海上風(fēng)電大直徑單樁嵌巖施工的溜樁分析及對策

張曦，謝錦波，時蓓玲，王喆，王孝健

（中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

近年海上風(fēng)電工程在國內(nèi)沿海得到大規(guī)模建設(shè)，因受鹽霧腐蝕、波浪荷載、水流荷載及臺風(fēng)荷載等諸多制約因素影響，施工技術(shù)遠比陸地風(fēng)電要復(fù)雜[1-2]。目前國內(nèi)外已建及在建海上風(fēng)電場的基礎(chǔ)類型主要有：單樁基礎(chǔ)（打入式、嵌巖式）、高樁承臺群樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)、五腳架基礎(chǔ)等[3]。由于單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式簡單，施工速度快，方便快捷，單樁基礎(chǔ)成為一種主流的風(fēng)電基礎(chǔ)形式[4]。海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的直徑從6 m逐漸發(fā)展到7.8 m，地質(zhì)條件從軟黏土擴展到巖基。在海上風(fēng)電單樁嵌巖施工中面臨著樁內(nèi)土體及樁端巖土體掏空而樁體還沒最終形成的臨時階段，這也是樁體受力最不利的階段，此時存在較大的溜樁風(fēng)險，一旦產(chǎn)生溜樁將會對工期造成較大的影響，使施工成本大幅上升，帶來較大的經(jīng)濟損失。

本文將結(jié)合某海上風(fēng)電工程項目中的嵌巖施工中出現(xiàn)的溜樁問題，開展分析研究，并提出嵌巖施工溜樁問題的應(yīng)對方法，為今后海上風(fēng)電大直徑單樁嵌巖施工提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)情況

風(fēng)機所處位置海床面較平緩，海床泥面高程為-18.00～-18.50 m。根據(jù)地質(zhì)時代、成因、巖性、沉積相變組合、工程特性差異等因素，鉆孔揭露上部覆蓋層自上而下綜合劃分為①、②、⑤、⑥4個工程地質(zhì)大層，其中⑤層又劃分為2個亞層。鉆孔揭露基巖巖性為板巖，根據(jù)風(fēng)化程度又劃分為強風(fēng)化與中風(fēng)化。地層分布見圖1。

圖1 地層分布及風(fēng)機基礎(chǔ)示意圖(m)Fig.1 Schematic diagram of stratum distribution and wind turbine foundation(m)

2 沉樁情況

風(fēng)機基礎(chǔ)示意圖見圖1。樁型為嵌巖鋼管樁，樁長62.5 m，樁徑φ5.5～6.1 m，壁厚為60～70 mm。采用液壓錘進行沉樁，沉樁時打擊能量由小到大，待樁入土一定深度且樁身穩(wěn)定后再適當(dāng)加大打樁能量，遇上較硬的土層時，加大功率進行打樁。鋼管樁沉樁至預(yù)設(shè)標高-50.5 m后，進行嵌巖鉆孔施工。采用DDC PBA1450鉆機進行鉆孔施工，該鉆機為鉆機平臺一體化，不需要輔助樁，直接通過夾持器套在樁頂上，刀頭采用43 cm（13寸）碟形刀頭。當(dāng)鉆入標高-59 m時發(fā)現(xiàn)塌孔，大量石塊掉落，最大石塊尺寸20 cm，鉆機無法繼續(xù)鉆進。為避免卡鉆，停止鉆進，提升鉆頭，暫停施工。暫停施工后發(fā)現(xiàn)鋼管樁向下沉入鉆孔內(nèi)，溜樁深度約為4.7 m。

3 溜樁原因分析

根據(jù)設(shè)計及實際施工情況，鋼管樁樁端位于強風(fēng)化板巖上，其下距離中風(fēng)化板巖頂面1.1 m；鋼管樁的樁徑為6.1 m，其內(nèi)的鉆孔灌注樁樁徑為5.4 m，在鉆孔灌注樁成孔后，鋼管樁樁端有厚約35 cm的巖坎，如圖1所示。

