一種深水四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)鋼管樁翻身系統(tǒng)的應(yīng)用

◎ 李光明 包秀鵬 中國(guó)廣核新能源控股有限公司

1.前言

隨著國(guó)家新能源事業(yè)的發(fā)展，平價(jià)、清潔的可再生能源已成為國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃中最重要的一環(huán)。導(dǎo)管架基礎(chǔ)有著適應(yīng)深水海域、承載力高、對(duì)打樁設(shè)備要求低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于我國(guó)南海海域海上風(fēng)電項(xiàng)目。相較于其他類型的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，沉樁前的翻樁方式相對(duì)固定；導(dǎo)管架基礎(chǔ)采用小直徑鋼管樁，國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼管樁的翻樁方式方法多樣。目前國(guó)內(nèi)常見的鋼管樁翻身方法有兩種，其一采用“一字吊”翻身，要求起重船有左右并排的兩個(gè)可獨(dú)立作業(yè)的主鉤，翻身時(shí)兩鉤同時(shí)懸掛鋼管樁首尾，樁首設(shè)置平衡梁，樁尾設(shè)置翻身鉗，通過控制雙鉤的起升實(shí)現(xiàn)鋼管樁翻身；其二采用“支點(diǎn)式”翻身，即在運(yùn)輸船樁尾處安裝翻樁支點(diǎn)，翻樁時(shí)通過支點(diǎn)的頂推作用完成鋼管樁翻身。

本文介紹了一種新型鋼管樁翻身工藝；該工藝將翻樁方式系統(tǒng)化，減少海上施工作業(yè)時(shí)間，提高施工效率。

2.新型翻樁系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 “溜尾式”翻樁系統(tǒng)的構(gòu)造

“溜尾式”翻樁系統(tǒng)是一種新型翻樁工藝，該系統(tǒng)無需在鋼管樁上設(shè)置吊耳；翻樁時(shí)，通過在運(yùn)輸船上設(shè)置翻樁通道，通道上布置溜尾鉤、翻樁器、止鏈器、卷揚(yáng)機(jī)、夾樁器等工機(jī)具，實(shí)現(xiàn)鋼管樁水下翻樁作業(yè)。

2.2 夾樁器簡(jiǎn)介

在前面論述的兩種翻樁方式，均需要在鋼管樁上設(shè)置吊耳，沉樁施工前還需要將吊耳割除，一些鋼管樁由于樁長(zhǎng)過長(zhǎng)等因素，甚至需要潛水員在水下切割吊耳，降低了沉樁施工效率的同時(shí)還增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。本套翻樁系統(tǒng)設(shè)置了夾樁器，取締了吊耳的設(shè)置。

夾樁器總重30t，設(shè)置主吊耳及翻身吊耳，夾樁部位有6 個(gè)六邊形布置的可調(diào)節(jié)夾齒，最大起重重量600t，可夾持多數(shù)小直徑鋼管樁，底端可根據(jù)工程需要加設(shè)插尖，確保夾樁器安裝時(shí)順利插入鋼管樁樁口。

2.3 翻樁器簡(jiǎn)介

翻樁系統(tǒng)在船尾設(shè)置止鏈器及翻樁器；翻樁作業(yè)時(shí)，翻樁器會(huì)隨樁豎直自動(dòng)打開，防止翻樁過程對(duì)運(yùn)輸船甲板帶來的損壞。翻樁器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 翻樁器構(gòu)造示意圖

