杜書(shū)鑫，于旻燾，梅致宇，郭鵬增，王 浩

中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東青島 266000

近年來(lái)隨著我國(guó)海上風(fēng)電事業(yè)的快速發(fā)展，鋼管樁基礎(chǔ)的應(yīng)用也隨之增多。作為導(dǎo)管架式海上升壓站上部組塊的主要承載基礎(chǔ)，其海上安裝的功效、作業(yè)窗口選擇及利用對(duì)于升壓站的整體建造安裝進(jìn)程及費(fèi)用都具有重大影響，對(duì)整個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)的順利投產(chǎn)具有重要意義[1]。

本文以黃海某風(fēng)電場(chǎng)海上升壓站導(dǎo)管架鋼管樁的海上安裝工程為例，研究鋼管樁起吊豎立時(shí)吊點(diǎn)索具布置設(shè)計(jì)及吊裝的難點(diǎn)，確定采用一艘浮吊作為主作業(yè)船，并通過(guò)吊裝設(shè)計(jì)對(duì)吊點(diǎn)位置和吊索具進(jìn)行方案優(yōu)化，從而直接完成樁管起吊、插樁作業(yè)，擺脫對(duì)起樁器、翻樁器等專用工具的依賴，驗(yàn)證了此方法應(yīng)用于大直徑超長(zhǎng)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(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目位于江蘇省連云港市灌云縣灌河口海域，場(chǎng)址南北寬約7.3 km，東西長(zhǎng)約8.5 km，場(chǎng)址中心距岸線約12 km，水深5～15 m（平均海平面起算）。風(fēng)電場(chǎng)擬安裝95臺(tái)單機(jī)容量為4.2 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量400 MW。本風(fēng)電場(chǎng)海上配套設(shè)置1座220 kV海上升壓站，升壓站基礎(chǔ)采用四腿導(dǎo)管架和鋼管樁形式。所發(fā)的電能通過(guò)海上升壓站升壓匯集后通過(guò)220 kV海底電纜送到陸上開(kāi)關(guān)站后再送到外部電網(wǎng)。本工程鋼管樁本體長(zhǎng)度88 m，替打段長(zhǎng)度3 m，直徑2 300 mm，單根樁質(zhì)量241 t；鋼管樁入泥深度約63 m。單根鋼管樁示意見(jiàn)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(dǎo)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(jù)國(guó)內(nèi)施工資源和施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，目前對(duì)于超長(zhǎng)鋼管樁海上起吊有三種方案，從適用性、費(fèi)用、操作性等幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表1。

通過(guò)綜合對(duì)比表1所列的內(nèi)容，確定采用第三種方案來(lái)進(jìn)行鋼管樁的海上安裝。

表1 鋼管樁海上起吊擬選方案對(duì)比

2 鋼管樁海上安裝施工流程

進(jìn)行鋼管樁平吊、豎立、插樁作業(yè)前，需要對(duì)施工海域未來(lái)三天以上的天氣預(yù)報(bào)進(jìn)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(fēng)、避臺(tái)風(fēng)等應(yīng)急準(zhǔn)備。鋼管樁安裝流程見(jiàn)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(guò)程中發(fā)生移位，在吊裝鋼管樁時(shí)，駁船側(cè)靠浮吊側(cè)舷，并與浮吊有一定角度以方便浮吊主臂旋轉(zhuǎn)吊起鋼管樁，然后在空曠區(qū)域進(jìn)行立樁作業(yè)，最后在導(dǎo)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(zhuǎn)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(yùn)輸駁船，旋轉(zhuǎn)吊臂，使整個(gè)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(guò)浮吊起鉤、變幅等操作將鋼管樁在水中進(jìn)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(shí)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(guò)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(jī)在其允許工況內(nèi)作業(yè)。

圖5 鋼管樁豎立過(guò)程示意

2.5 插樁

鋼管樁豎立后，旋轉(zhuǎn)浮吊主臂，吊起鋼管樁送至導(dǎo)管架上方，進(jìn)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(guò)主臂移動(dòng)，下放鉤頭，利用鉤頭慣性，進(jìn)行脫鉤作業(yè)。

