外海超大型鋼管樁沉樁穩(wěn)樁平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

毛金銳

（中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)有限公司 廣東珠海 519000）

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，在用地愈發(fā)緊張的密集型城市周邊，開(kāi)發(fā)、改造大型風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目已成為一種必然趨勢(shì)，諸如山頂風(fēng)力發(fā)電、海上風(fēng)力發(fā)電等[1]。目前，隨著國(guó)家擴(kuò)大海洋開(kāi)發(fā)的規(guī)模，海上風(fēng)電施工項(xiàng)目逐漸增多，項(xiàng)目離岸也越來(lái)越遠(yuǎn)，隨之而來(lái)的對(duì)于外海超大型鋼管樁沉樁穩(wěn)樁平臺(tái)施工技術(shù)的改進(jìn)需求也就越發(fā)緊迫。

穩(wěn)定可靠的海上風(fēng)電單樁穩(wěn)樁平臺(tái)是保證單樁垂直度的關(guān)鍵，目前國(guó)內(nèi)所采用的穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式主要有自升式平臺(tái)船外加懸挑抱樁器[2]、移動(dòng)式平臺(tái)船頭配置穩(wěn)樁平臺(tái)、坐底式外抱樁器穩(wěn)樁平臺(tái)等三種[3]。為適應(yīng)不同水深工況條件下的大直徑鋼管樁沉樁，本文將對(duì)傳統(tǒng)穩(wěn)樁平臺(tái)形式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，致力于研究出一種可滿足20～40 m水深施工條件的坐底式內(nèi)置抱樁器單樁穩(wěn)樁平臺(tái)。

2 坐底式穩(wěn)樁平臺(tái)

坐底式穩(wěn)樁平臺(tái)是輔助外海超大型鋼管樁沉樁施工的專用導(dǎo)向裝置[4]，其結(jié)構(gòu)形式主要由上部操作平臺(tái)、中部連接段[5]、下部防沉結(jié)構(gòu)、4根臨時(shí)定位樁、油缸導(dǎo)向裝置（含液壓系統(tǒng)）等五部分組成，總高度為55.198 m。上部操作平臺(tái)主要通過(guò)上、下兩層平臺(tái)各安裝4個(gè)大型油缸以滿足超大型鋼管樁沉樁時(shí)的糾偏能力；中部連接段共設(shè)置5節(jié)采用法蘭螺栓連接的標(biāo)準(zhǔn)段，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的增減，滿足20～40 m水深的單樁施工要求；下部防沉結(jié)構(gòu)通過(guò)設(shè)置防沉板，將平臺(tái)底部支撐桿件伸長(zhǎng)2.25 m插入泥中，保持穩(wěn)樁平臺(tái)坐底時(shí)穩(wěn)定[6]。坐底式單樁穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)

2．1 打樁導(dǎo)向能力

（1）打樁直徑：6.0～10.0 m。

（2）水平調(diào)整能力：±0.5 m（油缸伸縮方向）。

（3）糾編能力：上、下層各4個(gè)300 t單油缸實(shí)現(xiàn)糾偏。

（4）喂樁方式：側(cè)向喂樁。

2．2 作業(yè)環(huán)境

（1）作業(yè)水深：20～40 m。

（2）工作時(shí)水流速度：≤1.3 m／s。

（3）工作風(fēng)速：≤20 m／s。

（4）非工作時(shí)水流速度：≤2.2 m／s。

（5）非工作最大風(fēng)速：55 m／s。

（6）拖航環(huán)境：船舶橫傾 15°、縱傾 5°，風(fēng)速≤28 m ／s。

3 針對(duì)外海風(fēng)電場(chǎng)不同水深時(shí)穩(wěn)樁平臺(tái)高度適應(yīng)性分析

外海風(fēng)電場(chǎng)不同水深時(shí)穩(wěn)樁平臺(tái)高度適應(yīng)性見(jiàn)表1[7]。

表1 外海風(fēng)電場(chǎng)不同水深時(shí)穩(wěn)樁平臺(tái)高度適應(yīng)性分析

4 各工況下穩(wěn)樁平臺(tái)適應(yīng)能力分析

坐底式單樁穩(wěn)樁平臺(tái)將從運(yùn)輸、吊運(yùn)、安裝、插入定位樁、入樁穩(wěn)定等不同工況及相應(yīng)的荷載工況進(jìn)行適應(yīng)能力分析[8]。

建模分析軟件采用ANSYS18.0。穩(wěn)樁平臺(tái)及定位樁均采用梁?jiǎn)卧狟eam188整體建模，穩(wěn)樁平臺(tái)與定位樁通過(guò)節(jié)點(diǎn)耦合方式連接，上層油缸平臺(tái)耦合UX、UY、UZ三個(gè)方向自由度，下層油缸平臺(tái)耦合UX、UY兩個(gè)方向自由度。導(dǎo)向油缸用質(zhì)量單元MASS21模擬，與相應(yīng)梁結(jié)構(gòu)區(qū)域建立剛性區(qū)域。整體模型如圖2所示。