3.“溜尾式”翻樁系統(tǒng)施工方法

“溜尾式”翻樁系統(tǒng)的主要施工流程包括工機(jī)具安裝、工程樁起樁、工程樁立樁三個(gè)階段。

3.1 工機(jī)具安裝

①安裝鷹嘴鉤、調(diào)整止鏈器：在將鋼管樁倒運(yùn)至翻樁通道后，吊機(jī)事先將鋼纜安裝至鷹嘴鉤上設(shè)置好的卡環(huán)固定，鋼纜末端依次連接鏈條、鋼絲繩、卷揚(yáng)機(jī)；隨后副鉤起吊鷹嘴鉤至鋼管樁樁尾，樁內(nèi)安排施工人員通過纜風(fēng)繩調(diào)整鷹嘴鉤位置。待鷹嘴鉤接近樁尾時(shí)，指令卷揚(yáng)機(jī)收緊鋼絲繩，將鷹嘴鉤開口安插進(jìn)樁尾。鷹嘴鉤安裝完畢后，通過卷揚(yáng)機(jī)調(diào)整鏈條位置，使鏈條對(duì)準(zhǔn)止鏈器插銷并固定止鏈器。

②安裝夾樁器：起重指揮指令吊機(jī)落副鉤至主船甲板上1m左右位置，安排工人掛鉤，副鉤掛夾樁器主吊繩圈吊帶（2根5m周長(zhǎng)繩圈，系纜繩掛），同時(shí)將夾樁器翻身吊帶（2根10m鋼絲繩）掛主鉤兩側(cè)；通過調(diào)整兩鉤起升，實(shí)現(xiàn)夾樁器翻轉(zhuǎn)90°操作。翻轉(zhuǎn)后落主鉤，取出主繩圈吊帶，并吊運(yùn)至運(yùn)輸駁鋼管樁樁頭處。指令吊機(jī)落鉤使夾樁器中心與樁心重合，夾樁器兩側(cè)連接手拉葫蘆，手拉葫蘆另一端固定在鋼管樁工裝底座上；副鉤控制夾樁器水平位置及垂直高度，拉動(dòng)手拉葫蘆，安裝夾樁器，夾樁器操作人員收緊夾齒，確認(rèn)夾緊后，工人解除夾樁器翻身吊帶，副鉤掛主吊耳吊帶。

3.2 鋼管樁起樁

起副鉤、抬大臂、調(diào)整角度，利用樁尾部鷹嘴鉤及翻樁器進(jìn)行起樁作業(yè)。起樁作業(yè)時(shí)，運(yùn)輸船所有施工人員遠(yuǎn)離甲板；主力起重船上安排1名施工人員理順夾樁器油管。起樁過程中，鋼管樁入水，依靠樁尾鷹嘴鉤的頂推作用進(jìn)行鋼管樁的翻樁作業(yè)。

3.3 鋼管樁立樁

工程樁從運(yùn)輸船甲板豎直后，樁尾鷹嘴鉤自動(dòng)脫落。運(yùn)輸船甲板施工人員指令卷揚(yáng)機(jī)回收鷹嘴鉤，同時(shí)施工人員將吊帶及卡環(huán)捆綁至下一根鋼管樁上。待插樁作業(yè)結(jié)束后，將夾樁器放回起重船甲板，吊機(jī)回轉(zhuǎn)至運(yùn)輸船，將翻樁器歸位，并把捆好的鋼管樁倒運(yùn)至翻樁通道上，根據(jù)樁長(zhǎng)，在運(yùn)輸船甲板伸出15-25米。重復(fù)以上流程，完成四根鋼管樁的翻樁施工。

4.鋼管樁翻身過程驗(yàn)算

4.1 計(jì)算模型

鋼管樁結(jié)構(gòu)翻樁起吊過程采用顯示動(dòng)力學(xué)分析軟件LS-DYNA進(jìn)行建模計(jì)算和分析，鋼管樁結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行模擬，重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)力的部位（第六節(jié)和第七節(jié)）單元尺寸設(shè)置為5mm，其他區(qū)域（第一節(jié)至第五節(jié)）單元尺寸設(shè)置為10mm。鋼管樁結(jié)構(gòu)采用彈性單元建模模擬，彈性模量設(shè)置為2.1e5MPa，泊松比為0.3，鋼材密度為7850kg/m；翻樁器和防托鉤采用剛體單元進(jìn)行模擬，不考慮其應(yīng)力與應(yīng)變情況；放脫鉤上使用的纜繩采用連接單元進(jìn)行模擬，

