范榮山，張 健

(上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200050)

隨著我國海上風(fēng)電項(xiàng)目在近海淺水區(qū)域和潮間地區(qū)的大規(guī)模開發(fā)，近海區(qū)域可開發(fā)利用的風(fēng)電資源逐漸減少，海上風(fēng)電必將向深遠(yuǎn)海發(fā)展。在海南、廣東、福建、浙江及山東等附近海域離岸10海里外水深可達(dá)20～60 m[1]，重力式、大直徑單樁及高樁承臺基礎(chǔ)等在基礎(chǔ)重量、施工成本及施工難度等方面均不適用大容量風(fēng)電機(jī)組安裝，而強(qiáng)度高、重量輕、受海流作用變形小的導(dǎo)管架基礎(chǔ)是海上風(fēng)電、海上石油開發(fā)以及海上其他資源開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用最為成熟的結(jié)構(gòu)方式，在未來的深遠(yuǎn)海海洋資源開發(fā)中必將發(fā)揮重要的作用。因此，本文以福建海域某海上風(fēng)電項(xiàng)目為例，對導(dǎo)管架在深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)電項(xiàng)目的施工方式進(jìn)行研究。

1 項(xiàng)目概況

本海上風(fēng)電場項(xiàng)目位于福建東南沿海南端大澳灣海域，水深在35～50 m，風(fēng)電場中心離岸約30 km。本項(xiàng)目規(guī)劃裝機(jī)容量為400 MW，總共布置單機(jī)容量為6 MW的風(fēng)電機(jī)組67臺，風(fēng)輪直徑約155 m。

本海上風(fēng)電場由于水深較深，離岸距離較遠(yuǎn)，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)推薦采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)。本工程67臺6 MW風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)均采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)(四樁直樁)，基礎(chǔ)由4根傾斜的主導(dǎo)管和3層斜撐桿組成，斜撐桿采用“X”型連接形式，均由圓形鋼管焊接而成。導(dǎo)管架下端弦桿伸入鋼管樁與其通過灌漿連接。每個(gè)主導(dǎo)管架腿外側(cè)設(shè)置有灌漿管，底部設(shè)置灌漿封隔器件。上部結(jié)構(gòu)水平度初步調(diào)整到位后，通過灌漿管對立管和樁之間的環(huán)型空間進(jìn)行灌漿填充。導(dǎo)管架基礎(chǔ)需布置4根鋼管樁，平均樁長98～105 m，入泥深度約96 m，需要配備大型的起重船舶及駁船用于風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的運(yùn)輸及安裝。

2 導(dǎo)管架安裝關(guān)鍵技術(shù)研究

本項(xiàng)目施工海域?yàn)楦＝ㄍ夂：Ｓ颍x岸距離較遠(yuǎn)，場區(qū)水深較深，施工環(huán)境條件復(fù)雜，基礎(chǔ)沉樁及導(dǎo)管架安裝工程量較大，可作業(yè)窗口天數(shù)短，導(dǎo)管架基礎(chǔ)的施工安裝具有一定的困難。

2.1 導(dǎo)管架施工工藝比選

導(dǎo)管架施工工藝根據(jù)沉樁和放置導(dǎo)管架前后順序關(guān)系可分為先樁法和后樁法。先樁法是先打樁后放置導(dǎo)管架的方式，對沉樁定位精度和導(dǎo)管架的施工精度要求較高，為了保證沉樁的垂直度可控可調(diào)，一般需放置沉樁定位導(dǎo)向平臺輔助定位。后樁法施工在放置導(dǎo)管架之前，需對還床面進(jìn)行多波束掃海，通過海底的拋石整平保證地基穩(wěn)定，將成品導(dǎo)管架放置在施工坐標(biāo)點(diǎn)上，通過導(dǎo)管架的導(dǎo)向筒控制沉樁精度。后樁法需要設(shè)計(jì)群樁結(jié)構(gòu)，施工周期短，在沉樁過程中需要不斷對導(dǎo)管架進(jìn)行調(diào)平，沉樁結(jié)束后，需要在樁頂安裝夾樁器將鋼管樁與導(dǎo)管架進(jìn)行固定。

