海上風電鋼管樁斜樁基礎嵌巖施工技術

郭新杰，黃炳南

（中交第三航務工程局有限公司廈門分公司，福建 廈門 361006）

0 引言

福建沿海海域海上風電高樁承臺基礎結構常采用6根或8根直徑為φ1.9～2.3 m、斜率為5:1或6:1的鋼管樁斜樁進行嵌巖承載施工，受海洋水文地質條件復雜，巖基海床巖面起伏及巖石強度變化較大，海上施工條件惡劣等情況影響，施工工效低下，是影響高樁承臺基礎施工進度的主要原因。本文依托福清興化灣海上風電場二期工程，開展了海上風電鋼管樁斜樁嵌巖關鍵施工技術的研究及應用。

1 工程概況

福清興化灣海上風電場二期項目共30臺風機，基礎由6根斜率為6:1、直徑為φ1.9 m的鋼管樁斜樁構成。嵌巖鉆機鉆頭斜向鉆孔，深度超越已錘擊沉樁就位的鋼管樁斜樁樁底標高后繼續鉆孔，嵌巖段樁體直徑為φ1.7 m。這是國內首次在近海海域地質條件復雜、巖面起伏較大的海上風電場中大規模采用鋼管樁斜樁嵌巖的高樁承臺基礎結構。

嵌巖施工區域地質分布依次有淤泥、中粗砂、黏土，場區內基巖巖性主要為燕山晚期花崗巖，按風化狀態分為全風化、散體狀強風化、碎裂狀強風化及弱風化狀，中微風化巖石抗壓強度集中在120～150 MPa，屬于硬巖，巖體完整性好。

嵌巖鉆機鉆頭斜向鉆孔，深度超越已錘擊沉樁就位的鋼管樁斜樁樁底標高后穿越碎裂狀強風化花崗巖層長度均大于10 m，嵌巖深度為進入中風化巖層5.1 m，需要進行超長斜樁鉆孔、嵌巖施工。

2 研究背景

采用傳統的在貝雷梁裝配式嵌巖施工鋼平臺上配置1臺35 t門機，對角樁樁位處配置2臺正循環回旋鉆機，并輔助配置3 000 t多功能運輸駁及1臺80 t履帶吊進行海上鋼管樁斜樁嵌巖施工[1-2]。施工工效低，施工成本高。為提高施工工效，降低施工成本，有必要依托本工程，研究導管架整體式嵌巖施工鋼平臺結構及其與嵌巖設備、履帶吊機、輔助生產設施一體化裝拆技術，研制破碎極硬巖石的反循環鉆機的滾刀，研究在鋼平臺上布置嵌巖氣舉反循環鉆機、履帶吊機及輔助生產設施進行鋼管樁斜樁嵌巖的施工技術，確保在有限的施工窗口期內快速完成海上風電鋼管樁斜樁嵌巖施工。

3 方案及特點

新施工技術方案采用在導管架整體式嵌巖施工鋼平臺上布置1臺嵌巖反循環鉆機、1臺80 t履帶吊機進行基礎鋼管樁斜樁嵌巖施工。取消了原有工藝需要輔助配置的35 t門機與停泊在機位附近的3 000 t多功能運輸駁，從而減少了嵌巖鉆機的投入數量，將80 t履帶吊機轉移布置在嵌巖施工鋼平臺上。嵌巖施工過程中的鉆機移位、鉆桿、鉆頭、鋼筋籠、零星材料等吊裝作業均通過位于施工鋼平臺上的履帶吊機完成，確保鋼管樁斜樁嵌巖施工時吊裝作業的有效時間，有效地降低了海洋潮流、波浪對鋼管樁斜樁嵌巖吊裝作業的影響。

所使用的導管架整體式嵌巖施工鋼平臺利用已沉設高樁承臺基礎鋼管樁及其樁頂的夾樁H型鋼或承臺封底鋼筋混凝土結構作為承重結構，采用模塊化設計制造，一次性整體吊裝方案。該施工鋼平臺具有制作精度高、安裝與拆除快速、安全可靠的優點，能適應不同樁徑（φ1.9 m、φ2.1 m）、不同斜率（5:1或6:1）、不同根數（6根或8根）的鋼管樁斜樁嵌巖施工要求，提高了鋼平臺的周轉使用率。同時，在鋼平臺上配置集裝箱、發電機、集渣箱、空壓機等裝備，滿足鋼管樁斜樁嵌巖施工過程的生產、生活需要，在鋼平臺四周設有安全防護欄桿和上下安全爬梯，為施工操作及管理人員提供安全保障。

采用技術先進的三寶SPD200+SPP260反循環鉆機，通過運用鉆機的氣舉反循環工作特點，并通過研發專用于破碎極硬巖的反循環鉆機滾刀，提高斜樁成孔、清孔施工工效。該滾刀包括主軸、刀殼和破巖齒，其破巖性能指標處于國內領先水平，能夠實現對本工程鋼管樁斜樁嵌巖巖石強度的全覆蓋，顯著提高了鉆機的破巖能力、嵌巖施工工效及成孔質量，且滾刀的耐磨性能高、更換率低、成本可控。

