杜書鑫，于旻燾，梅致宇，郭鵬增，王 浩

中國石油集團海洋工程有限公司，山東青島 266000

近年來隨著我國海上風電事業(yè)的快速發(fā)展，鋼管樁基礎的應用也隨之增多。作為導管架式海上升壓站上部組塊的主要承載基礎，其海上安裝的功效、作業(yè)窗口選擇及利用對于升壓站的整體建造安裝進程及費用都具有重大影響，對整個海上風電場的順利投產具有重要意義[1]。

本文以黃海某風電場海上升壓站導管架鋼管樁的海上安裝工程為例，研究鋼管樁起吊豎立時吊點索具布置設計及吊裝的難點，確定采用一艘浮吊作為主作業(yè)船，并通過吊裝設計對吊點位置和吊索具進行方案優(yōu)化，從而直接完成樁管起吊、插樁作業(yè)，擺脫對起樁器、翻樁器等專用工具的依賴，驗證了此方法應用于大直徑超長鋼管樁海上安裝的可靠性。

1 工程概況及安裝工藝

1.1 工程背景

該海上風電場項目位于江蘇省連云港市灌云縣灌河口海域，場址南北寬約7.3 km，東西長約8.5 km，場址中心距岸線約12 km，水深5～15 m（平均海平面起算）。風電場擬安裝95臺單機容量為4.2 MW的風力發(fā)電機組，總裝機容量400 MW。本風電場海上配套設置1座220 kV海上升壓站，升壓站基礎采用四腿導管架和鋼管樁形式。所發(fā)的電能通過海上升壓站升壓匯集后通過220 kV海底電纜送到陸上開關站后再送到外部電網。本工程鋼管樁本體長度88 m，替打段長度3 m，直徑2 300 mm，單根樁質量241 t；鋼管樁入泥深度約63 m。單根鋼管樁示意見圖1。

圖1 鋼管樁示意

1.2 安裝工藝選擇

考慮鋼管樁入泥深度、工作區(qū)水深、導管架高度等因素，升壓站樁管起吊高度一般在100 m左右。根據國內施工資源和施工經驗來看，目前對于超長鋼管樁海上起吊有三種方案，從適用性、費用、操作性等幾個方面進行對比分析，見表1。

通過綜合對比表1所列的內容，確定采用第三種方案來進行鋼管樁的海上安裝。

表1 鋼管樁海上起吊擬選方案對比

2 鋼管樁海上安裝施工流程

進行鋼管樁平吊、豎立、插樁作業(yè)前，需要對施工海域未來三天以上的天氣預報進行收集，確保作業(yè)海域天氣情況滿足安裝要求，并做好避大風、避臺風等應急準備。鋼管樁安裝流程見圖2。

圖2 鋼管樁安裝流程

2.1 浮吊和駁船就位

為盡可能減少船舶在海上施工過程中發(fā)生移位，在吊裝鋼管樁時，駁船側靠浮吊側舷，并與浮吊有一定角度以方便浮吊主臂旋轉吊起鋼管樁，然后在空曠區(qū)域進行立樁作業(yè)，最后在導管架上方完成插樁作業(yè)。這種布置方式不僅避免船舶錨纜交叉，還可以方便施工人員在浮吊和駁船之間相互登船作業(yè)。船舶就位如圖3所示。

2.2 安裝吊索具

駁船就位后，浮吊旋轉其主臂至鋼管樁上方并盡可能與鋼管樁平行，使主鉤和副鉤盡量置于鋼管樁軸線上方，將吊索具安裝在浮吊和鋼管樁上。鋼管樁上端采用鋼絲繩套在鋼管樁吊耳上，下端采用吊帶套在鋼管樁上。浮吊主鉤吊裝鋼管樁下端，浮吊副鉤吊裝鋼管樁上端。

圖3 鋼管樁吊裝作業(yè)船舶就位

2.3 鋼管樁平吊

吊索具安裝后，平吊起鋼管樁脫離運輸駁船，旋轉吊臂，使整個鋼管樁處于水面上，如圖4所示。

圖4 鋼管樁平吊示意

2.4 鋼管樁豎立

通過浮吊起鉤、變幅等操作將鋼管樁在水中進行豎立扶正。首先將樁頂端鉤頭緩慢抬升，使鋼管樁前后端形成一定角度（如圖5所示），然后下端緩慢入水；待狀態(tài)平穩(wěn)后，繼續(xù)抬升鋼管樁頂端鉤頭，直至鋼管樁處于豎立狀態(tài)；此時提升鋼管樁頂端鉤頭，使鋼管樁底端吊帶脫離鋼管樁。扶正鋼管樁過程中，監(jiān)控吊鉤高度、主臂作業(yè)幅度和鉤頭重量，保證吊機在其允許工況內作業(yè)。

