海上風電大直徑嵌巖單樁雙護筒鉆孔施工技術

毛以雷，杜瑞剛，田博宇

（中交第一航務工程局有限公司總承包工程分公司，天津 300456）

海上風電近些年發(fā)展如火如荼，適應不同地質情況的各種基礎形式多種多樣[1]，其中適用于淺覆蓋層下臥巖石地基的大直徑嵌巖單樁基礎施工難度大、周期長、成本高[2-3]，為業(yè)內一大難題。

大直徑嵌巖單樁根據施工方式主要分為I 型“打-鉆-打”、II 型“打-鉆-擴-灌-打”和 III 型“植入式”3 類[4]。III 型樁通常用于樁端嵌入在弱風化或微風化巖層中的機位。該型樁通過先安裝作業(yè)平臺和護筒，再在護筒內鉆孔，最后在孔內植入工程樁并灌漿的方式完成施工，其作業(yè)難度大，風險高，荷載工況復雜，施工設備要求高，工藝復雜[5]。國內目前已實施的III 型樁數量較少。

本文以福建莆田平海灣F 區(qū)項目為例介紹III型嵌巖單樁的雙護筒鉆孔施工技術。該項目為國內首個應用7 MW 大功率風機單樁嵌巖項目，在弱風化層的鉆孔直徑達7.1 m，為目前國內之最。

1 工程概況

莆田平海灣海上風電場F 區(qū)II 標段風機基礎施工工程項目位于莆田市秀嶼區(qū)海域，設計水深約22 m，共包含III 型嵌巖單樁基礎12 臺。該海域地層中弱風化花崗巖強度較大，約為80~120 MPa，最大強度達130 MPa。弱風化層中鉆孔直徑7.1 m，深度約20 m。單樁直徑6.7 m，重量655~812 t，長度58.8~62.3 m。

2 工藝關鍵點分析

III 型樁施工面臨的主要問題和困難包括：風場覆蓋層淺或接近裸巖地質，施工平臺輔樁在臺風等環(huán)境荷載作用下抗拔承載力不足；護筒直徑大且地質不均勻，打入時垂直度難保證；鉆孔直徑大、巖石硬度高，對鉆機能力和可靠性要求高，而目前適用海上風電的大直徑嵌巖鉆機剛剛起步，技術不成熟；從覆蓋層至弱風化層，中間通常夾有散體狀和碎裂狀強風化層，標貫擊數大，護筒打入時容易引起底部卷邊或撕裂，且后期拔出困難。然而如無護筒保護在鉆進時又極易產生塌孔，造成埋鉆甚至施工平臺輔樁沉降等風險。

解決措施：針對海況和地質條件設計適用的大型施工平臺解決承載問題，用上下雙層液壓千斤頂保證護筒垂直度；專用大功率海上鉆機解決鉆進難題；研發(fā)雙護筒工藝解決護筒打入問題和塌孔問題，研發(fā)拔除工裝解決護筒拆除問題等。

3 施工平臺選型設計

為確保大直徑鋼管樁沉樁工作的順利進行，需搭設單樁定位平臺[6]，即大直徑單樁嵌巖施工平臺。大直徑單樁鉆孔作業(yè)涉及鉆機系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、動力設備及油料倉庫等，配套設施繁多，總重量達1 232 t。施工平臺設計一種為大型模塊化平臺，集成所有生產和生活設施于其上；另一種為小型施工平臺，僅布設鉆機系統(tǒng)，配套生產設施和生活設施布置在支持船上。大型模塊化施工作業(yè)平臺一次性投入較大，但后期作業(yè)獨立性強，模塊組裝、周轉倒運簡便，作業(yè)窗口期多，且可節(jié)省支持船費用。綜合考慮后本項目采取了大型施工平臺模式。

由于項目區(qū)域覆蓋層較薄導致輔樁入土淺，在臺風和波流等荷載作用下有部分機位驗算出現輔樁抗拔承載力不足，為此采取了一系列措施。

井口區(qū)鉆機、鉆桿等設備多、重量大，設施區(qū)配套設備相對重量較輕，因此平臺布設時按照長邊順強風向方向，并選擇重量較大的井口區(qū)布置于上風向的原則，有效降低了輔樁的上拔力；將生活設施疊高形成模塊化配重體，既減少了平臺面積占用又增加了抗傾力臂。對于優(yōu)化后仍然抗拔承載力不足的樁位，在輔樁內設置配重塊，在不增加環(huán)境力的情況下有效增加了樁重，起到了較好的抗拔效果。

最終大型施工平臺設計平面尺度為40 m×30 m，平臺重876 t。輔樁6 根，呈2×3 排列，合計重量324 t。甲板分成兩塊作業(yè)區(qū)域，井口區(qū)和設施區(qū)，如圖1 所示。本平臺改變了傳統(tǒng)嵌巖施工鋼平臺采用貝雷梁裝配式的結構形式和搭拆工藝，節(jié)約了大量的海上搭設與拆除作業(yè)時間[7]。

