海上風(fēng)電植入型嵌巖單樁施工關(guān)鍵技術(shù)*

朱嶸華，欒富豪，趙一凡，田振亞，蔡舒鵬，孫 香，張永康

（1.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江舟山 316021；2.陽江海上風(fēng)電實驗室，廣東陽江 529500；3.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

目前，世界各國正大力發(fā)展清潔能源，作為新能源的重要組成部分，海上風(fēng)電行業(yè)蓬勃發(fā)展[1]。海上風(fēng)電主要由風(fēng)機和支撐結(jié)構(gòu)（基礎(chǔ)和塔筒）兩大部分構(gòu)成，支撐結(jié)構(gòu)中基礎(chǔ)的施工工藝和施工技術(shù)是海上風(fēng)電安全服役的關(guān)鍵，其堅固性和耐久性對于海上風(fēng)電的安全運行起著決定性作用。目前，海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)主要依靠振動錘將其打入預(yù)定的標高，此種施工工藝主要針對砂土等地質(zhì)條件較好的地基。然而我國海洋地質(zhì)較為復(fù)雜，福建、廣東等海域主要以巖石地基為主，傳統(tǒng)的施工工藝已不能滿足實際工程需求。因此，科技工作者提出了適用于我國海域的大直徑嵌巖單樁基礎(chǔ)施工工藝和方法。

董宏季[2]開展了大直徑嵌巖樁的縮尺模型試驗和有限元分析，分析了樁基在不同埋深、土質(zhì)下的力學(xué)特性；柳濤[3]通過數(shù)值計算分析了嵌巖深度、樁徑對樁基形變特性的影響；莊偉偉等[4]設(shè)計了一種能夠適用于不同直徑的新型海上風(fēng)電嵌巖施工基座，并采用有限元軟件開展了不同工況下的受力分析。王恒豐等[5]以灌漿材料的厚度和強度為變化參數(shù)研究了海上風(fēng)電大直徑Ⅲ嵌巖單樁的承載性能；朱嶸華等[6]提出了一種海上風(fēng)電弱風(fēng)化基巖單樁嵌巖基礎(chǔ)的高強灌漿方法，為解決單樁基礎(chǔ)局部屈曲破壞和疲勞破壞提供了新思路。

本文主要介紹了海上風(fēng)電Ⅲ型嵌巖單樁基礎(chǔ)的施工工藝及施工流程，結(jié)合福建某海上風(fēng)電工程項目，分析了當(dāng)前海上風(fēng)電Ⅲ型嵌巖單樁基礎(chǔ)施工中存在的問題，歸納了當(dāng)前預(yù)防鉆孔塌孔的處理措施，相關(guān)成果可為海上風(fēng)電Ⅲ型嵌巖單樁基礎(chǔ)施工提供參考和借鑒。

1 大直徑Ⅲ型嵌巖單樁施工工藝

我國福建、廣東等海域土壤覆蓋層較薄，主要以巖石地基為主，單樁基礎(chǔ)施工難度較大，為有效地解決巖石地基下海上風(fēng)電基礎(chǔ)的施工難題，海上風(fēng)電嵌巖施工方案應(yīng)運而生。根據(jù)覆蓋層深度以及嵌入巖石深度的不同，可將嵌巖單樁分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3種方案，3種方案示意圖如圖1所示。Ⅰ型嵌巖樁適用于覆蓋層較厚的強風(fēng)化巖石地基[7]，較厚的覆蓋層能夠為樁基礎(chǔ)提供足夠的承載能力，樁端嵌入巖層深度較小，一般小于5 m。Ⅱ型嵌巖樁主要應(yīng)用于覆蓋層較淺的強風(fēng)化或弱風(fēng)化巖石地基，嵌巖深度介于5～8 m。Ⅲ型嵌巖單樁主要針對覆蓋層淺的巖石地基，嵌巖深度大于8 m。

