2插樁式打樁船的難題和缺點(diǎn)

開發(fā)海上風(fēng)電是近十年的事情，因缺乏實(shí)踐，對不能迅速插拔樁這一大難題的認(rèn)識普遍不足。市面上，已登場和將要登場的數(shù)十艘海上風(fēng)電打樁船，無一不是插樁式。

近年來，風(fēng)場會面臨著因樁不能迅速插拔樁，而無法及時完成載入任務(wù)的問題。

為了說明該點(diǎn)，先談?wù)剣鴥?nèi)外插樁式打樁船的作業(yè)過程：

眾所周知，目前，國內(nèi)外海上風(fēng)電裝置由于盛行用3～8米直徑、厚50～100毫米重達(dá)500～2000噸或更高的單樁柱插入海面泥中數(shù)十米（即所謂“打樁”），以支承海上風(fēng)力發(fā)電裝置（重150～300噸）和承受風(fēng)壓以及涌浪沖擊。打這種巨大的樁，用錨和纜繩定位的傳統(tǒng)打樁船因自身不穩(wěn)早已被棄用，新誕生的插樁式打樁船的特點(diǎn)是：自身也用樁腿插入泥中（調(diào)遣時拔出），并配有起重機(jī)和打擊力強(qiáng)大（200～400噸米）頻率高（30～50/分）的特殊樁錘，以及抱樁機(jī)等附屬裝備。

此外，為了減小海上涌浪對打樁船船體的沖擊（沖擊力視不同船型可達(dá)3000～4000千噸，為躲避此力，用樁腿將打樁船的船體稍抬離水面約4～5米，令涌浪從其下方穿過)，為了滿足樁柱垂直度的要求（不成文的規(guī)定：樁柱垂直度控制在3‰），必須穩(wěn)定打樁船，其自身多采用長幾十米的大直徑（3～4米）樁腿和端部的巨大樁靴插入泥中（軟質(zhì)土壤條件下可能需20～30米）以承受其自重，并穩(wěn)定它在水中的位置（見圖3）。

這種插樁式打樁船，雖能較好的實(shí)現(xiàn)打樁作業(yè)，但作業(yè)程序復(fù)雜嚴(yán)格，例如：總重達(dá)2萬噸大型風(fēng)電工程船（包括外載5000噸），它每只樁腿插到位后，仍需經(jīng)過加載“預(yù)壓”工序以保證它有可靠的地基承載能力。每只單樁預(yù)壓載荷常需正常承壓的一倍(8000～10000噸)，為此需先將船體注水，以增加自重，這種設(shè)計(jì)主船體需具備很大容積的壓載艙，對大型打樁船往往難以實(shí)現(xiàn)，此時只能采用對角壓載的方法完成預(yù)壓（同時只壓兩只樁），對主船體結(jié)構(gòu)提出很高要求，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)很厚重。而且樁靴必須座落在承載能力為80~100t/m2的硬質(zhì)土層或者密實(shí)的砂層上，才能為船體提供有效支撐，這種優(yōu)質(zhì)的地基條件往往需要在海底以下數(shù)十米才存在，打樁作業(yè)完成后，再拔出被泥砂覆蓋的樁靴。這些工序必須一絲不茍認(rèn)真進(jìn)行，否則打樁過程船體將會出現(xiàn)地基穿刺，導(dǎo)致歪斜甚至傾翻大禍。

要知道現(xiàn)代插樁式打樁船插入泥中的樁靴面積至少為100平米，而樁腿直徑為4米左右，兩者截面的面積相差六倍，拔樁時， 樁靴上覆蓋的十幾米砂土重量會帶來巨大的下壓力，拔樁時還要克服這些土體與周圍土體相互間的摩擦和粘附載荷，以及樁靴底部上拔時產(chǎn)生的負(fù)孔隙水壓形成的吸附力和粘聚力，需巨大拔起力。視不同土質(zhì)，為消除負(fù)孔隙水吸附力和底部粘聚力，常常先要用高壓水沖樁，以聯(lián)通樁靴底部孔隙和外界海水，而在泥中插深較深時，外界水不容易補(bǔ)充進(jìn)來，這種聯(lián)通更為困難。在特殊情況下，甚至可能沖不動樁。例如：每只樁腿視土質(zhì)和需插入深度(20米左右)，通常其插入力需2000～3000噸，然后需加1倍于插入力進(jìn)行“壓樁”作業(yè)（視土質(zhì)需保持12～24小時），如果碰上粘性土壤產(chǎn)生粘附力吸注樁靴，常使拔樁力遠(yuǎn)大于壓樁力。有時，千方百計(jì)仍拔不出，不得已只好割掉，這是令操作者最為痛心，也是這種插樁式打樁船的致命缺點(diǎn)。

還應(yīng)提到：插樁時，船體本身重量（即便加水）往往不足同時壓四只樁以完成預(yù)壓載，這時，如上文已指出，常使用對角壓載（同時只壓兩只樁），則對船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出很高要求，增加了船體結(jié)構(gòu)重量。拔樁時要借用船的浮力，只能一只一只的進(jìn)行。這些作業(yè)耗時久又費(fèi)力，若不順利時，插拔需數(shù)日、1～2周，甚至更長。

在舉國上下一派創(chuàng)新熱潮的鼓舞下，上海振華重工公司發(fā)揚(yáng)一貫敢于創(chuàng)新，敢于擔(dān)當(dāng)，敢為世界先的大無畏精神，積極研發(fā)設(shè)計(jì)了取消樁靴，提高作業(yè)工效，增大市場競爭力，從而增加企業(yè)效益的舉世無雙的“座底抬升式海上風(fēng)電打樁船”，它涉及海上洋流、海洋地質(zhì)、受壓容器等方面，我們請教了海上地質(zhì)專家、海上風(fēng)浪涌方面專家、曾設(shè)計(jì)海上座底建筑物的專家等行業(yè)人士，結(jié)合我公司曾設(shè)計(jì)制造了多艘插樁式打樁船的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了這艘取消樁靴的新型座底自升式打樁船（見圖4）。

