2.3 海上测风塔工程实施

2.3 海上测风塔工程实施

本章前面两节分别介绍了海上测风塔的结构体系和测风系统，为了从整体上了解海上测风塔工程体系，本节详细介绍海上测风塔工程实施的前期准备工作、测风塔工程的施工过程和施工中应注意的事项，从而为后续章节介绍测风塔中各单项内容时提供一个概要性的框架。

2.3.1 施工前期准备工作

海上风电场测风塔的建设存在海域施工环境复杂程度高、技术难度大、建设周期长、程序繁杂、投资成本大等特点。建设离岸型海上风电场测风塔一般包括下列程序和工作内容^［19］：

（1）海上风电场项目选址报告编制完成，初步拟定具有开发潜力的近海风电场址范围，并绘制规划风电场的地理位置图，初步了解场址范围的气象、水文和地质概况。

（2）海上风电场测风塔建设方案编制完成，按照国家、行业相关标准要求合理规划海上风电场址范围内的测风塔数量、分布和型式。

（3）已获取地方政府、海洋、海事、部队（特别是海军）等相关部门支持。

（4）海上风电场测风塔建设场址的地质勘探（包括工程勘察报告编制）工作已完成。

（5）设计院已经根据场址地质勘探所揭示的场址地质条件完成测风塔的相关基础设计、施工设计及其他技术服务工作，并提出测风塔建设技术标准要求。

（6）海上风电场测风塔的基础施工、测风塔塔架工厂制备及海上安装、测风设备采购、海上安装以及海洋水文测试仪器设备采购和海上安装招标工作完成，相关合同已签订并开始实施，相关材料的陆上预制工作已完成，仪器设备已按计划准备好。

（7）海上风电场测风塔海洋、航运等专题论证报告已完成，并通过相关评审。

（8）海上风电场测风塔水上、水下施工许可已办理。

（9）已在全国水运报上发布施工海域的航海安全公告。

（10）测风塔航标工程设计、施工、技术咨询服务合同已签订。

（11）测风塔航标工程设计完成并通过当地航标处组织的评审，航标灯具已准备妥当。

2.3.2 施工过程

海上测风塔工程的施工过程与测风塔塔架结构和基础结构型式、加工制作与安装水平条件等密切相关，同时还受到所在海区海洋环境条件的影响。海上测风塔施工过程流程图如图2-15所示。为了说明的方便，选取江苏大丰1号海上风电场测风塔工程为例来进行测风塔施工过程的说明^［20］。

图2-15 海上测风塔施工过程流程图^［20］

测风塔基础采用钢管桩基础，桩顶上部通过撑杆将4根桩连接成整体，桩顶上部为钢平台，平台上面为测风塔。钢管桩桩径1m，桩长约60m，壁厚14～18mm，材质为Q345C，每根钢桩重约22.61t，桩顶高程处的桩间距4.96m。测风塔高90.8m，由17段塔架组成，分别在高度20m、50m、60m、70m、80m、90m、100m处各布置两套风速仪，在标高20m、50m、60m、80m、100m处各布置两套风向仪。

1.构件制作、运输

确定钢管桩的设计方案后，开始采购钢板进行钢管桩的制作，通过下料、预弯、卷板、单管拼对、涂刷防腐涂料等环节，完成钢桩制作^［21］。测风塔塔架的典型施工步骤包括：①根据钢结构设计图编制放样详图；②采购、放样、下料；③工厂加工构件并预拼装；④构件镀锌后运至工地，由下而上逐层拼装，自升式上升，直至塔顶；⑤检查杆件、螺栓、法兰、地脚螺栓完好性和施工质量，修正缺陷，现场补充涂装防护^［3］。当钢管桩、基础钢平台、钢桁架、栏杆、爬梯、法兰、塔架等构件在陆地工厂预制完毕后，按施工顺序分批用施工驳船运至施工点，再利用起重船甲板空间施焊连接。

2.沉桩施工

根据施工图纸规定的桩位、桩型、桩径、桩长、地质条件和持力层深度，选择沉桩施工设备，主要是打桩锤型号选择。在实际打桩过程中，为避免钢管桩无法下沉到设计土层标高或桩已达到设计标高，但桩的贯入度偏大等情况，必要时可在施工前进行桩基的可打入性分析。

