一封“座底自升式打桩船”的自荐信

2插桩式打桩船的难题和缺点

开发海上风电是近十年的事情，因缺乏实践，对不能迅速插拔桩这一大难题的认识普遍不足。市面上，已登场和将要登场的数十艘海上风电打桩船，无一不是插桩式。

近年来，风场会面临着因桩不能迅速插拔桩，而无法及时完成载入任务的问题。

为了说明该点，先谈谈国内外插桩式打桩船的作业过程：

众所周知，目前，国内外海上风电装置由于盛行用3～8米直径、厚50～100毫米重达500～2000吨或更高的单桩柱插入海面泥中数十米（即所谓“打桩”），以支承海上风力发电装置（重150～300吨）和承受风压以及涌浪冲击。打这种巨大的桩，用锚和缆绳定位的传统打桩船因自身不稳早已被弃用，新诞生的插桩式打桩船的特点是：自身也用桩腿插入泥中（调遣时拔出），并配有起重机和打击力强大（200～400吨米）频率高（30～50/分）的特殊桩锤，以及抱桩机等附属装备。

此外，为了减小海上涌浪对打桩船船体的冲击（冲击力视不同船型可达3000～4000千吨，为躲避此力，用桩腿将打桩船的船体稍抬离水面约4～5米，令涌浪从其下方穿过)，为了满足桩柱垂直度的要求（不成文的规定：桩柱垂直度控制在3‰），必须稳定打桩船，其自身多采用长几十米的大直径（3～4米）桩腿和端部的巨大桩靴插入泥中（软质土壤条件下可能需20～30米）以承受其自重，并稳定它在水中的位置（见图3）。

这种插桩式打桩船，虽能较好的实现打桩作业，但作业程序复杂严格，例如：总重达2万吨大型风电工程船（包括外载5000吨），它每只桩腿插到位后，仍需经过加载“预压”工序以保证它有可靠的地基承载能力。每只单桩预压载荷常需正常承压的一倍(8000～10000吨)，为此需先将船体注水，以增加自重，这种设计主船体需具备很大容积的压载舱，对大型打桩船往往难以实现，此时只能采用对角压载的方法完成预压（同时只压两只桩），对主船体结构提出很高要求，导致结构很厚重。而且桩靴必须座落在承载能力为80~100t/m2的硬质土层或者密实的砂层上，才能为船体提供有效支撑，这种优质的地基条件往往需要在海底以下数十米才存在，打桩作业完成后，再拔出被泥砂覆盖的桩靴。这些工序必须一丝不苟认真进行，否则打桩过程船体将会出现地基穿刺，导致歪斜甚至倾翻大祸。

要知道现代插桩式打桩船插入泥中的桩靴面积至少为100平米，而桩腿直径为4米左右，两者截面的面积相差六倍，拔桩时， 桩靴上覆盖的十几米砂土重量会带来巨大的下压力，拔桩时还要克服这些土体与周围土体相互间的摩擦和粘附载荷，以及桩靴底部上拔时产生的负孔隙水压形成的吸附力和粘聚力，需巨大拔起力。视不同土质，为消除负孔隙水吸附力和底部粘聚力，常常先要用高压水冲桩，以联通桩靴底部孔隙和外界海水，而在泥中插深较深时，外界水不容易补充进来，这种联通更为困难。在特殊情况下，甚至可能冲不动桩。例如：每只桩腿视土质和需插入深度(20米左右)，通常其插入力需2000～3000吨，然后需加1倍于插入力进行“压桩”作业（视土质需保持12～24小时），如果碰上粘性土壤产生粘附力吸注桩靴，常使拔桩力远大于压桩力。有时，千方百计仍拔不出，不得已只好割掉，这是令操作者最为痛心，也是这种插桩式打桩船的致命缺点。

还应提到：插桩时，船体本身重量（即便加水）往往不足同时压四只桩以完成预压载，这时，如上文已指出，常使用对角压载（同时只压两只桩），则对船体结构强度提出很高要求，增加了船体结构重量。拔桩时要借用船的浮力，只能一只一只的进行。这些作业耗时久又费力，若不顺利时，插拔需数日、1～2周，甚至更长。

