海上風(fēng)電單樁穩(wěn)樁平臺施工技術(shù)研究*

文/袁洋洋

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，在用地愈發(fā)緊張的密集型城市周邊開發(fā)、改造大型風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目已成為一種必然趨勢，諸如山頂風(fēng)力發(fā)電、海上風(fēng)力發(fā)電等。目前，隨著國家海洋開發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大，海上風(fēng)電施工項(xiàng)目逐漸增多，項(xiàng)目離岸也越來越遠(yuǎn)，隨之而來的是對于外海超大型鋼管樁沉樁穩(wěn)樁平臺施工技術(shù)的改進(jìn)需求越發(fā)緊迫。通過對目前主流的起重船搭設(shè)導(dǎo)管架穩(wěn)樁平臺、專用自升式風(fēng)電安裝平臺+雙層抱樁器、駁船+抱樁器穩(wěn)樁平臺的研究，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，本文提出了一種自坐底式穩(wěn)樁平臺施工方法，可獨(dú)立輔助作業(yè)船舶施工。坐底式穩(wěn)樁平臺具備工程樁的沉樁作業(yè)及調(diào)節(jié)樁身垂直度的功能，且滿足在可作業(yè)天氣下受海洋風(fēng)、浪、流影響下的施工需求，施工工效更高，船機(jī)數(shù)量需求更少，經(jīng)濟(jì)性更好。

1 工程概況

本文以華能大連市莊河海上風(fēng)電場為研究對象，項(xiàng)目位于大連市莊河海上風(fēng)電IV1場址，場址中心離岸距離約35.2km，水深約為26m～34m，規(guī)劃面積約為55.8km2，裝機(jī)規(guī)模為350MW，項(xiàng)目工程主要包括25臺6.2MW 級風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工及機(jī)組安裝，其中單樁基礎(chǔ) 25 臺（單樁直徑6.5m～8.5m，樁長約為85m～95m）、26 臺7.5MW 級風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工及機(jī)組安裝，其中單樁基礎(chǔ) 26 臺（單樁直徑為7.5m～8.6m，樁長約為85m～95m）和1座 220kV海上升壓站。沉樁施工時(shí)受水文氣象、地質(zhì)條件的影響較大，尤其外海海洋氣候惡劣，作業(yè)難度和施工風(fēng)險(xiǎn)較高。

2 各工況下穩(wěn)樁平臺適應(yīng)能力分析

坐底式單樁穩(wěn)樁平臺將從運(yùn)輸、吊運(yùn)、安裝、插入定位樁、入樁穩(wěn)定等不同工況及相應(yīng)的荷載工況進(jìn)行適應(yīng)能力分析。

建模分析采用Plaxis 有限元分析軟件，穩(wěn)樁平臺及定位樁均采用梁單元整體建模，通過節(jié)點(diǎn)耦合方式連接，上層油缸平臺耦合UX、UY、UZ 三個(gè)方向自由度，下層油缸平臺耦合UX、UY 兩個(gè)方向自由度。導(dǎo)向油缸用質(zhì)量單元MASS21模擬，與相應(yīng)梁結(jié)構(gòu)區(qū)域建立剛性區(qū)域。

2.1 工況1——定位樁未安裝

此工況下四根定位樁未安裝，穩(wěn)樁平臺放置于海床面，穩(wěn)樁平臺承受自重載荷、工作風(fēng)載荷及水流沖擊，校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及平臺抗傾覆穩(wěn)定性，穩(wěn)樁平臺綜合應(yīng)力為96MPa，小于此工況許用應(yīng)力的252MPa，滿足要求。最大綜合位移為42mm，位于頂部導(dǎo)向鋼管處。

2.2 工況2——定位樁依次安裝

此工況下穩(wěn)樁平臺放置于海床面，平臺承受自重載荷、工作風(fēng)載荷及水流沖擊，四根定位樁依次安裝并靠其自重沉入海床面（沉入深度依地質(zhì)情況而定，本計(jì)算中擬定為8m），定位樁承受水流沖擊和風(fēng)載荷。此工況依次校核安裝第1根～第4根定位樁后的平臺抗傾覆穩(wěn)定性。因平臺縱向和橫向外部載荷值較接近，且橫向載荷值稍大，故此工況僅校核平臺橫向抗傾覆穩(wěn)定性。

