海上風(fēng)電大直徑鋼管樁起吊施工技術(shù)研究

雷 傳，范肖峰，張震宇

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)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(fēng)能因其清潔環(huán)保高效無(wú)污染等特點(diǎn)，被廣泛用于新能源發(fā)電中。我國(guó)海岸線長(zhǎng)，有著極其豐富的風(fēng)能資源，因此廣東、江蘇、福建等地海上風(fēng)電工程發(fā)展得如火如荼[1-3]。大直徑單樁因其便于建造設(shè)計(jì)以及造價(jià)適宜等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)[4-5]。

為保證風(fēng)機(jī)順利安裝，鋼管樁及集成式附屬構(gòu)件需有方向性，實(shí)際施工過(guò)程中，鋼管樁人為轉(zhuǎn)向較困難，鋼管樁方向控制難度較大。

目前，許多學(xué)者對(duì)大直徑鋼管樁的穩(wěn)定性分析[6-7]、翻身吊裝技術(shù)[8-9]及沉樁疲勞分析[10-11]等開(kāi)展了相關(guān)的研究，但是，對(duì)海上風(fēng)電大直徑鋼管樁起吊施工技術(shù)還有待進(jìn)一步的研究。結(jié)合江蘇啟東某海上風(fēng)機(jī)大直徑單樁基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)大直徑單樁基礎(chǔ)起吊施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)后續(xù)類(lèi)似工程施工建設(shè)具有參考意義。

1 工程概況

江蘇某海上風(fēng)電項(xiàng)目位于啟東海域，場(chǎng)區(qū)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(chǎng)區(qū)形狀呈矩形，南北長(zhǎng)約8 km，東西寬約5 km，規(guī)劃海域面積40 km2，規(guī)劃裝機(jī)容量250 MW，共10個(gè)回路、40臺(tái)6.25 MW風(fēng)機(jī)。風(fēng)電場(chǎng)位置見(jiàn)圖1。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)位置圖

1.1 單樁基礎(chǔ)

本工程基礎(chǔ)施工為6.25 MW的單樁基礎(chǔ)及集成式附屬構(gòu)件施工，共計(jì)40個(gè)機(jī)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(zhǎng)70～77 m，壁厚為64～78 mm，樁重約800～1 000 t，單樁最大長(zhǎng)度77 m，最大重量約1 000 t。單個(gè)附屬構(gòu)件重約85 t。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)立面圖見(jiàn)圖2。

圖2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)立面圖

1.2 工程地質(zhì)

本工程位于啟東海域，場(chǎng)區(qū)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(chǎng)區(qū)內(nèi)地基土表層以粉砂為主。水深為6～13 m之間。工程場(chǎng)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(chǎng)區(qū)位于近海海域，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)易受海浪沖刷，因此工程區(qū)域土體穩(wěn)定性較差。

2 鋼管樁施工流程

采用3個(gè)作業(yè)面完成施工，工作面1由1 200 t全回轉(zhuǎn)起重船(起重29)負(fù)責(zé)主吊，工作面2由1 500 t全回轉(zhuǎn)起重船(大申號(hào))負(fù)責(zé)主吊，兩個(gè)工作面共用800 t固定扒桿起重船(鎮(zhèn)航工868)負(fù)責(zé)輔助抬吊，使用IHC-S3000型號(hào)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(jìn)行抬吊翻樁，海陽(yáng)59配合沉樁，使用IHC-S2000型號(hào)液壓沖擊錘完成沉樁施工。鋼管樁起吊施工流程見(jiàn)圖3。

圖3 鋼管樁起吊施工流程圖

3 測(cè)量定位

3.1 建立GPS定位坐標(biāo)系統(tǒng)

首先采用GPS 定位儀器對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行校核，消除儀器偏差，求取經(jīng)緯度到國(guó)家CGCS2000(中國(guó)大地坐標(biāo)系統(tǒng))坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，坐標(biāo)系統(tǒng)為國(guó)家CGCS2000。

由于風(fēng)電場(chǎng)區(qū)距岸大于30 km，風(fēng)電場(chǎng)區(qū)距岸較遠(yuǎn)，對(duì)測(cè)量定位系統(tǒng)影響比較大，因此選用星站差分技術(shù)加靜態(tài)校核的方法完成第一根樁的測(cè)量定位工作，所以在第一根樁施工時(shí)先采用星站差分技術(shù)RTX進(jìn)行船舶和抱樁器定位，抱樁器安裝完成后用靜態(tài)差分對(duì)星站差分成果進(jìn)行校核，確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行正常沉樁作業(yè)，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(dòng)態(tài)差分技術(shù)RTK進(jìn)行鋼管樁測(cè)量定位和完樁驗(yàn)收工作。

