水下四桩导管架基础施工稳桩平台及其施工工艺探析

摘要：近年来，近海风资源受航道、海域空间等的限制趋紧，近海风资源开发利用逐步接近饱和状态；而我国拥有丰富的深远海风资源，是近海风资源的两倍以上。以导管架为基础的海上风电将迎来广阔的市场。亟需一种可靠、高效、成熟的导管架基础施工平台及其相关施工工艺。

关键词：海上风电、四桩导管架、导管架施工稳桩平台、施工工艺

0.引言

随着海洋资源开发向深远海推进，水下四桩导管架基础因其承载力强、抗风浪性能优、经济效益高等特点成为海上风电重要支撑形式之一。水下四桩导管架基础作为海上风电的关键支撑结构，其施工精度与稳定性直接影响整体工程的安全性与耐久性。水下四桩导管架基础施工稳桩平台作为导管架施工的核心装备，需解决复杂海洋环境下桩基定位、相对位置精度及垂直度控制等技术难题。本文将结合广东某一水下四桩导管架基础形式的海上风电场建设项目，系统阐述水下四桩导管架基础施工稳桩平台的结构原理及其相应施工工艺，为后续水下四桩导管架施工提供理论与实践参考。

1.项目概况及设计需求

1.1 项目概况

该海上风电项目场址位于广东省阳江市，涉海面积约64km2，场址水深范围35m～38m，中心离岸距离约50km。项目规划装机容量为400MW，拟布置拟安装10台8MW风机和32台10MW风机，项目风机基础均采用四桩导管架基础。

1.2 设计需求

1.2.1 技术指标

1.2.1.1 水下四桩导管架基础施工稳桩平台

1）工装支持水深≤50米范围内作业；

2）工装强度满足以下海况条件：

作业工况：流速1.19 m/s；有义波高3.0 m；风速15.5 m/s

自存工况：流速1.19 m/s；有义波高5.63 m；风速51.5 m/s

3）地质参数详见项目地勘。

4）稳桩平台需满足技术参数：

导向筒适应桩径直径需可调节，起始项目：2800mm；

导向筒中心距开档30m。

1.2.1.2 智能监测辅助子系统

1）适用水深：≤50米；

2）视频分辨率：1920×1080 25fps，具有照明功能；

3）成像距离：0.5-3米。

1.2.2 存在难点分析

1）四桩导管架基础施工稳桩平台如何保证导管架基础单桩施工后各项设计参数（桩距、垂直度、高程）符合各项设计要求、精度；

2）四桩导管架基础施工稳桩平台在风暴海况下的自存;

3）一套成熟、可靠的水下四桩导管架施工工艺；

4）考虑到基础单桩沉桩过程中液压锤带来的不断冲击，智能监测辅助子系统成像须具有抗震动，抗腐蚀，抗水压，抗散射能力。

2. 水下四桩导管架基础施工稳桩平台设计及相应施工工艺

2.1 总体思路

根据项目导管架设计资料，该项目基础单桩需沉桩至水底指定设计高程，且需保证单桩垂直度及相互的位置精度。经过多方面的资料收集、调研，拟采用四桩导管架基础施工稳桩平台导向筒自身的平行度及相对位置精度来保证基础单桩的设计要求；同时为了便于测量，拟于四桩导管架基础施工稳桩平台顶层平台设置虚拟基准面，用于调整稳桩平台的整体姿态，保证导向筒的垂直度，亦可作为参照，用于推算单桩基础高程；为了便于基础单桩水下精准对位导向筒、高程精准控制，拟部署一套智能监测辅助子系统，用于实时监控。同时，制定一套相应专用施工工艺，用于保证施工各个流程、细节的顺利完成。

2.2 技术方案

2.2.1 水下四桩导管架基础施工稳桩平台

水下四桩导管架基础施工稳桩平台是整个施工过程中保证单桩基础各精度的主体，主要由：主体结构、导向筒、定位架、辅助桩、顶层平台、防沉板及悬挂于固定等结构组成。主要由板材与型材焊接而成。（如下图1所示）

图1. 水下四桩导管架基础施工稳桩平台整体模型

水下四桩导管架四根基础单桩沉桩按设计要求，需要严格控制任意桩顶水平绝对偏位、任意两根桩顶水平相对偏位、桩顶高程绝对偏差、任意两桩高程相对偏差以及纵轴线倾斜度偏差。且最终单桩沉桩作业完成后处于水面以下，给测量带来极大困难。