∑橫向穩(wěn)定力矩=（M－F浮）×11.7m=8041 t·m。

∑橫向傾覆力矩=Pwh1×45.5m ＋4×P樁w2×70m ＋F平臺水流力×16.25m＋4×F定位樁水流力×16.25m=1812 t·m

橫向穩(wěn)定系數(shù)=∑橫向穩(wěn)定力矩/∑橫向傾覆力矩=4.4，校核通過。

2.3 工況3——打樁作業(yè)

此工況下四根定位樁已插打入海床面以下25m，穩(wěn)樁平臺自重由海床面承載，作業(yè)載荷由導(dǎo)向油缸承載，四根定位樁承受平臺自重載荷、水流力、導(dǎo)向油缸力300噸，作業(yè)工況分別按無風(fēng)作業(yè)和有風(fēng)作業(yè)計(jì)算。上層抱箍導(dǎo)向油缸承載力方向按四種加載工況分別計(jì)算。

打樁作業(yè)加載工況，平臺最大綜合應(yīng)力為209MPa，定位樁最大綜合應(yīng)力為107MPa，小于此工況許用應(yīng)力223MPa，滿足要求。最大綜合位移為147mm。

2.4 工況4——定位樁掛在穩(wěn)樁平臺上時(shí)豎直吊裝

此工況下四根定位樁掛在穩(wěn)樁平臺上整體起吊，平臺及定位樁承受自重載荷以及泥土層對定位樁的吸附力。校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及整體吊點(diǎn)局部強(qiáng)度。

定位樁導(dǎo)向鋼管及吊點(diǎn)部位采用SHELL 單元模擬，其余采用梁單元BEAM188模擬，定位樁重量通過質(zhì)量單元MASS21施加于導(dǎo)向鋼管頂端。梁單元最大綜合應(yīng)力為166MPa，導(dǎo)向鋼管及吊點(diǎn)部位最大綜合應(yīng)力為240MPa，均小于許用應(yīng)力252MPa，滿足要求。

2.5 工況5——穩(wěn)樁平臺吊裝翻身

平臺采用浮吊整體吊裝翻身，頂部有4個(gè)整體吊點(diǎn)，下部有2個(gè)輔助翻身吊點(diǎn)，整體起吊空中翻身。校核穩(wěn)樁平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及整體吊點(diǎn)局部強(qiáng)度。

此工況下先采用梁單元整體模擬計(jì)算，然后對導(dǎo)向鋼管及翻身吊耳做局部SHELL63單元建模計(jì)算。梁整體模型最大綜合應(yīng)力為148MPa，導(dǎo)向鋼管及吊點(diǎn)部位最大綜合應(yīng)力為243MPa，均小于許用應(yīng)力252MPa，滿足要求。

2.6 工況6——拖航

此工況下四根定位樁不掛在穩(wěn)樁平臺上，穩(wěn)樁平臺水平放置在船上拖航，穩(wěn)樁平臺承受自重載荷、風(fēng)載荷及拖航動載荷（垂直加速度為4.408m/s2，水平縱向加速度為0.759m/s2，水平橫向加速度為6.340m/s2），船舶橫傾12度、縱傾5度，風(fēng)速≤28m/s。

此工況平臺最大綜合應(yīng)力為275MPa，小于許用應(yīng)力291MPa，滿足要求，最大應(yīng)力發(fā)生于支腿后部支撐點(diǎn)處。平臺最大綜合位移為223mm。

2.7 工況7——定位樁插打后放置于海床面抗臺風(fēng)

此工況下四根定位樁已插打，穩(wěn)樁平臺放置于海床面，四根定位樁和穩(wěn)樁平臺共同承受自重載荷、臺風(fēng)載荷及水流沖擊，四根定位樁承受波浪力。

此工況平臺最大綜合應(yīng)力為255MPa，定位樁最大應(yīng)力為225MPa，均小于此工況許用應(yīng)力291MPa，滿足要求。平臺最大綜合位移為426mm。

波浪力分布范圍從海平面以上10m 到泥面，沿定位樁豎直方向每延米波浪力從距海平面以上10m處的94kN/m 逐漸減小到泥面處的6kN/m，總的波浪力是1400kN。在模型中加載力的大小為每延米波浪力值乘以載荷分項(xiàng)系數(shù)1.5。

