福清興化灣復雜地質條件下海上風電鋼管樁沉樁分析

李愛美，項建強，周興政

（福清海峽發電有限公司，福建 福州 350322）

1 工程概況

福清興化灣海上風電場二期項目，位于福建省福清市江陰半島東南側和牛頭尾西北側，場區位于福清市南部興化灣海域內，場址泥面高程-28～-3m，中心離岸距離約4.7km，面積約18.5km2。該工程基礎形式主要為斜樁（6∶1）高樁承臺；承臺直徑15.6～18m，鋼管樁樁徑1.9～2.1m，樁厚28mm[1]。規劃裝機容量280MW，安裝10臺5MW，32臺6.XMW，2臺8MW，1臺10MW。

2 興化灣地質情況分析

福建海域廣泛有花崗巖分布，花崗巖屬于特殊性巖土，地層巖性復雜多變[2]。興化灣海上風電場場區海底地形起伏、局部有深槽、暗礁，覆蓋層厚度以及巖面、變化起伏大，局部有孤石分布，尤其是花崗巖的球狀風化具有不均勻性、離散性、差異性、突變性，給工程建設增加了一定的難度[3]。風機位自海床面以下最大鉆探深度60.00m，根據巖土層按其成因類型、地質時代及巖土性質差異共分成7個大層，部分土層因土性特征差異又細分若干個亞層[4]。主要地層情況如下：

（1）第四系全新統地層（Q4）。①1層淤泥：灰色，飽和，土質不均勻，場址區分布較廣泛，大致分布在-9.99～-26.10m，標貫擊數N=1.7；①2層淤泥混砂：灰色，飽和，土質不均勻，高等壓縮性，場址區普遍分布，大致分布在-6.79～-29.65m，標貫擊數N=2.0～6.1；②2層中砂：灰～灰黃色，飽和，稍密～中密狀，土質不均勻，高等壓縮性，層薄且只存在個別機位附近；③層淤泥質粉質黏土：灰色，飽和，土質不均勻，高等壓縮性，層薄且只存在個別機位附近；④1層粉質黏土：局部為黏土，灰黃～黃褐色，飽和，局部土質不均勻，中等壓縮性，分布不均，大致分布在-11.24～-31.72m,標貫技術13.2-23.9；⑤層黏土或淤泥質黏土：灰色，飽和，土體整體較均勻，高等壓縮性，層薄且只存在個別機位附近。

（2）第四系上更新統地層（Q3）。⑦1層中砂：局部為含礫中粗砂，灰～淺灰色，飽和，以中密狀為主，分布不均，大致分布在-11.06～-36.12m，標貫擊數N=6.2～40.8；⑦2層中粗砂：灰～灰黃色，飽和，中密～密實狀，分布不均，大致分布在-13.90～-39.45m,標貫擊數N=21.0-50.1；⑦3層礫砂：灰黃～棕黃色，飽和，密實狀，分布不均，地層較單薄。在-37.05～-40.36mm，標貫擊數N=48～61；⑦4層粉質黏土：灰～淺灰色，飽和，分布不均，大致分布在-11.24～-31.72m，標貫擊數N=13.2～23.9。

（3）燕山早期侵入巖（γ52（3）c）。⑨1層全風化花崗巖：灰黃～灰白色，中密～密實，分布不均，大致分布在-18.91～-47.05m，標貫擊數N=26.6～45.8；⑨2層散體狀強風化花崗巖：灰黃色，原巖結構基本可見，遇水有軟化崩解現象，偶夾強度較高、直徑1.0～5.0cm的巖塊，大致分布在-14.80～-44.51m，標貫擊數N=68.4～109.4；⑨3層碎裂狀強風化花崗巖：灰黃色，原巖結構可見，大致分布在-17.55～-70.70m，標貫擊數N=179.8～295.8；⑨4層中～微風化花崗巖：灰白色，原巖結構清晰可見，巖體完整層頂高程-26.16～-54.53m，動力觸探N≥50.1。

根據上述工程概況和地質情況分析可知，福清興化海上風電鋼管樁沉樁與其他海域不同，無相關工程經驗借鑒[5]。該工程多數鋼管樁沉樁時需要穿過散體狀、碎裂狀強風化花崗巖等堅硬地質層，地質條件復雜，鋼管樁沉樁過程中易遇孤石和地層突變。如何根據現狀減少或者避免沉樁過程中的鋼管樁卷邊和塌孔并采取控制措施，確保工程質量是本文要研究解決的問題。

3 興化灣沉樁施工分析

3.1 沉樁施工工藝

該工程采用了穩定性好的打樁船（船體尺寸長寬高分別為71.73m×27.0m×5.2m，樁架高95m,單鉤吊重能力120t，滿載吃水2.7m）以及最大打擊能量可達800kJ的IHC S-800型液壓打樁錘，有效保證了該工程6∶1斜樁以及樁位準確率高的要求。沉樁施工工藝流程如圖1所示。