圖1 平臺主甲板平面布置圖Fig.1 Layout plan of main deck of platform

在施工平臺的上下兩層甲板各布設4 臺200 t千斤頂，在一級護筒插打時進行垂直度調節(jié)，確保最終垂直度滿足鉆機作業(yè)要求。

4 鉆機選型

大直徑鉆機是鉆孔作業(yè)的關鍵設備，通過整體性能、鉆進效率、排渣能力等方面比選，最終選定了專門針對海上大直徑鉆孔研制的亨通HT-400 鉆機，其鉆進施工工效見表1。

表1 亨通HT-400 鉆機鉆進施工工效表Table 1 Drilling construction work efficiency table of Hengtong HT-400 drilling rig

該鉆機主要由門架、驅動部、鉆頭、導向器、鉆桿、排渣裝置、封口平車等組成。鉆機可實現加壓和減壓鉆進2 種功能。加壓鉆進能夠增加鉆齒對巖石的壓強，有利于破碎硬巖，但加壓也容易導致鉆桿發(fā)生彎曲變形，轉動時可能引起扶正器與孔壁撞擊或產生偏心振動；而減壓鉆進中鉆桿受豎向拉力，垂直度相對較好，對鉆進的穩(wěn)定性非常有利。首樁采用150 t 鉆壓進行減壓鉆進，后通過增加鉆頭配重的方式將鉆壓增加至220 t，提高了鉆進效率約15%。

鉆進速度方面，理論與試驗資料都說明刀具的破巖速度（鉆速）與其轉速有線性關系。按能量守恒原理，可得到式（1）：

式中：M 為扭矩，kg·cm；n 為鉆頭轉速，r/min；D 為鉆頭直徑，cm；az為牙輪鉆破巖比功，kg·m/cm3；Fz為鉆壓，kg[8]。

對于亨通 HT-400 鉆機，M 為 3.965×107kg·cm，Fz為 2.2×105kg，D 為 1 040 cm，對于花崗巖地層取 az=32.3 kg·m/cm3，n 為 9 r/min，根據式（1）可得，在花崗巖地層中的鉆進速度可達v=0.5 m/h。

理論上，在鉆壓滿足鉆齒對巖石的壓裂破碎前提下，轉速越高則鉆進效率越高，然而過快的轉速容易造成刀具的磨損加劇。且如果排渣不及時，也會造成反復破碎，降低效率。所以扭矩與轉速通常維持在一個相對合理的區(qū)域，而非越快越好。本項目在弱風化巖層中鉆進轉速為3~4 r/min，扭矩值約400~1 000 kN·m。

成孔采用與鉆孔直徑相匹配的滾刀鉆頭鉆進成孔，在鉆進過程中，滾刀產生公自轉和上下振動等復合運動將巖石破碎[9]。本項目中因為覆蓋層較薄，未專門使用刮刀鉆，而是直接使用滾刀鉆鉆進，減少了鉆具更換的時間，破巖刀具選用硬質合金球齒滾刀。

泥漿護壁雖具有潤滑鉆頭、防止塌孔等作用，但控制不力時容易造成環(huán)境污染。海上風電領域尤其對于緊鄰海上養(yǎng)殖區(qū)的海上風場，環(huán)保要求很高，需要做好嚴格控制。本項目采用雙護筒工藝，無需泥漿護壁，因此采用清水鉆進工藝，更加滿足環(huán)保要求。

HT-400 鉆機采用平底式鉆頭，配合大尺寸長孔形吸渣口和大功率氣舉系統(tǒng)，確保每一輪回轉都能將渣排凈。

5 雙護筒設計

大直徑嵌巖單樁較多樁承臺嵌巖管樁的鉆孔直徑大很多，導致土層自身的穩(wěn)定性和約束較差，塌孔概率高、塌方量大。塌孔可引起多種嚴重問題，如埋鉆、貫通孔、護筒下沉和傾斜等，塌孔嚴重時，危及輔樁承載力甚至發(fā)生平臺傾斜等重大風險。因此塌孔問題是關系到大直徑嵌巖施工成敗的關鍵因素。

塌孔主要原因如下：1）施工海域潮差大，致使護筒內外壓差變化大；2）鉆具提升過快，使孔內形成抽吸作用；3）泥漿配比不合理，懸浮能力差；4）提鉆時孔內泥漿補充慢，導致液面下降過多；5）鉆具提放刮碰孔壁；6）穿過不穩(wěn)定地層時氣舉反循環(huán)負壓設置過大；7）因故障等原因導致孔壁浸泡時間過長等。

施工中除了精細化操作以減少人為擾動外，海上風電水下大直徑鉆孔的防塌孔措施目前主要有以下兩種手段，一種是泥漿護壁，通過泥漿對側壁的靜壓力及泥皮的阻水作用使孔壁穩(wěn)定；另一種是加長護筒入土深度，使其穿過易塌孔的碎裂層到達弱風化層頂。后一種方法通常在護筒初步打設時僅能到達碎裂層內1~2 m，使用更大錘擊能量時往往容易引起護筒底端變形。因此需在鉆頭鉆出護筒一定長度后對護筒進行復打。然而多次復打一是會造成施工效率急劇下降，因為每次復打均需要對鉆機和鉆桿等進行回收和再布設；二是多次復打后使得護筒與巖層產生非常緊密的結合，后期回收護筒時上拔力較大。