根據(jù)上述工況的計(jì)算結(jié)果，單樁穩(wěn)樁平臺及定位樁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足規(guī)范和使用要求。

3 施工操作

3.1 施工操作要點(diǎn)

（1）穩(wěn)樁平臺建造

穩(wěn)樁平臺建造流程如圖1所示。

圖1 穩(wěn)樁平臺建造流程

根據(jù)施工圖紙，通過計(jì)算機(jī)繪制各零件精確尺寸下料圖，審核完畢后傳輸至現(xiàn)場數(shù)控中心進(jìn)行放樣及零件下料。

（2）上部平臺制作

上部平臺為27.40m×28.00m×10.93m 的空間桁架結(jié)構(gòu)，由箱梁、無縫鋼管及導(dǎo)向管焊接而成。片體制作先制作箱梁，再進(jìn)行斜撐管切割連接口。加工完畢后分四塊片體分部拼接，最后移運(yùn)至拼裝場地，在胎架上進(jìn)行片體組對（見圖2 ～圖4）。

圖2 片體制作

圖3 片體移運(yùn)

圖4 片體拼接

導(dǎo)向管用于四角定位樁導(dǎo)向，加工時(shí)優(yōu)先制作管體，后續(xù)附屬機(jī)構(gòu)（如吊耳）在管體加工完畢后進(jìn)行組焊。組焊完畢移運(yùn)至拼裝場地與上部平臺組對（見圖5、圖6）。

圖5 導(dǎo)向管上部結(jié)構(gòu)

圖6 導(dǎo)向管組拼

（3）中部連接制作

中部連接段為鋼管焊接的桁架結(jié)構(gòu)，共設(shè)置20節(jié)段，分別為12節(jié)5m 段、4節(jié)10m 段、4節(jié)8m 段。單條支腿總高度為33m，由下至上分別由3節(jié)5m 段、1節(jié)10m 段和1節(jié)8m 段組成。節(jié)段間采用法蘭螺栓對位連接，且每個(gè)節(jié)段間具有互換性，通過節(jié)段的增減，以滿足20m～40m 水深的單樁施工要求。

中部連接利用公用法蘭制作單元胎架進(jìn)行所有單元的制作，最后在胎架上進(jìn)行各單元法蘭連接中組對成型。

（4）下部結(jié)構(gòu)制作

下部結(jié)構(gòu)為鋼管焊接的桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上設(shè)置有定位樁導(dǎo)向環(huán)，立柱下部為“凹”字形桁架結(jié)構(gòu)，平面下層鋪設(shè)防沉板以保證穩(wěn)樁平臺結(jié)構(gòu)整體放入海底后的穩(wěn)定。下部平臺先制作連接梁，最后在胎架上進(jìn)行整體組建成型。

（5）總組拼裝要求

在船廠800T 北區(qū)場地制作運(yùn)輸工裝胎架及工裝支架，依據(jù)尺寸布置及定位，完成胎架準(zhǔn)備。將上部平臺翻身運(yùn)至胎架上進(jìn)行中組，平吊中部連接至工裝支架上進(jìn)行螺栓組對連接，后將下部平臺翻身吊運(yùn)至胎架上進(jìn)行螺栓組對連接。

總組合攏胎架高度需滿足后續(xù)SPMT 模塊車駛?cè)牒蠑n后，整體測量尺寸精度。整體完工報(bào)驗(yàn)通過后，進(jìn)行整體涂裝補(bǔ)漆并報(bào)驗(yàn)。

3.2 穩(wěn)樁平臺運(yùn)輸

（1）穩(wěn)樁平臺滾裝上船

滾裝碼頭前沿水深約－5.5m，碼頭標(biāo)高H=5.5m,低潮位為－0.17m，以某日潮汐為例，潮汐高度h=0.51m ～2.24m。對于10000t 級甲板駁船，船長113.9m，型寬27.5m，型深7m，跟碼頭齊平時(shí)其吃水Δ=D－(H－h(huán))=2.01m ～3.74m，而滾裝時(shí)駁船的理論最大吃水5.1m, 最小吃水1.5m，則理論上當(dāng)潮水在0m ～2.24m 之間均能滿足滾裝要求。為減少潮速過快對滾裝運(yùn)輸?shù)牟焕绊?，根?jù)當(dāng)天潮汐情況選擇平潮時(shí)段開始滾裝上船。

