海上風電單樁穩(wěn)樁平臺研究

畢宇

（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137）

我國海上風能資源非常豐富，具備大規(guī)模發(fā)展海上風電的風資源條件，在節(jié)能減排、能源短缺、能源供應安全形勢日趨嚴峻的大形勢下，海上風電作為典型清潔能源越來越受到重視。單樁基礎又在風電施工基礎中占比最高。現有的大型單樁基礎直徑為4．2～7m，平均樁長約60～92m，平均樁重550～900t。單樁基礎施工質量、垂直度控制等要求較高（平面度≤50cm，垂直度≤3‰）。

目前國內采用工藝輔助樁穩(wěn)樁平臺的方法解決超大型單樁基礎的沉樁技術。圖1為工藝輔助樁穩(wěn)樁平臺結構，單樁基礎沉樁作業(yè)開始前，先將穩(wěn)樁平臺3吊起放置在海底平面上，穩(wěn)樁平臺頂部突出水面約2m；然后使用振動錘將工藝樁2沉入海底至標高，再將穩(wěn)樁平臺3吊起離水面7～8m，并與工藝樁2固定連接。上述作業(yè)完成后，將單樁基礎1喂入穩(wěn)樁平臺抱樁器4內，抱樁器4內的液壓千斤頂將單樁垂直度調整至達到要求后，使用液壓沖擊錘，將單樁基礎1沉至標高。

圖1 工藝輔助樁穩(wěn)樁平臺結構

從圖1可以看出，使用現有工藝輔助樁穩(wěn)樁平臺進行單樁基礎施工穩(wěn)樁作業(yè)，存在以下缺點：第一，水深加深時，穩(wěn)樁平臺的制作高度要增加，造成制作成本增加。第二，工藝輔助樁需要振動錘沉樁，所以需要配置起重船和振動錘，增加了船機設備配置。第三，穩(wěn)樁平臺與工藝輔助樁的固定，需要使用焊接工藝，工藝輔助樁拔起時，需要再將連接處割掉，整個過程繁瑣，操作不便，耗時、耗人力，造成整體工效降低。第四，穩(wěn)樁平臺移位需使用運輸駁船。

為著重解決上述存在的四個方面的問題，在實現穩(wěn)樁功能，保證單樁基礎施工質量的前提下，研究設計了一種新結構型式的穩(wěn)樁平臺，解決以下技術問題：第一，能夠根據水深變化，自動調節(jié)氣隙；第二，平臺樁腿能夠自動入泥和上拔，減少船機設備使用，降低施工成本；第三，平臺的操作及單樁基礎垂直度的測量、調整和監(jiān)控，均實現自動化操作和控制。

新的穩(wěn)樁平臺能夠實現功能為：①適用直徑5～7米管樁的沉樁前穩(wěn)樁、自動調節(jié)單樁基礎垂直度，能夠承受的側向力500kN；②平臺自動抬升；③自動移動與GPS定位；④單樁垂直度監(jiān)控；⑤自動調整單樁垂直度。穩(wěn)樁平臺設計方案如圖2，由于本方案能夠自動抬升，故與現有技術相比，節(jié)省了振動錘和起重船。且能夠自動移位，在轉移機位時，不需要使用運輸駁船，可節(jié)省2臺運輸駁船。本方案對單樁基礎垂直度的調節(jié)、控制及抬升系統(tǒng)的操作均為自動化，操作簡便，提高了施工效率。

穩(wěn)樁平臺的施工原理見圖3，穩(wěn)樁平臺主要由平臺樁腿1、抬升系統(tǒng)2、舵漿系統(tǒng)3、錨絞車4、主平臺5、抱樁機構6組成。

主平臺5為箱型鋼質結構連接，單層底、單甲板。艏部配備一套抱樁系統(tǒng)；左右舷各增設前后2個固樁室，布置4套升降系統(tǒng)；左右舷艏/艉對稱布置4套液壓絞車，做系泊（錨泊）定位系統(tǒng)；艉部配有2臺全回轉舵槳。

圖2 技術方案

平臺樁腿1為四根鋼管，不配樁靴，配沖樁系統(tǒng)。為適應不同海床條件的作業(yè)，樁腿下部設置一截可拆卸樁腿。

抬升系統(tǒng)2安裝在自升式海上平臺的樁腿和平臺主體的交接處，通過齒輪齒條升降裝置驅動平臺主體作上下運動，滿足海上平臺作業(yè)需要，單腿額定抬升能力為300t，平臺升降速度為 0．2～0．6m/min。

舵漿系統(tǒng)3為全回轉甲板組合式舵槳，由電機（或柴油機）帶動，裝有固定螺距螺旋槳，螺旋槳在導流管內轉動。推進器帶有螺栓連接式安裝基座，安裝在船體甲板上。

錨絞車4在主平臺5左右舷艏/艉位置對稱布置，用于該穩(wěn)樁平臺系泊定位。其額定拉力為80kN。

抱樁機構6為單層抱樁臂，抱樁直徑范圍為5～7m，能夠承受500kN側向力。通過油缸推動滾輪，調節(jié)單樁基礎的垂直度；其單邊缺口，便于喂樁，帶封口機構。

圖3 實施方案原理

方案實施：穩(wěn)樁平臺呈長方形船體，帶有四個圓柱形樁腿，每個樁腿下端可帶有簡易可拆式樁靴。平臺的型長 39．0m，型寬 21．6m，型深 2．46m。四個樁腿位置如下：四個樁腿沿中心線兩兩左右對稱，均位于中心線兩側9．0m 處，后樁腿中心線距尾端12．0m，兩個前樁腿與兩個后樁腿相距19．5m。平臺艉部為開口形式，開口尺寸為長度9．0m，寬度8．2m，開口周圍布置液壓穩(wěn)樁/抱樁系統(tǒng)。

穩(wěn)樁平臺艉部設有開口，尺寸為：長9．0m，寬8．2m；開口處設有雙層穩(wěn)樁系統(tǒng)，穩(wěn)樁油缸由液壓系統(tǒng)驅動。下層穩(wěn)樁油缸基座直接布置在平臺主甲板上，上層穩(wěn)樁油缸基座分別布置在3個穩(wěn)樁油缸架上，3個穩(wěn)樁架為桁架結構，高度為距主甲板7m，頂部通過走道連通。6個可調固定式油缸分別布置于上下兩層相同位置，油缸推力為40T。另外有4個頂推調節(jié)油缸布置在主甲板上（下層），油缸推力為70T。本穩(wěn)樁系統(tǒng)適應樁徑 5．5～7．5m 的單管樁。

穩(wěn)樁平臺主甲板上設有休息區(qū)（兩層），位于主甲板右舷。一層為休息室和儲藏室，二層為機電控制室。在4個固樁架邊布置4套樁腿抬升系統(tǒng)液壓動力站。

穩(wěn)樁平臺按自升式平臺進行作業(yè)時，最大作業(yè)水深 25m（含天文潮和風暴潮差）。

該設計方案實施后，穩(wěn)樁平臺可在水深 25m 范圍內泥砂質海底海域或相類似海域按自升式平臺型式進行作業(yè)，用于海上風電安裝單鋼管樁施工輔助（穩(wěn)樁/定位）作業(yè)或其它水上以及岸邊各種小型設備吊裝任務的海洋工程設備，以減少原有單樁沉樁時附屬施工時間及成本，大大加快海上風電場施工。