3.2 船舶定位

1)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分GPS(RTK)技術(shù)。定位測(cè)量方法采用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分GPS(RTK)技術(shù)，現(xiàn)用Trimble5700型GPS定位儀，該型號(hào)GPS以其全天候、高效率工作性能、準(zhǔn)確可靠的工作精度等優(yōu)點(diǎn)，在海工施工中得到廣泛的應(yīng)用，完全可以滿足該工程海上施工定位的規(guī)范要求。Trimble5700靜態(tài)定位精度：5 mm+1 ppm，動(dòng)態(tài)定位(實(shí)時(shí)差分定位 RTK)10 mm+1 ppm。而且該 GPS隨機(jī)軟件可以隨時(shí)準(zhǔn)確進(jìn)行WGS84坐標(biāo)(地心坐標(biāo)系)、CGCS2000坐標(biāo)、54坐標(biāo)(北京54坐標(biāo)系)、當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)以及施工坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換。

2)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分 GPS 定位方法。在岸上設(shè)立永久性基準(zhǔn)站，插樁船上安裝兩臺(tái)Trimble5700移動(dòng)站，利用Trimble海測(cè)成圖軟件HYDRO Pro或中海達(dá)儀器公司的《海洋成圖軟件》對(duì)定位船進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位。設(shè)立基準(zhǔn)站距移動(dòng)站在25 km范圍以內(nèi)，則水平定位精度為10 mm+20 km×1 ppm=30 mm，最大誤差不超過(guò)50 mm，高程定位精度為50 mm，最大誤差不超過(guò)50 mm，完全可以滿足施工規(guī)范要求。在施工過(guò)程中，依據(jù)施工圖，預(yù)先在電子設(shè)備上設(shè)制好施工區(qū)域，然后通過(guò)GPS定位實(shí)時(shí)的顯示和調(diào)整船的姿態(tài)，從而能夠直觀而且準(zhǔn)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(jìn)行，工作面2主要由大申號(hào)(1 500 t全回轉(zhuǎn)起重船)代替起重29(1 200 t全回轉(zhuǎn)起重船)，其余施工流程及方法參照工作面1進(jìn)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(zhuǎn)起重船起重29進(jìn)行主吊作業(yè)，使用700 t固定扒桿起重船—鎮(zhèn)航工868進(jìn)行輔助抬吊作業(yè)。起重29主要負(fù)責(zé)鋼管樁翻樁主吊、穩(wěn)樁平臺(tái)安拆、錘擊沉樁等作業(yè)，鎮(zhèn)航工868主要負(fù)責(zé)鋼管樁翻樁輔吊，液壓沖擊錘放置在起重29上，穩(wěn)樁平臺(tái)放置于自航駁上。

主要作業(yè)場(chǎng)所為起重29船甲板面，自航駁用于穩(wěn)樁平臺(tái)及液壓沖擊錘的儲(chǔ)存與運(yùn)輸，計(jì)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(jiàn)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?yàn)闁|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(zhǎng)600 m；右前方兩口錨與左前方錨纜對(duì)稱(chēng)，左后方設(shè)置兩口錨，與船體風(fēng)向夾角分別為45°及55°，纜繩長(zhǎng)600 m，右后方設(shè)置一口錨，與船體方向夾角為55°，長(zhǎng)600 m。起重29下錨示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 起重29下錨示意圖

4.2 穩(wěn)樁平臺(tái)吊裝

穩(wěn)樁平臺(tái)放置于自航駁上，自航駁靠于起重29左舷，穩(wěn)樁平臺(tái)開(kāi)口處朝向起重29吊機(jī)方向，通過(guò)起重29全回轉(zhuǎn)大臂進(jìn)行穩(wěn)樁平臺(tái)吊裝。吊裝前將1名起重指揮、7名作業(yè)人員(包含焊接人員)及2名測(cè)量人員吊至穩(wěn)樁平臺(tái)頂，搭設(shè)人行梯供測(cè)量人員進(jìn)行穩(wěn)樁平臺(tái)定位(首根樁采用星站差分技術(shù)，后續(xù)樁采用GPS定位)，隨后施工人員利用索具鉤輔助完成穩(wěn)樁平臺(tái)吊索具掛鉤，掛鉤示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 掛鉤示意圖

