超大型变直径单桩稳桩平台设计浅谈

方如意

摘要：根据近年来我国海上风电场统计，海上风电单桩基础已占据绝大部分市场，随着科技的进步，单桩基础也朝着超大直径型发展，以适应更大功率的风机。本文从施工建造出发，结合项目特点总结了超大型变直径单桩稳桩平台的设计理念和方法，对稳桩平台的结构设计和液压系统设计做了简单的介绍，罗列出稳桩平台主要设备参数，介绍了各个系统的工作原理及简单工作流程。

关键词：稳桩平台 结构设计 液压系统设计 电控系统 冲洗系统

Abstract： According to the statistics of offshore wind farms in China in recent years， the offshore wind powermono-pile foundation has occupied the majority of the market. Advanced science technology has greatly increased the diameter of mono-pile foundation to match turbines of larger power. Starting from the construction and combined with the characteristics of the project， this essay has drawn a conclusion to the design concept and method of the pile stabilizing platform for super large mono-pile in variable diameter， briefly introduces the structural design and hydraulic system design of the stabilizing platform， lists the main equipment parameters of the stabilizing platform， and introduces the working principle and simple work flow of each system.

Key Words： Pile stabilizing platform; Structure design; Hydraulic system design; Electronic control system; Flushing system

近年来，随着国内海上风电市场的飞速发展，单台风机功率越来越大，对应所需要的单桩基础直径也越来越大，我司承建的单桩底部最大直径9.6m，顶部法兰直径6m，为市面上最大变直径单桩。目前市面上已建造投入使用的稳桩平台并不能满足这超大型变直径单桩的打桩辅助要求，为此，业主特委托我司设计建造对应使用的稳桩平台[1]。

1 概述

此次建造的稳桩平台总重量约1573t，高55.1m，长41m，宽28.4m，入水深度30m，定位桩长85m，直径2.42m。该稳桩平台配备先进的液压导向纠偏系统，在定位基础单桩时可通过控制室实时调整桩身倾斜度;该稳桩平台配备先进的防吸附冲洗系统，采用4台潜水泵结合布置于防沉板的喷嘴对防沉板底部淤泥进行冲洗，破除防沉板与淤泥间吸附力并减少防沉板上淤泥堆积量，减少移位起吊时吊机受力，极大的提高了移位速度。该稳桩平台将满足国内恶劣海况下单桩的施工，能在水深超30m进行直径10m，单重超过2200t的单桩施工作业 [2]。

稳桩平台主要由主体结构、供电系统、液压系统、电控系统及防沉板冲洗系统组成。1.主体结构

稳桩平台主体结构由上部导向结构、底部立柱结构组成，是由Q355D材质的钢板及管材焊接而成[3]。

上部导向结构主要为上抱环、下抱环以及抱环间支架组成的空间立体桁架式结构，上抱环及下抱环各布置有4套油缸导向装置，油缸行程为2.5m，单个油缸顶推力可达200t。油缸导向装置主要由内轮盒及外轮盒组成，外轮盒与上下抱环之间采用螺栓连接，内轮盒放置于外轮盒内，通过液压油缸系统保证内轮盒在行程内进行伸缩运动。为了减少内外轮盒相对滑动的摩擦力，内轮盒侧板每边各设置2道30mm宽的长导向板。特别注意，为了保证打桩时的垂直度，上抱环及下抱环的绞点机加工垂直度要求不超过0.5mm，2轴平行度不超过0.25mm[4]。

上抱环及下抱环四角设置有定位桩导向装置，定位桩导向装置主要由导向板结构、筒体结构以及定位桩固定装置组成。定位桩导向装置与上下抱环牢固焊接。另外，上抱环设置有8套插销式吊耳装置，主要由于整套设备的起吊转运，浮筒上方设置2套插销式翻身吊耳，主要用于整套设备翻身[5]。

抱环间支架主要由钢管焊接而成，支撑连接上下抱环，钢管之间还设有剪刀撑钢管，确保上部导向结构的钢性。靠近抱环方向的钢管设置有2个储备浮力各为100t的浮筒，用来调节稳桩平台入水后的水平度，保证稳桩平台整体平稳，方便打桩。

底部立柱结构为钢管焊接而成的桁架结构，桁架结构下部铺设有防沉板，用来保证整体结构工作时平稳性，同时避免整个结构陷入海底泥面以下过深。

2.供电系统。

平台供电系统由柴油发电机，燃油日用柜及主配电柜组成，柴油发电机为風量湿式油底壳，燃油日用柜需满足7日自持力的供油需求，柴油发电机及相应主配、辅配及油柜置于独立箱体内，箱体内设置感烟探头，箱体内需设置相应通风系统以满足发电机散热需求，箱体采用卡板固定于上平台合适位置。

3.液压系统。

本稳桩平台液压顶推系统由8个液压顶推油缸（上下抱环各4个）、4个抱环油缸（上下抱环各2个）、2个锁紧油缸（上下抱环各一个），液压泵站、控制阀块及相应液压管路组成。

3.1主要油缸参数

3.1.1 顶推油缸

推力：200t。

行程：2500mm。

3.1.2 抱环油缸

推力：700kN。

行程：1050mm。

3.1.3 锁紧油缸

行程：1200mm.