4 導管架整體式嵌巖施工鋼平臺設計及優點

4.1 結構設計方案

鋼管樁斜樁嵌巖施工鋼平臺為雙層鋼管導管架整體式平臺結構，平臺高度2 m，上層鋼管框架長28.5 m、寬26.5 m，下層鋼管框架長24.5 m、寬22.5 m。鋼平臺上、下層鋼管框架及上下層連接均采用φ500 mm、δ12 mm的無縫鋼管；鋼平臺上層鋼管框架內空間沿長度方向加設間距為90 cm的加強鋼管，加強鋼管采用φ300 mm、δ6 mm的無縫鋼管；鋼平臺面層采用間距30 cm的Ⅰ14工字鋼分配梁和δ5 mm花紋鋼板面板組焊而成。在每個鋼平臺上布置1臺三寶鉆機（最大扭矩160 kN·m）、鉆桿1套、空壓機1臺、發電機1臺、住人集裝箱 4個、油箱 1個、平衡器和導管放區、沉淀箱1個、80 t履帶式起重機1臺、液壓動力站1個，φ48 mm×3.5 mm鋼管欄桿立柱及水平桿護欄4組。平臺結構及設備布置如圖1和圖2所示。

圖1 鋼平臺立面圖Fig.1 Layout plan of steel platform

圖2 鋼平臺平面布置圖Fig.2 Elevation of steel platform

4.2 結構優點

采用導管架整體式嵌巖施工鋼平臺，改變了傳統貝雷梁裝配式嵌巖施工鋼平臺的搭拆工藝，節約了大量的海上鋼平臺搭設與拆除作業時間。

鋼平臺結構通過建立力學模型進行設計計算，具有更好的整體性和結構安全穩定性，避免了采用貝雷梁搭設平臺應力集中的安全問題，鋼平臺可與嵌巖設備、履帶吊機、輔助設施整體安裝拆卸，操作方便，減少了平臺搭設的施工作業人數，平臺裝拆的施工進度及安全得到充分保障。在鋼平臺上配置的80 t履帶吊可完成鋼管樁斜樁嵌巖各工序輔助吊裝作業，確保嵌巖工序起重吊裝作業的有效時間，節約了多功能駁船等船機費用。

5 主要施工方案

5.1 工藝流程

鋼管樁斜樁沉樁→鋼管樁之間夾樁（或封底鋼筋混凝土）施工，作為鋼平臺承重結構→模塊化導管架整體式嵌巖施工鋼平臺一次性整體安裝就位及焊接加固、驗收→嵌巖氣舉反循環鉆機、80 t履帶吊、集裝箱等機械設備安裝及焊接加固、驗收→鋼管樁嵌巖成孔、清孔、鋼筋籠吊裝、混凝土灌注施工→嵌巖施工平臺拆除[3-5]。

5.2 導管架整體式嵌巖施工鋼平臺搭設

嵌巖施工鋼平臺利用焊接在風機基礎鋼管樁樁頂以下3 m處的夾樁用H型鋼作為承重支撐梁，并沿對角鋼管樁加焊2根H型鋼以加強鋼平臺承重支撐梁的整體剛度。另外，可采用承臺80 cm厚封底鋼筋混凝土結構做為承重結構。

采用200 t起重船在嵌巖施工鋼平臺上布置1臺嵌巖氣舉反循環鉆機、1臺80 t履帶吊機，并配置集裝箱、發電機、集渣箱、空壓機等裝備，對平臺上所有嵌巖裝備進行焊接加固。鋼平臺與嵌巖設備、履帶吊機、輔助設施采用整體加固吊裝工藝，提升了施工鋼平臺的搭設與拆除工效。

5.3 嵌巖成孔施工新工藝

5.3.1 嵌巖鉆機選型及安裝就位

針對本工程地質情況進行鉆機選型，對于鉆孔地質為碎裂狀強風化花崗巖+完整堅硬中風化花崗巖巖層，選用三寶SPD200+SPP260全液壓氣舉反循環鉆機并配置適用于極硬巖石的反循環鉆機滾刀。該鉆機及鉆頭滾刀具有以下優點：采用全液壓驅動、大扭矩，懸掛式動力頭；可傾斜式動力頭以及機架；可通過加減壓鉆進確保鉆孔成孔速度和孔徑、斜度精度；新研制的鉆頭滾刀能在鉆機施加1.5～3倍巖石抗壓強度的作用力時實現對抗壓強度大于160 MPa的巖石破巖，且破巖速度能達到0.25 m/h；按照設計鋼管樁鉆孔斜度制作傾斜固定導向架，確保鉆孔傾斜率。

