深水、惡劣海況下大噸位吸力式導管架風機基礎施工方案分析

■郎綠原 艾四芽 曾憲仁 程細平 李明林 席仁強 黃金星 劉 超

（1.中鐵大橋局集團有限公司，武漢 430050；2.福建省交通科技發展集團有限責任公司，福州 350004；3.福州大學，福州 350108；4.常州大學，常州 213164；5.福建路港（集團） 有限公司，泉州 362000；6.福建省燕城建設工程有限公司，廈門 361000）

為實現雙碳目標，我國計劃在“十四五”期間完成風電新增裝機容量2.5 億kW。 福建海域年均風速高，可開發風能資源豐富，靠近粵港澳大灣區，便于就地消納，福建海域是我國海上風電開發的重點區域。 然而，該區域海上風電場建設、運營面臨著惡劣施工環境和地震等自然災害的威脅[1]。 為保證海上風機基礎施工安全與高效，通過改進導管架制造、吊裝和施工現場觀測監測技術，提高大型吸力式導管架風機基礎施工效率。 結合橋梁和石油天然氣行業導管架基礎施工技術與經驗[2-5]，基于工程實踐，本研究提出了一套大型吸力式導管架風機基礎施工方案，可解決惡劣海況下導管架深水施工難題。

1 吸力式導管架制作施工程序

吸力式導管架在工廠整體制造，利用大型浮吊整體吊裝至運輸船上并進行裝船加固，運輸至施工現場后， 再次利用大型浮吊將導管架整體吊裝下放，采用負壓系統輔助導管架沉貫入泥就位，最后進行筒內灌漿施工。

1.1 吸力式導管架制造

吸力式導管架采用“分段臥式拼裝+節段翻身總拼”制造技術[6]。 先預制過渡段、吸力筒、架體三個大分段，各分段安裝完成相關附屬結構后，在碼頭前沿利用大型龍門吊進行過渡段與架體合攏，然后采用浮吊將架體翻身與吸力筒進行最終大合攏，完成導管架整體制造。采用V 型架體整體制造翻身與平胎架體合攏方案，使得所有焊接工作均在1.5 m左右的高度進行，避免了傳統架體合攏工藝的高支撐柱搭設、高處作業，可降低作業風險，并提高作業效率。 導管架V 型架體制作見圖1，架體與平胎架體合攏見圖2，傳統架體合攏工藝見圖3。

圖1 V 型架體制作

圖2 V 型架體與平胎架體合攏

圖3 傳統架體拼裝工藝

吸力式導管架在碼頭前沿制造完成后，利用浮吊將導管架整體吊裝至6 萬噸級運輸船上，實現超大型吸力式導管架批量運輸，單航次可運輸5 套。 相對于傳統的模塊車滾裝及滑移裝船方案，整體吊裝裝船具有不受潮位影響、對碼頭前沿施工場地需求低、裝船布置靈活的特點。 為保證運輸的安全，根據裝船綁扎方案，對運輸船舶穩性、甲板強度、運輸工裝強度、連接焊縫強度、導管架筒壁屈曲等進行驗算[7]。

1.2 吸力式導管架安裝

吸力式導管架采用浮吊整體吊裝下放，在自重作用下完成下沉、吸力筒內土塞形成有效密封后，通過吸力泵進行筒內抽水形成內外壓差促使導管架沉貫到位[4]。 導管架負壓下沉原理見圖4。 下沉過程中，通過負壓系統精準控制并調整每個吸力筒的內外壓差，從而控制各吸力筒下沉速度，保證下沉過程導管架整體水平度。 負壓系統采用“單筒單泵”工藝，即每個吸力筒采用1 個吸力泵進行控制，相對傳統的“單泵多筒”工藝，其負壓下沉速度更快，導管架調平精度更高。

圖4 負壓下沉原理

1.2.1 運輸船、浮吊拋錨定位

運輸船、浮吊均采用多錨定位，兩船呈“T”字形站位，根據橫水試驗，浮吊順水、運輸船橫水時，兩船相對起伏、晃動幅度最小。 現場施工時，應根據機位情況及當天海況，結合數值仿真[9]，制定當前機位的具體拋錨方案及兩船艏向并計算各錨點坐標，拋錨艇嚴格按錨點坐標進行拋錨作業。 運輸船、浮吊拋錨示意見圖5。

圖5 運輸船、浮吊拋錨圖

受浮吊吊幅控制，導管架掛鉤時兩船之間的距離較小， 浮吊船艏2 根前進纜將穿過運輸船船底，存在纜繩兜掛運輸船船底及螺旋槳的問題，兩船絞錨貼近前要求浮吊船艏2 根前進纜必須保持松弛，為確保浮吊船體穩定及兩船相對位置調整，在兩船之間掛設3 道高強纜繩。

1.2.2 負壓系統安裝

運輸船、浮吊拋錨定位完成后，進行負壓系統安裝。 負壓系統由3 臺吸力泵+3 條臍帶纜+3 套動力滑輪+1 臺中控室組成，吸力泵安裝在導管架吸力筒頂，中控室、動力滑輪擺放在浮吊上，臍帶纜連接吸力泵和中控室。

圖6 負壓系統布局

1.2.3 導管架起吊、定位

導管架3 個主吊耳設置在過渡段頂3 個支撐柱上，采用插入式井字形吊耳。 為保證能快速完成掛鉤，廠內在吊耳側板上提前安裝好手搖鎖銷裝置。手搖鎖銷裝置裝好后，只需轉動手輪帶動頂進絲桿轉動即可輕松將銷軸頂入耳板內。 相對于傳統銷軸安拆，具有省時省力特點。 吊耳及手搖鎖銷裝置設計見圖7。