本工程海域水深較深，若考慮先樁法施工，須考慮打樁設(shè)備資源、水下定位測量資源、水下切割資源、安裝工藝及沉樁定位導(dǎo)向平臺安裝，待沉樁完成后，再安裝導(dǎo)管架。先樁法對樁平面相對位置控制要求高，各樁頂標(biāo)高高差控制嚴(yán)格，有利于控制導(dǎo)管架安裝精度，但該方法施工周期長。

后樁法鋼管樁的平面位置一般依靠導(dǎo)管架自身作為穩(wěn)樁定位結(jié)構(gòu)，無需穩(wěn)樁定位輔助平臺，工序簡單，但本風(fēng)場屬于深水水域，平均水深40多m，最深達(dá)50 m，鋼管樁定位難度大，且需要多次調(diào)平，調(diào)平系統(tǒng)復(fù)雜，水下灌漿質(zhì)量要求高，可靠性較差。同時(shí)，深遠(yuǎn)海海床的清淤及整平對船機(jī)設(shè)備要求高，成本控制困難，導(dǎo)管架回淤防護(hù)及回淤后的處理難度大，工程不可定因素較多。綜上所述，本工程推薦采用先樁法施工工藝。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)沉樁施工

2.2.1 沉樁施工方案

海上風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)在專業(yè)的海洋鋼結(jié)構(gòu)廠家加工制作，本工程主要大型鋼結(jié)構(gòu)為導(dǎo)管架和鋼管樁，廠家制作完成需聯(lián)系相應(yīng)船機(jī)設(shè)備運(yùn)輸至現(xiàn)場。導(dǎo)管架為高聳結(jié)構(gòu)運(yùn)輸，對穩(wěn)性要求較高，建議選擇大噸位的駁船以保證運(yùn)輸穩(wěn)性，單臺導(dǎo)管架基礎(chǔ)采用4根鋼管樁，選取相應(yīng)噸位的自航式甲板駁運(yùn)輸至現(xiàn)場。

為保證管樁的加工與施工質(zhì)量，本階段擬采用整根長管樁的沉樁施工方式，樁長98～105 m，不考慮現(xiàn)場分段接樁焊接的處理，鋼管樁加工制作好后選擇大型自航甲板駁運(yùn)輸至現(xiàn)場。

本工程場址區(qū)域水深35～50 m，基礎(chǔ)鋼管樁設(shè)計(jì)頂高程約為-35 m，鋼管樁沉樁施工為深水作業(yè)，水下定位難度大。沉樁施工推薦采用浮式起重船起吊安裝，該沉樁方式已在多個(gè)海上風(fēng)電場項(xiàng)目上得到成功實(shí)施，船機(jī)設(shè)備、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)相對成熟，可選船舶較多。

對于深遠(yuǎn)海沉樁施工，鋼管樁沉樁精度須嚴(yán)格控制，需要輔助放置可調(diào)式沉樁定位導(dǎo)向平臺保證樁的垂直度可調(diào)可控，沉樁定位導(dǎo)向平臺可根據(jù)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)尺寸定制，工程適用性較好。

2.2.2 錘擊設(shè)備選擇

目前大型的海上打樁機(jī)械主要有筒式柴油打樁錘、液壓打樁錘、液壓振動錘三種型式，其中以柴油打樁錘應(yīng)用最為廣泛，但考慮到本工程鋼管樁屬于超長大直徑鋼管樁，對錘擊能力要求較高，且需水下作業(yè)，推薦采用液壓打樁錘。

2.2.3 沉樁定位導(dǎo)向平臺

先樁法對導(dǎo)管架定位安裝施工精度要求較高，核心在于保證基礎(chǔ)鋼管樁的水下沉樁精度、水下平面位置精度以及樁頂誤差，對基礎(chǔ)鋼管樁的平面定位及沉樁精度控制，本工程擬采用沉樁定位導(dǎo)向平臺解決，可采用的定位導(dǎo)向平臺方案如下。

1)分層定位鋼平臺。由于工程水深較深，樁基懸臂段較長，為實(shí)現(xiàn)沉樁全程精度控制，定位導(dǎo)向平臺設(shè)計(jì)為水面以上和海床處兩部分，兩層平臺尺寸相同，通過輔助樁固定平臺(見圖1)。

