海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)坐底式穩(wěn)樁平臺改造工藝研究與應(yīng)用

武 強(qiáng)

（天津港航工程有限公司，天津 300457）

隨著我國海上風(fēng)電工程建設(shè)的加快，工程場址的海域水深也逐漸變大。目前海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式以鋼管樁單樁作為主流基礎(chǔ)型式，鋼管樁沉樁用的坐底式穩(wěn)樁平臺成了控制鋼管樁沉樁垂直度的關(guān)鍵性裝備，但國內(nèi)現(xiàn)有的坐底式穩(wěn)樁平臺可用于的海域水深范圍不同，故需對應(yīng)用于其他海域的穩(wěn)樁平臺進(jìn)行改造以適應(yīng)不同水深，以滿足現(xiàn)有工程工況的需要，減少重新加工穩(wěn)樁平臺的時間和費用成本，增加穩(wěn)樁平臺與施工船舶起重性能的適用性。

1 項目概況

華能山東半島南4號海上風(fēng)電場項目風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及風(fēng)機(jī)安裝施工工程位于山東省海陽市南部海域，場區(qū)中心點距海岸約30 km，風(fēng)電場場址水深29～31 m。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)均采用無過渡段單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式，樁徑6.0～7.8 m，樁頂高程+12.0 m（1985高程系），海平面高程為+0.01 m，樁底標(biāo)高-67.5～-89.0 m，樁長79.5～101.0 m，樁重1 000～1 400 t。

2 穩(wěn)樁平臺改造的意義

1）通過對穩(wěn)樁平臺架體截除以及法蘭連接方式將穩(wěn)樁平臺截短，使原有穩(wěn)樁平臺能適應(yīng)該工程的工程條件，并滿足本工程船機(jī)設(shè)備的使用條件。

2）對抱臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使其強(qiáng)度滿足現(xiàn)場沉樁水平荷載的要求，降低打開抱臂的油缸損壞帶來耽誤工期等的風(fēng)險。

3）油缸底座移位，使其穩(wěn)樁架液壓千斤頂調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足本工程樁徑較大的要求。

4）新增溜尾吊耳，在原來溜尾環(huán)狀吊耳的基礎(chǔ)上，在防沉板附近增加兩個溜尾吊耳，能夠更加適用于現(xiàn)場不同起重能力的溜尾起重船。便于穩(wěn)樁平臺的翻身。

5）增加定位樁樁內(nèi)站人平臺，因振動錘多次打拔定位樁可能導(dǎo)致定位樁樁頂損傷，增加站人平臺可提供人員維修定位樁頂損傷的操作空間。

3 現(xiàn)有坐底式穩(wěn)樁平臺概況

穩(wěn)樁平臺由上層平臺、下層平臺、抱臂、防塵板、油缸導(dǎo)向裝置和穩(wěn)樁平臺架體組成[1]，每層抱臂上各有4個千斤頂，改造前穩(wěn)樁平臺長22 m（防沉板邊到邊32 m），寬20 m（防沉板邊到邊30 m），高58.68 m，下層抱臂高度為46.6 m，上層抱臂高度為58.6 m，本項目樁頂高程+12.0 m（1985高程系），海平面高程+0.01 m，在鋼管樁沉樁過程中，至少下層抱臂上的千斤頂應(yīng)持續(xù)對樁身垂直度進(jìn)行控制，現(xiàn)有穩(wěn)樁平臺可適應(yīng)水深范圍為40～60 m，不滿足本項目水深為30 m的海域沉樁使用，改造前的穩(wěn)樁平臺見圖1。

圖1 穩(wěn)樁平臺實物圖

4 穩(wěn)樁平臺改造內(nèi)容

為了使現(xiàn)有穩(wěn)樁平臺能應(yīng)用于水深為30 m的工程海域，使穩(wěn)樁平臺能滿足該工程單樁基礎(chǔ)施工的技術(shù)質(zhì)量要求，現(xiàn)進(jìn)行以下改造。

1）穩(wěn)樁平臺架體切割。未改造時穩(wěn)樁平臺及4根定位樁總重1 426 t，海上鋼管樁沉樁結(jié)束后需通過1 500 t起重船“嘉泰68”整體起吊移至下一機(jī)位，穩(wěn)樁平臺及4根定位樁重量接近“嘉泰68”最大吊重，同時穩(wěn)樁平臺下層抱臂需在沉樁全過程中與鋼管樁接觸，對鋼管樁垂直度進(jìn)行控制，改造前在樁頂達(dá)到設(shè)計標(biāo)高時，樁頂已位于下層抱臂以下（見圖2）。因此將穩(wěn)樁平臺如圖2所示位置割除8.5 m，割除后穩(wěn)樁平臺重量為790 t，定位樁改造完單根113 t，總重量為1 242 t，滿足“嘉泰68”吊重要求。穩(wěn)樁平臺高度由58.68 m減小到50.18 m。

