海上风电自升式辅助稳桩平台大直径单桩基础施工技术
时间：2023-02-23 10:25:07 来源：千叶帆 本文已影响人
周国兴，张金发，张震宇，葛 畅
（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122；
2.浙江华东工程咨询有限公司，浙江杭州 311122；
3.浙江大学海洋学院，浙江舟山 316021）
目前我国大直径无过渡段单桩施工传统工艺流程是：①主起重船抛锚驻位，钢桁架结构稳桩平台及辅助桩运输船靠泊；
②挂钩起吊稳桩平台吊放调平，起吊插入辅助桩（4根）开始振沉；
③提升辅助平台，采用反吊焊接等方式进行加固稳定，打开龙口（抱桩器）；
④起吊大直径工程桩翻身植桩，自沉结束后加锤（包括替打法兰或替打段），将管桩沉至设计标高，过程中测量控制垂直度，如有高应变检测，遵照设计要求及检测规范执行［1－5］。
许多学者对稳桩平台沉桩施工工艺进行研究［6－10］。但是，传统式钢桁架结构稳桩平台依然存在下列问题：①传统钢桁架稳桩平台自重较大，需起重船舶吊放驻位，调平及施工难度较大，运输成本较高；
②传统辅助稳桩平台配套辅助桩需逐根振沉，提升平台加固作业等施工时间较长；
③辅助桩使用频次达到一定程度后容易出现管口卷边等情况，需进行桩身切割及加长处理。
而自升式稳桩平台有着如下优点：①通过优化平台吊放转运工序，能够提高工效，且机动性强；
②调平效率高，辅助稳桩平台水平度调整数字化，确保工程桩垂直度控制；
③机位平面定位精度高，减小施工难度，降低测量工作量。
因此，对海上风电自升式辅助稳桩平台大直径单桩基础施工技术研究有一定意义。结合江苏启东海上风电工程，对自升式辅助稳桩平台大直径单桩基础沉桩技术进行研究，为类似工程提供参考。
H3号海上风电场区中心离岸距离约37 km，海底地形变化较为平缓，水深在10～16 m之间。H3号场区形状呈梯形，东西长约16 km，南北宽约2.7 km，规划场区面积约43 km2，本项目共布置50台风力发电机组，规划装机容量300 MW。配套建设1座220 kV海上升压站，与H1号、H2号风电场共用1座陆上集控中心，风电场由12回35 kV海底电缆汇流至海上升压站，经2台220／35 kV变压器（180 MVA）升压后由2回220 kV海底电缆登陆接至风电场220 kV陆上集控中心。
大直径单桩基础施工工艺流程：施工准备→测量定位→自升式稳桩平台驻位→施工船舶驻位→运桩船靠泊→钢管桩起吊翻身→吊装入龙口→自沉及压锤→锤击沉桩→内平台安装→高应变检测及无损检测→自升式平台降船→到下一机位施工。
3.1 自升式辅助稳桩平台驻位
自升式辅助平台采用驳船搭载GPS锚泊定位系统，至机位旁5 m左右开始下锚，前后均采用八字锚且垂直向外45°进行下锚，将机位理论坐标输入GPS定位系统，之后通过绞锚的方式进行精确定位，并进行调整，船舶定位平面偏差控制在300 mm以内。经测量人员复核误差在设计要求范围内（小于等于500 mm），则利用液压顶升系统进行桩腿顶升，顶升过程依次调整桩腿行程，防止造成顶升困难或结构损坏。以设计钢管桩标高（＋13 m）为参照，上层抱桩器顶标高设置为＋21.0 m。当整体平台提升到位后，通过操作桩腿液压系统顶升承载力以及顶升高度进行平台水平度精确调平，四角高差不大于10 mm。
3.2 施工船舶驻位
施工现场为外海无掩护作业，海况条件恶劣，首先采用浮漂确定施工机位位置，以确保钢桩平面位置在允许偏差范围内。自升式稳桩平台定位完成后，施工船舶驻位示意图见图1。主起重船驻位与稳桩平台左前方船间平行距离约为20 m，前后均采用八字锚且前锚垂直向外60°，后锚垂直向外45°。
3.3 运桩船靠泊
施工船舶驻位完成后，运桩船逆水流情况下沿既定抛锚定位路线驶入，通过拖轮或锚艇协助完成方位调整，船艏通过缆绳与主起重船连接，平行布置，靠泊在主吊船下风区域，随后使用锚艇为船艉抛两口8字锚，完成运桩船驻位。
3.4 钢管桩起吊翻身