頂推油缸与桩身接触面采用滚轮型式，滚轮材质为高强度聚四氟乙烯，滚轮销轴处和油缸销轴处均设有牛油嘴，顶推油缸需含压力传感器、行程传感器[6]。

3.2液压泵站

液压泵站为集成式液压泵站，自带液压油柜（含注入、透气、放泄、检修孔等）、液压泵（2台，一用一备），控制阀块（数量及型号按系统设计选型）、油温监测探头、油位高低位报警浮球，浮子式液位计，液压泵站置于独立集装箱内，集装箱用卡板或地锁固定于上平台合适位置，泵站内设置感烟探头，泵站内需设置相应通风系统，以满足液压泵站散热需求。

阀块组部分的主要功能是对各油缸的执行动作起到控制作用。稳桩平台阀块组件采用集成安装的方式，简洁美观，并设有集油盘，操作维护方便。各个阀块采用选用45锻件，调质处理，表面镍磷处理，油缸液压锁紧，保证设备安全可靠。油缸位置控制采用伺服阀，开环、闭环及手动操作，分步或多步实施，满足打桩的精度要求。

3.3液压控制系统

稳桩平台液压系统是通过方向阀、节流阀、压力阀等共同控制油缸的伸缩，确定各个油缸（位移传感器）的伸出长度，桩就位或者夹紧，通过开环、闭环及人工手动操作调整控制后，检测桩是否处于竖直状态，如在要求的竖直公差范围内，即可操作打桩。

本液压控制系统包括供油装置、阀块组两大部分。供油装置既是一个动力源，也是一个油液贮存和处理中心，通过它系统可得到所必需的工作介质——矿物油;阀块组部分的主要功能是对各油缸的执行动作起到控制作用。

供油装置主要为系统提供动力，主要包括油箱组件、泵出口组件、底架、电机泵组、过滤器组件、风冷却器、端子箱等元器件。

液压控制系统需要能够实现手动控制即自动控制，手动控制与自动控制分别位于两个独立的控制屏，分别互锁，手动控制与自动控制要能完整实现顶推油缸、抱环油缸、锁紧油缸的伸出、缩回及锁定等功能，并实时显示油缸行程，如系统工作压力超过设计压力时，管路压力传感器需反馈信号至控制台，并提供蜂鸣报警并切断供油电磁阀，液压控制系统控制屏为触摸屏并提供鼠标及键盘。

4.电控系统

本稳桩平台电控系统分为液压控制系统及柴油发电机控制系统，两系统需提供独立的控制屏，置于一个控制台上。控制台位于液压泵站集装箱内与液压泵站之间采用“钢质+隔音+内装板型式”隔离，控制室需要经过隔音处理。

5.防沉板冲洗系统。

本稳桩平台设置防沉板冲洗系统，用于清除防沉板表面淤积淤泥，以破坏防沉板与泥面接触面的吸附力，本系统由4台冲水泵、防沉板冲洗环管、安全阀及相应管路组成[7]。冲水泵具体数据如下。

流量：80m³/h;扬程：100m，泵体：球墨铸铁;叶轮：硅黄铜;泵轴：不锈钢;密封：机械密封;功率：～37kW。

6 结语

为了保证海上风机的平稳运行，要求风机单桩基础沉桩时垂直度不得大于3/1000，而稳桩平台是保证单桩基础沉桩精度的关键设备。笔者所在公司曾建造过类似的较小稳桩平台，实际使用中配合优化的打桩工艺，可以控制单桩垂直度在1/1000以内，最高达到过5/10000的垂直精度。本稳桩平台专为特定项目特定区域海况设计，针对更复杂的海况，可以研究可变性稳桩平台，将下段拆分为活动式的三部分，通过法兰用螺栓连接，更具不同的水深采用不同的组合，增大稳桩平台的普适性。

参考文献

[1] 毛金锐.外海超大型钢管桩沉桩稳桩平台设计与应用[J].铁道建筑技术，2021（6）：85-89.

[2] 毕宇.海上风电单桩稳桩平台研究[J].中国设备工程，2019，（1）：164-165.

[3] 《材料与焊接规范》2018年综合文本发布[J].船舶标准化工程师，2018，51（4）：38.

[4] 邹天城，刘星.海上风电超大型单桩沉设垂直度控制[J].中国港湾建设，2018，38（2）：35-38.

[5] 潘晓炜.海上风电大直径单桩翻身钳溜尾吊装工艺优化[J].海洋开发与管理，2018，35（S1）：123-125.

[6] 董鹏.海上风电大直径钢管桩沉桩精度控制措施研究[J].铁道建筑技术，2020（4）：150-154.

[7] 孙小钎，曹淑刚，等.大直径植入式单桩在海上风电中的创新型应用[J].太阳能学报，2020，41（8）：295-303.