圖1 嵌巖單樁類型

Ⅲ型嵌巖單樁相較于Ⅰ型嵌巖樁和Ⅱ型嵌巖樁施工工藝和施工流程存在顯著不同，在沉樁方面，Ⅲ型樁采用“種植”施工工藝，而Ⅰ型樁和Ⅱ型樁分別采用“打-鉆-打”和“打-鉆-擴-灌-打”的施工工藝；在灌漿施工方面，Ⅰ型樁不需進行灌漿作業(yè)，Ⅱ型樁和Ⅲ型樁需進行封底灌漿作業(yè)和側(cè)壁空腔灌漿作業(yè)。

1.1 Ⅲ型嵌巖單樁施工流程

與Ⅰ型樁和Ⅱ型樁相比，Ⅲ型嵌巖單樁工期較長、費用較高，Ⅲ型樁主要施工流程如圖2所示。

圖2 Ⅲ型樁施工流程

（1）穩(wěn)樁平臺安裝。穩(wěn)樁平臺的主要作用是為嵌巖施工提供可靠的施工作業(yè)條件，施工時采用吊機將穩(wěn)樁平臺吊至預(yù)定點位，錨樁在振動錘的沖擊作用下沉貫至預(yù)定埋深。

（2）鋼護筒的安裝。穩(wěn)樁平臺安裝作業(yè)完成后，將內(nèi)護筒吊至穩(wěn)樁平臺內(nèi)，利用振動錘將其打入巖層附近。

（3）鉆孔施工作業(yè)。鉆機在內(nèi)護筒掘進形成鉆孔，鉆孔邊緣與單樁間孔隙至少預(yù)留200 mm，施工過程中需實時監(jiān)測鉆孔，以防鉆孔塌陷。

（4）灌漿施工作業(yè)。灌漿施工時，先采用灌漿料進行封底，再將單樁提升使灌漿料布滿底端鉆孔后下放完成第一層灌漿施工，隨后利用單樁側(cè)壁的灌漿孔將灌漿料灌注滿單樁側(cè)壁與巖層間的環(huán)形空腔。

1.2 Ⅲ型嵌巖單樁灌漿施工

Ⅲ型嵌巖灌漿施工是保證單樁基礎(chǔ)施工可靠性的重要環(huán)節(jié)，灌漿施工主要包括封底段灌漿、嵌巖段灌漿和覆蓋層灌漿3個階段，灌漿作業(yè)每一階段均需連續(xù)作業(yè)，灌漿施工示意圖如圖3所示。海上風(fēng)電大直徑嵌巖單樁的灌漿系統(tǒng)占地面積一般為30～50 m2，為便利施工，整套灌漿系統(tǒng)均需布置在施工船舶甲板上，且應(yīng)盡可能放置在施工船邊緣位置，同時設(shè)備靠邊緣放置也可降低灌漿管線布置的難度。

圖3 Ⅲ型嵌巖單樁灌漿施工示意圖

灌漿作業(yè)時，為了保證樁基礎(chǔ)與巖層中間的環(huán)形空間內(nèi)灌漿材料漿液液面齊平上升，工程中采用灌漿分配裝置將灌漿材料輸送至灌漿管內(nèi)，灌漿分配系統(tǒng)如圖4所示。在灌漿輸送泵的作用下，灌漿材料由泵入管進入灌漿分配器，灌漿分配器起到分流的作用，能夠同時且均勻地將灌漿料泵送至鋼管樁內(nèi)3根預(yù)制灌漿分配管線，極大限度保證灌漿液面的均勻上升。

圖4 灌漿分配系統(tǒng)

1.2.1 封底段灌漿施工

嵌巖單樁底部灌漿主要目的為填充單樁與巖層間的空隙，使結(jié)構(gòu)具備更好的整體性能，便于荷載的傳遞。封底灌漿施工工序和灌漿管線的布設(shè)是此階段的重點。