圖5 鋼管樁豎立過程示意

2.5 插樁

鋼管樁豎立后，旋轉浮吊主臂，吊起鋼管樁送至導管架上方，進行插樁作業(yè)，如圖6所示。

圖6 插樁

2.6 吊索具脫鉤

插樁作業(yè)完成后，通過主臂移動，下放鉤頭，利用鉤頭慣性，進行脫鉤作業(yè)。

3 吊裝設計

3.1 浮吊選型

考慮到導管架、鋼管樁安裝過程中需要連續(xù)作業(yè)，導管架及鋼管樁吊裝使用同一艘浮吊作業(yè)，浮吊選型時要滿足導管架吊裝和鋼管樁吊裝需求。

（1） 選型依據。導管架質量為943 t，尺寸為30.5 m×30.5 m×20 m，鋼管樁長度91 m，單根質量 241 t。

（2） 選型要求。安裝作業(yè)時需要最小吊高超出水面105 m（插樁時對吊高的要求）；全回轉作業(yè)；主鉤吊裝能力滿足943 t吊裝要求；具備主鉤、副鉤雙鉤扶正能力；滿足作業(yè)區(qū)域水深要求。

（3） 校核。根據選型依據及要求，確定采用拓友號2 000 t全回轉浮吊。吊裝時拓友號浮吊作業(yè)半徑為40m，起吊能力1 550 t，導管架質量943t，吊索具及鎖具平臺質量55 t，起吊質量（943 t+55 t） ×1.2=1 198 t＜1 550 t， 即小于浮吊起吊能力，滿足要求。

拓友號浮吊在作業(yè)半徑為40 m時最大起吊高度為107 m，導管架安裝時最大起吊高度為56 m，小于最大起吊高度，滿足要求。起樁時采用拓友號浮吊的副鉤進行作業(yè)，最大起吊高度為115 m，樁頭距離水面不超過109 m，小于最大起吊高度，滿足要求。

2019年10月15日—27日，當地最低潮位1.14 m，最低水深5.81 m，拓友號浮吊作業(yè)水深為5.7 m，作業(yè)窗口滿足施工要求。

3.2 吊點設計

施工時浮吊首先將鋼管樁從運輸駁船上水平吊起，然后在水面空間上將鋼管樁由水平調整為豎直，在立鋼管樁過程中，為減少浮吊吊高限制，鋼管樁的下端處于水中，上端處于水面以上?？紤]浮吊以及現場條件的限制，在設計鋼管樁吊點位置時，不僅要考慮鋼管樁吊裝及立鋼管樁過程中整體變形符合設計要求，也要考慮鋼管樁豎立后下部吊點容易脫鉤的問題。

3.2.1 吊點位置確定

根據現場施工需要，吊點的位置采用兩點起吊方案。起吊時，吊點位置一般按起吊時鋼管樁正負彎矩相等的原則初步確定。根據工程力學原理，兩吊點對稱布置在構件中心的兩側，此時產生的彎矩絕對值最小，有利于鋼管樁自身抗彎能力的發(fā)揮，同時也便于吊索具的選擇。經核算可知，當兩點起吊或平移時，吊點距離構件端部為0.207H（H為樁長） 時最為合理[5-6]，如圖7所示，其中M+為最大正彎矩，M-為最大負彎矩。

圖7 起吊位置確定

3.2.2 吊點形式

吊點位置確定后，需要對吊點形式進行研究。吊點形式不僅要滿足鋼管樁在海上安裝時從平吊狀態(tài)到空中豎立狀態(tài)的平穩(wěn)過渡，而且要滿足插樁狀態(tài)下鋼管樁下端吊點在鋼管樁豎立后便于脫鉤，鋼管樁頂端吊點在豎立過程中要承受鋼管樁整體重量，且插樁后易于脫鉤。

考慮板式吊耳不易脫鉤，將鋼管樁上端吊耳設計成管式吊耳，采用鋼絲繩圈套入，易于掛扣和脫鉤（如圖8所示）。鋼管樁下端吊耳由于僅在平吊過程中承受重量，又要求在翻身過程中易于脫鉤，根據工程經驗，鋼管樁下端不設置吊耳，用吊帶套著鋼管樁，在吊帶不再受力后可自行松開。

圖8 鋼管樁上端吊點形式

3.2.3 吊點強度校核

按照吊耳承重最大（即鋼管樁豎直狀態(tài)下）的情況校核。單根鋼管樁質量241 t，吊耳柱為準610 mm×30 mm管，兩個吊耳承重，每個吊耳承載質量為120.5 t，考慮安全系數n=1.5，吊耳的剪切應力計算如下：

式中：τ為剪切應力，Pa；F為吊耳柱在豎直吊起樁柱時承受的拉力，N；G為樁的重力，N；n為安全系數，n=1.5；A為吊耳柱截面積，m2，A=π×（R2-r2）；R為吊耳柱外壁半徑，0.305 m；r為吊耳柱內壁半徑，0.275 m。

