曹国英
身份证号：150429197806142913
摘要：海上风能因其节约土地、噪声污染小、风切变小和靠近用电市场等天然优势，近年来得到了较快发展。高桩承台基础是国内海上风机基础较为常见的型式之一，解决高桩承台基础和嵌岩单桩施工技术难题能够大大提高海上风场建设水平和施工质量。
关键词：海上风机；嵌岩单桩；施工技术；
引言
海上风电是可再生的绿色能源，具有风能充足、干净、风速高的特点，受到世界各国的重视。海上风电场的基础设施部分是风机单位系统的重要组成部分，一般由重力基础、桩基、负压筒基础、浮动基础等形式组成。其中单桩基础是桩基的一种，单桩结构简单，便于安装，因此在我国沿海的风电场中应用最广泛。单桩由于重量重、长度长，一般水平放置运输，因此单桩的沉桩作业成为风机基础安装的一单桩个重要环节。
1国内海上风电发展情况
中国沿海地区海上风能资源良好，且东南沿海城市均为电力负荷中心，就地消纳能力强。根据水规总院初步规划5～50米水深海上风电开发潜力共约5.12亿kW，可开发储量巨大，未来市场空间广阔。根据《风电发展“十三五”规划》，“十三五”期间将积极稳妥推进海上风电建设，重点推动江苏、浙江、福建、广东等省的海上风电建设，到2020年四省海上风电开工建设规模均达到百万kW级;到2025年，全国海上风电开工建设规单桩模达到1000万kW，力争累计并网容量达到500万kW以上。因此，在政策、地理环境、市场需求的有利条件下，国内的海上风电正在蓬勃发展。与全球风电行业发展趋势保持一致，在中国风电行业整体快速发展的大环境下，中国海上风电发展速度快于风电行业整体发展速度。根据国家能源局的数据统计，截至2019年底，海上风电累计装机593万kW，发展速度迅猛。
2单桩基础施工设备的配备
2.1钢管桩制作及运输施工设备
钢管桩可以选择在项目所在地附近的大型钢结构制作厂制作，利用工厂自己的码头将钢管运输到工作区码头。钢管桩运输时，根据最长的管桩长度100多M的运运输要求，可以选择全长100M、类型宽度30M、3.5 M内的甲板反驳。若按照普通运输驳的方形系数0.7计算，甲板反驳载荷约为7400T。考虑到单个构件长距离运输横跨多个海域，牵引时间长，海况变化较大，因此建议选择10000t以上级别的甲板驳。主机动力由桩4000HP单桩及以上的拖轮运输。
2.2附属设施的施工设备
单桩附属设施如套笼、吊机、集装箱、电缆管等应在沉桩完成后再安装，安装时应注意不损伤防腐涂层，若有损伤应立即修补。附属设施施工可采用5000t级别甲板驳，配备主机动力为2000HP及以上的拖轮运输，采用1000t浮式起重船安装。
2.3钢管桩施工设备
采用浮动起重机+定位导向架解决方案，兼顾技术优势、经济性和工程适应性等几个方面。由于钢管桩长度为90多米，长度很长，为确保其吊高安全，采用4000t和360度全回转浮动起重机船作为主吊装装置，辅助翻桩船。在沉桩施工中采用GPS定位系统进行定位控制，并配置3500t打桩锤，替打，稳桩平台，振动锤、钻机，锚艇等。
3单桩嵌岩施工工艺
3.1单桩沉桩施工及套笼安装
单桩首先进行锤击沉桩，到达嵌岩标高后进行钻机安装，钻孔完毕后再锤击沉桩，最后将套笼安装在单桩基础上。以南鹏岛海上风电项目为例，桩长90多m，直径8.5m，重量达1500t，起吊船舶、运输船舶就位，安装稳桩平台，之后进行翻桩和插桩，调整单桩垂直度后进行锤击沉桩，锤击至初次沉桩底高程。拆除稳桩平台到下个机位，起吊并在单桩上安装钻机，安装钻机完毕进行钻孔，直至钻至设计底高程，再次锤击沉桩至设计标高。最后完成附属构件安装，如套笼。
3.2钻孔设备效率分析
单桩某大功率海上风电场项目采用的海上嵌岩设备单桩主要有冲击钻机、旋转钻机、旋挖钻机，在不考虑外界条件及设备故障因素影响下，对不同嵌岩设备的桩基嵌岩施工效率统计分析表明:旋转钻机在淤泥、砂土等覆盖层钻进速度相差不大，在强风化岩及弱风化花岗岩层的施工效率是冲击钻的1． 75～3.00倍。冲击钻在覆盖层施工效率约是旋转钻机的120%，在强风化岩层钻进速度相对其他设备较慢。旋挖钻机在强度较小的覆盖层施工速度可达十几米每天，效率提高明显，但在岩体强度较大的弱风化岩层钻进效率不高。
3.3钻机就位
钻具安装方法: 主机拼装→主机安装→钻头安装→单桩钻杆安装→安装验收。单井钻机进入工地后，整个机组装配在最近的码头工地上，单井钻机与运输船相连，经海路运到工地施工现场。单孔钻孔是使用与钻孔直径相符的钻头钻入孔中，在安装钻具之前，在单脚法兰表面安装一个特殊的过渡段，以保护法兰表面，并使用打桩装置将钻具固定在单脚上，以便顶至泥面的距离约50米，原木和钻杆的总长度约50米，单孔头由重平衡机和重钻杆组成，长度约18米，单孔钻和单孔杆装配后与运输船相连钻探过程的第二部分及后续碗直接安装在主机平台上，每根钻杆长度为3m。
钻孔装置安装时，应确保钻孔中心和钻孔位置中心位于偏差小于或等于5 mm的同一垂直线上。为确保施工过程中无倾斜和偏差，钻孔中心和钻孔位置中心应水平、垂直和稳定。