圖1 定位鋼平臺示意圖

2)專用支腿船穩(wěn)樁定位平臺。利用專用支腿船的樁腿作為穩(wěn)樁定位平臺的導(dǎo)向定位支腿，通過支腿船控制定位平臺的水平度，采用支腿船吊機(jī)進(jìn)行沉樁施工(見圖2)。

圖2 專用支腿船圖

3)負(fù)壓筒式定位導(dǎo)向架設(shè)計(jì)。該平臺采用帶送樁器的負(fù)壓筒式導(dǎo)向架，通過可調(diào)式抱箍裝置進(jìn)行穩(wěn)樁定位，可減少水下沉樁作業(yè)(見圖3)。

圖3 負(fù)壓筒式定位導(dǎo)向架圖

4)方案選擇。上述方案均為針對深遠(yuǎn)海導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)樁基的平面相對位置精度控制以及鋼管樁沉樁垂直度精度控制。

對于方案1，兩層定位平臺分層安裝的方式，可以降低對起重船的要求，對于本項(xiàng)目水深較深的情況，基礎(chǔ)樁頂入水后，懸臂段仍然較長，在海床處設(shè)置平臺，有利于控制水下沉樁垂直精度，可作為本項(xiàng)目基礎(chǔ)施工推薦方案。

對于方案2，專用支腿船穩(wěn)樁定位平臺可以通過拖輪實(shí)現(xiàn)便捷移位，有利于有效利用項(xiàng)目海域的施工窗口，平臺通過支腿入泥形成穩(wěn)定施工環(huán)境，有利于控制鋼管樁沉樁精度，但符合相關(guān)尺寸的支腿平臺船數(shù)量極少，施工窗口期緊，可作為本項(xiàng)目基礎(chǔ)施工工作面之一或備選方案。

對于方案3，該平臺結(jié)構(gòu)尺寸大、自重較重，定位平臺的安裝移位需要配置大型起重船，且國內(nèi)風(fēng)電領(lǐng)域多筒負(fù)壓基礎(chǔ)施工經(jīng)驗(yàn)較少，可將其作為基礎(chǔ)施工備選方案。

綜上，采用方案1作為沉樁定位導(dǎo)向平臺施工推薦方案。

5)沉樁定位導(dǎo)向平臺安裝。擬采用全回旋起重船配振動錘進(jìn)行導(dǎo)向平臺輔助樁的沉樁、拔樁。定位平臺采用GPS定位系統(tǒng)定位，起重船將下部沉樁定位導(dǎo)向平臺沉放至海床面，通過振動錘將導(dǎo)向平臺輔助樁沉樁至工程區(qū)域，之后安裝上部沉樁定位導(dǎo)向平臺，上部鋼平臺利用錨固系統(tǒng)錨固于輔助鋼管樁頂，利用液壓螺栓拉伸器調(diào)整平臺的頂標(biāo)高；采用布設(shè)的兩層千斤頂調(diào)整平臺的平面位置。

輔助定位平臺的安裝位置決定了鋼管樁沉樁的樁位精準(zhǔn)性，必須嚴(yán)格控制其位置精度，特別要控制進(jìn)樁龍口的定位精度[2]。平臺上設(shè)置導(dǎo)向、扶正裝置，可進(jìn)行鋼管樁定位和垂直度調(diào)整，以確保沉樁時(shí)鋼樁的平面位置和樁身垂直度要求。工程樁沉樁完成后對定位導(dǎo)向平臺拆除，船機(jī)設(shè)備移位至下一機(jī)位。

2.2.4 基礎(chǔ)鋼管樁沉樁

鋼管樁錘擊沉樁采用液壓錘吊打，兩層沉樁定位導(dǎo)向平臺安裝后進(jìn)行工程樁沉樁，沉樁時(shí)采用對角沉樁工序，將工程樁依次錘擊至上部定位鋼平臺頂部，安裝液壓錘水下施工模塊進(jìn)行二次沉樁，依次將工程樁錘擊至設(shè)計(jì)高程，基礎(chǔ)鋼管樁沉樁流程如下。