圖7 吊耳及手搖鎖銷裝置設計

導管架吊具采用可拆卸三點組合式結構，通用性強，適用于單拔桿四主鉤、雙扒桿四主鉤、單拔桿雙主鉤浮吊。 吊具分為上下兩部分，上吊具為變截面箱型梁結構，下吊具為三角錐型結構，上下吊具通過軟吊帶連接。 吊具結構見圖8、9。 導管架起吊時， 浮吊四主鉤通過4 根軟吊帶與上吊具連接；下吊具通過3 根軟吊帶與吊耳連接。 在吊具底部設置導向裝置確保吊具與吊耳快速順利連接。

圖8 吊具立面圖

圖9 吊具側面圖

導管架起吊后，解除浮吊與運輸船的3 根高強系纜，浮吊絞錨后移，并調整船位至設計位置后緩慢落鉤，進行導管架自重下沉，通過負壓系統3 個吸力泵進行導管架水平度調整，見圖10。

圖10 導管架定位、自重下沉

1.2.4 導管架負壓沉貫

導管架自重下沉完成后， 進行導管架負壓沉貫。 導管架沉貫施工過程中，需對吸力筒內外壓差、導管架水平度進行監測和控制：實際吸力不宜超過該機位沉貫過程中土塞失效的允許吸力控制線，確保下沉過程不發生土塞失效；實際吸力在任何情況下不允許超過該機位沉貫施工屈曲控制曲線，避免筒壁屈曲造成沉貫失?。粚Ч芗芑A頂法蘭水平度要求≤2‰。

沉貫結束標準以吸力筒外側入泥深度為控制標準，筒內泥面高程作為輔助指標。 通過固定在吸力筒外壁的水下攝像頭觀測筒外實際入泥深度，相對于傳統的潛水員水下觀測，其安全性更高，相對于水下機器人觀測，其不受海況影響，環境適應性更好。 通過負壓系統中控室實時顯示的導管架水平度、筒內外壓力差、筒內泥面高程控制每個筒頂吸力泵進行導管架水平度及下沉速度調整，使導管架平穩沉貫至筒內泥面距離吸力泵口極限位置。 沉貫到位后，進行吸力式導管架摘鉤及吸力泵回收。

1.2.5 導管架灌漿

當吸力筒完成沉貫時，可能因海床不平整或傾斜、土塞沉降等原因導致吸力筒內海床和筒頂蓋存在局部間隙，需采用灌漿料填滿空隙，以確保頂蓋和海床之間達到有效接觸。 所選用的灌漿料應具有零泌水率、低密度（和海床表層土相同）、低強度、自流平特性。 導管架灌漿前由潛水員在每個吸力泵口安裝水下攝像頭用于溢漿觀測。

2 工程案例分析

2.1 工程概述

長樂外海海上風電場A 區項目位于福州市長樂區東部海域，場址距離長樂海岸線32～40 km，水深39～45 m，場址面積32.1 km2。風電場總裝機容量300 MW，共布置37 臺風機，單機最大容量10 MW。其中，該項目15 臺風機基礎采用吸力式導管架結構型式。

2.2 吸力式導管架結構

吸力式導管架由主體結構（吸力筒、架體、過渡段）和附屬結構組成[10]。 該項目15 臺吸力式導管架結構形式、尺寸相似。以A13 機位導管架為例，筒頂蓋直徑12 m，筒壁厚35～45 mm，筒頂蓋設置加強段，吸力筒高度25 m，入土深度24.5 m。 導管架高87.95 m，重2350 t，吸力筒中心間距30.335 m，過渡段支撐柱中心間距15 m，導管架總體結構見圖11。

圖11 吸力式導管架總體結構

2.3 工程施工流程

在碼頭前，采用900 t 龍門吊將導管架與過渡段合攏，隨后通過3 000 t 浮吊，將架體翻身與吸力筒合攏。 在運輸前，根據綁扎方案，浮運期間海洋氣象條件，通過數值仿真，對船舶、和導管架進行校核。運抵現場后，按照運輸船、浮吊拋錨定位→負壓系統安裝→導管架起吊、定位→導管架負壓下沉→導管架灌漿流程進行安裝。

運輸船和浮吊均采用8 錨定位，錨纜長度分別為500 m 和1 000 m。在拋錨時，“大橋海鷗號”浮吊提前在設計機位處拋錨定位完成后，后退200 m，運輸船再進位拋錨，然后大橋海鷗再重新進位，進位過程掛設3 根高強纜繩，松前進纜。 導管架吊裝見圖12。

圖12 吸力式導管架吊裝實例

在導管架定位時，本項目在導管架頂平臺預裝2 臺GPS，測量數據實時傳輸至“中鐵大橋局施工管理BIM 平臺”，見圖13。 指揮人員在后臺根據實時顯示的偏差數據指揮浮吊絞錨調整導管架平面位置及扭轉角，實現導管架快速精確定位，并結合施工方案的基礎結構動力仿真結果，為施工安全提供線上預警。 在安裝現場，為確定吸力筒土塞形成，通過布置于筒身的攝像頭實施觀測吸力筒入土情況，見圖14。

圖13 BIM 云測量定位系統界面（俯視圖）

圖14 筒外入泥觀察攝像頭及實時觀測影像

3 結語

本項目以國內首座外海風電場吸力式導管架基礎施工為背景，從導管架制造、吊裝、深水快速精確定位及沉貫、水下灌漿等5 個方面，介紹了一種可適用于深水、惡劣海況下的大頓位吸力式導管架基礎施工技術，施工過程創造了66 h 完成5 套海上吊裝的施工記錄，為后續同類型海上風電基礎施工積累了可靠的經驗。