深水導管架式風機基礎安裝平臺設計及施工

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

風力發電清潔高效，是國家倡導的綠色能源發展方式。我國海岸線綿長，風能資源豐富，大力發展海上風力發電是大勢所趨。海上風電的開發利用需要建設海上風場，而風電裝備的基礎管樁施打又是極為重要的環節。東南沿海的廣東、福建海域是我國風能資源最豐富的地區之一，適合大規模海上風電開發。但該區域地質條件復雜，既有砂土地質，又有巖基地質，規劃風場的水深也比較大，普遍在15~30 m 之間，而且因該區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來說都是極為惡劣的。這些不利條件對于風場建設，尤其是風機基礎的安裝提出了嚴峻的挑戰。

通常來說，水深超過20 m，海上風機基礎將由單樁基礎轉變為多樁導管架基礎，即需要安裝4 個導管架基礎樁[1-4]。隨著水深的增加，海上施工環境愈發惡劣復雜，施工設備需要在克服風、浪、流等環境載荷影響下保持作業能力。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，但數量供不應求，另外基礎樁深水嵌巖施工作業周期長，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，設計出一套簡便、高效的基礎樁施工平臺進行基礎樁打設和嵌巖施工作業就顯得十分必要了。

1 工程概述

國內已建、在建的海上風電場大多集中在淺水砂土地質海域，該海域地質較軟，常使用液壓沖擊錘進行沉樁，技術較為成熟。而福建、廣東等地多為巖基地質，硬度大，最大飽和抗壓強度約為130 MPa，需要進行嵌巖施工。目前僅有個別企業在此種地質上成功實施過單樁基礎的嵌巖施工，但對于深水導管架式基礎的嵌巖施工，國內暫時處于空白狀態。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，是國內在建風場中水深較大的區域。對該海域現有工程地質進行鉆孔分析可知，場區多處機位覆蓋層厚度在10~20 m 范圍內，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，部分機位的基礎樁施工需要嵌巖。考慮到自升式風電安裝船設備緊缺且費用高昂，基于該風場項目的水深、地質特點及風機基礎形式，設計了一套導管架式風機基礎安裝平臺，該平臺結構簡單輕便、便于安裝和拆解，能夠滿足海況和地質的要求，實現四樁導管架基礎的打樁、嵌巖、灌漿等施工任務。

2 安裝平臺結構

為了確保導管架基礎樁沉樁施工的精度，方便鉆孔嵌巖，根據施工區域的平面尺寸及精度要求，設計研發了1 套深水導管架式風機基礎安裝平臺（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，也能夠滿足巖基地質嵌巖施工的要求。具有承受設計條件內的風、浪、涌等環境載荷，滿足嵌巖施工鉆機產生的震動載荷及承載安裝平臺本身與鉆機設備、輔助工裝設備等重量的能力。

安裝平臺設計思路如下：

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計，同時也保證了儲物空間的位置。

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

3）平臺四周設有4 個基礎樁導向槽口，槽口內設置可移動的基礎樁導向裝置，用于調控基礎樁的垂直度，并且可在一定范圍內調整基礎樁間距，以適用于不同導管架尺寸的風場。

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

5）安裝平臺采用卡鍵聯接形式，可快速將平臺主結構與樁腿聯接成一個整體。

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

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

安裝平臺主要結構參數見表1。

表1 安裝平臺結構參數Table 1 Structure parameters of the installation platform

3 安裝平臺作業工況分析

為了保證安裝平臺在安裝、鉆孔及拆除回收作業過程中的結構安全，結合風機基礎安裝的施工方案、安裝平臺作業工況要求、項目場址的環境數據以及土壤數據，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（鉆孔）工況：安裝平臺就位、鉆機安裝完成，在鉆孔作業情況下，進行平臺承受外部環境力作用的整體結構校核。校核環境條件為1 a一遇的環境數據：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（極限環境條件）工況：鉆機、吊機拆除，作業平臺承受外部環境力作用下的整體結構校核。校核環境條件為：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 計算結果可知，上述工況均滿足強度要求。

表2 作業工況計算結果匯總表Table 2 Summary table of calculation results of operating condition

4）整體動態分析：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，以避免共振產生較大的動態響應載荷，保證鉆孔施工過程安全。

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

5）拆除作業工況：作業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 動態分析結果匯總表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。經計算，考慮樁腿經過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境要求

4.1 施工工法

根據陽江沙扒風場的水文、地質資料、設計水位及環境載荷條件，結合設計的四樁式導管架風機基礎形式，采用本安裝平臺進行基礎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構、樁腿、吊機等構件及設備運輸到指定風場海域。

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 根樁腿逐一打到設計深度。

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

4）安裝平臺整體平穩后，安裝50 t 吊機。

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

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

6）4 根基礎樁均到位后，水下截樁，該樁位基礎樁打樁作業結束。

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 環境要求

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

表4 施工環境條件Table 4 Construction environmental conditions

5 結語

針對深水嵌巖沉樁施工作業周期長、施工設備短缺、費用高昂等問題，設計的深水導管架式風電基礎安裝平臺及編制的施工工法，經計算，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備儲存空間，鉆機等設備直接放置在安裝平臺內，海上施工時，與平臺整體起吊，大大減少了起吊的次數。

4）該安裝平臺可架設鉆機，既適用于軟基地質也適用于巖基地質，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的安裝，拓展了海上風場的施工范圍。

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