1)第一階段插入工程樁：起重船使用專用的吊樁設(shè)備起吊鋼管樁，吊入至上層沉樁定位導(dǎo)向平臺的樁位固定位置，測量樁的垂直度，下樁并準(zhǔn)確定位，完成植樁。

2)第二階段采用起重船吊液壓沖擊錘，將鋼管樁錘擊至指定高程，過程中持續(xù)觀測和調(diào)整樁的垂直度。

3)本工程場區(qū)水深較深，隨著沉樁不斷深入，單根樁樁頂錘擊至沉樁定位導(dǎo)向平臺頂高程以上1 m左右時(shí)，停錘，進(jìn)行下一個(gè)根樁沉樁(對角位)。4根樁依次全部施工至該位置后，安裝液壓錘水下施工控制模塊，再進(jìn)行第二輪沉樁，至設(shè)計(jì)高程，然后將下部定位鋼架提出水面移至下一機(jī)位。

4)自沉階段鋼管樁在自重作用下下沉至泥面以下一定深度后停滯，這是控制垂直度的關(guān)鍵階段。鋼管樁下沉過程中，利用沉樁定位導(dǎo)向平臺的導(dǎo)向、扶正裝置調(diào)整，保持垂直下樁。鋼管樁自沉結(jié)束后，啟動液壓錘打樁，啟動打擊能量宜由小到大，待樁入土一定深度且樁身穩(wěn)定后再適當(dāng)加大打樁能量。

5)沉樁過程中，通過上下兩層定位導(dǎo)向平臺的作用控制樁的相對位置和垂直度，并隨時(shí)監(jiān)控樁的垂直度，直至沉樁完成。

6)遇上軟弱土層時(shí)，打擊能量適當(dāng)降低；遇上較硬的土層時(shí)，按額定功率進(jìn)行打樁[3]。錘擊沉樁時(shí)，密切注意樁與液壓錘的工作情況，避免偏心錘擊。

7)由于鋼管樁為水下樁，且機(jī)位水深普遍較深，為避免工程水下割樁，建議在鋼管樁沉樁過程中，關(guān)注貫入度與沉樁能量輸出，并采用高精度GPS等定位系統(tǒng)監(jiān)控沉樁精度，盡量控制各樁頂高程偏差。

8)本階段基礎(chǔ)樁停錘標(biāo)準(zhǔn)按樁頂標(biāo)高控制，所有鋼管樁應(yīng)沉樁至設(shè)計(jì)高程，以避免水下割樁。如不得不進(jìn)行水下割樁，需由潛水員重潛至機(jī)位進(jìn)行作業(yè)。

9)基礎(chǔ)鋼管樁施工完成后，由潛水員利用高壓水槍將樁頭清理干凈后，即刻進(jìn)行導(dǎo)管架沉放施工。

2.2.5 導(dǎo)管架安放及調(diào)平

導(dǎo)管架安放包括就位、調(diào)平等工作。導(dǎo)管架吊放采用全回轉(zhuǎn)起重船作為主作業(yè)船。主要施工工序?yàn)椋褐髯鳂I(yè)船、導(dǎo)管架運(yùn)輸船在指定工程區(qū)域分別拋錨就位，浮式起重船豎直起吊導(dǎo)管架，運(yùn)輸船起錨撤離，工作船駛?cè)搿㈠^泊就位并安裝監(jiān)控儀后，主作業(yè)船開始下放導(dǎo)管架，通過監(jiān)控工作船上攬風(fēng)控制導(dǎo)管架位置，將導(dǎo)管架鋼立管插入鋼管樁，驗(yàn)收合格后，對導(dǎo)管架進(jìn)行初步固定，完成導(dǎo)管架吊裝。

導(dǎo)管架安放沉樁要緩慢下降，直到各個(gè)立管底部全部插入鋼管樁。導(dǎo)管架安放后，對導(dǎo)管架進(jìn)行測量，如安裝精度不滿足要求，由潛水員下潛至海底對導(dǎo)管架底部進(jìn)行探摸檢查確定原因后，利用浮吊對導(dǎo)管架進(jìn)行精確調(diào)平，直至滿足精度要求。