沉桩多采用GPS 测量定位系统定位。考虑到作业环境和精度，打桩船上GPS接收信号必须要稳定，这样才能保证沉桩定位准确。由于桩顶标高控制要求高，采用GPS控制桩顶标高很难达到误差小于50mm，所以在沉桩将达到设计标高（约高50cm）之前，用RTK进行高程复测^［22］。可行的定位方式为：①打桩船上设2台GPS流动站、5台倾角传感器和3台激光测距仪；②实时监测船体的位置、方向和状态，同时利用2台漫反射激光测距仪实时校正工程桩的位置；③通过软件系统处理后给出打桩船的移动方向和移动量，据以调整船位。直至满足要求后，则可开始沉桩。沉桩贯入度和桩顶标高的监测由高程监测系统来完成^［21］。

工程中打桩施工的工序为：起桩→立桩→插桩→锤击沉桩→停锤→移位→下一根桩起桩。海上桩基施工图，如图2-16所示。

图2-16 海上桩基施工图^［23］

3.桩芯灌注混凝土施工

并不是所有的测风塔桩基中钢管桩都需要灌芯处理，当需要在钢管桩内灌注一定长度的混凝土时应待完成打桩施工后再进行桩芯泥土的吸泥工序，然后灌注特定标号的混凝土。利用离心泵抽取海水通过冲水管引入桩内形成高压射流，破坏土质，同时可以补充桩内海水，保持水位差。空压机供气通过软管连接高压钢管进入排泥管（高压管）下口附近，为防泥浆堵管，采用活盖板将入口密封，在管内和管外形成强大气压差，泥浆顺管被“举”出桩身外。吸泥结束后，冲刷钢管桩管壁，再将潜水泵置入桩内抽取剩余水量。浇注时，混凝土自高处落下，利用混凝土下落时产生的动能达到振实的目的，在自由下落高度不足4m时，要借助振捣器将上层混凝土振捣密实^［21］。

4.钢桁架安装

钢桁架位于桩基上部，将基础中各桩连接为整体。为便于施工作业，先在标高+8.00m处搭设施工平台，即在每两根斜桩之间使用槽钢套装篮框式吊架，连接部位焊接牢固，然后在临时工作平台上满铺木板，平台四周加设防护栏杆。根据设计图纸测量钢桁架标高，以其中一根最低桩位为基准，距离桩顶65cm处打水平线，确定钢桁架安装位置，完成4根钢桁架装配，然后进行剪力支撑安装。钢桁架安装图，如图2-17所示。

图2-17 钢桁架安装图^［20］

图2-17为钢桁架的一种型式，根据不同的设计目的，基础中各桩也可以通过平台来连接，而不需要单独设置连接桩基的钢管来形成钢桁架，如图2-18所示。该工程中钢平台下面直接连接导管架，平台和导管架在陆上预制场加工焊接完毕后，在现场与钢管桩顶部通过焊接连成整体，各桩之间无专门的连接导管。

图2-18 钢管桩连接构件图^［24］

5.平台安装

钢平台在陆地工厂完成预装，并设计好临时吊点，利用打桩船进行安装作业。钢管桩上焊接直径400mm水平连接钢管作为平台的支撑构件［图2-17（a）］，要求4根连接钢管的顶标高误差不超过2mm。检查水平连接钢管和钢管桩的焊接质量及水平度，在满足设计要求的情况下再进行安装。检查已开口的钢平台上桩孔尺度，并根据检查的情况，予以调整。利用打桩船进行钢平台安装，打桩船就位后，先将钢平台吊至安装位置上方50～60cm左右，缓缓下降，人工辅助控制钢平台位置，以便钢平台的开口孔对准钢管桩。钢平台就位后，检查钢平台的平整度，满足设计要求后，立即施焊加固。