3 吊裝設(shè)計(jì)

3.1 浮吊選型

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

（1） 選型依據(jù)。導(dǎo)管架質(zhì)量為943 t，尺寸為30.5 m×30.5 m×20 m，鋼管樁長(zhǎng)度91 m，單根質(zhì)量 241 t。

（2） 選型要求。安裝作業(yè)時(shí)需要最小吊高超出水面105 m（插樁時(shí)對(duì)吊高的要求）；全回轉(zhuǎn)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(jù)選型依據(jù)及要求，確定采用拓友號(hào)2 000 t全回轉(zhuǎn)浮吊。吊裝時(shí)拓友號(hào)浮吊作業(yè)半徑為40m，起吊能力1 550 t，導(dǎo)管架質(zhì)量943t，吊索具及鎖具平臺(tái)質(zhì)量55 t，起吊質(zhì)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(hào)浮吊在作業(yè)半徑為40 m時(shí)最大起吊高度為107 m，導(dǎo)管架安裝時(shí)最大起吊高度為56 m，小于最大起吊高度，滿足要求。起樁時(shí)采用拓友號(hào)浮吊的副鉤進(jìn)行作業(yè)，最大起吊高度為115 m，樁頭距離水面不超過(guò)109 m，小于最大起吊高度，滿足要求。

2019年10月15日—27日，當(dāng)?shù)刈畹统蔽?.14 m，最低水深5.81 m，拓友號(hào)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(diǎn)設(shè)計(jì)

施工時(shí)浮吊首先將鋼管樁從運(yùn)輸駁船上水平吊起，然后在水面空間上將鋼管樁由水平調(diào)整為豎直，在立鋼管樁過(guò)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。考慮浮吊以及現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，在設(shè)計(jì)鋼管樁吊點(diǎn)位置時(shí)，不僅要考慮鋼管樁吊裝及立鋼管樁過(guò)程中整體變形符合設(shè)計(jì)要求，也要考慮鋼管樁豎立后下部吊點(diǎn)容易脫鉤的問(wèn)題。

3.2.1 吊點(diǎn)位置確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需要，吊點(diǎn)的位置采用兩點(diǎn)起吊方案。起吊時(shí)，吊點(diǎn)位置一般按起吊時(shí)鋼管樁正負(fù)彎矩相等的原則初步確定。根據(jù)工程力學(xué)原理，兩吊點(diǎn)對(duì)稱布置在構(gòu)件中心的兩側(cè)，此時(shí)產(chǎn)生的彎矩絕對(duì)值最小，有利于鋼管樁自身抗彎能力的發(fā)揮，同時(shí)也便于吊索具的選擇。經(jīng)核算可知，當(dāng)兩點(diǎn)起吊或平移時(shí)，吊點(diǎn)距離構(gòu)件端部為0.207H（H為樁長(zhǎng)） 時(shí)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(fù)彎矩。

圖7 起吊位置確定

3.2.2 吊點(diǎn)形式

吊點(diǎn)位置確定后，需要對(duì)吊點(diǎn)形式進(jìn)行研究。吊點(diǎn)形式不僅要滿足鋼管樁在海上安裝時(shí)從平吊狀態(tài)到空中豎立狀態(tài)的平穩(wěn)過(guò)渡，而且要滿足插樁狀態(tài)下鋼管樁下端吊點(diǎn)在鋼管樁豎立后便于脫鉤，鋼管樁頂端吊點(diǎn)在豎立過(guò)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(shè)計(jì)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(guò)程中承受重量，又要求在翻身過(guò)程中易于脫鉤，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，鋼管樁下端不設(shè)置吊耳，用吊帶套著鋼管樁，在吊帶不再受力后可自行松開(kāi)。

