海上風電大直徑單樁穩樁平臺翻身施工技術

◎ 劉永平 韓天星 唐子昭 保利長大工程有限公司

在海上風電單樁基礎施工中，由于水文、地質、氣象等環境因素多變，為保證單樁沉樁質量，需要采用穩樁平臺來輔助單樁基礎沉樁。

國內常用的穩樁結構，主要有船載抱樁器，四樁支撐的獨立式穩樁平臺和自升式支腿船穩樁平臺[1]。其中四樁支撐的獨立式穩樁平臺因其海域適應性強，穩定性好，造價便宜被廣泛應用于國內風電場施工，但又因其首次現場安裝工藝復雜困難的缺點給施工造成一定難度[2]。下面結合具體工程實例，來探討穩樁平臺安裝施工技術。

1.工程概況

某科研示范項目場址位于廣東省陽江市陽西縣沙扒鎮附近海域。場址水深范圍27m～32m，中心離岸距離約31km。本工程單樁基礎數量為43臺，樁徑為7.5～9.0m，樁頂標高為+18.00m，樁長96.68～104.7m，樁重1429.38～1713t。

穩樁平臺重約800 t，平臺高51.2m（平臺模型詳見圖1）。抱樁器設計為上下兩層，間距為15m。抱樁器抱樁適用范圍：Φ7m-Φ10m。每層抱樁器上布置四個油缸，推力200t，每個油缸行程1500mm。輔助樁與導管架架體通過焊接連接板與輔助樁固定在一起[3]，底部設置防塵板與浮力筒來調整重心，保證架體穩定。

圖1 穩樁平臺模型圖

2.穩樁平臺翻身方案比選

由于穩樁平臺豎直運輸重心較高，海上運輸時要經過某些大橋，考慮其橋面凈高可能不夠，為降低運輸中的風險，穩樁平臺采取趟運方式運輸至施工現場，在現場翻身的方式完成穩樁平臺豎直。穩樁平臺運輸前需在加工廠內掛設翻身鋼絲繩。根據吊耳設計位置在穩樁平臺頂部掛4根主鋼絲繩，在防沉板浮筒底部位置掛2根翻身鋼絲繩。

2.1 方案一：一艘全回轉起重船翻身

穩樁平臺裝船時頂部靠近運輸船船艏放置，防沉板放置在靠近駕駛臺的一側（如圖2所示）。起重船船尾與運輸船船艏靠泊，運輸船船艏與起重船帶纜連接，船尾拋錨。起重船主鉤掛4根鋼絲繩，副鉤掛2根翻樁鋼絲繩。翻樁過程中，首先采取同時水平抬吊的方式將穩樁平臺提升至一定高度后，運輸船離駁。然后主鉤上升，副鉤下降的方式實現穩樁平臺豎轉。

圖2 穩樁平臺方案一翻身模擬圖

2.2 方案二：一艘全回轉起重船+一艘固定臂架起重船

穩樁平臺裝船時頂部靠近運輸船駕駛臺的一側防沉板放置在靠近船艏放置（如圖3所示）。到現場后起重船在機位處就位，運輸船船尾與起重船船艏并靠。運輸船不拋錨通過纜繩與起重船連接，最后固定臂架起重船進位拋8個錨固定。船舶具體位置如圖3所示。

圖3 穩樁平臺方案二翻身模擬圖

使用全回轉起重船主鉤掛4根主鋼絲繩，固定臂架起重船掛2根翻身鋼絲繩。翻身時全回轉起重船順時針旋轉臂架，同時主鉤上升，翻身鋼絲繩下降，完成穩樁平臺豎轉。

2.3 方案三：兩艘全回轉起重船

穩樁平臺裝船方式與方案一相同（如圖4所示）。到現場后主起重船在機位處拋錨就位，輔助起重船并靠泊主起重船左舷，通過帶纜與主起重船固定。穩樁平臺頂部靠主起重船，防沉板一側靠輔助起重船，運輸船通過纜繩固定到兩船上。主起重船掛4根主鋼絲繩，輔助起重船掛2根翻身鋼絲繩。穩樁平臺水平抬吊后，運輸船在拖輪拖帶下離開施工水域。然后兩艘起重船主吊相向旋轉，主吊機上升，輔助吊機下降，完成穩樁平臺豎轉。

圖4 穩樁平臺方案三翻身模擬圖

2.4 方案選擇

如表1對比分析所示，方案三雖然經濟成本較高，但是施工準備時間短，操作工序少，施工工效高，實際風險較低。經過三維模擬工況對比分析，此方案較為可行。故選擇第三種方案進行施工。

表1 方案對比表

3.穩樁平臺實際應用驗算

為了保證穩樁平臺在翻身過程中自身結構及鋼絲繩受力安全，采用Midas Civil建模對其翻身過程中的不同工況進行計算分析。模型建?？紤]如下：

①穩樁平臺的立柱、橫撐、斜撐和平臺橫梁采用梁單元建立；

②非主要結構受力構件包括防沉板、欄桿和扶梯、抱臂、加勁板和浮力桶建立為節點質量；

③立柱等開口板件的浮力按結構體力建模；

④斜撐、橫梁和浮力桶的浮力按閉口桿件的排水計算然后作為單元線荷載加載；

⑤鋼絲繩采用索單元模擬：導管架上部吊點采用的鋼絲繩為Φ210mm的無接頭鋼絲繩，下部吊點采用Φ156mm的無接頭鋼絲繩。鋼絲繩根據其截面、材料特性和初始長度進行建模，建模圖如圖5所示。

圖5 Midas Civil建模示意圖

吊裝控制在低風速情況下完成，計算分析中主要考慮重力的作用。在開敞無掩護的海上吊裝，對吊點和直接與吊點連接的結構構件設計，應取最小為2.0的荷載系數去乘所得的靜荷載。因此，在分析中重力取2.0的系數。

為了準確模擬導管架上的吊點位置，在吊點位置建立節點，該節點采用剛臂與相近立柱節點連接，上下吊點位置如圖6和圖7所示。

圖6 穩樁平臺頂部吊點

圖7 穩樁平臺底部吊點

通過建模，模擬翻身過程中幾個受力工況，分析穩樁平臺及鋼絲繩的受力變化。具體工況及受力情況見表2所示。

表2 穩樁起吊過程中受力變化表

經過計算分析不同工況下的穩樁平臺翻身過程，下吊點鋼絲繩的最大受力為4224kN，出現在翻身的初始階段；上吊點鋼絲繩最大受力為4384kN，出現在翻身完成后。且翻身過程中，下吊點鋼絲繩受力逐漸減小，上吊點鋼絲繩受力逐漸增大。穩樁平臺的最大應力為164MPa，出現在翻身初階段，為上層平臺梁的拉應力。以上分析結果顯示：采用雙吊機翻身工程中，吊鉤和鋼絲繩的受力滿足結構自身和鋼絲繩的承載力要求。

4.總結

根據穩樁平臺的出運方式，考慮了三種翻身施工的施工工況，根據現場的實際情況比選出雙回轉船抬吊為最優施工方案，通過對此種工況進行吊點建模模擬，計算分析出最不利情況下的平臺最大應力，保證現場實際施工的安全與高效。此種多工況對比方法為以后類似的施工項目提供了一種良好的借鑒思路，希望對以后的海上風電工程起到相關參考作用，進一步提高我國海上風電工程的建設水平。