如果采用现场制作钢筋混凝土承台时，其实施步骤为^［22］：承台采用吊模施工，进行现场管桩与钢筋笼接头混凝土的浇筑并使钢管桩顶深入承台不少于10cm（或按设计要求）。钢筋笼与钢管桩连接头浇筑完成后，组装钢模板，在模板检查后进行浇筑，振捣并养护。结合海上施工条件，采取分层浇筑方式进行施工，混凝土层面间必须加强凿毛后方可继续浇筑混凝土。混凝土浇筑完毕后应及时加以覆盖，终凝后浇水养护，养护应用淡水。预埋件外露部分经过防腐蚀处理，待混凝土达到规定强度后，拆除群桩临时连接构件。

6.爬梯与护栏安装

利用带扒杆的抛锚船进行安装，安装前先在钢平台顶面上和爬梯顶部焊接挂钩，用抛锚船起吊，挂在钢平台上，然后进行人工调整，再将钢爬梯焊接在钢管桩上，最后解除吊绳。利用带扒杆的抛锚船，将栏杆散件吊至钢平台上，按设计尺寸通过人工划线标定位置，然后逐件安装。爬梯与护栏的安装图，如图2-19所示。

图2-19 爬梯与护栏安装图^［20］

当钢平台与桩基采用法兰连接时，还应进行地脚螺栓法兰盘安装。地脚螺栓开孔尺寸误差控制在10mm以下，地脚螺栓之间扭转偏差不超过±3mm，法兰面标高偏差不超过±5mm。地脚螺栓安装完毕，检查每个基础法兰盘位置、螺栓的实际尺寸、方向及各自的高程、螺栓间相对距离。地脚螺栓外露部分采用涂环氧富锌漆防腐。

7.测风塔塔架安装

测风塔塔架安装可采用整体式安装方式或分体散装式吊装方式。

当采用分体式安装方式时，先进行下段塔架安装。利用起重机将测风塔下段整体吊至运输驳船上，运至施工点，用起重机械将分段塔架整体吊装至钢平台上，通过螺栓与桩顶法兰连接。对于其上部的各段塔架安装，采用抱杆、滑车和抱杆提升装置进行高空散件拼装。如图2-20所示，利用起重浮吊将组装好的抱杆固定在塔架主钢管上，用4条缆风绳固定。抱杆安装在塔架主材上，其根部与塔架主材用钢绳套绑扎两道以上，用U形环连好，保证钢绳受力均匀，同时在离根部约 0.5m处用腰绳再绑扎一道。在已组装好的塔架上层水平钢材靠主材处，固定一个起吊滑车（上滑轮），牵引绳由抱杆根部、塔上的起吊滑车、塔下转向滑车（底滑轮）至起重设备布置。

图2-20 测风塔上部塔架安装示意图^［20］

散件拼装时，吊装前注意引绳与塔架构件的绑扎。绑扎点应在塔材的重心以上，防止起吊过程中翻转，调整绳应在构件下端的节点内以防脱落。吊单腿主材时，可直接用牵引钢绳绑扎，绑扎的结扣应放在主材上，使其起吊后吊件向里倾斜，便于安装就位。当塔材吊起至适当高度时，塔上人员应分清内外材，用手拉动斜材调整主材位置，用导向销对准主材连接孔，穿好主材螺栓，把下层的塔材提升就位，再吊装另一片塔材。塔架安装过程中必须严格控制塔架的垂直度。每段塔架拼装完成后，必须提升抱杆，准备起吊上面一段塔架，直至完成塔架的安装。

最后安装避雷针、测风仪和风向标并固定信号馈线等测风设备。

当进行塔架整体吊装时，首先将塔架在码头进行组装，组装完成后，由浮吊对塔体进行起吊扳正，如图2-21（a）所示。将塔体扳正吊起后，运抵安装现场，运输过程中浮吊船首两端各有一根风绳带在测风塔底端以免测风塔晃动，如图2-21（b）所示。安装时在承台上的一个角部设置限位装置（也叫靠山），便于塔基承台就位^［22］。限位装置设计如图2-22所示。

