深水导管架式风机基础安装平台设计及施工

李辉，林振东

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200120）

0 引言

风力发电清洁高效，是国家倡导的绿色能源发展方式。我国海岸线绵长，风能资源丰富，大力发展海上风力发电是大势所趋。海上风电的开发利用需要建设海上风场，而风电装备的基础管桩施打又是极为重要的环节。东南沿海的广东、福建海域是我国风能资源最丰富的地区之一，适合大规模海上风电开发。但该区域地质条件复杂，既有砂土地质，又有岩基地质，规划风场的水深也比较大，普遍在15~30 m 之间，而且因该区域直接面对南海外海及台湾海峡，风况和海况对于风场建设来说都是极为恶劣的。这些不利条件对于风场建设，尤其是风机基础的安装提出了严峻的挑战。

通常来说，水深超过20 m，海上风机基础将由单桩基础转变为多桩导管架基础，即需要安装4 个导管架基础桩[1-4]。随着水深的增加，海上施工环境愈发恶劣复杂，施工设备需要在克服风、浪、流等环境载荷影响下保持作业能力。自升式风电安装船，可保证在较恶劣海况下的施工进度和精度要求，但数量供不应求，另外基础桩深水嵌岩施工作业周期长，风电安装船日租费高昂，长期租赁成本巨大。为此，在确保施工进度和精度的前提下，配合小型运输船、浮吊等日租费相对较低的船舶来代替自升式风电安装船，设计出一套简便、高效的基础桩施工平台进行基础桩打设和嵌岩施工作业就显得十分必要了。

1 工程概述

国内已建、在建的海上风电场大多集中在浅水砂土地质海域，该海域地质较软，常使用液压冲击锤进行沉桩，技术较为成熟。而福建、广东等地多为岩基地质，硬度大，最大饱和抗压强度约为130 MPa，需要进行嵌岩施工。目前仅有个别企业在此种地质上成功实施过单桩基础的嵌岩施工，但对于深水导管架式基础的嵌岩施工，国内暂时处于空白状态。目前广东阳江有项目正在进行实验性施工，阳江沙扒风场水深23～27 m 之间，是国内在建风场中水深较大的区域。对该海域现有工程地质进行钻孔分析可知，场区多处机位覆盖层厚度在10~20 m 范围内，较大一部分机位持力层为碎块状、强风化基岩且厚度较大（≥10 m），最大饱和抗压强度超过60 MPa，部分机位的基础桩施工需要嵌岩。考虑到自升式风电安装船设备紧缺且费用高昂，基于该风场项目的水深、地质特点及风机基础形式，设计了一套导管架式风机基础安装平台，该平台结构简单轻便、便于安装和拆解，能够满足海况和地质的要求，实现四桩导管架基础的打桩、嵌岩、灌浆等施工任务。

2 安装平台结构

为了确保导管架基础桩沉桩施工的精度，方便钻孔嵌岩，根据施工区域的平面尺寸及精度要求，设计研发了1 套深水导管架式风机基础安装平台（后简称安装平台），用于替代自升式风电安装船。该平台既适用于软底泥土地质，也能够满足岩基地质嵌岩施工的要求。具有承受设计条件内的风、浪、涌等环境载荷，满足嵌岩施工钻机产生的震动载荷及承载安装平台本身与钻机设备、辅助工装设备等重量的能力。

安装平台设计思路如下：

1）为了保证安装平台的刚度和强度，本平台分上下两层进行设计，同时也保证了储物空间的位置。

2）共设5 根桩腿。四角各1 根，作为安装平台主要承力桩，用于调平及最终固定安装平台主体结构；中间1 根，上端设计有法兰，用于安放50 t 吊机，作为后续施工过程中的起吊设备。

3）平台四周设有4 个基础桩导向槽口，槽口内设置可移动的基础桩导向装置，用于调控基础桩的垂直度，并且可在一定范围内调整基础桩间距，以适用于不同导管架尺寸的风场。

4）钻机、发电机等一系列设备可直接存放在安装平台上储物空间内，海上施工时，设备与平台整体起吊，减少了起吊次数。

5）安装平台采用卡键联接形式，可快速将平台主结构与桩腿联接成一个整体。

基于上述思路，深水导管架式风机基础安装平台主要构件分为：平台主结构、5 根桩腿、50 t船用吊机、1～2 套钻机设备、其余配套部件等6部分。平台主结构上设计有桩腿导向套，桩腿的下段与导向套的间隙略大，以便通过，上段则与导向套内孔采用较为精密的间隙配合，并与导向套间用卡键式联接方式联接，卡键联接的轴向间隙用螺杆（钉）调节。

图1 为安装平台总布置图。

图1 安装平台总布置图Fig.1 General plan of installation platform

安装平台主要结构参数见表1。

表1 安装平台结构参数Table 1 Structure parameters of the installation platform

3 安装平台作业工况分析

为了保证安装平台在安装、钻孔及拆除回收作业过程中的结构安全，结合风机基础安装的施工方案、安装平台作业工况要求、项目场址的环境数据以及土壤数据，建立了安装平台的有限元模型，进行如下工况分析[5-9]：

