某海上風電場風電機組基礎的施工設備配備方案研究

凌佳楠

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200050)

0 引言

自從2009年我國第一個海上風電項目——東海大橋100 MW海上風電項目建成投產(chǎn)以來，隨著技術和經(jīng)驗逐年積累，我國海上風電項目正逐漸走向規(guī)范化、成熟化；再加上相關政策的原因，2019～2020年間，國內(nèi)海上風電更是出現(xiàn)了一波“搶裝潮”。

對于整個海上風電場的建設而言，風電機組基礎建設無疑是最為關鍵的部分，其建設好壞關系著整座風電場的運營。但由于我國海上風電建設尚處于起步階段，風電機組基礎的施工技術相對薄弱[1]，并且在當前“搶裝潮”的大背景下，風電機組基礎的施工資源將非常緊張，因此，設計合理的施工設備配備方案變得尤為重要。本文以廣東省某海上風電場項目為例，對風電機組基礎的施工設備配備方案進行了相關設計與研究。

1 項目概況

本海上風電場項目位于廣東省某海域，場址水深在30～35 m之間；規(guī)劃的裝機容量為400 MW，擬安裝57臺單機容量為7 MW的海上風電機組，輪轂高度為110 m(平均海面以上)；項目配套建設有1座陸上集控中心及1座220 kV海上升壓站。本項目的風電機組基礎的類型包括32根單樁基礎和25根導管架基礎。

2 施工設備的配備依據(jù)

施工設備的合理配備需做到設備性能好、高效、經(jīng)濟實用，在提高工作效率的同時，更能確保工程質量和施工安全[2]。本項目中風電機組基礎的施工主要包括單樁基礎施工和導管架基礎施工，其施工設備的配備依據(jù)如下：

1)需根據(jù)施工現(xiàn)場的環(huán)境、施工工期、物資等因素，配備合理數(shù)量的施工設備，以保證施工任務的圓滿完成。

2)對于單樁基礎而言，由于其尺寸較大、重量較重，應根據(jù)其尺寸、重量選擇滿足要求的施工船機設備及打樁錘。

3)導管架基礎包括下部鋼管樁和上部導管架，在施工過程中同樣需根據(jù)其尺寸、重量等因素選擇可同時滿足鋼管樁沉樁及導管架吊裝要求的施工船機設備。

3 單樁基礎施工設備的配備

本項目共設置32根單樁基礎，其主要構件為鋼管樁，均為打入式單樁，1根鋼管樁的長度約為103 m，樁徑為7.5～8.5 m，壁厚為60～85 mm，單根鋼管樁的重量約為1600 t。單樁基礎周圍鋪設混凝土聯(lián)鎖塊軟體排和砂被進行防護。

單樁基礎的施工工藝流程為：鋼管樁制作及運輸→鋼管樁沉樁施工→單樁基礎防護施工→附屬設施的安裝施工。

3.1 鋼管樁制作及運輸施工設備

鋼管樁可選擇在項目所在地附近的大型鋼結構制作工廠制作，并利用工廠的自有碼頭將鋼管樁海運至工作區(qū)碼頭。

鋼管樁運輸時按照最長管樁長度103 m的運輸要求，可選擇總體長度100 m、型寬30 m、滿載吃水3.5 m以內(nèi)的甲板駁；若按照普通運輸駁的方形系數(shù)0.7計算，甲板駁載重量約為7400 t；考慮到長距離運輸會跨越多個海域，拖航時間長且海況條件變化較大，因此建議選擇10000 t以上級別的甲板駁，配備主機動力為4000 HP及以上的拖輪運輸。

3.2 鋼管樁沉樁的施工設備

本項目選擇“浮式起重船+定位導向架”的鋼管樁沉樁施工方案，該施工方案是目前國內(nèi)主流的單樁基礎施工方案，已在多個海上風電場項目中得到成功實施。該方案的施工設備主要包括浮式起重船、打樁錘、輔助工作船等，船機設備與鋼管樁沉樁技術都相對成熟。