2.2.6 灌漿施工

導(dǎo)管架立管與鋼管樁間的環(huán)形空間內(nèi)通過高強(qiáng)灌漿材料連接。在導(dǎo)管架安放完成后，灌漿工作船應(yīng)立即就位開始灌漿作業(yè)。壓力灌漿工藝采用工作船上的灌漿泵進(jìn)行施工。灌漿用水采用淡水(一般為飲用自來水)，出海前將飲用自來水存儲在灌漿施工用船的水艙內(nèi)備用[4]。

灌漿施工工藝：船舶準(zhǔn)備-管路注水壓力試驗(yàn)，檢查封隔器密封情況-灌漿管線清洗-灌漿-灌漿質(zhì)量檢查。

工程場區(qū)機(jī)位水深相對較深，基礎(chǔ)涉及的導(dǎo)管架架體總高度在50 m以上，基礎(chǔ)灌漿屬深水水下灌漿作業(yè)，水下灌漿施工難度較大。為保證水下灌漿施工質(zhì)量，需要采取以下措施。

1)在項(xiàng)目實(shí)施前對安裝在導(dǎo)管架上的灌漿管路進(jìn)行有針對性的布置，使灌漿管具有的一定傾斜度，避免灌漿過程中高差過大引起質(zhì)量問題。并另外布置備用灌漿管路，以防施工期間灌漿管路損壞導(dǎo)致停工。

2)施工前對整個(gè)灌漿系統(tǒng)的設(shè)備、管線、壓力表等進(jìn)行檢查，確保設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常、管線連接完好，確保管線暢通。對備用灌漿管路也需檢查管線是否有損壞。

3)由于深水作業(yè)，灌漿管線相對較長，在灌漿作業(yè)前，應(yīng)進(jìn)行原材料和配合比設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)工作，延長初凝時(shí)間，避免灌漿量在管線中凝結(jié)。

4)環(huán)形空間高強(qiáng)灌漿應(yīng)一次性連續(xù)灌漿。

導(dǎo)管架立管插入鋼管樁后，灌漿封隔器(止水橡膠)受到擠壓進(jìn)而阻止外部海水進(jìn)入立管和樁基形成的封閉空間內(nèi)，形成灌漿環(huán)境。在導(dǎo)管架上設(shè)置灌漿預(yù)埋管，出漿管口預(yù)留設(shè)置在弦桿上。灌漿設(shè)備均放置在多功能駁上，施工時(shí)將多功能駁上的灌漿泵通過膠管與已安裝在導(dǎo)管架上的管道連接。

注漿前通過注漿管壓注清水沖洗管腔。套筒與鋼管樁相連接部位之間的灌漿，由高壓泵泵送。為保證灌漿的均勻性和可靠性，灌漿作業(yè)采取由下至上的方向進(jìn)行灌漿。連接注漿管后，高強(qiáng)灌漿材料向腔體底部注漿，漿液液面自下而上上升。灌漿施工應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，中間不停頓，并盡可能縮短時(shí)間。灌漿施工過程中嚴(yán)禁振搗，必要時(shí)可采用灌漿助推器沿漿液流動方向的底部推動灌漿材料，嚴(yán)禁從灌漿層的中、下部推動[5]。當(dāng)灌漿材料充滿，鋼管樁頂部溢出原漿，由水下監(jiān)控設(shè)備或潛水員確認(rèn)后，灌漿工作即可結(jié)束。

灌漿結(jié)束后凝固過程中不可擾動灌漿料。灌漿材料強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后，方可拆除臨時(shí)調(diào)平裝置。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合福建海域某海上風(fēng)電項(xiàng)目對深遠(yuǎn)海域風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)施工方式進(jìn)行探討，對大型深水導(dǎo)管架的施工工藝進(jìn)行研究，簡要論述了導(dǎo)管架先樁法和后樁法施工工藝的比選，并對先樁法安裝方式進(jìn)行了闡述，并結(jié)合導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)沉樁定位導(dǎo)向平臺輔助沉樁。隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，深遠(yuǎn)海域?qū)⑹呛Ｉ巷L(fēng)電場發(fā)展的必然趨勢，深水導(dǎo)管架基礎(chǔ)將是深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)電的不錯(cuò)選擇。