為解決上述問題，本工程提出了雙護筒解決方案。即在外護筒（一級護筒）打入強風化散體層后，在其內部再接續(xù)安放一段內護筒（二級護筒），二級護筒與鉆桿最下層的扶正器連接，可隨鉆頭一同鉆進。鉆至弱風化層0.3 m 左右后，二級護筒與扶正器脫開連接，此時鉆頭縮徑再鉆進，在弱風化層形成一個臺階，二級護筒留在該處，鉆頭則繼續(xù)鉆進至設計深度。本工藝的優(yōu)點在于無需護筒復打，可一次性鉆孔至設計深度。徹底解決了塌孔問題，無需泥漿護壁，僅需清水鉆進即可。護筒分兩段，每段的回收上拔力降低近1/2。本工藝簡化了施工工序，降低了施工難度和風險，極大提高了嵌巖單樁的成功率。

具體設計為一大一小2 個同心護筒，外護筒直徑7.9 m、內護筒直徑7.3 m，兩者間通過導向軌保證同心度。導向軌采用I20a 工字鋼制作，長度6 m，沿二級護筒外周均布8 條，見圖2。

圖2 導向軌示意圖Fig.2 Schematic diagram of guide rail

在二級護筒內壁焊接上下2 道環(huán)形壓槽板，板厚50 mm。壓槽板與護筒間焊接三角形筋板加強，上筋板尺寸為30 mm×85 mm×90 mm，下筋板尺寸為50 mm×137 mm×146 mm，上下壓槽板凈間距200 mm，見圖3。

圖3 二級護筒示意圖Fig.3 Schematic diagram of secondary casing

鉆機最下層扶正器與鉆桿間通過軸承連接，扶正器可繞鉆桿自由轉動，扶正器側面設計可伸縮限位銷，伸縮量約400 mm。

鉆孔過程中，將限位銷嵌入環(huán)形壓槽內，使二級護筒隨鉆機鉆頭同步跟進，見圖4。前期鉆孔直徑7.3 m，二級護筒跟進至弱風化層指定深度，鉆孔直徑縮小至7.1 m，二級護筒固定不再跟進。

圖4 一、二級護筒及鉆頭示意圖Fig.4 Schematic diagram of primary and secondary casing and bit

6 鉆孔作業(yè)

施工平臺搭設完成后進行外護筒打入。護筒打設前，在平臺上下甲板設置8 臺200 t 千斤頂，采用2 臺全站儀進行垂直度監(jiān)測和控制[10]，做好垂直度校正，實時對護筒的打入垂直度進行糾偏。過程中嚴格控制護筒垂直度≤0.2%。

鉆機及動力、生活設施安裝完成后，由起重船起吊鉆頭和底層扶正器的一體結構，將其套入立置在駁船上的二級護筒內，當位置對正后通過液壓操作伸出扶正器限位銷，卡入二級護筒壓槽內，二者連接為一體，再由起重船整體吊起后放入一級護筒內，見圖4。

隨后通過井口平車與鉆桿吊機配合逐節(jié)接長鉆桿至泥面，啟動鉆機進行鉆孔作業(yè)至設計深度。

7 護筒回收

因護筒入土深度大且自身重量重，回收時所需上拔力非常大。以F9 機位地質條件為例，按照傳統(tǒng)護筒多次復打至弱風化表面估算，上拔力達到3 500 t 以上，而按照兩級式護筒設計，一級護筒上拔力約為1 980 t，二級護筒上拔力約為1 620 t。二級護筒實際上拔力會比計算值偏小，具體視護筒外壁受側面土體擠壓程度而定。

內護筒抗拔力計算公式為：

式中：Td為抗拔承載力設計值，kN；rd為抗拔承載力抗力分項系數，取1；U 為內護筒截面外周長，為23.55 m；ξ 為折減系數，取1；qfi為護筒外周第i 層土的極限阻力標準值，第1~3 層分別為55 kPa、125 kPa、160 kPa；li為護筒穿過第i層土的長度，第1~3 層分別為5.5 m、2 m、4 m；G 為護筒重力，為5 300 kN。

選擇工程樁頂部為支撐點，在頂法蘭上設置頂升梁并于其上等間距布置穿芯千斤頂和精軋螺紋鋼等提升系統(tǒng)（圖5）。在植樁完成且一期高強灌漿料固結后依次進行二級和一級護筒的步進頂升工作，當護筒徹底松開后由浮吊回收放至運輸船上。

圖5 護筒回收圖Fig.5 Drawing of casing recovery

8 結語

大直徑嵌巖單樁鉆孔是一項風險高難度大的綜合作業(yè)，結合工程實際對施工過程中的關鍵工藝技術如平臺設計、鉆機選型、護筒設計、塌孔防護及護筒回收等內容進行了探討，指出了一些關鍵問題并給出了參考解決方案。經實際施工驗證，本工藝經濟合理、具有非常高可行性和操作性，對推動海上風電大直徑嵌巖單樁鉆孔技術的發(fā)展具有重要意義。