圖8 鋼管樁上端吊點(diǎn)形式

3.2.3 吊點(diǎn)強(qiáng)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(zhì)量241 t，吊耳柱為準(zhǔn)610 mm×30 mm管，兩個(gè)吊耳承重，每個(gè)吊耳承載質(zhì)量為120.5 t，考慮安全系數(shù)n=1.5，吊耳的剪切應(yīng)力計(jì)算如下：

式中：τ為剪切應(yīng)力，Pa；F為吊耳柱在豎直吊起樁柱時(shí)承受的拉力，N；G為樁的重力，N；n為安全系數(shù)，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(nèi)壁半徑，0.275 m。

吊耳柱采用船用高強(qiáng)度鋼DH36，許用拉應(yīng)力[σ0]=355 MPa， 則許用剪切應(yīng)力[τ]=0.4 × [σ0]=142 MPa， 經(jīng)計(jì)算得 τ=32.4 MPa<[τ]， 滿足要求。

吊耳柱彎曲應(yīng)力校核如下：

經(jīng)計(jì)算，吊耳柱最大彎曲應(yīng)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(zhǔn)144 mm× 22 m的鋼絲繩吊裝，單根可承載質(zhì)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(guò)程有限元分析

鋼管樁翻轉(zhuǎn)過(guò)程中由于角度不同，鋼管樁受力情況均不相同。應(yīng)用有限元方法對(duì)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的鋼管樁進(jìn)行強(qiáng)度分析，以確保施工安全。在懸掛長(zhǎng)度確定時(shí)，樁管翻身過(guò)程中，選取雙吊點(diǎn)狀態(tài)下0°、30°、45°及單吊點(diǎn)90°傾角情況進(jìn)行分析。有限元模型如圖9所示，鋼管樁取beam單元，吊耳處設(shè)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(jì)算模型

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

圖10 鋼管樁吊裝翻轉(zhuǎn)過(guò)程應(yīng)力校核

4 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

通過(guò)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(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

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

（2） 鋼管樁上端吊點(diǎn)設(shè)計(jì)是項(xiàng)目一個(gè)難點(diǎn)。上端吊點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)過(guò)程的穩(wěn)性，確保不脫鉤，同時(shí)要兼顧插樁完成后，方便鋼絲繩自動(dòng)脫鉤。

（3） 在運(yùn)輸駁船上起樁時(shí)，吊機(jī)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(chǎn)生較大的扭矩。為保證安全，在吊裝過(guò)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(fù)以上步驟逐步起吊，直至鋼管樁完全釋放。

（4）整個(gè)吊裝過(guò)程，底端吊帶如何脫鉤是關(guān)鍵。通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐，吊帶掛扣時(shí)在鋼管樁上纏一圈，既能保證吊裝過(guò)程中的穩(wěn)定性，還能在鋼管樁豎立后順利脫鉤。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采取單船主副雙鉤起吊超長(zhǎng)鋼管樁、垂直立樁及插樁的方案，擺脫對(duì)起樁器、翻樁器等專用工具的依賴，降低了施工成本。根據(jù)施工過(guò)程中吊點(diǎn)位置和吊點(diǎn)形式的分析，結(jié)合設(shè)備資源和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，編制出合理的施工方案應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目，主要形成以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1） 單船雙鉤進(jìn)行超長(zhǎng)鋼管樁平吊、豎立、海上安裝能避免在運(yùn)輸駁船上對(duì)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(diǎn)位置和吊耳形式設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)方案的關(guān)鍵之一；吊點(diǎn)不僅能保證翻身過(guò)程中鋼管樁的穩(wěn)性，還要確保插樁完成后能快速自動(dòng)脫鉤，方便施工。

通過(guò)超長(zhǎng)鋼管樁海上安裝工藝的研究并實(shí)施到相關(guān)項(xiàng)目中，驗(yàn)證了該方案完成超長(zhǎng)鋼管樁海上安裝的可靠性，為以后類似項(xiàng)目提供新的思路和途徑，對(duì)其他海洋平臺(tái)鋼管樁整體安裝有一定的參考意義。