吊耳柱采用船用高強度鋼DH36，許用拉應力[σ0]=355 MPa， 則許用剪切應力[τ]=0.4 × [σ0]=142 MPa， 經計算得 τ=32.4 MPa<[τ]， 滿足要求。

吊耳柱彎曲應力校核如下：

經計算，吊耳柱最大彎曲應力σ=191.25 MPa<[σ0]/n=236 MPa， 滿足要求。

3.3 吊索具選型及校核

鋼管樁吊耳處使用兩根準144 mm× 22 m的鋼絲繩吊裝，單根可承載質量370 t，可滿足241 t鋼管樁吊裝需求，溜尾處使用120 t× 30 m吊帶，增大摩擦力，防止打滑。

3.4 吊裝過程有限元分析

鋼管樁翻轉過程中由于角度不同，鋼管樁受力情況均不相同。應用有限元方法對翻轉過程中的鋼管樁進行強度分析，以確保施工安全。在懸掛長度確定時，樁管翻身過程中，選取雙吊點狀態(tài)下0°、30°、45°及單吊點90°傾角情況進行分析。有限元模型如圖9所示，鋼管樁取beam單元，吊耳處設置邊界條件為x、y方向固定、溜尾處z向固定。

圖9 有限元計算模型

有限元分析結果如圖10（a） ～（d） 所示，在0°時鋼管樁最大應力值35.4 MPa，最大值出現在兩個吊點之間，越遠離吊點位置應力值越大；30°時鋼管樁最大應力值30.7 MPa，最大值出現在兩個吊點中點靠近吊耳側；45°時，鋼管樁最大應力值25.1 MPa，最大值出現在兩個吊點中點靠近吊耳側，位置比30°時更靠近吊耳處；90°時，鋼管樁最大應力值7.06 MPa，最大值出現在吊耳處。由以上分析結果可以看到，樁體最大應力出現在水平吊裝時，最大35.4 MPa<355 MPa，滿足強度要求。且隨著吊裝角度的變大，樁體的最大應力減小，豎直狀態(tài)最小，為7.06 MPa，方案實施安全可控。

圖10 鋼管樁吊裝翻轉過程應力校核

4 關鍵技術難點

通過以上鋼管樁海上安裝作業(yè)的施工流程可以看出，鋼管樁海上安裝關鍵技術難點及風險點主要有以下幾點：

（1）由于鋼管樁底端采用吊帶吊裝，為確保鋼管樁吊裝過程中的平衡，需要精確計算鋼管樁的重心位置，然后利用模型模擬出鋼管樁吊點準確位置。

（2） 鋼管樁上端吊點設計是項目一個難點。上端吊點設計時，既要考慮能承受鋼管樁自身重量，滿足鋼管樁由水平到垂直狀態(tài)整個過程的穩(wěn)性，確保不脫鉤，同時要兼顧插樁完成后，方便鋼絲繩自動脫鉤。

（3） 在運輸駁船上起樁時，吊機主臂和鋼管樁之間有一定的角度，鋼管樁吊離駁船瞬間，將產生較大的扭矩。為保證安全，在吊裝過程中，需要先緩慢抬起鋼管樁頂端一定高度，穩(wěn)定后，再抬起鋼管樁底端。重復以上步驟逐步起吊，直至鋼管樁完全釋放。

（4）整個吊裝過程，底端吊帶如何脫鉤是關鍵。通過項目實踐，吊帶掛扣時在鋼管樁上纏一圈，既能保證吊裝過程中的穩(wěn)定性，還能在鋼管樁豎立后順利脫鉤。

5 結束語

通過采取單船主副雙鉤起吊超長鋼管樁、垂直立樁及插樁的方案，擺脫對起樁器、翻樁器等專用工具的依賴，降低了施工成本。根據施工過程中吊點位置和吊點形式的分析，結合設備資源和現場實際情況，編制出合理的施工方案應用于實際項目，主要形成以下幾點結論：

（1） 單船雙鉤進行超長鋼管樁平吊、豎立、海上安裝能避免在運輸駁船上對鋼管樁翻身，防止船舶甲板破壞，提高施工效率。

（2） 確定施工方案后，吊點位置和吊耳形式設計是實現方案的關鍵之一；吊點不僅能保證翻身過程中鋼管樁的穩(wěn)性，還要確保插樁完成后能快速自動脫鉤，方便施工。

通過超長鋼管樁海上安裝工藝的研究并實施到相關項目中，驗證了該方案完成超長鋼管樁海上安裝的可靠性，為以后類似項目提供新的思路和途徑，對其他海洋平臺鋼管樁整體安裝有一定的參考意義。