鋼管樁沉樁的工藝流程為：船機設備就位→定位導向架安裝→單樁基礎起吊、植樁→沉樁→拆除定位架→船機移位至下一機位[3]。

浮式起重船是單樁基礎沉樁施工中最主要的施工裝備，根據(jù)扒桿能否旋轉可分為360°全旋轉式和固定式2種。相比之下，采用360°全旋轉式的浮式起重船吊樁更為方便快捷，吊樁時只需旋轉90°就可直接進行施工作業(yè)，因此，可選擇360°全旋轉式浮式起重船進行單樁基礎沉樁施工。

由于本工程中單根鋼管樁的重量約為1600 t，動荷載系數(shù)取1.5，則起吊重量約為2400 t，推薦選用2400 t以上級別的浮式起重船作為主起吊設備，且應保證起吊高度不小于90 m。目前國內(nèi)2400 t、吊高不小于90 m、360°全旋轉式浮式起重船的數(shù)量較多，比如上海打撈局的“勇士號”，以及中國海洋石油集團有限公司的“藍疆號”“海洋石油201”“海洋石油202”等，均能滿足要求[4]。考慮到單樁基礎的重量較重、長度較長，若僅采用2400 t的360°全旋轉式浮式起重船獨立進行空中吊立、翻身作業(yè)則較為困難，需另配備1艘1000 t浮式起重船配合作業(yè)。

起到輔助工藝作用的定位導向架包含上部的定位架平臺和下部的樁基礎2部分，定位架平臺采用2層桁架結構，重約600 t；樁基礎采用四樁基礎形式(即由4根輔助鋼管樁構成)，輔助鋼管樁的單根重量約為100 t，故定位導向架總重量約為1000 t。定位導向架結構示意圖如圖1所示[5]。定位導向架中單根鋼管樁重量約為100 t、定位導向架的自身重量約為600 t，因此推薦采用1000 t浮式起重船進行鋼管樁及定位導向架的起吊、安拆作業(yè)，并配備1套150 t四聯(lián)動振動錘進行沉樁、拔樁作業(yè)。

在錘擊沉樁施工中，目前常用的打樁錘主要有柴油錘與液壓錘2種。液壓錘在施工效率、環(huán)境保護等方面均優(yōu)于柴油錘，因此可選用液壓錘進行錘擊沉樁施工。利用GRLWEAP打樁軟件對本項目采用的單樁基礎進行可打性分析[6]后發(fā)現(xiàn)，所需的錘擊能力約為2000 kJ，因此可采用型號為IHC S-2000的大型液壓錘作為施工作業(yè)的主選錘型。

3.3 樁基礎防護的施工設備

為防止單樁基礎樁周遭到?jīng)_刷影響樁基穩(wěn)定，打樁完成后需在樁周進行護底作業(yè)，護底結構為砂被，采用1000 t浮式起重船施工。

3.4 附屬設施的施工設備

附屬設施如爬梯、電纜管等應在沉樁完成后再安裝，安裝時應注意不損傷防腐涂層，若有損傷應立即修補。附屬設施施工可采用5000 t級別甲板駁，配備主機動力為2000 HP及以上的拖輪運輸，采用1000 t浮式起重船安裝。

3.5 其他施工設備

除上述主要施工設備外，建議另外搭配交通艇1艘，用于人員接送；拋錨艇4艘，用于起重船、甲板駁等的起錨與拋錨；補給船1艘，用于淡水與生活物資的補給。

3.6 單樁基礎施工設備的統(tǒng)計

表1為單樁基礎施工設備統(tǒng)計表。

表1 單樁基礎施工設備的統(tǒng)計表Table 1 Statistics of single pile foundation construction equipments

4 導管架基礎施工設備的配備

本項目共設25根導管架基礎，1根導管架基礎包括1個導管架和4根鋼管樁。1個導管架的重量約為903.2 t，單根鋼管樁的重量約為174.5 t，鋼管樁為打入式直樁，長度約為92 m，樁徑為2.4 m。導管架通過4個插入段立管插入基礎中的鋼管樁內(nèi)，并通過灌漿與鋼管樁進行永久連接。

