深水导管架式风机基础安装平台设计及施工

中国港湾建设
Design and construction of deep-water jacket fan foundation installation platform
LI Hui,LIN Zhen-dong *
（Shanghai Zhenhua Heavy Industries Company Limited,Shanghai 200120,China ）
Abstract ：With the development of offshore wind power construction to deep water,the sea and wind conditions will become
more severe,and the seabed geology will become more complex.At present,the foundation pile construction of offshore deep-water wind farms mainly relies on jack-up wind power installation ship,but the current domestic market is in short supply of such equipment and the operation cost is expensive.To solve this problem,a set of deep-water jacket fan foundation installation platform was designed and the construction method was complied.The installation platform can be well applied to deep-water soft foundations and rock foundations.This installation platform has the advantages of reasonable design,simple structure,convenient use,safe and reliable construction method,low cost,high efficiency,and wide range of use.It provides a better choice for the construction of jacket foundation piles in deep water wind farms.Key words ：offshore wind power;jacket;fan foundation;wind power installation ship;installation platform;construction
method
摘
要：随着海上风电施工逐渐向深水方向发展，遇到的海况、风况条件将愈加恶劣，海底地质也更为复杂，目前
海上深水风场基础桩的施工主要靠自升式风电安装船，但该类设备供不应求且作业费用昂贵。

针对这一问题，设计了一套深水导管架式风机基础安装平台并编制了施工工法，该安装平台可很好地适用于深水软基及岩基地质的基础桩施工环境。

该安装平台设计合理，结构简单，使用方便，施工工法安全可靠，具有成本低、效率高、使用范围广等优点，为深水风场导管架式基础桩的施工提供了更好的选择。

关键词：海上风电；导管架式；风机基础；风电安装船；安装平台；施工工法中图分类号：U656.6
文献标志码：B
文章编号：2095-7874（2021）02-0062-05
doi ：10.7640/zggwjs202102013
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）
第41卷第2期2021年2月
Vol.41
No.2
Feb.2021
收稿日期：2020-09-08
作者简介：李辉（1974—），男，湖北黄冈人，高级工程师，经理，船舶与海洋工程专业。

*通讯作者：林振东，E-mail ：********************
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15~30m 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。

2021年第2期
通常来说，水深超过20m，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130MPa，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23~27m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10~20m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60MPa，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50t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、50t 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.1General plan of installation platform
（b）俯视图
辅助桩
槽口
产品桩
槽口
安装平台
主结构
（a）主视图
四角
辅助桩
四角
辅助桩
海底
中间
辅助桩
李辉，等：深水导管架式风机基础安装平台设计及施工63··
中国港湾建设2021年第2期
表3动态分析结果汇总表
Table 3Summary table of dynamic analysis results
工况
动力载荷形式
最大位移/cm
5根桩腿+1台钻机
瞬态0.33谐响应0.075根桩腿+2台钻机
瞬态0.13谐响应0.134根桩腿+1台钻机
瞬态0.08谐响应0.064根桩腿+2台钻机
瞬态0.13谐响应
0.13
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。

安装平台主要结构参数见表1。

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1a 一遇的环境数据：波高3m ，波浪周期7s ；风速13.8m/s ；流速1.24m/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10m ，波浪周期9s ；风速52.5m/s ，流速1.24m/s 。

3）桩腿打入深度分析：安装平台计算重量约为2000t ，扣除浮力影响，桩腿实际需承受重量为1840.5t 。

每根桩腿需要的承载力为368.1t 。

由表2计算结果可知，上述工况均满足强度要求。

工况
桩腿数量/根
入泥深度/m
钻机位置及数量UC =计算应力/许用应力
最大位移/cm
正常作业（钻孔）
5
17.5
位置1，1台0.14 2.10位置2，1台0.14 2.06位置3，1台
0.14 2.06位置4，1台0.14 2.04位置1、2，2台0.15 2.15位置1、3，2台0.15 2.14位置1、4，2台
0.14 2.13419.0位置1，1台
0.16 2.044
19.0—0.22 4.38风暴自存
517.5—0.4312.754
19.0
—
0.42
10.39
表2
作业工况计算结果汇总表
Table 2Summary table of calculation results of operating condition
表1
安装平台结构参数
Table 1Structure parameters of the installation platform
项目
参数总高度（含桩腿、吊机）/m
75.7总宽度/m 34.0总长度/m 34.0
平台结构34.0m×34.0m×4.8m
桩腿数量/根 5.0桩腿间距/m 24.0桩腿直径/m 2.8产品桩数量/根4产品桩直径范围/m <3.0产品桩间距范围/m
20.0～28.0平台自身重量（含桩腿及导向装置）/t 1600钻机设备其配套辅助设备（计2套）/t
400
64··
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经计算，拆除过程中平台吊起时其横向加速度不能超过5m/s 2，否则，桩腿易屈曲损坏。

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450t （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50t 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。

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50t 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。

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
图2基础桩安装示意图
Fig.2
Schematic diagram of foundation pile installation
表4施工环境条件
Table 4Construction environmental conditions
序号工序风速/（m ·s -1）
有效波高H s /m
1浮吊移船定位≤12≤12运输船定位≤12≤13安装、拆除安装平台≤12≤14基础桩起吊与沉桩≤12≤15安装、拆除钻机≤12≤16钻孔施工≤18无具体要求7灌浆施工≤14≤1.58
附属件吊装
≤12
≤1
注：以上为工件吊装高度上10min 平均风速要求，5s 阵风要求
不超过以上数值的150％。

辅助桩
安装平台
基础桩
浮吊
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