海上風電大直徑鋼管樁起吊施工技術研究

雷 傳，范肖峰，張震宇

(1. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2. 浙江華東工程咨詢有限公司浙江，浙江 杭州 311122)

風能因其清潔環保高效無污染等特點，被廣泛用于新能源發電中。我國海岸線長，有著極其豐富的風能資源，因此廣東、江蘇、福建等地海上風電工程發展得如火如荼[1-3]。大直徑單樁因其便于建造設計以及造價適宜等特點，被廣泛應用于風機基礎[4-5]。

為保證風機順利安裝，鋼管樁及集成式附屬構件需有方向性，實際施工過程中，鋼管樁人為轉向較困難，鋼管樁方向控制難度較大。

目前，許多學者對大直徑鋼管樁的穩定性分析[6-7]、翻身吊裝技術[8-9]及沉樁疲勞分析[10-11]等開展了相關的研究，但是，對海上風電大直徑鋼管樁起吊施工技術還有待進一步的研究。結合江蘇啟東某海上風機大直徑單樁基礎建設項目，對大直徑單樁基礎起吊施工關鍵技術進行研究，對后續類似工程施工建設具有參考意義。

1 工程概況

江蘇某海上風電項目位于啟東海域，場區中心離岸距離約32 km，海底地形變化較為平緩，水深在6～13 m之間。場區形狀呈矩形，南北長約8 km，東西寬約5 km，規劃海域面積40 km2，規劃裝機容量250 MW，共10個回路、40臺6.25 MW風機。風電場位置見圖1。

圖1 風電場位置圖

1.1 單樁基礎

本工程基礎施工為6.25 MW的單樁基礎及集成式附屬構件施工，共計40個機位，單樁直徑分為6.5～7.2 m及6.5～7.48 m兩種，樁頂高程+13.0 m。鋼管樁樁長70～77 m，壁厚為64～78 mm，樁重約800～1 000 t，單樁最大長度77 m，最大重量約1 000 t。單個附屬構件重約85 t。風機基礎立面圖見圖2。

圖2 風機基礎立面圖

1.2 工程地質

本工程位于啟東海域，場區中心離岸距離約32 km，海底地形變化較為平緩，屬南黃海濱海相沉積地貌單元。場區內地基土表層以粉砂為主。水深為6～13 m之間。工程場地表層地基土易受潮流沖刷影響，屬建筑抗震不利地段，且工程場區位于近海海域，風機基礎易受海浪沖刷，因此工程區域土體穩定性較差。

2 鋼管樁施工流程

采用3個作業面完成施工，工作面1由1 200 t全回轉起重船(起重29)負責主吊，工作面2由1 500 t全回轉起重船(大申號)負責主吊，兩個工作面共用800 t固定扒桿起重船(鎮航工868)負責輔助抬吊，使用IHC-S3000型號液壓沖擊錘完成沉樁施工。工作面3由2 200 t固定扒桿起重船(秦航工1)單船翻樁，或者采用輔助船舶進行抬吊翻樁，海陽59配合沉樁，使用IHC-S2000型號液壓沖擊錘完成沉樁施工。鋼管樁起吊施工流程見圖3。

圖3 鋼管樁起吊施工流程圖

3 測量定位

3.1 建立GPS定位坐標系統

首先采用GPS 定位儀器對控制點進行校核，消除儀器偏差，求取經緯度到國家CGCS2000(中國大地坐標系統)坐標的轉換參數，坐標系統為國家CGCS2000。

由于風電場區距岸大于30 km，風電場區距岸較遠，對測量定位系統影響比較大，因此選用星站差分技術加靜態校核的方法完成第一根樁的測量定位工作，所以在第一根樁施工時先采用星站差分技術RTX進行船舶和抱樁器定位，抱樁器安裝完成后用靜態差分對星站差分成果進行校核，確認無誤后進行正常沉樁作業，完成第一根樁沉樁施工后，在第一根樁上建立基站，以后的鋼管樁沉樁施工采用動態差分技術RTK進行鋼管樁測量定位和完樁驗收工作。