（2）穩(wěn)樁平臺海上運(yùn)輸

穩(wěn)樁平臺海上運(yùn)輸時(shí)四根定位樁不掛在穩(wěn)樁平臺上，穩(wěn)樁平臺水平放置在船上拖航，穩(wěn)樁平臺承受自重載荷、風(fēng)載荷及拖航動載荷（垂直加速度為4.408m/s2，水平縱向加速度為0.759 m/s2，水平橫向加速度為6.340 m/s2），船舶橫傾12度、縱傾5度，風(fēng)速≤28m/s。

此時(shí)平臺最大綜合應(yīng)力為275MPa，小于許用應(yīng)力291MPa，滿足要求，最大應(yīng)力發(fā)生于支腿后部支撐點(diǎn)處。平臺最大綜合位移為223mm。

3.3 穩(wěn)樁平臺海上施工作業(yè)

（1）穩(wěn)樁平臺海上施工作業(yè)流程如圖7所示。

圖7 穩(wěn)樁平臺海上施工作業(yè)流程

（2）主起重船定位

起重船由拖輪拖向施工海域，根據(jù)流向確定起重船初始位置就位，開始拋錨。起重船艏部拋雙“八”字錨、艉部拋雙交叉錨，拋錨長度為500m，在穩(wěn)樁平臺位置留有50m 安全距離。

（3）穩(wěn)樁平臺翻轉(zhuǎn)起吊

首先配套駁船將穩(wěn)樁平臺和定位樁運(yùn)輸至機(jī)位處，單樁穩(wěn)樁平臺起吊翻身直立采用兩臺起重船配合起吊，主起重船起吊平臺上部結(jié)構(gòu)4處吊點(diǎn)，輔起重船起吊平臺下部2處吊點(diǎn)。翻身直立過程如圖8所示。

圖8 穩(wěn)樁平臺起吊翻身直立

（4）平臺翻身完成后，利用GPS 定位將定位平臺安放在機(jī)位處，當(dāng)穩(wěn)樁平臺抱樁器中心坐標(biāo)與鋼管樁中心坐標(biāo)誤差在1m 內(nèi)，起重船吊臂放纜使穩(wěn)樁平臺入水，當(dāng)穩(wěn)樁平臺底部距泥面1m 左右停止放纜。當(dāng)穩(wěn)樁平臺穩(wěn)定后，通過起重船慢慢絞纜進(jìn)行精確定位，使抱樁器中心與鋼管樁中心重合（誤差0.5m 內(nèi)）后，繼續(xù)放纜沉放穩(wěn)樁平臺。當(dāng)穩(wěn)樁平臺不再自沉穩(wěn)定后，插入一根輔助樁，然后采用振動錘沉樁，逐根打入。為有效控制定位樁沉樁過程中穩(wěn)樁平臺偏位，定位樁打設(shè)順序按照對角線進(jìn)行。

（5）穩(wěn)樁平臺定位樁全部沉樁到位后，即進(jìn)行穩(wěn)樁平臺的提升與固定，使之與支撐樁固定，形成獨(dú)立、穩(wěn)定的鋼結(jié)構(gòu)框架平臺。

（6）穩(wěn)樁平臺不論是采用起重船提升，還是采用支撐樁吊掛系統(tǒng)提升，提升過程必須保證整齊平行提升，防止穩(wěn)樁平臺與支撐樁別卡，造成提升困難或結(jié)構(gòu)損壞。因此，穩(wěn)樁平臺提升前應(yīng)在支撐鋼管樁上作出標(biāo)記，在提升過程應(yīng)全程觀察穩(wěn)樁平臺四角的提升高度。

（7）以設(shè)計(jì)鋼管樁標(biāo)高為參照，確定穩(wěn)樁平臺頂標(biāo)高。當(dāng)穩(wěn)樁平臺提升到位后，即進(jìn)行精確調(diào)平，四角高差不大于10mm。然后，鎖定全部吊掛結(jié)構(gòu)，并用鋼楔塊將穩(wěn)樁平臺架與支撐樁間縫隙固定。

（8）施工起吊鋼管樁達(dá)到豎直吊裝姿態(tài)后，起重船通過絞錨，將鋼管樁緩緩移動到穩(wěn)樁平臺的抱樁器中心，穩(wěn)樁平臺上下兩層4個(gè)300t 液壓千斤頂與樁身緊密接觸，樁身穩(wěn)定后開始自沉。通過調(diào)節(jié)抱樁器上下兩層平臺液壓頂推油缸，調(diào)節(jié)樁身垂直度，保證單樁鋼管樁放置符合設(shè)計(jì)要求垂直度。