根據(jù)JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》[5]計算得出各土層樁外側(cè)阻力值見表1所示，樁外側(cè)總阻力為34 538 kN，樁體系重量為9 735 kN（其中樁體自重613.5 t，鉆機總重360 t），若樁外側(cè)土體無擾動則樁體系重量小于樁外側(cè)阻力，此時并不會產(chǎn)生溜樁?？鄢?和⑥2側(cè)阻力后的樁外側(cè)阻力為8 740 kN，可見⑤2和⑥2層土體的側(cè)阻力部分或完全消失最終產(chǎn)生的溜樁。根據(jù)鉆孔揭露情況，板巖板理面傾角較陡，在基巖面附近傾角近直立，向下傾角略緩。從鉆孔揭露情況看，巖石裂隙比較發(fā)育。強風(fēng)化板巖呈碎塊、碎板、片狀，按照GB 50287—2016《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[6]分類圍巖類別為Ⅴ類。中風(fēng)化板巖上部巖芯較破碎，以碎塊、半柱、短柱狀為主，圍巖類別為Ⅳ類，鉆孔埋深49.5 m以下巖芯較完整，巖芯呈10～30 cm柱狀。Ⅴ類圍巖極不穩(wěn)定，圍巖不能自穩(wěn)；Ⅳ類圍巖不穩(wěn)定，圍巖自穩(wěn)時間短。由于樁端位于強風(fēng)化巖石，樁端巖坎巖石條件較差，在鉆孔過程中由于掉塊，巖坎逐漸破壞使樁端脫空失去支撐。同時強風(fēng)化板巖強度比較低、破碎，成孔后由于卸荷應(yīng)力釋放、機械破碎及動水壓力下，板理面容易張開，加速了巖石的變形破壞。由此可以看出，本工程的溜樁主要原因在于塌孔后產(chǎn)生了一系列的連鎖反應(yīng)，灌注樁段鉆孔過程中出現(xiàn)掉塊后塌孔范圍逐漸增大，使樁端脫空，樁側(cè)壁強風(fēng)化巖石也逐步脫落，上部的松散狀的砂卵礫石層和中砂層失去支撐出現(xiàn)塌落擾動，同時上部砂卵礫石、中砂層的塌落過程中可能對樁產(chǎn)生了一定的負摩阻力，最終發(fā)生了溜樁。

表1 各土層樁外側(cè)阻力值Table 1 Outside resistance value of pile in each soil layer

在嵌巖施工中溜樁根本原因是樁側(cè)阻力與端阻力之和小于樁錘體系重量，造成工程溜樁的主要因素是塌孔后產(chǎn)生的連鎖反應(yīng)，即塌孔后使樁端上部的巖土體失去支撐出現(xiàn)塌落擾動，使樁外側(cè)阻力降低或喪失，由此可以看出溜樁的主要原因是塌孔，而造成塌孔（孔壁失穩(wěn)）的原因主要包括天然因素和工程因素。

1）天然因素方面有：原地應(yīng)力、巖石類型及其力學(xué)性質(zhì)、地層的構(gòu)造形態(tài)、黏土礦物的種類和數(shù)量、地層孔隙流體的類型和孔隙壓力等。

2）工程因素包括：臨空面高度、裸露的時間、鉆頭對井壁的刮拉及碰撞、巖體經(jīng)反復(fù)擾動后強度降低等。

孔壁巖石的失穩(wěn)是一個力學(xué)過程，其實質(zhì)是孔壁巖石所受應(yīng)力超過了其強度而誘發(fā)失穩(wěn)破壞。孔壁穩(wěn)定問題最常發(fā)生的情況包括鉆進過程中的孔壁坍塌和地層破裂兩種基本類型[7]。

處于地層深處的巖石受上覆地層壓力、水平方向地應(yīng)力及地層孔隙壓力的作用，在鉆孔鉆開前，地下巖層處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，鉆孔鉆開后，破壞了地層的原有應(yīng)力平衡，引起鉆孔周圍應(yīng)力重新分布。從力學(xué)的角度來看，造成孔壁坍塌的原因主要是孔壁周圍巖石所受應(yīng)力超過巖石本身的強度而產(chǎn)生剪切破壞造成的，此時，對于脆性地層會產(chǎn)生坍塌掉塊，井徑擴大；而對塑性地層，則向鉆孔內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，造成縮徑。