圖2 坐底式單樁穩(wěn)樁平臺(tái)模型

4．1 定位樁未安裝時(shí)穩(wěn)樁平臺(tái)放置工況（工況1）

4根定位樁未安裝，穩(wěn)樁平臺(tái)置于海床面。穩(wěn)樁平臺(tái)承受自重載荷、風(fēng)載荷及水流沖擊。校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及平臺(tái)抗傾覆穩(wěn)定性。

由圖3可知，穩(wěn)樁平臺(tái)綜合應(yīng)力為96 MPa，小于此工況下的許用應(yīng)力252 MPa，滿足要求。最大綜合位移42 mm，位于頂部導(dǎo)向鋼管處。

圖3 工況1平臺(tái)應(yīng)力云圖

4．2 定位樁依次安裝時(shí)平臺(tái)放置工況（工況2）

此工況穩(wěn)樁平臺(tái)放置于海床面，平臺(tái)承受自重載荷、工作風(fēng)載荷及水流沖擊。4根定位樁依次安裝并靠自重沉入海床面（沉入深度依地質(zhì)情況不同而定，本計(jì)算中擬定為8 m），定位樁承受水流沖擊和風(fēng)載荷。此工況依次校核安裝第1根～第4根定位樁后的平臺(tái)抗傾覆穩(wěn)定性。

因平臺(tái)縱向和橫向外部載荷值較接近，且橫向載荷值稍大，此工況僅校核平臺(tái)橫向抗傾覆穩(wěn)定性[9]。

經(jīng)計(jì)算：∑橫向穩(wěn)定力矩＝8 041 t·m。

∑橫向傾覆力矩＝1 812 t·m。

橫向穩(wěn)定系數(shù)＝∑橫向穩(wěn)定力矩／∑橫向傾覆力矩＝4.4，校核通過(guò)。

4．3 打樁作業(yè)工況（工況3）

此工況4根定位樁已插打入海床面以下25 m，穩(wěn)樁平臺(tái)自重由海床面承載，作業(yè)載荷由導(dǎo)向油缸承載，4根定位樁承受平臺(tái)自重載荷、水流力、導(dǎo)向油缸推力300 t，作業(yè)工況按無(wú)風(fēng)作業(yè)和有風(fēng)作業(yè)分別計(jì)算。

打樁作業(yè)加載工況，平臺(tái)最大綜合應(yīng)力209 MPa，定位樁最大綜合應(yīng)力107 MPa，小于此工況許用應(yīng)力223 MPa，滿足要求。最大綜合位移147 mm。工況3應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 工況3平臺(tái)應(yīng)力云圖

4．4 定位樁掛在穩(wěn)樁平臺(tái)上豎直吊裝工況（工況4）

4根定位樁掛在穩(wěn)樁平臺(tái)上整體起吊，平臺(tái)及定位樁承受自重載荷以及泥土層對(duì)定位樁的吸附力。校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及整體吊點(diǎn)局部強(qiáng)度[10]。

定位樁導(dǎo)向鋼管及吊點(diǎn)部位采用SHELL單元模擬，其余采用BEAM188模擬，定位樁重量通過(guò)質(zhì)量單元MASS21施加于導(dǎo)向鋼管頂端。梁?jiǎn)卧畲缶C合應(yīng)力166 MPa，導(dǎo)向鋼管及吊點(diǎn)部位最大綜合應(yīng)力240 MPa，均小于許用應(yīng)力252 MPa，滿足要求。工況4應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 工況4平臺(tái)應(yīng)力云圖

4．5 穩(wěn)樁平臺(tái)吊裝翻身工況（工況5）

平臺(tái)頂部有4個(gè)整體吊點(diǎn)，下部有2個(gè)輔助翻身吊點(diǎn)，整體起吊空中翻身。校核穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及整體吊點(diǎn)局部強(qiáng)度。

此工況先采用梁?jiǎn)卧w模擬計(jì)算，然后對(duì)導(dǎo)向鋼管及翻身吊耳做局部SHELL63單元建模計(jì)算。

梁整體模型最大綜合應(yīng)力148 MPa，導(dǎo)向鋼管及吊點(diǎn)部位最大綜合應(yīng)力243 MPa，均小于許用應(yīng)力252 MPa，滿足要求。工況5應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 工況5平臺(tái)應(yīng)力云圖

4．6 拖航工況（工況6）

4根定位樁不掛在穩(wěn)樁平臺(tái)上，穩(wěn)樁平臺(tái)水平放置在船上拖航[11]。穩(wěn)樁平臺(tái)承受自重載荷、風(fēng)載荷及拖航動(dòng)載荷（垂直加速度為4.408 m／s2，水平縱向加速度為0.759 m／s2，水平橫向加速度為6.340 m／s2），船舶橫傾12o、縱傾5o，風(fēng)速≤28 m／s。

此工況平臺(tái)最大綜合應(yīng)力275 MPa，小于許用應(yīng)力291 MPa，滿足要求。最大應(yīng)力發(fā)生于支腿后部支撐點(diǎn)處。平臺(tái)最大綜合位移223 mm。工況6應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 工況6平臺(tái)應(yīng)力云圖