圖1 鋼管樁沉樁工藝流程

3.2 沉樁情況

目前已沉樁施工220根，40根打入摩擦樁，180根嵌巖灌注樁，基本情況如表1所示。

表1 興化灣沉樁情況統計

從表1設計標高與實際沉樁標高的差值可以分析出，興化灣海域因為地質復雜，沉樁存在達不到設計標高的。

沉樁初期，遇到4根樁發生0.2～2m的癟樁卷邊，6根出現輕微的卷邊，出現癟樁的樁基最終貫入度都在2mm/擊。以樁55-6癟樁情況分析，樁55-6位于勘察鉆孔55-2西側，參考地質剖面，在高程-36.43m位置巖性為散體狀花崗巖，從樁尖進入高程-36.11m開始，錘擊貫入度基本在1-2mm/擊，說明樁尖處風化巖體密實度較高，錘擊困難造成了樁55-6樁端癟樁。對比分析可知，該風機處樁基沉樁與地質勘察成果地層劃分的分層界線基本吻合，局部存在碎裂狀花崗巖層面起伏。

沉樁過程遇到5根樁樁位塌孔，經總結分析，出現塌孔機位地層分布規律均為散體狀強風化花崗巖以下，即為中風化花崗巖，或者散體狀強風化花崗巖和中風化花崗巖之間只有非常薄的碎裂狀花崗巖。樁基嵌巖段在嵌巖成孔過程中快速穿過散體狀強風化，進入強度較大的中風化，嵌巖鉆進的速度就會大大降低，且沉渣摩擦對孔壁的影響較大，造成孔壁塌孔。

這些問題的出現對工程工期、質量、效益等均會造成較大損失。

4 沉樁質量控制方法

因地質勘察鉆孔無法完全代表樁位地質情況，加之地質復雜，并不能完全反映樁位地質變化，需根據地質編錄、巖芯照片、標貫擊數（或動力觸探擊數）、沉樁、鉆孔等綜合手段判斷實際地質情況，當與原設計存在差異時應及時調整。沉樁停錘控制根據樁基礎分為兩種，打入式樁基礎和嵌巖樁基礎。停錘控制措施如下：

打入式樁基礎沉樁停錘以沉樁實際樁底標高達到設計樁底標高控制為主，貫入度作為參考。最后3陣貫入度≤3mm/擊，在厚度超過10m的散體狀強風化花崗巖中，液壓錘錘擊能量達到550kJ后出現沉樁困難無法達到設計樁底標高時，可繼續逐級加載錘擊能量至700kJ，當液壓錘錘擊能量逐級加載至最大能量700kJ后，貫入度如果＞5mm/擊，保持正常連續錘擊沉樁直至貫入度降低到最后3陣3mm/擊時停錘。

嵌巖樁基礎沉樁停錘以貫入度控制為主，一機一研判。分析各機位詳細地質勘察資料，提前籌劃必要的處理措施。根據現場實際沉樁進行準確判斷，尤其是鋼管樁在沉樁至設計樁底標高后，如果貫入度≥5mm/擊，需在嵌巖樁鉆孔出樁尖后采取防塌孔措施。最大錘擊能量控制在550kJ以內，錘擊能量每級加載后，如果貫入度比較上一級錘擊能量對應的貫入度有增大，則保持正常錘擊沉樁直至貫入度再次降低到5mm/擊時，繼續逐級加載錘擊能量進行鋼管樁沉樁。如果貫入度比上一級錘擊能量對應的貫入度降低，分以下兩種情況控制停錘控制標準：

（1）如果貫入度還有5～6mm/擊，繼續錘擊直至貫入度降低到最后3陣4mm/擊或3mm/擊停錘。

（2）如果貫入度只有4mm/擊或3mm/擊，則通過最后3陣錘擊驗證貫入度；貫入度仍為4mm/擊或3mm/擊，則停錘。

5 沉樁問題處理方法

5.1 卷邊處理方法

在鋼管樁沉樁過程中，鋼管樁樁尖在散體狀花崗巖和碎裂狀花崗巖交界面處因受力不均易發生卷曲變形。當發現鋼管樁卷邊后，首先把孔內泥漿置換成清水，保證孔內外水壓差一致，然后利用潛水員探明卷邊位置，采用水下切割技術對卷邊的鋼管進行切除。

5.2 塌孔處理辦法

塌孔主要有三種處理方式：

（1）泥漿固壁。在松散砂層中鉆進時要嚴格控制進尺，投入黏土膏，卵石等擠入孔壁起護壁作用；發生孔口坍塌時，拔出護筒用黏土回填，重新埋設再鉆；發生孔內坍塌時，判明其位置，用砂和黏土回填到孔處以上1～2m，待沉積物密實后再鉆。

（2）加快清渣。嵌巖鉆進的過程中，孔內沉渣不斷的摩擦擾動對孔壁的穩固性有影響，加快清渣可減少擾動，對孔壁起到保護作用。

（3）再次沉樁。可采取復打沉樁，尤其是未達到設計標高的樁位，二次沉樁可有效加固孔壁并防止塌孔。

6 結束語

海上風電風機為高聳構筑物，風機基礎重心高，需要承受較大的水平荷載和抗傾覆力矩，對基礎要求高。本文研究了如何在地質復雜的興化灣海域將大直徑鋼管樁沉樁到位，使之符合設計要求，仔細分析了每個機位的地質情況以及沉樁到不同地層采取不同的工藝和設備，提出了如何預防復雜地質可能會帶來的問題以及可采取的措施，確保風機基礎沉樁質量。