此外，一些特殊構(gòu)造的巖石也需特別引起注意，如層理狀巖石（板巖）。層理狀巖石在平行于層理面方向和垂直于層理面方向的物理、力學(xué)等性質(zhì)表現(xiàn)出明顯的差異性，這種現(xiàn)象稱為巖石的橫觀各向同性[8]。自然界中橫觀各向同性巖石普遍存在，例如板巖、云母、片麻巖、綠泥石、千枚巖等具有明顯的橫觀各向同性，層理狀的沉積巖和片理狀的變質(zhì)巖均具有明顯的橫觀各向同性。橫觀各向同性是巖石的重要性質(zhì)，特別是在鉆孔的穩(wěn)定性方面，相對于各向同性，橫觀各向同性使得巖石的力學(xué)問題更加復(fù)雜，如果將橫觀各向同性巖石當(dāng)作各向同性處理，則工程設(shè)計和計算將會出現(xiàn)較大的誤差。

4 溜樁后處理

本工程溜樁的主要原因在于塌孔后產(chǎn)生了一系列的連鎖反應(yīng)，上部的松散狀砂卵礫石層和中砂層失去支撐出現(xiàn)塌落擾動，造成樁外側(cè)阻力降低，同時上部砂卵礫石、中砂層在塌落的過程中可能對樁產(chǎn)生了一定的負摩阻力，最終發(fā)生了溜樁。經(jīng)計算分析，采用擠密砂樁對樁側(cè)土體進行加固，以提高樁外側(cè)阻力，保證樁基能夠符合使用期承載力的要求。水下擠密砂樁平面布置示意圖見圖2。

圖2 水下擠密砂樁平面布置示意圖Fig.2 Plan layout of underwater sand compaction pile

根據(jù)土層分布及地質(zhì)情況，水下擠密砂樁加固深度為-35.1 m，加固的土體主要為①1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土混砂層和②黏土層，樁長約為14.8 m。水下擠密砂樁采用正方形布置，樁間距為1.8 m，樁徑為1.6 m，置換率為62%，水平范圍為距樁中心約20 m。樁體材料采用中砂、粗砂，最大粒徑不大于50 mm，含泥量不大于5%。

樁周附近水下擠密砂樁施工采用間隔跳打的方式，防止對樁周土體的集中擾動，同時防止擠土對樁身影響。水下擠密砂樁打設(shè)完成后清除隆起土，并鋪設(shè)墊層。樁身內(nèi)部先填砂土，在-19.50～-22.50 m高程范圍內(nèi)填充C35微膨脹混凝土。水下擠密砂樁打設(shè)完成后進行了標貫檢測，經(jīng)測試標貫擊數(shù)大部分處于20～35擊范圍，滿足加固土層內(nèi)摩擦角不小于28°的設(shè)計要求。

5 結(jié)語

本文對海上風(fēng)電嵌巖樁施工工程中的溜樁問題進行了分析研究，為避免海上大直徑嵌巖單樁施工中出現(xiàn)溜樁現(xiàn)象，建議采用“一樁一議”的方式，即對每根樁分別進行打設(shè)前分析評估、施工過程控制、施工完成后總結(jié)，主要為：

1）打設(shè)前分析評估：在施工前，根據(jù)場地地質(zhì)條件對打樁各種工況進行驗算分析，評估其穩(wěn)定性，確定其關(guān)鍵參數(shù)（如臨空面高度、裸露時間等），為施工方案的制定提供依據(jù)。

2）施工過程控制：施工中會出現(xiàn)巖土層與勘查時的土層不一致的現(xiàn)象，因此還需確定土層的變化，重新進行評估，修正相關(guān)參數(shù)，以保證施工安全。另外，海上風(fēng)電施工受天氣、海況影響較大，施工作業(yè)窗口期較短，在鉆孔完成后，臨空面不宜長時間裸露，否則會造成失穩(wěn)坍塌，因此施工中可考慮在同一窗口期內(nèi)鉆孔完成后及時完成復(fù)打，以避免塌孔、溜樁。由于V級圍巖不能自穩(wěn)，在V級圍巖段鉆孔后應(yīng)立即復(fù)打或采用臨時護壁措施，以避免塌孔。

3）針對成樁垂直度的問題，建議進一步研究嵌巖鉆孔垂直度控制的施工措施，并結(jié)合水下成孔垂直度及形狀方面的檢測技術(shù)，進一步驗證成樁偏斜產(chǎn)生的原因。

4）施工完成后總結(jié)：施工完成后及時將地質(zhì)資料、設(shè)計資料、施工過程資料歸納總結(jié)，以形成嵌巖樁數(shù)據(jù)庫，積累相關(guān)經(jīng)驗，為今后的類比分析提供參考。