圖2 穩(wěn)樁平臺改造示意圖

2）穩(wěn)樁平臺架體連接處理。穩(wěn)樁平臺4根柱腿切割完成后通過4對法蘭進(jìn)行連接，法蘭與原柱腿之間為全熔透焊接，每對法蘭焊接完成后用高強(qiáng)螺栓連接，螺栓的力矩值按照設(shè)計要求施加，為增加法蘭連接的穩(wěn)定性，在法蘭兩側(cè)每兩個螺栓之間各增加一塊加強(qiáng)鋼板，同時在六角頭高強(qiáng)螺栓的螺栓頭和螺母的一條邊上各焊接一個正方形小擋塊，防止在打拔定位樁時因振動錘振動而使高強(qiáng)螺栓松動。改造完成的穩(wěn)樁平臺在完成69根鋼管樁沉樁后，法蘭連接處未見任何變形，螺栓未見有松動跡象，每根柱腿切割處的連接法蘭外徑為2 640 mm，內(nèi)徑為2 322 mm，法蘭圓環(huán)寬度為318 mm。每對法蘭設(shè)36個螺栓孔，螺栓規(guī)格為M36。

3）抱臂強(qiáng)度改造。由于相似結(jié)構(gòu)的坐底式穩(wěn)樁平臺在沉樁施工中發(fā)生過打開抱臂的油缸與抱臂連接處撕裂的情況，導(dǎo)致穩(wěn)樁平臺抱臂打不開，海上由于施工環(huán)境特殊，維修不便，導(dǎo)致類似工程近兩個月未進(jìn)行沉樁施工，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為防止穩(wěn)樁平臺抱臂在沉樁過程中發(fā)生撕裂和轉(zhuǎn)動，本次穩(wěn)樁平臺改造在原4套抱臂上面板開工藝人孔后，進(jìn)入箱體內(nèi)部在容易撕裂的位置增加筋板，施工結(jié)束后進(jìn)行人孔加襯墊封焊。同時在上、下平臺與抱臂連接銷軸處各新增兩個軸銷，以上措施均為減小沉樁時的力對抱臂帶來的損傷（見圖3、圖4）。

圖3 抱臂內(nèi)部加筋板大樣圖

圖4 新增加銷軸大樣圖

4）油缸底座移位。改造前滾輪工作范圍為6.1～9.1 m，油缸行程1.5 m，無法滿足該項目樁徑6.0～7.8 m的要求，通過將油缸底座向中心位置移動400 mm來調(diào)節(jié)滾輪的工作范圍，使?jié)L輪范圍變?yōu)?.3～8.3 m，此范圍滿足本工程的沉樁要求。油缸底座的移動方式為將原油缸底座從穩(wěn)樁平臺上切除，移動后再次將油缸底座焊接在平臺上。規(guī)劃油缸底座移動距離時，主要的依據(jù)為鋼管樁的直徑，千斤頂在頂住鋼管樁最大直徑和最小直徑的位置時，每個油缸的行程應(yīng)至少有25cm的富余量，以便更好地控制樁身垂直度。此種改造方式可用于大部分的穩(wěn)樁平臺改造，大大節(jié)省了更換千斤頂油缸的費用（見第46頁圖5）。

圖5 油缸移位

5）增加穩(wěn)樁平臺翻身吊耳。穩(wěn)樁平臺在運(yùn)輸船上為臥式狀態(tài)，到達(dá)現(xiàn)場后通過1 500 t起重船“嘉泰68”和500 t全回轉(zhuǎn)起重船“特順起重1號”雙機(jī)抬吊的方式進(jìn)行翻身，通過計算原穩(wěn)樁平臺翻身下吊耳的受力無法同時滿足“特順起重01”的吊高、吊重和跨距要求，將溜尾吊耳增加至防沉板位置可減小穩(wěn)樁平臺翻身的溜尾吊重，滿足“特順起重01”的起重技術(shù)要求，更好地適應(yīng)現(xiàn)有起重船機(jī)的吊裝性能，避免再次租賃大型起重船機(jī)的費用。

