一封“座底自升式打樁船”的自薦信

2插樁式打樁船的難題和缺點

開發海上風電是近十年的事情，因缺乏實踐，對不能迅速插拔樁這一大難題的認識普遍不足。市面上，已登場和將要登場的數十艘海上風電打樁船，無一不是插樁式。

近年來，風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的問題。

為了說明該點，先談談國內外插樁式打樁船的作業過程：

眾所周知，目前，國內外海上風電裝置由于盛行用3～8米直徑、厚50～100毫米重達500～2000噸或更高的單樁柱插入海面泥中數十米（即所謂“打樁”），以支承海上風力發電裝置（重150～300噸）和承受風壓以及涌浪沖擊。打這種巨大的樁，用錨和纜繩定位的傳統打樁船因自身不穩早已被棄用，新誕生的插樁式打樁船的特點是：自身也用樁腿插入泥中（調遣時拔出），并配有起重機和打擊力強大（200～400噸米）頻率高（30～50/分）的特殊樁錘，以及抱樁機等附屬裝備。

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（不成文的規定：樁柱垂直度控制在3‰），必須穩定打樁船，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（軟質土壤條件下可能需20～30米）以承受其自重，并穩定它在水中的位置（見圖3）。

這種插樁式打樁船，雖能較好的實現打樁作業，但作業程序復雜嚴格，例如：總重達2萬噸大型風電工程船（包括外載5000噸），它每只樁腿插到位后，仍需經過加載“預壓”工序以保證它有可靠的地基承載能力。每只單樁預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，這種設計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現，此時只能采用對角壓載的方法完成預壓（同時只壓兩只樁），對主船體結構提出很高要求，導致結構很厚重。而且樁靴必須座落在承載能力為80~100t/m2的硬質土層或者密實的砂層上，才能為船體提供有效支撐，這種優質的地基條件往往需要在海底以下數十米才存在，打樁作業完成后，再拔出被泥砂覆蓋的樁靴。這些工序必須一絲不茍認真進行，否則打樁過程船體將會出現地基穿刺，導致歪斜甚至傾翻大禍。

要知道現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生的負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，為消除負孔隙水吸附力和底部粘聚力，常常先要用高壓水沖樁，以聯通樁靴底部孔隙和外界海水，而在泥中插深較深時，外界水不容易補充進來，這種聯通更為困難。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倍于插入力進行“壓樁”作業（視土質需保持12～24小時），如果碰上粘性土壤產生粘附力吸注樁靴，常使拔樁力遠大于壓樁力。有時，千方百計仍拔不出，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。

還應提到：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），則對船體結構強度提出很高要求，增加了船體結構重量。拔樁時要借用船的浮力，只能一只一只的進行。這些作業耗時久又費力，若不順利時，插拔需數日、1～2周，甚至更長。

在舉國上下一派創新熱潮的鼓舞下，上海振華重工公司發揚一貫敢于創新，敢于擔當，敢為世界先的大無畏精神，積極研發設計了取消樁靴，提高作業工效，增大市場競爭力，從而增加企業效益的舉世無雙的“座底抬升式海上風電打樁船”，它涉及海上洋流、海洋地質、受壓容器等方面，我們請教了海上地質專家、海上風浪涌方面專家、曾設計海上座底建筑物的專家等行業人士，結合我公司曾設計制造了多艘插樁式打樁船的經驗，設計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性能參數。

圖4 新型座底自升式打樁船的外形示意圖和基本參數

圖4 新型座底自升式打樁船的外形示意圖和基本參數

圖5 新型無樁靴的座底自升式打樁船的座底狀態示意圖

新型座底自升式打樁船繼承了傳統插樁式打樁船全部功能并實現了其技術參數，從外觀上看它們的差異是：取消了樁靴和增加了下浮體。在漂浮狀態時，下浮體收入船體之內，可以短程調遣也可以拖帶遠航如圖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、浪、涌對它的沖擊（見圖5）。

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

圖6“座底自升式打樁船”上船體俯視示意圖

從示意圖上看，它與傳統插樁式打樁船完全相同，用安有齒條升降機構的四只直徑約4米的樁腿將上船體與下浮體聯在一起（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，對齒輪驅動機構將起良好的保護作用，再經特殊熱處理，基本可實現與整機同壽命。

4座底式打樁船的優點

必須指出，“座底自升式打樁船”的突出優點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，也是設計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，只宜在灘涂性質淺水中作業，不宜進入有暗流和涌浪等水域作業的原因，它因適用性狹窄不受歡迎，難以得到發展。

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，它能擴大支承面積，以支持打樁船高達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？其實不然，因為座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（本設計下浮體其排水量共達15000噸以上，四根樁柱仍有近2000噸浮力未計），船的自重減去浮力剩余的重量，才是壓在泥面上的力。調節浮體內水量，就可調節對泥面的載荷。故泥面上并沒有承受船的全部自重，而是部分載荷，視不同土質的承壓能力可予以調節。

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節，能適宜各種土質，特別是軟粘土甚至淤泥土質條件的打樁作業，對海上風場作業不同土壤的適應性強。 其三是樁腿上無樁靴，也不需對樁腿端的樁靴預壓（尤其是對角預壓載），不只減小了作業時間，也取消了為預壓而加強的船體結構，簡化了船體結構。綜合各項優點，其生產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濟效益。能更好地為我國開發海上風電試驗服務，再次強調，本“座底自升式打樁船”是世界首創。