材質(zhì)選為鋼材，截面面積設(shè)置為0.002m。

4.2 約束與荷載

本次計(jì)算重點(diǎn)在于分析鋼管樁起吊過程中樁底部的受力情況，因此根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置如下約束條件：

①翻樁器與鋼管樁之間設(shè)置接觸約束；

②翻樁器在旋轉(zhuǎn)點(diǎn)處，設(shè)置鉸約束；

③防脫鉤與鋼管樁之間設(shè)置接觸約束；

推拿按摩：兩手掌對(duì)搓至手心熱后，分別放至腰部腎腧穴，上下按摩可起到補(bǔ)腎納氣的作用。經(jīng)常按摩涌泉穴，可益精補(bǔ)腎，并能舒肝明目，促進(jìn)睡眠。兩手十指交叉，兩掌根置于膻中穴，自上而下，稍用力推至腹股溝，可理氣養(yǎng)肝。經(jīng)常揉按或彈撥陽陵泉穴，以酸麻有放射感為好，可以疏肝利膽，調(diào)和經(jīng)氣。

④防脫鉤上部的錨定塊體設(shè)置全約束。

為模擬樁起吊的過程，加載過程設(shè)置為在樁頂中心點(diǎn)處施加豎直方向的強(qiáng)制位移（水平方向?yàn)樽杂蛇\(yùn)動(dòng)），計(jì)算設(shè)置起吊點(diǎn)勻速由0m上升至70m；模型整體施加豎直向下的10m/s的重力加速度。

4.3 鋼管樁翻身過程分析

鋼管樁起吊為一個(gè)連續(xù)的過程，計(jì)算提取了鋼管樁與地面呈0°、22.5°、45°、67.5°角度下的可以得出：樁頭按照預(yù)先設(shè)置的運(yùn)動(dòng)方式逐漸帶動(dòng)樁身由平躺狀態(tài)過渡到豎直狀態(tài)。樁體運(yùn)動(dòng)期間，樁體與翻樁器直接的接觸以及樁體與防脫鉤之間的接觸始終保持相互作用。

鋼管樁底部作為重點(diǎn)關(guān)注的受力區(qū)域，起吊過程中樁身和翻樁器的接觸狀態(tài)、樁底和防脫鉤的接觸狀態(tài)值得重點(diǎn)關(guān)注。起吊過程中鋼管樁在22.5°、45°、67.5°和80°角度下的結(jié)果可以得出：在鋼管樁垂直角度較小的情況下，隨著樁身在起吊作用下逐漸豎直，防脫鉤與鋼管樁之間的作用越來越強(qiáng)烈；當(dāng)鋼管樁起吊至接近豎直狀態(tài)時(shí)，隨著樁頭的進(jìn)一步提升，樁底部與防脫鉤的作用逐漸減弱，直到與防脫鉤分離。

4.4 鋼管樁主體應(yīng)力

鋼管樁整體應(yīng)力分布對(duì)判斷結(jié)構(gòu)整體變形具有重要的參考價(jià)值，樁身的等效應(yīng)力（von-mises）分布如下所示。從圖2中可以看到，樁身第四節(jié)與第五節(jié)交接位置處由于壁厚從50mm大幅度降低至26mm，從而引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加較為劇烈，尤其是在樁身的豎直角度較小的情況下，其靜態(tài)等效應(yīng)力值達(dá)到100MPa（動(dòng)態(tài)預(yù)估超過150MPa）。隨著鋼管樁的豎直角逐漸增大，樁身體的等效應(yīng)力逐漸減小。

圖2 鋼管樁主體應(yīng)力模型

4.5 防脫鉤作用區(qū)鋼管樁應(yīng)力

防脫鉤作為保障起吊過程中鋼管樁安全性的主要構(gòu)件，有可能對(duì)鋼管樁產(chǎn)生較大的應(yīng)力，甚至引起結(jié)構(gòu)塑性變形，因此計(jì)算提取了鋼管樁與防脫鉤接觸的上下兩個(gè)位置處的應(yīng)力情況。防脫鉤與鋼管樁接觸位置的局部模型如圖3所示。

