海上风电大直径钢管桩单船单钩吊桩翻桩技术

近几年，海上风电呈现快速增长趋势，据统计，我国主要风场中单桩基础占比高达65%以上，单桩基础重量、体积均较大。在吊桩沉桩施工中，对起重船吊重、吊高、跨距，尤其是主副钩头布置形式要求较高。目前我国各大海上风电项目单桩基础施工主要采用的单桩起吊方式有双船抬吊后空中翻身、单船左右主钩（单钩需达到1200t以上）抬吊后空中翻身等。依托某海上风电场项目单桩基础沉桩施工，制订技术先进的单桩单船单钩吊桩翻桩工艺，计划采用单船单主钩来完成超大超重单桩的起吊翻身。

1 工程概况

本项目位于平潭大练岛、小练岛东北侧及白青东北侧，场址分A、B、C3块区域，共60台风机基础和安装工程，单机容量为4 MW，共计240MW。其中28台风机设计为单桩基础，桩径6.0~7.3m，桩长71.6~84.6m，桩重725~974t。

2 施工工艺介绍

2.1 单桩沉桩总体工艺流程

本项目单桩直径6.8m，长84.6m，桩重973.1t，采用5000t起重船+IHC–S3000液压打桩锤+定位导向平台施工。 施工流程为：施工准备→钢管桩制作运输→打桩船组定位→导向架平台搭设→钢管桩起吊→钢管桩入龙口→钢管桩自重入泥→吊锤压锤→液压锤锤击沉桩→沉桩到位→平台拆除→撤点。 本工程仅针对单桩起吊翻身入龙口的过程中采用的新技术进行介绍。

2.2 新型单船单钩吊桩方式

2.2.1 起吊前准备

船机到现场定位时，船头应与潮流一致。抛锚时先进行主起重船抛锚作业，待起重船完成抛锚后，单桩运输船运至现场并靠泊在主起重船侧边，单桩起吊前做好压载舱调载工作。起重船单钩翻身，主吊耳采用 192环形钢丝绳圈，桩尖采用350t溜尾钩加环形钢丝绳圈。对本工程提供的单桩信息进行分析验算，取桩重973.1t，最长桩长84.6m。

计算可得： F ₁ =1004t， F ₂ = 160t。

钢桩直立时，只有主钩受力（考虑动态荷载），即 F ₁ =1164t， F ₂ =0t。 主钩受力最大 F ₁ max=1164t，溜尾吊点最大受力 F ₂ max=160t。 吊力分配如图1所示。

工作幅度：主起重船在吊管桩时，运输驳船与起重船同向侧靠于起重船侧舷，此时的起吊幅度按1/2运输船最大船宽（32m）+5m安全距离计算，考虑为21m，起重机伸距可满足要求。 起重吊索具配备见表1。

施工海域海床地势平坦，适合使用坐底式稳桩平台进行沉桩施工。稳桩平台由主起重船起吊、定位、安放，再采用振动锤进行辅助桩插打，若辅助桩沉设到位后平台水平度仍无法满足要求，则采用起重船起吊调平，调平后采用液压千斤顶将辅助桩与平台连接固定，固定完成后即可开始进行单桩沉桩施工。

2.2.2 挂钩起吊并翻身立桩

先进行主起重船抛锚作业，待起重船完成抛锚后，起重船左前锚缆完全松开至泥面（不影响运桩驳船靠泊），运桩驳船从起重船头向船尾航行，缓慢靠近起重船左舷并带缆就位。运输驳船与起重船处于顺靠状态。

主吊点及溜尾吊点钢丝绳安装如图2所示，起重船主钩起吊钢管桩中上部的对称管轴式主吊耳，同时将溜尾钳挂于桩尖上。在起吊过程中，当主吊耳钢丝绳刚开始绷紧受力，钢管桩仍处于水平状态时，溜尾吊钢丝绳存在2.0~4.0 m的富余长度，尾吊钢丝处于松弛不受力状态。