（1）灌漿管線布設(shè)。灌漿管線的布置由兩部分組成，第一部分為灌漿軟管，灌漿軟管主要用于輸送泵與樁頂工作平臺內(nèi)鋼管管線的連接，作為泵送灌漿材料的管道；第二部分為灌漿鋼管管線，鋼管管線的一端與軟管連接，垂直放置至鉆孔孔底，為保證灌漿質(zhì)量，灌漿鋼管線底部離孔底垂直落差不大于30 cm，如圖5所示。

圖5 打底密封灌漿施工示意圖

（2）封底灌漿施工工序。封底灌漿段厚度應(yīng)控制在1～2 m內(nèi)，使其完全覆蓋沉渣厚度[8]，底部灌漿料固結(jié)硬化后可防止側(cè)壁灌漿料在灌注時流入單樁內(nèi)部；灌漿時應(yīng)盡量保持灌漿液面均勻平整，施工完成后應(yīng)采用鉛垂線測量各角度漿面高度，同時也應(yīng)保障灌漿料不能封堵住側(cè)壁灌漿管線。

1.2.2 嵌巖段灌漿施工

在封底段灌漿施工完成后24～36 h后進行嵌巖段側(cè)壁灌漿施工，嵌巖段施工必須連續(xù)施工，中間不應(yīng)中斷。

（1）灌漿管線的布設(shè)。灌漿作業(yè)前，封嵌巖段灌漿管線布置分為灌漿軟管部分和鋼管管線部分，其中鋼管管線分為外置鋼管管線和預(yù)制內(nèi)鋼管管線，灌漿軟管主要用于輸送泵與外置鋼管管線、輸送泵與預(yù)制鋼管管線的連接，主要承擔(dān)嵌巖段內(nèi)灌漿料的灌注。

（2）嵌巖段灌漿施工工序。水下打底密封灌漿施工完成后，打底灌漿料漿面離側(cè)壁灌漿管線口垂直距離為2 m，為保證灌漿質(zhì)量，應(yīng)先用灌漿鋼管線插至封底灌漿底部進行灌漿，直至灌漿液面上升至距離側(cè)壁灌漿管口30 cm以內(nèi)，隨后在樁頂工作平臺處切換至提前預(yù)置好的灌漿工裝管線，繼續(xù)側(cè)壁灌漿，如圖6所示。側(cè)壁灌漿施工作業(yè)時，灌漿料通過灌漿管線泵入巖層與鋼管間的空隙，當(dāng)灌漿料頂面迫近巖層與覆蓋層的交界面時停止灌漿作業(yè)，灌漿液面低于鋼護筒一定的距離有利于后續(xù)鋼護筒的拔出；施工完成后，需采用鉛垂線測量各個角度下灌漿頂面高度，保證達到設(shè)計高度。

圖6 嵌巖層灌漿施工示意圖

1.2.3 覆蓋層灌漿施工

嵌巖段完工后24 h以后可進行覆蓋層灌漿施工，施工時必須連續(xù)施工作業(yè)，盡可能保證灌漿頂面齊平，根據(jù)現(xiàn)場實際情況將鋼護筒緩慢提升一段距離，以便后續(xù)鋼護筒能夠順利拔出。

（1）灌漿管線的布設(shè)。覆蓋層灌漿施工與嵌巖段灌漿施工類似，灌漿施工流程存在一定的差異，管線布設(shè)時只需將灌漿軟管與外側(cè)灌漿管線固定。

（2）覆蓋層灌漿施工工序。覆蓋層灌漿施工作業(yè)時，灌漿泵通過灌漿軟管將灌漿材料泵送至樁頂工作平臺內(nèi)的灌漿分配裝置內(nèi)，并在分配器內(nèi)將灌漿材料分配進入外側(cè)灌漿鋼管管線內(nèi)，鋼管線直接插入淤泥層樁身外側(cè)與護筒內(nèi)間的環(huán)形空隙內(nèi)，并將鋼管線固定在鋼管樁外壁，灌漿鋼管始終保持沒入漿液面2～3 m。覆蓋層灌漿作業(yè)時，當(dāng)灌漿頂面高于泥巖交界面時，便可用適宜的速度向上拔出鋼護筒，鋼護筒拔出速度過快容易增大塌孔的風(fēng)險；若拔出的速度過慢，凝固速度較快的灌漿材料易與鋼護筒粘接在一起，嚴重時還會導(dǎo)致鋼護筒無法拔出[9]，覆蓋層施工示意圖如圖7所示。