3.2 船舶定位

1)動態實時差分GPS(RTK)技術。定位測量方法采用動態實時差分GPS(RTK)技術，現用Trimble5700型GPS定位儀，該型號GPS以其全天候、高效率工作性能、準確可靠的工作精度等優點，在海工施工中得到廣泛的應用，完全可以滿足該工程海上施工定位的規范要求。Trimble5700靜態定位精度：5 mm+1 ppm，動態定位(實時差分定位 RTK)10 mm+1 ppm。而且該 GPS隨機軟件可以隨時準確進行WGS84坐標(地心坐標系)、CGCS2000坐標、54坐標(北京54坐標系)、當地坐標以及施工坐標的相互轉換。

2)動態實時差分 GPS 定位方法。在岸上設立永久性基準站，插樁船上安裝兩臺Trimble5700移動站，利用Trimble海測成圖軟件HYDRO Pro或中海達儀器公司的《海洋成圖軟件》對定位船進行實時動態定位。設立基準站距移動站在25 km范圍以內，則水平定位精度為10 mm+20 km×1 ppm=30 mm，最大誤差不超過50 mm，高程定位精度為50 mm，最大誤差不超過50 mm，完全可以滿足施工規范要求。在施工過程中，依據施工圖，預先在電子設備上設制好施工區域，然后通過GPS定位實時的顯示和調整船的姿態，從而能夠直觀而且準確地控制施工中樁基起吊的精確度。

4 吊裝施工

吊裝施工主要在工作面1和2進行，工作面2主要由大申號(1 500 t全回轉起重船)代替起重29(1 200 t全回轉起重船)，其余施工流程及方法參照工作面1進行施工，因此下文僅描述工作面1的施工工藝。

工作面1使用1 200 t全回轉起重船起重29進行主吊作業，使用700 t固定扒桿起重船—鎮航工868進行輔助抬吊作業。起重29主要負責鋼管樁翻樁主吊、穩樁平臺安拆、錘擊沉樁等作業，鎮航工868主要負責鋼管樁翻樁輔吊，液壓沖擊錘放置在起重29上，穩樁平臺放置于自航駁上。

主要作業場所為起重29船甲板面，自航駁用于穩樁平臺及液壓沖擊錘的儲存與運輸，計劃船舶甲板有效尺寸為70 m×22 m以上的自航駁，自航駁甲板布置見圖4。

圖4 自航駁甲板布置圖

4.1 起重29駐位

施工海域主要水流方向為東偏南22.5°，船舶駐位方向與此方向大致相同。起重29共拋7口錨纜，左前方2口錨，與船體方向夾角為40°及50°，長600 m；右前方兩口錨與左前方錨纜對稱，左后方設置兩口錨，與船體風向夾角分別為45°及55°，纜繩長600 m，右后方設置一口錨，與船體方向夾角為55°，長600 m。起重29下錨示意圖見圖5。

圖5 起重29下錨示意圖

4.2 穩樁平臺吊裝

穩樁平臺放置于自航駁上，自航駁靠于起重29左舷，穩樁平臺開口處朝向起重29吊機方向，通過起重29全回轉大臂進行穩樁平臺吊裝。吊裝前將1名起重指揮、7名作業人員(包含焊接人員)及2名測量人員吊至穩樁平臺頂，搭設人行梯供測量人員進行穩樁平臺定位(首根樁采用星站差分技術，后續樁采用GPS定位)，隨后施工人員利用索具鉤輔助完成穩樁平臺吊索具掛鉤，掛鉤示意圖見圖6。