圖3 防脫鉤與鋼管樁接觸位置的局部模型圖

再考察防脫鉤上部對(duì)鋼管樁側(cè)壁的擠壓作用，從計(jì)算結(jié)果中選擇所關(guān)心區(qū)域附近的等效

應(yīng)力響應(yīng)較為劇烈的16個(gè)單元。提取16個(gè)單元在樁起吊過程中的等效應(yīng)力響應(yīng)情況得出：起吊過程中，隨著鋼管樁逐漸吊起，防脫鉤上部對(duì)鋼管樁側(cè)壁局部位置的擠壓作用力逐漸增大，鋼管樁側(cè)壁單元的局部最大等效應(yīng)力響應(yīng)達(dá)到150MPa，基本可以滿足鋼材的強(qiáng)度要求。

4.6 翻樁器作用區(qū)鋼管樁應(yīng)力

吊樁過程是以翻樁器作為旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)進(jìn)行翻樁的，翻樁器對(duì)鋼管樁的擠壓作用也可能引起局部應(yīng)力集中，因此計(jì)算提取了鋼管樁與翻樁器接觸位置處的應(yīng)力情況。提取防脫鉤與鋼管樁接觸位置在樁起吊過程中的最大等效應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果得出起吊過程中，翻樁器對(duì)鋼管樁壓力所產(chǎn)生的殼單元中面最大等效應(yīng)力響應(yīng)為142MPa，且隨著鋼管樁逐漸吊起，翻樁器對(duì)鋼管樁的壓力逐漸減小。因此基本可以滿足鋼材的強(qiáng)度要求。

4.7 翻樁器作用區(qū)鋼管樁應(yīng)力

吊樁過程中的樁身相對(duì)變形是評(píng)估樁受力安全性的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，因此計(jì)算提取了鋼管樁起吊初始狀態(tài)的樁身相對(duì)變形情況得出：在吊樁起始階段，鋼管樁在自重作用下所產(chǎn)生的豎直方向位移達(dá)到8cm，最大位移位置出現(xiàn)在跨中第四節(jié)和第五節(jié)范圍內(nèi)。

計(jì)算進(jìn)一步提取了鋼管樁中部最大相對(duì)變形區(qū)域的變形隨著吊樁過程的變化情況得出：隨著樁身逐漸吊起，樁身中部的相對(duì)變形量（撓度）逐漸由水平狀態(tài)的8cm逐漸減小至小于1cm。按照1/400的樁長(zhǎng)（約18cm）作為標(biāo)準(zhǔn)判斷，樁身變形撓度滿足要求。

5.應(yīng)用效果

本文中提到的“溜尾法”翻樁系統(tǒng)在中廣核惠州港口一海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目取得了較好的應(yīng)用，在翻樁施工中，有效地將平均翻樁時(shí)間控制在3h/根以內(nèi)，取得了良好的效益。鋼管樁保護(hù)方面，鋼管樁所有結(jié)構(gòu)均為未發(fā)生明顯變形，不僅保障了作業(yè)人員的安全，也確保了施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

6.結(jié)束語

“溜尾式”翻樁系統(tǒng)的應(yīng)用有效地提高了深水海域四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)翻樁施工效率。照比傳統(tǒng)的翻樁方法，該工藝更加具有系統(tǒng)化。“溜尾式”翻樁系統(tǒng)工機(jī)具安裝便捷且操作簡(jiǎn)單，對(duì)船機(jī)性能要求低，不需要額外設(shè)置鋼管樁吊耳，大幅度減少了海上施工作業(yè)時(shí)間，未來在海上風(fēng)電沉樁施工領(lǐng)域?qū)⒂懈嗟陌l(fā)揮空間。