圖7 覆蓋層灌漿施工示意圖

Ⅰ型嵌巖樁和Ⅱ型嵌巖樁施工區(qū)別在于Ⅱ型樁鉆孔更大，并且需要進行灌漿作業(yè)，施工工序也更為復(fù)雜。Ⅲ型嵌巖單樁相較于Ⅰ型嵌巖樁和Ⅱ型嵌巖樁施工流程存在顯著不同，在沉樁方面，Ⅲ型樁采用“種植”施工工藝，而Ⅰ型樁和Ⅱ型樁則分別采用“打-鉆-打”和“打-鉆-擴-灌-打”的施工工藝，施工雖然較為簡便，但存在溜樁風(fēng)險[10-12]；在灌漿施工方面，Ⅱ型樁和Ⅲ型樁均需進行封底灌漿，Ⅲ型樁還需對側(cè)壁的空腔進行灌漿作業(yè)。

2 Ⅲ型嵌巖單樁工程問題及防控措施

根據(jù)地勘報告顯示，福建某海上風(fēng)電工程項目所處海域為巖石地質(zhì)，覆蓋層較淺，地質(zhì)條件復(fù)雜，為滿足實際工程需求、保障結(jié)構(gòu)安全，項目部分機位選用大直徑Ⅲ型單樁作為風(fēng)電的基礎(chǔ)。

2.1 工程問題

目前，海上風(fēng)電大直徑Ⅲ型嵌巖單樁施工案例較少，施工作業(yè)仍處于探索階段，實際施工作業(yè)中發(fā)現(xiàn)嵌巖樁主要存在以下風(fēng)險。

（1）埋鉆風(fēng)險。鉆孔過程中，雖然樁護筒在一定程度上能夠防止覆蓋層土進入單樁內(nèi)部，但由于沖擊錘的沖擊作用，樁護筒周邊土壤容易受到擾動；加之隨著巖層強度的增加，鉆機產(chǎn)生過大的振動也將向四周巖層擴散，振動荷載將改變覆蓋層的土壤應(yīng)力分布，鉆孔形成后外界土壓力會加劇覆蓋層松散的土壤進一步向鉆孔內(nèi)擴散，當(dāng)鉆機進入巖層后容易引發(fā)埋鉆風(fēng)險。

（2）孔壁塌陷風(fēng)險。鉆孔在施工的過程中會不斷地將混有破碎的巖石的泥漿通過泵從鉆孔中抽取出來，管內(nèi)外存在壓力差，同時在水流的作用下，交界面處覆蓋層土壤會不斷掏蝕，進而增加孔壁塌陷風(fēng)險。

在福建海域嵌巖單樁實際施工過程中還發(fā)現(xiàn)，由于覆蓋層較淺，鉆機平臺難以獲得穩(wěn)定的施工作業(yè)環(huán)境，部分機位施工時也無法保證鋼護筒能夠打入足夠的深度。除此之外，鉆機在掘進過程中，覆蓋層的土壤會通過交界面的縫隙進入鉆孔內(nèi)，亟需采取措施進行防控。

關(guān)文來[13]針此工程問題，提出了一種適用于在裸巖地質(zhì)上進行施工作業(yè)的封底圍堰工裝，解決了裸巖地質(zhì)穩(wěn)樁平臺難以保障足夠入土深度的問題，為海上風(fēng)電施工提供了可靠的方案，施工過程如圖8所示。

圖8 海上風(fēng)電嵌巖單樁施工過程

2.2 防控措施

當(dāng)前，嵌巖樁孔壁塌陷等工程問題主要以預(yù)防為主，預(yù)防措施主要有選用合適的穩(wěn)樁平臺、采用泥漿護壁工藝[14]和增設(shè)鋼圍堰等方案。

