海上风电单桩稳桩平台施工技术研究*

文/袁洋洋

0 引言

随着经济快速发展和城市化进程加快，在用地愈发紧张的密集型城市周边开发、改造大型风力发电项目已成为一种必然趋势，诸如山顶风力发电、海上风力发电等。目前，随着国家海洋开发规模的扩大，海上风电施工项目逐渐增多，项目离岸也越来越远，随之而来的是对于外海超大型钢管桩沉桩稳桩平台施工技术的改进需求越发紧迫。通过对目前主流的起重船搭设导管架稳桩平台、专用自升式风电安装平台+双层抱桩器、驳船+抱桩器稳桩平台的研究，结合现场施工情况，本文提出了一种自坐底式稳桩平台施工方法，可独立辅助作业船舶施工。坐底式稳桩平台具备工程桩的沉桩作业及调节桩身垂直度的功能，且满足在可作业天气下受海洋风、浪、流影响下的施工需求，施工工效更高，船机数量需求更少，经济性更好。

1 工程概况

本文以华能大连市庄河海上风电场为研究对象，项目位于大连市庄河海上风电IV1场址，场址中心离岸距离约35.2km，水深约为26m～34m，规划面积约为55.8km2，装机规模为350MW，项目工程主要包括25台6.2MW 级风机基础施工及机组安装，其中单桩基础 25 台（单桩直径6.5m～8.5m，桩长约为85m～95m）、26 台7.5MW 级风机基础施工及机组安装，其中单桩基础 26 台（单桩直径为7.5m～8.6m，桩长约为85m～95m）和1座 220kV海上升压站。沉桩施工时受水文气象、地质条件的影响较大，尤其外海海洋气候恶劣，作业难度和施工风险较高。

2 各工况下稳桩平台适应能力分析

坐底式单桩稳桩平台将从运输、吊运、安装、插入定位桩、入桩稳定等不同工况及相应的荷载工况进行适应能力分析。

建模分析采用Plaxis 有限元分析软件，稳桩平台及定位桩均采用梁单元整体建模，通过节点耦合方式连接，上层油缸平台耦合UX、UY、UZ 三个方向自由度，下层油缸平台耦合UX、UY 两个方向自由度。导向油缸用质量单元MASS21模拟，与相应梁结构区域建立刚性区域。

2.1 工况1——定位桩未安装

此工况下四根定位桩未安装，稳桩平台放置于海床面，稳桩平台承受自重载荷、工作风载荷及水流冲击，校核结构强度、刚度及平台抗倾覆稳定性，稳桩平台综合应力为96MPa，小于此工况许用应力的252MPa，满足要求。最大综合位移为42mm，位于顶部导向钢管处。

2.2 工况2——定位桩依次安装

此工况下稳桩平台放置于海床面，平台承受自重载荷、工作风载荷及水流冲击，四根定位桩依次安装并靠其自重沉入海床面（沉入深度依地质情况而定，本计算中拟定为8m），定位桩承受水流冲击和风载荷。此工况依次校核安装第1根～第4根定位桩后的平台抗倾覆稳定性。因平台纵向和横向外部载荷值较接近，且横向载荷值稍大，故此工况仅校核平台横向抗倾覆稳定性。

∑横向稳定力矩=（M－F浮）×11.7m=8041 t·m。

∑横向倾覆力矩=Pwh1×45.5m ＋4×P桩w2×70m ＋F平台水流力×16.25m＋4×F定位桩水流力×16.25m=1812 t·m

横向稳定系数=∑横向稳定力矩/∑横向倾覆力矩=4.4，校核通过。

2.3 工况3——打桩作业

此工况下四根定位桩已插打入海床面以下25m，稳桩平台自重由海床面承载，作业载荷由导向油缸承载，四根定位桩承受平台自重载荷、水流力、导向油缸力300吨，作业工况分别按无风作业和有风作业计算。上层抱箍导向油缸承载力方向按四种加载工况分别计算。