（9）在沉樁作業(yè)過程中，鋼管樁每下沉1m 停止錘擊，對樁的垂直度進(jìn)行復(fù)測，若發(fā)現(xiàn)偏差大于設(shè)計(jì)要求時(shí)及時(shí)進(jìn)行糾偏，待糾偏滿足設(shè)計(jì)要求后再進(jìn)行沉樁作業(yè)，直至沉樁作業(yè)結(jié)束。

4 質(zhì)量控制

4.1 穩(wěn)樁平臺裝船及運(yùn)輸

裝船之前需進(jìn)行裝船及運(yùn)輸過程中駁船壓載計(jì)算、吊裝分析計(jì)算、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等所有臨時(shí)結(jié)構(gòu)圖紙以及主要吊裝方案出現(xiàn)問題的補(bǔ)救措施和備用吊裝方案、駁船結(jié)構(gòu)整體性的檢驗(yàn)情況等。

運(yùn)輸駁船應(yīng)有足夠的裝載能力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、完整性和穩(wěn)定性，必要時(shí)須采取適當(dāng)加強(qiáng)措施，以提高駁船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。運(yùn)輸船舶系泊方案應(yīng)可靠，保證在整個(gè)裝船作業(yè)期間不發(fā)生問題。須根據(jù)駁船甲板的尺寸和形狀及鋼管樁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，做好穩(wěn)樁平臺在駁船甲板上放置、固定的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

海上固定設(shè)計(jì)應(yīng)遵循相關(guān)規(guī)范要求。對于穩(wěn)樁平臺與駁船的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，不允許出現(xiàn)超應(yīng)力（即過載現(xiàn)象）。海上固定裝置切割，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)在一定海況條件仍然安全的前提下實(shí)施。海上固定設(shè)備切割后，切割邊應(yīng)磨平以免引起應(yīng)力集中。

4.2 穩(wěn)樁平臺現(xiàn)場翻身

待現(xiàn)場人員檢查確認(rèn)無誤后，主吊船與輔吊船開始同步起吊，當(dāng)穩(wěn)樁完全離開運(yùn)輸駁甲板大約0.5m時(shí)，暫停起吊，再次檢查鋼絲繩受力情況，無異常后繼續(xù)起吊，當(dāng)穩(wěn)樁平臺距離運(yùn)輸駁甲板2m ～3m 時(shí)，運(yùn)輸駁退出施工區(qū)域。

穩(wěn)樁平臺豎立完成后，輔吊船繼續(xù)下放吊鉤，使鋼絲繩不受力，同時(shí)主吊船繼續(xù)上升吊鉤，使穩(wěn)樁平臺底部翻身，吊耳處在水面上2m ～3m 位置時(shí)安排錨艇將單樁翻身卸扣抽出。

4.3 穩(wěn)樁平臺定位施工

利用GPS 定位將定位平臺安放在機(jī)位處，正位調(diào)平后，插入一根輔助樁，然后采用振動錘沉樁，逐根打入。為有效控制在輔助樁沉樁過程中發(fā)生穩(wěn)樁平臺偏位，輔助樁打設(shè)順序按照對角線進(jìn)行。

輔助樁打設(shè)完成后，將穩(wěn)樁平臺提升到位，然后進(jìn)行精確調(diào)平，四角高差不大于10mm，固定方式采用鋼板將輔助樁與樁位處平臺鋼板焊接，加固鋼板沿樁周呈90°布置。

5 結(jié)語

本文通過對各工況下坐底式穩(wěn)樁平臺高度適應(yīng)性分析，總結(jié)出一種受力合理、有良好適應(yīng)性的坐底式穩(wěn)樁平臺結(jié)構(gòu)和配套施工技術(shù)，使沉樁施工高效、安全、快捷。通過采用該技術(shù)，大大加快了海上沉樁施工進(jìn)度，同時(shí)，通過在下部防沉結(jié)構(gòu)設(shè)置防沉板、將平臺底部支撐桿件伸長2.25m 插入泥中，保持穩(wěn)樁平臺整體穩(wěn)定性，大大降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。