索具挂钩完成后指挥起重船吊机主钩旋转至桩尖处，将溜尾钳挂于桩尖上。再指挥起重船吊机同一主钩旋转至单桩主吊耳处，将主吊钢丝绳圈挂于单桩吊耳。

起重船主钩起吊，主吊耳钢丝绳垂直绷紧受力，溜尾吊钢丝绳松弛不受力。起重船主吊钩继续起升，桩顶部分先受力并逐渐离开支座，但桩尖仍搁置在运输工装上。继续提升，桩身水平向角度逐渐加大，当单桩桩身与水平面夹角约达到15°时，溜尾吊钢丝绳开始受力，单桩桩身呈斜向状态并完全脱离运输工装（图3）。

继续提升，当单桩桩尖距运输驳船甲板面约5m时，运输驳船开始解绑缆绳，使驾驶室位置偏离主作业船，开航离开起重船。待运输船离开后，起重船主吊钩下放，将单桩缓慢沉入水中，当单桩桩尖着床后继续下放，单桩姿态与起升过程呈反向变化，溜尾吊钢丝绳会逐渐松弛，不再承受吊重，并逐渐弯曲松动（图4），这时，主钩再次上升，使单桩慢慢竖直。溜尾吊钢丝绳处于松弛状态，随着单桩角度的改变，溜尾钳在自重作用下脱落，吊挂于副钩上，待单桩处于直立状态、桩尖离开海床面后，移船向平台抱桩器 的位置缓慢移动，进入下道工序。使用事先准备好的起重船副钩或索具钩使溜尾吊钢丝绳脱离主钩。

2.2.3 主吊点脱钩、完成吊桩

缓慢转动起重船大臂，将单桩送入用于辅助沉桩的抱桩器，直至单桩完全进入抱桩器环形空间内，闭合龙口。采用2台全站仪进行单桩垂直度控制，辅助平台的上下2层共8个千斤顶调整单桩的垂直度，使偏差不超过3.0‰。垂直度调整到位之后，下放主钩，单桩逐渐下沉，桩尖入泥一定深度后停止下沉，起重船继续落钩，使主吊钢丝绳处于不受力且不脱钩状态。观察15min，若无变化，解除主吊耳处钢丝绳，进行下一道工序施工。

3 单船单钩起吊单桩的边界条件

（1）溜尾吊钢丝绳的上挂点和下扣点均需要完成空中自动脱钩，需提前做好相关技术准备。

（2）主吊钢丝绳与溜尾吊钢丝绳长度需根据每根单桩的具体参数专项设计，单桩起吊后与水平面的夹角为15°~25°比较合适。

（3）桩尖处溜尾吊点的吊力为100~200t比较合适。如果吊力太大，则在起吊开始阶段，运输驳船上最后一个支座处受力较大，结构验算难以通过；如果吊力太小，单桩下半截入水后因为有浮力产生，会使下吊点失去吊力，单桩有自动翻转的可能，极易发生危险。

（4）原泥面表层土需要有一定的承载力，因此砂层或粉砂层比较合适。表层若为超过3m厚的淤泥，则桩尖入泥会较深，操作难度会加大。

4 单船单钩起吊单桩的技术优点

（1）此工艺避免使用双船抬吊，可有效降低船舶设备投入，降低双船操作可能发生的不稳定、碰撞等风险。

（2）单桩桩身与主吊船起重臂方向垂直，大幅降低了对起重船伸距方面的要求。

（3）水下翻桩，吊耳入水，主吊钢丝绳与吊耳间的摩擦升温能够迅速得到缓解，能够确保起吊安全。

（4）采用本工艺进行单桩起吊翻桩作业，解决了大直径钢管桩海上沉桩技术难题，取得了明显的社会效益及经济效益。

（5）采用此工艺可节省配合抬吊的600t以上级起重船一艘，按每月沉设4根单桩，600t级起重船每月租金300万元，则每沉设一根风电单桩，可节省75万元，目前我国已有多个风电项目的共约50根单桩采用此工艺施工，共节约船舶资源费用约3750万元。

5 结束语

采用坐底式整体稳桩平台结构及本研究提出的新型的单船单钩起吊方式进行打入式单桩沉桩施工，施工技术先进，充分发挥了船机性能潜力，施工效率高，且对施工安全有较大的保障，加快了施工进度，船机设备的配置方案及数量得到充分优化，成本可控，大幅节省了船机资源，社会效益明显。