4．7 定位樁插打后穩(wěn)樁平臺(tái)放置于海床面抗臺(tái)風(fēng)工況（工況7）

此工況4根定位樁已插打完成，穩(wěn)樁平臺(tái)放置于海床面，4根定位樁和穩(wěn)樁平臺(tái)共同承受自重載荷、臺(tái)風(fēng)載荷及水流沖擊。4根定位樁承受波浪力。

此工況平臺(tái)最大綜合應(yīng)力255 MPa，定位樁最大應(yīng)力225 MPa，均小于許用應(yīng)力291 MPa，滿足要求。平臺(tái)最大綜合位移426 mm。工況7應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 工況7平臺(tái)應(yīng)力云圖

5 穩(wěn)樁平臺(tái)施工操作要點(diǎn)分析

坐底式單樁穩(wěn)樁平臺(tái)施工工藝流程如圖9所示。

圖9 坐底式單樁穩(wěn)樁平臺(tái)施工工藝流程

（1）配套駁船將穩(wěn)樁平臺(tái)和定位樁運(yùn)輸至機(jī)位處，單樁穩(wěn)樁平臺(tái)起吊翻身直立采用兩臺(tái)起重船配合，主起重船起吊平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)4處吊點(diǎn)，輔起重船起吊平臺(tái)下部2處吊點(diǎn)。翻身直立過(guò)程如圖10所示。

圖10 穩(wěn)樁平臺(tái)起吊翻身直立

（2）平臺(tái)翻身完成后利用GPS定位將定位平臺(tái)安放在機(jī)位處，當(dāng)穩(wěn)樁平臺(tái)抱樁器中心坐標(biāo)與鋼管樁中心坐標(biāo)誤差在1 m內(nèi)時(shí)，起重船吊臂放纜使穩(wěn)樁平臺(tái)入水，當(dāng)穩(wěn)樁平臺(tái)底部距泥面1 m左右停止放纜。穩(wěn)樁平臺(tái)穩(wěn)定后通過(guò)起重船緩慢絞纜進(jìn)行精確定位，使抱樁器中心與鋼管樁中心重合后繼續(xù)放纜沉放穩(wěn)樁平臺(tái)。當(dāng)穩(wěn)樁平臺(tái)不在自沉穩(wěn)定后，插入一根輔助樁，然后采用振動(dòng)錘沉樁，逐根打入。為有效控制定位樁沉樁過(guò)程中穩(wěn)樁平臺(tái)偏位，定位樁打設(shè)順序按對(duì)角線進(jìn)行。

（3）穩(wěn)樁平臺(tái)定位樁全部沉樁到位后，進(jìn)行穩(wěn)樁平臺(tái)的提升與固定，使之與支撐樁固定，形成獨(dú)立、穩(wěn)定的鋼結(jié)構(gòu)框架平臺(tái)。

（4）穩(wěn)樁平臺(tái)不論是采用起重船提升，還是采用支撐樁吊掛系統(tǒng)提升，提升過(guò)程必須保證整齊平行提升，防止穩(wěn)樁平臺(tái)與支撐樁別卡，造成提升困難或結(jié)構(gòu)損壞。

（5）以設(shè)計(jì)鋼管樁標(biāo)高為參照，確定穩(wěn)樁平臺(tái)頂標(biāo)高。當(dāng)穩(wěn)樁平臺(tái)提升到位后，進(jìn)行精確調(diào)平，四角高差不大于10 mm。然后，鎖定全部吊掛結(jié)構(gòu)，并用鋼楔塊將穩(wěn)樁平臺(tái)架與支撐樁間縫隙固定。

（6）起吊鋼管樁達(dá)到豎直吊裝姿態(tài)后，起重船通過(guò)絞錨將鋼管樁移動(dòng)到穩(wěn)樁平臺(tái)抱樁器中心，穩(wěn)樁平臺(tái)上、下兩層4個(gè)300 t液壓千斤頂與樁身緊密接觸，樁身穩(wěn)定后開(kāi)始自沉。通過(guò)抱樁器上、下兩層平臺(tái)液壓頂推油缸調(diào)節(jié)樁身以保證鋼管樁垂直度。

（7）在沉樁作業(yè)過(guò)程中，鋼管樁每下沉1 m停止錘擊，對(duì)樁的垂直度進(jìn)行復(fù)測(cè)，偏差大于設(shè)計(jì)要求時(shí)及時(shí)進(jìn)行糾偏，直至沉樁作業(yè)結(jié)束。

6 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)作為全球最為熱門(mén)的可再生清潔能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)之一，對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步都具有舉足輕重的作用[12]。坐底式單樁穩(wěn)樁平臺(tái)的使用為海上打樁施工提供了可靠的技術(shù)支持，在保證施工安全的前提下，提高了打樁的經(jīng)濟(jì)效益，為發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)做出一定的貢獻(xiàn)。