打桩作业加载工况，平台最大综合应力为209MPa，定位桩最大综合应力为107MPa，小于此工况许用应力223MPa，满足要求。最大综合位移为147mm。

2.4 工况4——定位桩挂在稳桩平台上时竖直吊装

此工况下四根定位桩挂在稳桩平台上整体起吊，平台及定位桩承受自重载荷以及泥土层对定位桩的吸附力。校核结构强度及整体吊点局部强度。

定位桩导向钢管及吊点部位采用SHELL 单元模拟，其余采用梁单元BEAM188模拟，定位桩重量通过质量单元MASS21施加于导向钢管顶端。梁单元最大综合应力为166MPa，导向钢管及吊点部位最大综合应力为240MPa，均小于许用应力252MPa，满足要求。

2.5 工况5——稳桩平台吊装翻身

平台采用浮吊整体吊装翻身，顶部有4个整体吊点，下部有2个辅助翻身吊点，整体起吊空中翻身。校核稳桩平台结构强度及整体吊点局部强度。

此工况下先采用梁单元整体模拟计算，然后对导向钢管及翻身吊耳做局部SHELL63单元建模计算。梁整体模型最大综合应力为148MPa，导向钢管及吊点部位最大综合应力为243MPa，均小于许用应力252MPa，满足要求。

2.6 工况6——拖航

此工况下四根定位桩不挂在稳桩平台上，稳桩平台水平放置在船上拖航，稳桩平台承受自重载荷、风载荷及拖航动载荷（垂直加速度为4.408m/s2，水平纵向加速度为0.759m/s2，水平横向加速度为6.340m/s2），船舶横倾12度、纵倾5度，风速≤28m/s。

此工况平台最大综合应力为275MPa，小于许用应力291MPa，满足要求，最大应力发生于支腿后部支撑点处。平台最大综合位移为223mm。

2.7 工况7——定位桩插打后放置于海床面抗台风

此工况下四根定位桩已插打，稳桩平台放置于海床面，四根定位桩和稳桩平台共同承受自重载荷、台风载荷及水流冲击，四根定位桩承受波浪力。

此工况平台最大综合应力为255MPa，定位桩最大应力为225MPa，均小于此工况许用应力291MPa，满足要求。平台最大综合位移为426mm。

波浪力分布范围从海平面以上10m 到泥面，沿定位桩竖直方向每延米波浪力从距海平面以上10m处的94kN/m 逐渐减小到泥面处的6kN/m，总的波浪力是1400kN。在模型中加载力的大小为每延米波浪力值乘以载荷分项系数1.5。

根据上述工况的计算结果，单桩稳桩平台及定位桩的结构强度和刚度均满足规范和使用要求。

3 施工操作

3.1 施工操作要点

（1）稳桩平台建造

稳桩平台建造流程如图1所示。

图1 稳桩平台建造流程

根据施工图纸，通过计算机绘制各零件精确尺寸下料图，审核完毕后传输至现场数控中心进行放样及零件下料。

（2）上部平台制作

上部平台为27.40m×28.00m×10.93m 的空间桁架结构，由箱梁、无缝钢管及导向管焊接而成。片体制作先制作箱梁，再进行斜撑管切割连接口。加工完毕后分四块片体分部拼接，最后移运至拼装场地，在胎架上进行片体组对（见图2 ～图4）。

图2 片体制作

图3 片体移运

图4 片体拼接

导向管用于四角定位桩导向，加工时优先制作管体，后续附属机构（如吊耳）在管体加工完毕后进行组焊。组焊完毕移运至拼装场地与上部平台组对（见图5、图6）。

图5 导向管上部结构

图6 导向管组拼

（3）中部连接制作

中部连接段为钢管焊接的桁架结构，共设置20节段，分别为12节5m 段、4节10m 段、4节8m 段。单条支腿总高度为33m，由下至上分别由3节5m 段、1节10m 段和1节8m 段组成。节段间采用法兰螺栓对位连接，且每个节段间具有互换性，通过节段的增减，以满足20m～40m 水深的单桩施工要求。