图2-21 塔架扶正与运输示意图^［22］

图2-22 靠山设计示意图^［22］

2.3.3 施工注意事项

海上测风塔工程在实施中还应注意的问题^［19］有以下方面：

（1）应选择有海洋设计和施工经验的设计和施工单位。建设离岸型海上风电测风塔是一项集资源调查、场址规划以及技术准备的综合性工作，工作难度大。陆上能够轻松实现的工作，比如塔架的吊装，放到海上就变成了高难度动作，除了要有好的海况外还要有特定的技术和经验才能完成。所以应尽量选择有海洋设计和施工经验的设计和施工单位，通过最简洁、科学的设计尽量减少海上作业量和难度，提高海上作业的效率，在海况允许的情况下尽量快捷高效地完成施工作业，这是项目成功的重要保障。

（2）应做好施工前的各项准备工作。建设进度受海况、天气等因素影响大，施工难度大，项目实施前应做好充分的施工组织设计工作。一年当中适合施工的时间一般只有3～5个月，应提前筹划，充分调查了解当地适合施工的季节，掌握天气和潮汐、涌浪的特点和规律，在施工开始前完成前述各项准备工作，以免陆上工作占用适合出海施工的时间。此外，海上测风塔建设相关各方关系复杂，要及时协调好与海事、部队、海洋等管理部门的关系，充分发挥项目参建各方的积极性和创造性，确保项目能够按计划开工建设。

（3）应科学组织现场各项施工工作。由于国内海上风电设计和施工单位缺少离岸海洋工程建设经验，建设初期，施工进度会较慢，但随着工程的进展，工作效率会逐渐提高。业主要根据工程进展和可能出现的各种具体情况采取措施充分协助设计和施工单位反复研究优化测风塔设计和施工组织措施，科学组织现场各项施工工作，防止工期延误和由此带来的投资大幅增加的风险。

（4）应特别强调确保海上施工作业安全。海上施工建设条件恶劣，海况、天气瞬息万变，而且海上施工往往任务繁重，工期紧迫，施工作业面小，交叉作业多，稍有不慎极易发生安全事故，轻则影响工作进度，重则造成人身和设备的重大损失并增加建设成本，导致整个前期工作进度的延误。施工单位要密切关注天气和海况变化，充分利用一切可以利用的时间，避免在大风等恶劣条件下施工，施工期间应按照经批准的施工方案进行作业，服从相关海事部门的监管，在项目实施过程中要制订完备的安全措施，合理安排施工时间，选择有经验的施工队伍，避免人员、设备的安全事故。

（5）应高度重视海上测风塔的防盐雾腐蚀问题。海上测风塔塔体长年受海洋盐雾的侵袭，其腐蚀速度比陆地环境下快，除了在塔体工厂制造时严格按防腐要求进行喷涂外，还要严格保证现场施工中主要焊缝的质量和防腐，并在测风塔建成后定期对塔体进行检查维护。测风塔基础坐落在海底，在海浪、潮汐及海流的作用下，位于高、低潮位间的部分遭受海水和空气的腐蚀最大，对基础的稳定产生很大影响，有时会危及测风塔安全，应作重点加强防腐蚀处理。

（6）应防止施工船舶和测风塔危及过往船舶。适于建设海上风电的海域范围内往往存在重要的海上航线，在建设期间，施工船舶需抛锚作业，稍有不慎可能影响过往船只安全，应按规定向海事部门申请施工所需安全范围，发布航行通告并做好警戒标志。在测风塔基础安装完成前的施工间隙，特别是在风大、浪高、流急、雾浓的时候，更易发生险情，因此，非施工时间，施工船舶应尽量远离测风塔，并安置好测风塔上的临时航标灯，在测风塔基础平台施工完成后的第一时间内应联系航标管理部门安装正式的航标灯具，并按要求发布航行通告，以免过往船只误撞测风塔。

（7）应通过地方政府加强宣传防止施工受到捕捞和养殖活动的影响。近海往往有渔船活动，实践中渔网经常会缠住施工船舶的螺旋桨，影响施工安全和施工工期。

（8）施工前应制定相应的应急预案，包括灾害性天气应急预案，高处坠落、坠海事故应急预案，触电事故应急预案，船舶漏油应急预案^［25］。