1）作业（钻孔）工况：安装平台就位、钻机安装完成，在钻孔作业情况下，进行平台承受外部环境力作用的整体结构校核。校核环境条件为1 a一遇的环境数据：波高3 m，波浪周期7 s；风速13.8 m/s；流速 1.24 m/s。

2）风暴自存（极限环境条件）工况：钻机、吊机拆除，作业平台承受外部环境力作用下的整体结构校核。校核环境条件为：波高10 m，波浪周期9 s；风速52.5 m/s，流速1.24 m/s。

3）桩腿打入深度分析：安装平台计算重量约为2 000 t，扣除浮力影响，桩腿实际需承受重量为1 840.5 t。每根桩腿需要的承载力为368.1 t。

由表2 计算结果可知，上述工况均满足强度要求。

表2 作业工况计算结果汇总表Table 2 Summary table of calculation results of operating condition

4）整体动态分析：为保证钻孔过程中，安装平台振动频率避开钻机钻孔工作振动频率，以避免共振产生较大的动态响应载荷，保证钻孔施工过程安全。

由表3 计算结果可知，采用5 根桩腿或4 根桩腿的情况下，平台最大位移均较小。钻机钻孔作业频率与安装平台自振频率相差很远，远远大于20%，钻机作业过程中与安装平台不会发生共振现象。

5）拆除作业工况：作业顺序为先拆除中间桩腿，然后将平台吊起，最后拔出其余4 根桩腿。经计算，拆除过程中平台吊起时其横向加速度不能超过5 m/s2，否则，桩腿易屈曲损坏。

表3 动态分析结果汇总表Table 3 Summary table of dynamic analysis results

6）桩腿拔桩力分析：拔桩力主要来自桩腿与土体之间的摩擦力。经计算，考虑桩腿经过2 个月施工工期后再拔出，其拔桩力不超过450 t（不考虑桩自身重量和浮力的影响）。

4 安装平台嵌岩施工工法及环境要求

4.1 施工工法

根据阳江沙扒风场的水文、地质资料、设计水位及环境载荷条件，结合设计的四桩式导管架风机基础形式，采用本安装平台进行基础桩施工编制的工法如下所述：

1）用小型运输船将安装平台主结构、桩腿、吊机等构件及设备运输到指定风场海域。

2）浮吊与运输船进入风场，在指定位置抛锚定位。根据机位的地勘、水文资料等提前计算插桩深度。利用浮吊安装平台四角的桩腿，然后浮吊将安装平台整体吊起后，将卡键卡紧，运输船撤离。浮吊缓慢下降，依靠安装平台自重将桩腿沉入海床一定深度，再用振动锤将4 根桩腿逐一打到设计深度。

3）利用浮吊安装中间桩腿并用振动锤将其打到设计深度，利用浮吊及卡键将安装平台调平，通过测量，保证安装平台的水平度。

4）安装平台整体平稳后，安装50 t 吊机。

5）浮吊吊装导管架基础桩，利用振动锤插打基础桩，如图2 所示。如遇有岩层不能顺利沉桩，则架设钻机进行钻孔作业，再继续将导管架基础桩打入设计标高。

图2 基础桩安装示意图Fig.2 Schematic diagram of foundation pile installation

6）4 根基础桩均到位后，水下截桩，该桩位基础桩打桩作业结束。

7）拆除中间桩腿上的50 t 吊机。

8）运输船在安装平台附近抛锚定位，松开5根桩腿的卡键后、利用浮吊将安装平台吊至运输船甲板。

9）利用浮吊依次拔起5 根桩腿，放置于运输船上，运输船驶向下个机位。

4.2 环境要求

浮吊、运输船现场移船定位、基础桩起吊、沉桩与钻岩施工过程中具体风速要求如表4。

表4 施工环境条件Table 4 Construction environmental conditions

5 结语

针对深水嵌岩沉桩施工作业周期长、施工设备短缺、费用高昂等问题，设计的深水导管架式风电基础安装平台及编制的施工工法，经计算，该安装平台完全满足所在风场施工工况要求，并具有以下优点：

1）相比自升式风电安装船，采用该安装平台进行打桩，作业成本大幅降低。

2）借助小型运输船，采用浮托方式安装该平台，节省了采用大型浮吊或安装船安装该平台的费用。

3）在安装平台上配备了两层设备储存空间，钻机等设备直接放置在安装平台内，海上施工时，与平台整体起吊，大大减少了起吊的次数。

4）该安装平台可架设钻机，既适用于软基地质也适用于岩基地质，适用性范围广。

5）该安装平台突破了浅水的限制，适用于深水导管架式风机基础的安装，拓展了海上风场的施工范围。

6）该安装平台上设置有可移动的基础桩导向装置，可在较大范围内调整基础桩间距，适用于不同导管架尺寸和基础桩直径的风场，大大增强了安装平台的通用性。