導管架基礎的施工工藝流程為：鋼管樁、導管架的制作及運輸→鋼管樁沉樁施工→導管架安裝施工→灌漿施工→附屬設施的安裝施工[7]。

4.1 鋼管樁、導管架制作及運輸?shù)氖┕ぴO備

可考慮在項目附近的大型鋼結構制造企業(yè)進行鋼管樁的卷制、焊接，并利用企業(yè)的自有碼頭將其海運至工作區(qū)碼頭。

按照最長鋼管樁長度92 m的運輸要求，可選擇平底總體長度95 m以上、型寬30 m、滿載吃水3.5 m以內(nèi)的甲板駁；若按照普通運輸駁船的方形系數(shù)0.7考慮，甲板駁載重量約為7000 t。考慮到運輸路線較長，且部分海域海況較差，推薦采用10000 t以上級別甲板駁，配備主機動力4000 HP及以上拖輪運輸。

導管架為直徑及鋼板厚度較大的焊接結構，結合施工技術條件，導管架各管節(jié)均采用自動埋弧焊的焊接方式。管節(jié)制作企業(yè)的選擇方式與鋼管樁的相同。由于導管架長度約為54 m，可以選擇上文中運輸長度為92 m的鋼管樁時相同的設備。

4.2 鋼管樁施工設備

從技術優(yōu)越性、經(jīng)濟性和對工程適應性強等多方面考慮，本項目推薦采用“浮式起重船+定位導向架”方案。因鋼管樁長度為92 m，長度較長，因此為保證其起吊高度的安全，選用2000 t以上級別、360°全旋轉式浮式起重船作為主起吊設備。

導管架基礎施工中的輔助工藝定位導向架的設施與單樁基礎的相同，因此推薦采用1000 t浮式起重船進行鋼管樁及定位導向架的起吊、安拆作業(yè)，并配置1套150 t四聯(lián)動振動錘進行沉樁、拔樁作業(yè)。

根據(jù)本區(qū)域的地質條件和鋼管樁的施打尺寸，利用GRLWEAP打樁軟件對鋼管樁進行可打性分析，推薦選擇IHCS-1200型液壓打樁錘作為首選錘型。

4.3 導管架安裝的施工設備

導管架的重量約為903.2 t，考慮1.5的動荷載系數(shù)，起吊重量約為1355 t；由于導管架長度約為54 m，考慮到起吊設備起吊高度的安全，因此，選用2000 t以上級別、360°全旋轉式浮式起重船作為主起吊設備，另外配置1艘1000 t浮式起重船配合完成導管架的安裝作業(yè)。

4.4 灌漿施工設備

導管架與鋼管樁連接部分需進行灌漿施工，可配置5000 t級別甲板駁、2000 HP及以上拖輪進行灌漿材料及其他附屬設施的運輸，另外配置多功能駁1艘，進行灌漿施工[8]。

4.5 附屬設施及其他施工設備

附屬設施采用5000 t級別甲板駁搭配2000 HP及以上拖輪運輸，采用1000 t浮式起重船安裝。

除上述主要施工設配外，建議另外配備交通艇1艘，用于人員接送；拋錨艇4艘，用于起重船、甲板駁等的起錨與拋錨；補給船1艘，用于淡水與生活物資的補給。

4.6 導管架基礎施工設備統(tǒng)計

表2為導管架基礎施工設備的統(tǒng)計表。

表2 導管架基礎施工設備的統(tǒng)計表Table 2 Statistics of jacket foundation construction equipments

5 結論

本文以廣東省某海上風電場項目為例，對其風電機組基礎的施工設備配備方案進行了研究。海上風電場的施工環(huán)境復雜、作業(yè)窗口期短、施工精度要求高、施工作業(yè)面分布廣、統(tǒng)一協(xié)調調度難度大，海上風電機組基礎施工是整個風電場成功建設運營的關鍵所在，不同地質環(huán)境下的風電機組基礎施工技術仍需進一步提高[9]。在合理的風電機組基礎設計、合適的施工方案選擇的基礎上，必須要做好正確的施工設備配備，才能確保風電機組基礎順利施工完成，為風電場后續(xù)的建設運營打下良好基礎。