3.4钻孔设备选型
单桩冲击钻机安装移动方便，施工成本低，但强风化岩层钻孔效率较低，钻头需定期维护加焊，单孔施工周期长，风险高，钻孔深度不易超过60 m。旋转钻机钻进速度较快，成孔稳定、质量可靠，能适应较深钻孔施工，但对外接电源要求较高，钻机拆装及移孔工作量大。旋挖钻机移动方便，非岩体钻进速度极快，弱风化岩层等强度较大的岩体层钻进效率不高，尤其是大直径嵌岩桩施工时，需分级钻进，适应于覆盖层较深、岩体强度小的桩基施工，孔深不易超过100 m。根据不同钻孔设备的施工效率、适用范围及工程场址地质条件，项目采用冲击钻进行二次沉桩前的掏孔施工，以旋转钻机为主完成嵌岩施工，合理安排旋挖钻机进行覆盖层较厚的桩基钻孔施工，施工效率明显提高。
3.5嵌岩起始面和终孔的确定
单桩嵌岩起始面确定的原则：以样渣对比方法为主，地质剖面岩层标高进行校核，由技术人员收集岩样，现场业主、监理和施工单位多方共同确定。根据钻孔地质报告结合沉桩记录，对比钻机的进尺情况和现场的施工情况作出初步判断。中等风化渣样判断指标：地质勘探报告描述的中风化岩层标高处；钻机钻进速度的明显减弱；掏渣筒渣样或反循环排渣中收集的钻渣物明显变化；渣样中等风化岩样含量必须达到50%，可判断全断面进入中、微风化岩层。另外为了排除偶然性可依此起始面再钻进10～20cm作为嵌岩起始面。嵌岩深度（包括成孔直径和垂直度）达到设计要求后，由嵌岩桩钻机施工负责人提出申请，由施工技术负责人复核确认后再向监理、设计等相关单位提出申请，经监理、设计等相关单位审核批准最后确认终孔。
3.6复打
单桩桩内钻孔及清孔至设计标高，待终孔验收完成并拆除钻杆和钻机后，起重船进点就位对单桩进行复打。复打前在嵌岩单桩上平台龙口边缘处用RTK测出顶面高程，把高程引测到稳桩下平台龙口边缘处，按桩顶设计标高计算桩顶到下平台的高差，并在桩身上做好停锤标记线，待停锤桩身读数换算后达到设计高程时停锤。桩锤锤击时要严格把控桩身的垂直度，现场通过液压千斤顶来顶住桩身，桩锤、替打、和桩应保持在同一轴线上。桩锤在锤击的同时测量人员需使用仪器同步观测桩身的垂直度，复打结束后测量人员再上桩顶对法兰面平整度进行测量，保证桩的垂直度满足设计要求。
4海上风机的优化策略
4.1海上风机的检修过程
1)根据风电场中各台风电机组CMS的状态信息，根据预先给定的状态阈值，判断各部件是否需要进行预防性更换或者故障更换;当某台风电机组部件需要进行维护时，结合备件的实际库存状态以及实时风速情况，若风速和库存满足要求，立刻安排预防性维护或故障维护任务。若其中任一条件不满足要求，则进行等待，直到同时满足要求后，执行相应的维护任务;对于预防性更换下来的部件，运回陆地维修站进行离线的不完全维护，维护后不能修复如新。经过一定维护时间后，该部件将作为循环备件和新订购的备件一起存储于备件库中，等待后续部件的更换维护。考虑到部件不能无限次维修，当部件的循环次数达到一定数量时，不再考虑预防性维护，只进行故障更换。
4.2海上风机大部件优化策略
（1）设计海上风机大部件自维护平台设计海上风机大部件自维护平台，在设计阶段实现自维护功能。可通过机舱内航车将需更换的齿轮箱、发电机等大部件通过机舱尾部下放至自维护平台，平台设计能容纳齿轮箱、发电机等大部件堆放空间，在通过小型浮吊船将旧件吊离平台，新设备吊运至自维护平台。此方案只适用于齿轮箱、发电机等部件更换，对需要进行叶轮拆除的部件则不适用。2)设计研发大部件维护工装，在已运行风机机组内部拼装、搭设能够吊动齿轮箱、发电机等大部件的吊机工装，配合牵引系统，实现风机大部件更换自维护。风机下方只需要通过小型浮吊船将旧件吊至甲板以及将新设备吊至牵引系统即可。此方案只适用于齿轮箱、发电机等部件更换，对需要进行叶轮拆除的部件则不适用。3)签订长期合作协议或合作框架协议通过与船机资源丰富的施工单位，船舶租赁方签订长期合作协议或合作框架协议，形成互惠互利，合作共赢。提前锁定船机资源，获得船机优先使用权，提高大部件更换的响应时间，从而有效地缩短施工成本及施工周期。4)投资专业大部件更换船舶通过投资或入股适合自身海域风机施工的专业大部件更换船舶，有利于保障自有风场风机的大部件更换整体效率，缩短施工成本和施工周期。同时，在船机空闲期，还可参与其他海上在建风场的工程建设，产生一定的附加价值。
结束语
海上风电场的施工环境复杂、作业窗口期短、施工精度要求高、施工作业面分布广、统一协调调度难度大，海上风电机组基础施工是整个风电场成功建设运营的关键所在，不同地质环境下的风电机组基础施工技术仍需进一步提高。在合理的风电机组基础设计、合适的施工方案选择的基础上，必须要做好正确的施工设备配备，才能确保风电机组基础顺利施工完成，为风电场后续的建设运营打下良好基础。
参考文献
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