圖6 掛鉤示意圖

掛鉤完成后，將穩樁平臺吊至船艏，龍口方向與船體右舷方向相同，穩樁平臺邊與起重29船艏距離約為7 m，此距離在起重29最大吊重范圍內。并根據測量人員反饋，由起重指揮指揮起重機將穩樁平臺放置于設計要求位置，4名施工人員位于甲板通過纜繩調整穩樁平臺方向，使穩樁平臺與船體平行，龍口朝向與船體方向相同。穩樁平臺安裝示意圖見圖7。

圖7 穩樁平臺安裝示意圖

4.3 鎮航工868駐位

穩樁平臺安裝同時，鎮航工868開始駐位，船體方向與起重29平行，吊機方向相同，兩船距離約為20 m，左前錨與船體方向夾角為60°，右前錨與船體方向夾角為45°；船艉共4口錨，兩口八字錨，兩口交叉錨，各45°。所有錨纜長均為400 m。鎮航工868駐位示意圖見圖8。

圖8 鎮航工868駐位示意圖

4.4 運樁船駐位

穩樁平臺施工及鎮航工868駐位完成后，運樁船從起重29船頭沿圖示路線駛入，在不碰撞鎮航工868纜繩的情況下盡可能靠近起重29船艉，并綁定于起重29船頭，通過纜繩連接。運樁船駐位同時，起重29開始掛主吊耳吊索具，鎮航工868掛輔吊耳吊索具，掛鉤及運樁船駐位完成后，起重指揮分別指揮起重29及鎮航工868起重船吊鋼絲繩至相關位置，施工人員使用撬棍完成主吊耳掛鉤，通過爬梯登至鋼管樁上方，完成副吊耳掛鉤。運樁船駐位示意圖見圖9。

圖9 運樁船駐位示意圖

4.5 鋼管樁翻樁

鋼管樁翻樁采用雙船抬吊的方式，起重工通過指揮起重29及鎮航工868完成鋼管樁實現鋼管樁平吊，吊起離馬鞍架約50 cm處停止，靜觀30 s左右，無異常后鋼管樁繼續提升，超過運輸船駕駛室時，運輸船解纜，起錨沿原路撤離。起重29與鎮航工868繼續配合完成翻樁，樁身豎直后，施工人員拽出下吊點卸扣螺栓，平臺起重指揮指揮龍口抱樁器處于最大開口狀態，通過起重29調整大臂角度，在起重29始終處于最大吊重過程中，使鋼管樁緩慢移入龍口，過程中將抱樁器內千斤頂全部收縮至最小，以免鋼管樁碰撞千斤頂，待鋼管樁完全進入抱樁器后，關閉抱樁器，插入抱樁器前端插銷。根據船舶駐位方向調整吊耳位置，使鋼管樁入龍口完成后，塔筒門方向與設計方向大致相同。導向平臺設置定滑輪，鋼管樁入龍口完成后，焊接臨時轉向吊耳，利用索具鉤吊鋼絲繩，通過定滑輪改變鋼絲繩方向，連接樁身吊耳，通過索具鉤起落微調鋼管樁方向。鋼管樁翻樁示意圖見圖10。

圖10 鋼管樁翻樁圖

5 結 語

為解決海上復雜環境下，大直徑鋼管樁在實際施工過程中人為轉向較困難，方向控制難度較大的問題。提出一種海上風機大直徑鋼管樁基礎的起吊施工方法。

首先，介紹了鋼管樁的施工共有3個工作面，其中，工作面1和2主要負責鋼管樁的起吊施工。工作面1使用1 200 t全回轉起重船起重29進行主吊作業，使用700 t固定扒桿起重船—鎮航工868進行輔助抬吊作業。

其次，測量定位主要采用GPS定位坐標系統，先采用星站差分技術RTX進行船舶和抱樁器定位，抱樁器安裝完成后用靜態差分對星站差分成果進行校核。

最后，提出工作面1中起重29駐位、穩樁平臺吊裝、鎮航工868駐位、運樁船駐位、鋼管樁翻樁等5項關鍵施工技術。