖沉樁施工作業(yè)周期長、施工設(shè)備短缺、費用高昂等問題，設(shè)計的深水導管架式風電基礎(chǔ)安裝平臺及編制的施工工法，經(jīng)計算，該安裝平臺完全滿足所在風場施工工況要求，并具有以下優(yōu)點：

1）相比自升式風電安裝船，采用該安裝平臺進行打樁，作業(yè)成本大幅降低。

2）借助小型運輸船，采用浮托方式安裝該平臺，節(jié)省了采用大型浮吊或安裝船安裝該平臺的費用。

3）在安裝平臺上配備了兩層設(shè)備儲存空間，鉆機等設(shè)備直接放置在安裝平臺內(nèi)，海上施工時，與平臺整體起吊，大大減少了起吊的次數(shù)。

4）該安裝平臺可架設(shè)鉆機，既適用于軟基地質(zhì)也適用于巖基地質(zhì)，適用性范圍廣。

5）該安裝平臺突破了淺水的限制，適用于深水導管架式風機基礎(chǔ)的安裝，拓展了海上風場的施工范圍。

6）該安裝平臺上設(shè)置有可移動的基礎(chǔ)樁導向裝置，可在較大范圍內(nèi)調(diào)整基礎(chǔ)樁間距，適用于不同導管架尺寸和基礎(chǔ)樁直徑的風場，大大增強了安裝平臺的通用性。