主起重船2个主钩负责主吊任务，索具挂钢管桩上吊耳，副钩负责抬吊辅助翻转立桩，索具挂钢管桩下吊耳，通过主钩起副钩落的操作实现钢管桩翻转竖立，起吊之前在吊耳外边缘缠绕多层土工布，避免在吊装过程中破坏吊耳外边缘的防腐涂料，并连接缆风绳，有利于钢丝绳的摘除和保护，将副钩钢丝绳和卡环连接完毕后，通过卡环连接桩底翻身吊耳，主副钩协同作业，将钢管桩平吊离开甲板面。
当桩完全离开运桩驳甲板10 cm且呈水平状态时，暂停起吊，检查钢丝绳受力情况，无异常后继续起吊，待钢管桩抬起离运桩方驳约1 m后，运桩驳起锚并离开吊桩施工范围。
然后将钢管桩缓缓放到水面附近，并利用水深进行翻桩。期间，钢管桩仍应保持水平状态，主起重船主钩逐渐上升副钩逐渐放低直至不受力。翻桩过程中，桩底距离海床面应留有2 m左右的安全距离，避免钢管桩突然触底导致主钩脱钩，待钢管桩呈竖直状态后，解除副钩约束，完成翻桩。
3.5 钢管桩吊装入龙口
在钢管桩翻身直立后，主起重船通过人工将卸扣销轴拉出的方式，使副钩抬吊的索具脱离桩管吊耳，并通过绞锚使主起重船移到与自升式稳桩平台同一中轴线上，然后再通过船首八字锚绞锚调整主起重船与稳桩平台的距离，使钢管桩进入龙口，然后抱桩器进行抱合。
翻桩完成后，主起重船吊住钢管桩，通过松紧锚链调整桩身平面位置并同时调整桩身方向。移桩期间，起重船应与导向架保持至少2 m的安全距离。入龙口前，将8台千斤顶伸缩量调至最小，以保证钢管桩能顺利进入龙口，进入龙口后，在抱桩器上的经纬仪观察架立点处分别布设1台经纬仪，并在两个约成80°的方向上观测钢管桩桩身垂直度，通过升降主钩、扒杆转动及调节千斤顶，将钢管桩的垂直度调整至1‰以内，最后调整千斤顶的伸缩量，完成钢管桩桩身预抱紧工作。
3.6 自沉及压锤
钢管桩垂直度调整至设计值以内后，主钩缓慢下放，钢管桩开始自沉。应注意的是，在钢管桩接触泥面的过程中，如下沉速度过快，易造成钢管桩受土阻力影响而提前脱钩，故自沉过程中，应时刻观察起重船的起重量变化不应过快。
自沉过程中持续使用2台经纬仪对钢管桩桩身垂直度进行实时观测。如自沉过程中，桩身垂直度超出设计允许值，则通过提升、下降主钩及调节千斤顶重新将钢管桩垂直度调整至设计值内并继续自沉。如偏差过大（超出1‰），则将钢管桩抬离泥面，待钢管桩桩身处于自由垂直状态后，再重新下放。
钢管桩自沉无进尺后，主钩慢慢减少受力直至完全不受力时，静置观察5 min以上，如无异常，则下放主钩并解除吊索具约束。桩自沉完毕后，主钩用钢丝绳配卡环连接冲击锤顶吊点，将锤套好，然后吊至桩顶并开始压锤。压锤及沉桩时将吊锤钢丝绳完全下方，需使用克令吊及吊袋辅助托吊冲击锤油管，油管下安装移动万向滑轮，防止油管磨损。
3.7 内平台安装
沉桩完成后，起重船吊机将内平台及相关物料（螺栓、喷锌、密封胶等）吊至桩顶并进行安装，4名施工人员通过爬梯进入内平台，根据钢管桩出场标记的内平台安装线与内平台上的标记对齐，拧紧内平台螺栓，涂抹密封胶。内平台脱钩后，使用相同吊索具将替打法兰挂钩并吊回至船甲板。替打法兰拆除后，施工人员喷涂喷锌，2～3名测量员进入内平台进行桩顶法兰水平度测量。
为解决传统钢桁架稳桩平台自重较大，运输成本较高，施工时间较长等问题，提出一种海上风电自升式辅助稳桩平台大直径单桩基础施工技术。
首先，总结我国目前海上风电大直径无过渡段单桩施工传统工艺流程，并总结传统式钢桁架结构稳桩平台依然存在的问题。
其次，提出自升式辅助稳桩平台大直径单桩基础施工工艺流程。
最后，提出自升式辅助稳桩平台驻位、施工船舶驻位、运桩船靠泊、钢管桩起吊翻身、钢管桩吊装入龙口、自沉及压锤、内平台安等7项关键施工技术。
本工法成功运用于江苏华威启东H1号海上风电场项目和启东华尔锐启东H3号海上风电场项目，克服了海上风电项目“抢装潮”严峻形势下船机设备紧张、传统辅助稳桩平台工序繁杂、工期紧张等施工难点，逐步成为单桩基础施工主要工艺方法，施工质量、安全、进度效益明显，具有广阔的推广应用前景。
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