在举国上下一派创新热潮的鼓舞下，上海振华重工(股票)公司发扬一贯敢于创新，敢于担当，敢为世界先的大无畏精神，积极研发设计了取消桩靴，提高作业工效，增大市场竞争力，从而增加企业效益的举世无双的“座底抬升式海上风电打桩船”，它涉及海上洋流、海洋地质、受压容器等方面，我们请教了海上地质专家、海上风浪涌方面专家、曾设计海上座底建筑物的专家等行业人士，结合我公司曾设计制造了多艘插桩式打桩船的经验，设计了这艘取消桩靴的新型座底自升式打桩船（见图4）。

3新型座底自升式打桩船的性能和基本构造

下图示出座底自升式打桩船的全貌示意图，表中列出了建议的技术性能参数。

图4 新型座底自升式打桩船的外形示意图和基本参数

图4 新型座底自升式打桩船的外形示意图和基本参数

图5 新型无桩靴的座底自升式打桩船的座底状态示意图

新型座底自升式打桩船继承了传统插桩式打桩船全部功能并实现了其技术参数，从外观上看它们的差异是：取消了桩靴和增加了下浮体。在漂浮状态时，下浮体收入船体之内，可以短程调遣也可以拖带远航如图4所示，在工作时，仍由安在下浮体上的四只腿，将它抬离水面4～5米，以减小风、浪、涌对它的冲击（见图5）。

目前世界盛行用单桩柱支承发电装置。单桩柱大约在800～2000吨左右，(各别有超过2000吨)。目前国内单桩柱不超过1000吨，但我们估计，在若干年内会出现超过2000吨重的大桩柱，本座底船起重量视幅度可达2000～2500吨，其它技术各参数：如可在水深10～50米下工作，有动力定位装置可调遣移动，有3000～4000平米置物面积，有可供100人的生活条件，以及直升飞机平台等等，参见示意图，不贅述。其技术参数，完全满足国内外市场需要。十年内不致落伍。

图6“座底自升式打桩船”上船体俯视示意图

从示意图上看，它与传统插桩式打桩船完全相同，用安有齿条升降机构的四只直径约4米的桩腿将上船体与下浮体联在一起（见图4），需要一提的是：座底式打桩船的桩腿是不插入泥中的，因而，每只腿上面的齿条也不会沾泥砂，对齿轮驱动机构将起良好的保护作用，再经特殊热处理，基本可实现与整机同寿命。

4座底式打桩船的优点

必须指出，“座底自升式打桩船”的突出优点是既座底又将上船体抬离水面4～5米，这是命名“座底自升”的原因，迄今为止是世界首创，也是设计有别于过去座底打桩船的重大不同。如行家周知，不能将上船体抬升离开海面，就无法解决海上洋流涌浪的袭击。这也是己有座底打桩船，只宜在滩涂性质浅水中作业，不宜进入有暗流和涌浪等水域作业的原因，它因适用性狭窄不受欢迎，难以得到发展。

还需指出，座底自升式打桩船有别于插桩式打桩船的特征是没有桩靴（见图5）。有无桩靴有何优劣呢？插桩式打桩船每根支承桩的底部均安装有桩靴，它能扩大支承面积，以支持打桩船高达1.5～2万吨的自重和外加载荷，若没有桩靴，无论插多么深，仅靠桩与土的摩擦力，是无法支承庞大且重的船体。

若取消桩靴改为座底式，船的自重是否将全部落在泥面上？海底泥面能支承如此重的船体吗？其实不然，因为座底是个具有巨大排水量的中空浮体（见图7），从某个意义上说，是这个浮体承受着打桩船的大部分自重（本设计下浮体其排水量共达15000吨以上，四根桩柱仍有近2000吨浮力未计），船的自重减去浮力剩余的重量，才是压在泥面上的力。调节浮体内水量，就可调节对泥面的载荷。故泥面上并没有承受船的全部自重，而是部分载荷，视不同土质的承压能力可予以调节。

座底打桩船取消了插拔困难的桩靴有几个好处：

首先是“打桩”作业全过程，无插拔压桩靴之“苦”，大大提高了工效。其次是对海底土的单位面积压力可调节，能适宜各种土质，特别是软粘土甚至淤泥土质条件的打桩作业，对海上风场作业不同土壤的适应性强。 其三是桩腿上无桩靴，也不需对桩腿端的桩靴预压（尤其是对角预压载），不只减小了作业时间，也取消了为预压而加强的船体结构，简化了船体结构。综合各项优点，其生产效率能提高一倍甚至更高，从而大大提高其市场竞争力和经济效益。能更好地为我国开发海上风电试验服务，再次强调，本“座底自升式打桩船”是世界首创。