3新型座底自升式打樁船的性能和基本構(gòu)造

下圖示出座底自升式打樁船的全貌示意圖，表中列出了建議的技術(shù)性能參數(shù)。

圖4 新型座底自升式打樁船的外形示意圖和基本參數(shù)

圖4 新型座底自升式打樁船的外形示意圖和基本參數(shù)

圖5 新型無樁靴的座底自升式打樁船的座底狀態(tài)示意圖

新型座底自升式打樁船繼承了傳統(tǒng)插樁式打樁船全部功能并實(shí)現(xiàn)了其技術(shù)參數(shù)，從外觀上看它們的差異是：取消了樁靴和增加了下浮體。在漂浮狀態(tài)時，下浮體收入船體之內(nèi)，可以短程調(diào)遣也可以拖帶遠(yuǎn)航如圖4所示，在工作時，仍由安在下浮體上的四只腿，將它抬離水面4～5米，以減小風(fēng)、浪、涌對它的沖擊（見圖5）。

目前世界盛行用單樁柱支承發(fā)電裝置。單樁柱大約在800～2000噸左右，(各別有超過2000噸)。目前國內(nèi)單樁柱不超過1000噸，但我們估計(jì)，在若干年內(nèi)會出現(xiàn)超過2000噸重的大樁柱，本座底船起重量視幅度可達(dá)2000～2500噸，其它技術(shù)各參數(shù)：如可在水深10～50米下工作，有動力定位裝置可調(diào)遣移動，有3000～4000平米置物面積，有可供100人的生活條件，以及直升飛機(jī)平臺等等，參見示意圖，不贅述。其技術(shù)參數(shù)，完全滿足國內(nèi)外市場需要。十年內(nèi)不致落伍。

圖6“座底自升式打樁船”上船體俯視示意圖

從示意圖上看，它與傳統(tǒng)插樁式打樁船完全相同，用安有齒條升降機(jī)構(gòu)的四只直徑約4米的樁腿將上船體與下浮體聯(lián)在一起（見圖4），需要一提的是：座底式打樁船的樁腿是不插入泥中的，因而，每只腿上面的齒條也不會沾泥砂，對齒輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)將起良好的保護(hù)作用，再經(jīng)特殊熱處理，基本可實(shí)現(xiàn)與整機(jī)同壽命。

4座底式打樁船的優(yōu)點(diǎn)

必須指出，“座底自升式打樁船”的突出優(yōu)點(diǎn)是既座底又將上船體抬離水面4～5米，這是命名“座底自升”的原因，迄今為止是世界首創(chuàng)，也是設(shè)計(jì)有別于過去座底打樁船的重大不同。如行家周知，不能將上船體抬升離開海面，就無法解決海上洋流涌浪的襲擊。這也是己有座底打樁船，只宜在灘涂性質(zhì)淺水中作業(yè)，不宜進(jìn)入有暗流和涌浪等水域作業(yè)的原因，它因適用性狹窄不受歡迎，難以得到發(fā)展。

還需指出，座底自升式打樁船有別于插樁式打樁船的特征是沒有樁靴（見圖5）。有無樁靴有何優(yōu)劣呢？插樁式打樁船每根支承樁的底部均安裝有樁靴，它能擴(kuò)大支承面積，以支持打樁船高達(dá)1.5～2萬噸的自重和外加載荷，若沒有樁靴，無論插多么深，僅靠樁與土的摩擦力，是無法支承龐大且重的船體。

若取消樁靴改為座底式，船的自重是否將全部落在泥面上？海底泥面能支承如此重的船體嗎？其實(shí)不然，因?yàn)樽�底是個具有巨大排水量的中空浮體（見圖7），從某個意義上說，是這個浮體承受著打樁船的大部分自重（本設(shè)計(jì)下浮體其排水量共達(dá)15000噸以上，四根樁柱仍有近2000噸浮力未計(jì)），船的自重減去浮力剩余的重量，才是壓在泥面上的力。調(diào)節(jié)浮體內(nèi)水量，就可調(diào)節(jié)對泥面的載荷。故泥面上并沒有承受船的全部自重，而是部分載荷，視不同土質(zhì)的承壓能力可予以調(diào)節(jié)。

座底打樁船取消了插拔困難的樁靴有幾個好處：

首先是“打樁”作業(yè)全過程，無插拔壓樁靴之“苦”，大大提高了工效。其次是對海底土的單位面積壓力可調(diào)節(jié)，能適宜各種土質(zhì)，特別是軟粘土甚至淤泥土質(zhì)條件的打樁作業(yè)，對海上風(fēng)場作業(yè)不同土壤的適應(yīng)性強(qiáng)。 其三是樁腿上無樁靴，也不需對樁腿端的樁靴預(yù)壓（尤其是對角預(yù)壓載），不只減小了作業(yè)時間，也取消了為預(yù)壓而加強(qiáng)的船體結(jié)構(gòu)，簡化了船體結(jié)構(gòu)。綜合各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，其生產(chǎn)效率能提高一倍甚至更高，從而大大提高其市場競爭力和經(jīng)濟(jì)效益。能更好地為我國開發(fā)海上風(fēng)電試驗(yàn)服務(wù)，再次強(qiáng)調(diào)，本“座底自升式打樁船”是世界首創(chuàng)。