掛鉤完成后，將穩(wěn)樁平臺(tái)吊至船艏，龍口方向與船體右舷方向相同，穩(wěn)樁平臺(tái)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(nèi)。并根據(jù)測(cè)量人員反饋，由起重指揮指揮起重機(jī)將穩(wěn)樁平臺(tái)放置于設(shè)計(jì)要求位置，4名施工人員位于甲板通過(guò)纜繩調(diào)整穩(wěn)樁平臺(tái)方向，使穩(wěn)樁平臺(tái)與船體平行，龍口朝向與船體方向相同。穩(wěn)樁平臺(tái)安裝示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 穩(wěn)樁平臺(tái)安裝示意圖

4.3 鎮(zhèn)航工868駐位

穩(wěn)樁平臺(tái)安裝同時(shí)，鎮(zhèn)航工868開(kāi)始駐位，船體方向與起重29平行，吊機(jī)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(zhǎng)均為400 m。鎮(zhèn)航工868駐位示意圖見(jiàn)圖8。

圖8 鎮(zhèn)航工868駐位示意圖

4.4 運(yùn)樁船駐位

穩(wěn)樁平臺(tái)施工及鎮(zhèn)航工868駐位完成后，運(yùn)樁船從起重29船頭沿圖示路線駛?cè)耄诓慌鲎叉?zhèn)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(guò)纜繩連接。運(yùn)樁船駐位同時(shí)，起重29開(kāi)始掛主吊耳吊索具，鎮(zhèn)航工868掛輔吊耳吊索具，掛鉤及運(yùn)樁船駐位完成后，起重指揮分別指揮起重29及鎮(zhèn)航工868起重船吊鋼絲繩至相關(guān)位置，施工人員使用撬棍完成主吊耳掛鉤，通過(guò)爬梯登至鋼管樁上方，完成副吊耳掛鉤。運(yùn)樁船駐位示意圖見(jiàn)圖9。

圖9 運(yùn)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(guò)指揮起重29及鎮(zhèn)航工868完成鋼管樁實(shí)現(xiàn)鋼管樁平吊，吊起離馬鞍架約50 cm處停止，靜觀30 s左右，無(wú)異常后鋼管樁繼續(xù)提升，超過(guò)運(yùn)輸船駕駛室時(shí)，運(yùn)輸船解纜，起錨沿原路撤離。起重29與鎮(zhèn)航工868繼續(xù)配合完成翻樁，樁身豎直后，施工人員拽出下吊點(diǎn)卸扣螺栓，平臺(tái)起重指揮指揮龍口抱樁器處于最大開(kāi)口狀態(tài)，通過(guò)起重29調(diào)整大臂角度，在起重29始終處于最大吊重過(guò)程中，使鋼管樁緩慢移入龍口，過(guò)程中將抱樁器內(nèi)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(jìn)入抱樁器后，關(guān)閉抱樁器，插入抱樁器前端插銷(xiāo)。根據(jù)船舶駐位方向調(diào)整吊耳位置，使鋼管樁入龍口完成后，塔筒門(mén)方向與設(shè)計(jì)方向大致相同。導(dǎo)向平臺(tái)設(shè)置定滑輪，鋼管樁入龍口完成后，焊接臨時(shí)轉(zhuǎn)向吊耳，利用索具鉤吊鋼絲繩，通過(guò)定滑輪改變鋼絲繩方向，連接樁身吊耳，通過(guò)索具鉤起落微調(diào)鋼管樁方向。鋼管樁翻樁示意圖見(jiàn)圖10。

圖10 鋼管樁翻樁圖

5 結(jié) 語(yǔ)

為解決海上復(fù)雜環(huán)境下，大直徑鋼管樁在實(shí)際施工過(guò)程中人為轉(zhuǎn)向較困難，方向控制難度較大的問(wèn)題。提出一種海上風(fēng)機(jī)大直徑鋼管樁基礎(chǔ)的起吊施工方法。

首先，介紹了鋼管樁的施工共有3個(gè)工作面，其中，工作面1和2主要負(fù)責(zé)鋼管樁的起吊施工。工作面1使用1 200 t全回轉(zhuǎn)起重船起重29進(jìn)行主吊作業(yè)，使用700 t固定扒桿起重船—鎮(zhèn)航工868進(jìn)行輔助抬吊作業(yè)。

其次，測(cè)量定位主要采用GPS定位坐標(biāo)系統(tǒng)，先采用星站差分技術(shù)RTX進(jìn)行船舶和抱樁器定位，抱樁器安裝完成后用靜態(tài)差分對(duì)星站差分成果進(jìn)行校核。

最后，提出工作面1中起重29駐位、穩(wěn)樁平臺(tái)吊裝、鎮(zhèn)航工868駐位、運(yùn)樁船駐位、鋼管樁翻樁等5項(xiàng)關(guān)鍵施工技術(shù)。