针对于上述困难，首先通过稳桩平台自身结构（各导向桶的相对精度）限制任意桩顶水平绝对偏位及任意两根桩顶水平相对偏位，使其处于可控范围内；同时在稳桩平台上部署看水下摄像系统，用于监测基础单桩施工过程中的实时高程数据；最后在导管架基础稳桩平台顶层平台上设置了虚拟基准面，用于水上观测并以此调整整个稳桩平台的姿态，进而控制基础单桩纵轴线倾斜度偏差。

为了保证水下四桩导管架基础施工稳桩平台在施工过程中的结构安全，结合风机基础安装的施工工艺、作业工况要求和项目场址的环境数据以及土壤数据，对该稳桩平台主体框架和辅助桩进行如下内容的评估：

1）水下四桩导管架基础施工稳桩平台主体框架的结构强度；

2）水下四桩导管架基础施工稳桩平台辅助桩承载力及桩身强度；

通过对整体结构的安全评估计算分析，确保平台结构的安全性，计算结果表明主体框架结构强度和刚度满足规范要求，辅助桩承载力及桩身强度满足规范要求。（部分计算分析结果如下）

图2. 主体框架结构Von-Mises应力扫描结果

图3. 主体框架结构杆件规范校核计算结果 UC图

图4. 辅助桩承载能力曲线图（某一机位）

图5. 辅助桩承载能力安全系数（某一机位）

2.2.3 智能监测辅助子系统

以往水下沉桩需水下ROV或潜水员辅助完成基础单桩的对位与高程监测，不仅费用高昂，且潜水员水下作业危险系数高。智能监测辅助子系统采用分别安装在稳桩平台导向筒附近的水下光纤成像单元，实时观察桩基刻度和对接距离精度，并实时传输至手持终端，不仅便捷、高效、经济，而且无安全危险。

普通光电成像系统由光学镜头、相机和传输系统组成，采用刚性连接，在深水、强震动的环境下，会导致对焦失败，图像虚化，震动和冲击在整个结构体内传递，紧固件容易脱离，整体体积较大，水下减压舱尺寸较大，安装不方便，整体体积较大，水下减压舱尺寸较大，安装不方便。

本项目拟采用内窥式光学成像系统。内窥式光学成像系统用纤维光束传像和导光具有良好的柔软性和方便的操作性能。体积微小，一体化成像，软体连结。光纤内窥镜对颜色的辅助判断是极为准确，成像系统的彩色再现极佳，它能把每个三基色以全宽带记录下来，从而达到最大分辨率；同时光源亮度的自动智能型调节也是良好观察效果的必备条件；三是全方位360度的导向功能，内窥镜的探头可以360度旋转，可监测范围更广。

图6. 智能监测辅助子系统架构图

2.2.4 水下四桩导管架基础施工稳桩平台施工工艺

为更便捷、高效、可控得完成基础单桩沉桩作业，结合水下四桩导管架基础施工稳桩平台自身特点，专门研发了四桩导管架基础施工稳桩平台施工工艺。从稳桩平台快速调平、基础单桩初始垂直度控制等等细节方面提出全面、科学的作业规程，使得整个施工作业过程安全、可靠、可控。创新性的引入虚拟基准面，将原本需要水下进行观测的工序，间接转为观测虚拟基准面，大大降低了施工难度，提高施工效率。（施工工艺流程如下图所示）

图7. 施工工艺流程

3应用结果

本项目是为水下四桩导管架基础施工特别创新的研究成果，具体极强的针对性，可以很好的契合水下四桩导管架基础施工，提高了施工效率、海上施工的安全性；并且该成果可以快速复制和扩展性。

目前本项目成果已在广东部分海上风电场项目中成功、顺利应用，且各项指标均符合设计要求、精度。配合水下四桩导管架基础施工工艺，整个施工作业过程顺畅、便捷、高效，得到了业主、项目部及同行的一致认可。

图9. 施工过程照片

4. 结论

本项目技术成果成功在广州海上风电的建设中进行了推广应用，技术成熟度、领先。其次，有效地降低了我国海上风电工程的施工成本，提高了施工效率，大大缩短了工程开发周期。

在国家“碳达峰、碳中和”大政策环境下，我国海上风电场建设还将持续蓬勃发展。随着近海资源的开发殆尽，未来海上风电必将朝着深远海、大兆瓦方向发展，导管架式风机基础海上风电场市场占比也将进一步扩大，因此本项目成果未来应用前景广阔，具有巨大的经济和社会意义。

参考文献：

[1] 沙鑫 海上风电机组四桩导管架支撑结构的动力响应分析[D]. 青岛：中国海洋大学, 2014.

[2] 李林山 海上风电水下四桩导管架的施工方法[J]. 工程建设与设计, 2018, 04.

[3] 胡峰 深水四桩导管架基础负压桶式定位调平稳桩平台沉桩施工工艺探析[J]. 江西建材, 2022, 03.