中部连接利用公用法兰制作单元胎架进行所有单元的制作，最后在胎架上进行各单元法兰连接中组对成型。

（4）下部结构制作

下部结构为钢管焊接的桁架结构，结构上设置有定位桩导向环，立柱下部为“凹”字形桁架结构，平面下层铺设防沉板以保证稳桩平台结构整体放入海底后的稳定。下部平台先制作连接梁，最后在胎架上进行整体组建成型。

（5）总组拼装要求

在船厂800T 北区场地制作运输工装胎架及工装支架，依据尺寸布置及定位，完成胎架准备。将上部平台翻身运至胎架上进行中组，平吊中部连接至工装支架上进行螺栓组对连接，后将下部平台翻身吊运至胎架上进行螺栓组对连接。

总组合拢胎架高度需满足后续SPMT 模块车驶入合拢后，整体测量尺寸精度。整体完工报验通过后，进行整体涂装补漆并报验。

3.2 稳桩平台运输

（1）稳桩平台滚装上船

滚装码头前沿水深约－5.5m，码头标高H=5.5m,低潮位为－0.17m，以某日潮汐为例，潮汐高度h=0.51m ～2.24m。对于10000t 级甲板驳船，船长113.9m，型宽27.5m，型深7m，跟码头齐平时其吃水Δ=D－(H－h)=2.01m ～3.74m，而滚装时驳船的理论最大吃水5.1m, 最小吃水1.5m，则理论上当潮水在0m ～2.24m 之间均能满足滚装要求。为减少潮速过快对滚装运输的不利影响，根据当天潮汐情况选择平潮时段开始滚装上船。

（2）稳桩平台海上运输

稳桩平台海上运输时四根定位桩不挂在稳桩平台上，稳桩平台水平放置在船上拖航，稳桩平台承受自重载荷、风载荷及拖航动载荷（垂直加速度为4.408m/s2，水平纵向加速度为0.759 m/s2，水平横向加速度为6.340 m/s2），船舶横倾12度、纵倾5度，风速≤28m/s。

此时平台最大综合应力为275MPa，小于许用应力291MPa，满足要求，最大应力发生于支腿后部支撑点处。平台最大综合位移为223mm。

3.3 稳桩平台海上施工作业

（1）稳桩平台海上施工作业流程如图7所示。

图7 稳桩平台海上施工作业流程

（2）主起重船定位

起重船由拖轮拖向施工海域，根据流向确定起重船初始位置就位，开始抛锚。起重船艏部抛双“八”字锚、艉部抛双交叉锚，抛锚长度为500m，在稳桩平台位置留有50m 安全距离。

（3）稳桩平台翻转起吊

首先配套驳船将稳桩平台和定位桩运输至机位处，单桩稳桩平台起吊翻身直立采用两台起重船配合起吊，主起重船起吊平台上部结构4处吊点，辅起重船起吊平台下部2处吊点。翻身直立过程如图8所示。

图8 稳桩平台起吊翻身直立

（4）平台翻身完成后，利用GPS 定位将定位平台安放在机位处，当稳桩平台抱桩器中心坐标与钢管桩中心坐标误差在1m 内，起重船吊臂放缆使稳桩平台入水，当稳桩平台底部距泥面1m 左右停止放缆。当稳桩平台稳定后，通过起重船慢慢绞缆进行精确定位，使抱桩器中心与钢管桩中心重合（误差0.5m 内）后，继续放缆沉放稳桩平台。当稳桩平台不再自沉稳定后，插入一根辅助桩，然后采用振动锤沉桩，逐根打入。为有效控制定位桩沉桩过程中稳桩平台偏位，定位桩打设顺序按照对角线进行。