（1）選擇合適的穩(wěn)樁平臺。不同機位的覆蓋層厚度不同，選用合理的穩(wěn)樁平臺對于后續(xù)的施工作業(yè)至關(guān)重要。鉆機在掘進過程中也會產(chǎn)生劇烈的振動，合理穩(wěn)樁平臺的選擇可以有效防止孔壁塌陷，更有利于施工作業(yè)。

（2）鉆孔時采用泥漿護壁工藝。泥漿護壁是當(dāng)前嵌巖施工中常采用的一種施工工藝，鉆孔施工時在鉆孔內(nèi)采用相對密度大于1的泥漿進行護壁，泥漿在孔壁內(nèi)形成的泥皮能有效防止孔壁塌陷[15]。

（3）在鋼護筒外增設(shè)鋼圍堰。鋼圍堰主要應(yīng)用于裸巖地質(zhì)或覆蓋層較淺的海域，此法能夠有效解決鋼護筒不能貫入足夠埋深的問題，同時還可起到防止在鉆孔施工中鋼護筒周圍覆蓋層松散的土壤大量涌入鉆孔內(nèi)的作用，降低埋鉆和塌孔風(fēng)險。

2.3 施工流程

（1）泥漿護壁施工流程。鋼護筒在施工時一般難以沉貫至巖層處，泥漿護壁工序與鉆頭掘進過程同時進行，隨著鉆孔深度的增加，應(yīng)持續(xù)向孔內(nèi)灌注泥漿，保證孔內(nèi)的水頭，鉆孔內(nèi)含有膨潤土的泥漿能夠有效降低塌孔風(fēng)險。

（2）鋼圍堰施工流程。與海上風(fēng)電Ⅲ型嵌巖單樁基礎(chǔ)施工相比，施工流程主要增了鋼圍堰的施工。對于無覆蓋層的裸巖，穩(wěn)樁平臺無法固定在巖層上，施工時可采用向圍堰內(nèi)填埋海砂的方法增加穩(wěn)樁平臺處覆蓋層的厚度，確保穩(wěn)樁平臺有足夠的穩(wěn)定性；對于覆蓋層厚度較深的海底地質(zhì)，鋼圍堰沉貫到一定深度的覆蓋層即可今后后續(xù)施工作業(yè)。

穩(wěn)樁平臺和內(nèi)護筒的安裝作業(yè)與Ⅱ型嵌巖單樁和Ⅲ型嵌巖單樁操作流程一致，需利用振動錘將鋼護筒打入預(yù)定的標高；隨后使用鉆機在內(nèi)護筒鉆孔，鉆孔徑邊緣與單樁間至少預(yù)留200 mm的孔隙，最后利用灌漿材料填充滿單樁與巖層間的縫隙。

3 結(jié)束語

隨著海上風(fēng)電單機裝機容量的不斷增加，大直徑單樁基礎(chǔ)已經(jīng)成為未來單樁基礎(chǔ)的發(fā)展趨勢，大直徑嵌巖單樁基礎(chǔ)也將不斷拓寬海上風(fēng)電的應(yīng)用場景。海上風(fēng)電大直徑嵌巖單樁的研究尚處于起步階段，但是Ⅲ型嵌巖單樁適用范圍較廣，特別適用于我國覆蓋層較淺的巖石地質(zhì)和水文環(huán)境較差的海域，在未來擁有廣闊的發(fā)展前景。與此同時，科研人員仍需針對施工中的難點問題展開進一步研究，提出適用于Ⅲ型嵌巖單樁設(shè)計和施工更優(yōu)解決方案，確保大直徑嵌巖單樁在服役期內(nèi)安全穩(wěn)定運行，保障海上風(fēng)電施工作業(yè)安全，降低海上風(fēng)電Ⅲ型嵌巖單樁的施工成本，促進海上風(fēng)電行業(yè)的健康發(fā)展。