6）增加油管保護(hù)。穩(wěn)樁平臺上層平臺上的油管裸露在外面，油管及油管連接件為易損物品，沉樁施工過程中施工人員在平臺上走動，同時平臺上也會放置施工用的設(shè)備，為防止過程中油管損壞，用花紋板將油管進(jìn)行覆蓋保護(hù)，實踐表明，該方式大大保護(hù)了油管，減少了更換配件的麻煩（見圖6）。

圖6 上層平臺油管保護(hù)

7）定位樁吊耳移位。定位樁原吊耳中心位于樁頂以下0.7 m處，妨礙了振動錘的使用，為使打設(shè)定位樁的振動錘夾具容易夾在定位樁樁頂處，現(xiàn)將定位樁吊耳中心移至樁頂以下2 m處。

8）定位樁截除。定位樁原樁長90 m，現(xiàn)有定位樁的頂部和底部3 m范圍內(nèi)均有加厚鋼板，現(xiàn)將定位樁長在中間截短20 m后將定位樁下部分與上部分進(jìn)行全熔透焊接。單根由145 t減輕為113 t，從而減小穩(wěn)樁平臺與定位樁整體移場時的重量，運(yùn)輸、翻身、打設(shè)和拔出定位樁更加便捷，同時減小了由于定位樁太長對“嘉泰68”沉樁過程的影響。

9）增加定位樁樁頂站人維修平臺。根據(jù)以往的鋼管樁沉樁施工經(jīng)驗，為應(yīng)對定位樁在打設(shè)和拔出過程中樁頂出現(xiàn)損壞的情況，現(xiàn)在定位樁內(nèi)頂部，距離樁頂1.2 m的位置設(shè)置井字支撐，作為樁頂損壞時人工檢修的平臺（見圖7）。

圖7 井字支撐

10）定位樁插銷移位。穩(wěn)樁平臺與定位樁移場時通過起重船“嘉泰68”一同移場，穩(wěn)樁平臺與定位樁間通過定位銷連接固定，由于穩(wěn)樁平臺和定位樁截短導(dǎo)致定位樁插銷位置需要更改，根據(jù)穩(wěn)樁平臺轉(zhuǎn)場時與定位樁的相對位置關(guān)系，確定新的定位樁插銷位置，重新加工插銷孔，新增插銷數(shù)量為12個，插銷孔結(jié)構(gòu)形式與原定位樁插銷孔結(jié)構(gòu)形式一致。

5 施工測量

穩(wěn)樁平臺改造施工過程中主要的施工測量內(nèi)容為油缸移位距離測量、穩(wěn)樁平臺柱腿直線度測量、截除原結(jié)構(gòu)長度測量、定位樁吊耳和定位樁插銷孔位置測量、新增翻身吊耳位置測量等。測量工具主要為卷尺，施工人員在測量過程中應(yīng)反復(fù)確認(rèn)后方可進(jìn)行施工，記錄測量數(shù)據(jù)結(jié)果，確保滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

6 施工試驗

根據(jù)設(shè)計圖紙和規(guī)范要求，穩(wěn)樁平臺及定位樁在整個改造過程中需對焊縫做對應(yīng)的試驗檢測，主要對改造處的焊縫進(jìn)行表面裂紋檢查和100%超聲波檢測（Ultrasonic Testing，UT），海上大直徑鋼管樁沉樁屬于超危大工程，對焊縫的要求屬于一級焊縫檢測，具體檢測內(nèi)容見表1。

表1 施工試驗計劃表

7 結(jié)束語

全國的海上風(fēng)電項目在2021年經(jīng)歷了“搶裝潮”，國內(nèi)海上風(fēng)電施工過程中坐底式穩(wěn)樁平臺使用較為常見，但穩(wěn)樁平臺基本呈現(xiàn)類似海域可共用的現(xiàn)象，當(dāng)風(fēng)場水深發(fā)生較大變化時，目前尚無能夠適應(yīng)各種水深條件的穩(wěn)樁平臺，一般需重新定制穩(wěn)樁平臺，或?qū)υ蟹€(wěn)樁平臺進(jìn)行改造。此穩(wěn)樁平臺應(yīng)用的工程項目為將原有穩(wěn)樁平臺截短，如有需要，也可根據(jù)實際水深將現(xiàn)有穩(wěn)樁平臺加長以適應(yīng)更深的水深，為國家海上風(fēng)電走向深海提供工程設(shè)備，此次穩(wěn)樁平臺的改造非常成功地應(yīng)用在山東省首個海上風(fēng)電項目中，為山東省的能源轉(zhuǎn)型提供了設(shè)備保障。希望本文可以給后續(xù)有類似穩(wěn)樁平臺的改造提供幫助，在確保安全和質(zhì)量可控的前提下，順利完成海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)沉樁施工。