（5）稳桩平台定位桩全部沉桩到位后，即进行稳桩平台的提升与固定，使之与支撑桩固定，形成独立、稳定的钢结构框架平台。

（6）稳桩平台不论是采用起重船提升，还是采用支撑桩吊挂系统提升，提升过程必须保证整齐平行提升，防止稳桩平台与支撑桩别卡，造成提升困难或结构损坏。因此，稳桩平台提升前应在支撑钢管桩上作出标记，在提升过程应全程观察稳桩平台四角的提升高度。

（7）以设计钢管桩标高为参照，确定稳桩平台顶标高。当稳桩平台提升到位后，即进行精确调平，四角高差不大于10mm。然后，锁定全部吊挂结构，并用钢楔块将稳桩平台架与支撑桩间缝隙固定。

（8）施工起吊钢管桩达到竖直吊装姿态后，起重船通过绞锚，将钢管桩缓缓移动到稳桩平台的抱桩器中心，稳桩平台上下两层4个300t 液压千斤顶与桩身紧密接触，桩身稳定后开始自沉。通过调节抱桩器上下两层平台液压顶推油缸，调节桩身垂直度，保证单桩钢管桩放置符合设计要求垂直度。

（9）在沉桩作业过程中，钢管桩每下沉1m 停止锤击，对桩的垂直度进行复测，若发现偏差大于设计要求时及时进行纠偏，待纠偏满足设计要求后再进行沉桩作业，直至沉桩作业结束。

4 质量控制

4.1 稳桩平台装船及运输

装船之前需进行装船及运输过程中驳船压载计算、吊装分析计算、支撑结构设计等所有临时结构图纸以及主要吊装方案出现问题的补救措施和备用吊装方案、驳船结构整体性的检验情况等。

运输驳船应有足够的装载能力、结构强度、完整性和稳定性，必要时须采取适当加强措施，以提高驳船的结构强度。运输船舶系泊方案应可靠，保证在整个装船作业期间不发生问题。须根据驳船甲板的尺寸和形状及钢管桩结构特点等，做好稳桩平台在驳船甲板上放置、固定的详细设计。

海上固定设计应遵循相关规范要求。对于稳桩平台与驳船的节点设计，不允许出现超应力（即过载现象）。海上固定装置切割，应保证结构在一定海况条件仍然安全的前提下实施。海上固定设备切割后，切割边应磨平以免引起应力集中。

4.2 稳桩平台现场翻身

待现场人员检查确认无误后，主吊船与辅吊船开始同步起吊，当稳桩完全离开运输驳甲板大约0.5m时，暂停起吊，再次检查钢丝绳受力情况，无异常后继续起吊，当稳桩平台距离运输驳甲板2m ～3m 时，运输驳退出施工区域。

稳桩平台竖立完成后，辅吊船继续下放吊钩，使钢丝绳不受力，同时主吊船继续上升吊钩，使稳桩平台底部翻身，吊耳处在水面上2m ～3m 位置时安排锚艇将单桩翻身卸扣抽出。

4.3 稳桩平台定位施工

利用GPS 定位将定位平台安放在机位处，正位调平后，插入一根辅助桩，然后采用振动锤沉桩，逐根打入。为有效控制在辅助桩沉桩过程中发生稳桩平台偏位，辅助桩打设顺序按照对角线进行。

辅助桩打设完成后，将稳桩平台提升到位，然后进行精确调平，四角高差不大于10mm，固定方式采用钢板将辅助桩与桩位处平台钢板焊接，加固钢板沿桩周呈90°布置。

5 结语

本文通过对各工况下坐底式稳桩平台高度适应性分析，总结出一种受力合理、有良好适应性的坐底式稳桩平台结构和配套施工技术，使沉桩施工高效、安全、快捷。通过采用该技术，大大加快了海上沉桩施工进度，同时，通过在下部防沉结构设置防沉板、将平台底部支撑杆件伸长2.25m 插入泥中，保持稳桩平台整体稳定性，大大降低了安全风险。