全液壓氣舉反循環鉆機鉆進成孔時，通過液壓動力驅動鉆桿帶動鉆頭的旋轉，碾壓切削破碎孔底巖石，采用氣舉反循環工藝清除巖石渣樣。

氣舉反循環法清除巖石渣樣時，采用空壓機將壓縮空氣通過氣管輸進鉆孔底部，并和鉆孔泥漿形成氣液混合物，鉆孔孔底的沉渣在氣體沖擊作用下處于懸浮狀態，并且由于氣管內外液體的密度差，從而產生負壓真空吸力，在氣液的帶動下沿著內管向上排出樁孔。

鉆機定位后采用2臺32 t螺旋千斤頂頂起鉆機上層底座，使鉆架的傾斜度與鋼管樁實測斜率一致。檢查驗收合格后，將鉆機上下層底座采用型鋼焊接牢固。

鉆機穩固后進行標準鉆桿（長度為3 m）安裝，使鉆桿和鉆機機架的傾斜度與鋼管樁實測斜率相同，調整鉆機底座，將鉆桿對中后即可開鉆。在鉆機鉆進成孔過程中應多次檢查核實其傾斜度，確保鉆孔傾斜度偏差值控制在1%以內[6-7]。

5.3.2 鉆機鉆進成孔

鉆機采用與鉆孔直徑相匹配的帶滾刀鉆頭鉆進成孔，鋼管樁內地層采用清水鉆進。

鉆頭滾刀布置是否合理直接影響到鉆進成孔效率和滾刀壽命。本工程鉆頭滾刀采用球齒類型，規格為30.48 cm，在鉆頭面均采用雙支點支撐（圖3）。φ1.9 m直徑鉆頭布置10把滾刀，φ1.7 m直徑鉆頭布置8把滾刀，滾刀由于在鉆進過程中遇到堅硬巖層時，會產生嚴重磨損或球齒脫落，在影響鉆進效率時應及時更換。

圖3 鉆頭球齒滾刀圖Fig.3 Diagram of bit ball gear hob

鉆壓是影響嵌巖鉆機鉆進效率的主要參數之一。隨著嵌巖樁直徑的加大，鉆頭面積越大，為了保證鉆頭滾刀接觸應力不低于巖石的抗壓破碎強度，鉆壓也要求越大。通過增大鉆頭的重量或在鉆頭上部增加配重，實現以鉆頭和鉆桿自重達到額定壓應力的目的。在保證鉆頭及時冷卻的同時，選用合理的轉速，確保鉆機鉆進成孔過程的優質安全高效。該類大直徑鉆機的轉速一般不超過15 r/min，特別在中風化巖中鉆進工作時不會超過6 r/min。

根據本工程鉆孔地層的不同地質特點，合理控制鉆進參數（見表1）。一般土層（主要指黏土層）使用快速設定（20 r/min），適當減少鉆壓，加快鉆進速度；在特殊情況下（主要指砂層土），轉速設定為10～15 r/min，適當增加速度。鉆機轉數由公式計算確定：

式中：n為鉆機的轉數，r/min；V為鉆頭外圍最大切線速度，m/s；D為鉆頭直徑，cm。

其中V取值如下：砂性土V＜1～1.5 m/s；黏性土V＞2 m/s；塑性巖石V＞0.9 m/s；硬性巖石 V＜0.8 m/s。

表1 氣舉反循環鉆機鉆進參數控制表Table 1 Drilling parameter control table of gas lift reverse circulation drilling rig

5.3.3 嵌巖段巖石渣樣的判斷方法

本工程鋼管樁斜樁嵌巖所處中風化巖石渣樣判斷指標如下[8]：

1）地質勘探報告描述的中風化巖層標高處。

2）鉆機鉆進速度的明顯降低（以記錄為準）。

3）掏渣筒巖石渣樣或反循環排渣中收集的巖石鉆渣物發生明顯變化。

4）巖石渣樣中風化巖樣含量必須達到50%，方可判斷斜樁嵌巖起始面全斷面進入中、微風化巖層。為了消除不可預見因素，可依此嵌巖起始面再鉆進15～20 cm作為實際嵌巖起始面。

6 施工工效分析

6.1 主要工序用時分析

本工程單個海上風電高樁承臺基礎6根鋼管樁斜樁嵌巖施工工序用時分析如下：

1）鋼管樁樁頂夾樁（作為嵌巖施工鋼平臺的承重結構）完成約4 d。

2）鋼管樁樁頂封底鋼筋混凝土結構（作為嵌巖施工鋼平臺的承重結構）完成約5 d。

3）嵌巖施工鋼平臺一次性整體吊裝加固完成約1 d。

4）嵌巖施工鋼平臺上1臺嵌巖反循環鉆機、1臺80 t履帶吊機、集裝箱、發電機、集渣箱、空壓機等機械設備吊裝加固完成約2 d。

5）單個機位6根鋼管樁斜樁嵌巖施工完成約30 d（5 d/根，共 6根）。

6）嵌巖施工鋼平臺拆除約2 d。

6.2 效益分析

該施工工藝與傳統工藝相比，具有顯著的經濟、社會效益。該工藝優點是標準化、機械化作業水平高，模塊化嵌巖施工鋼平臺的結構整體性能好，制作質量標準高，安裝及拆除快速，周轉使用率高，適用性強，研發使用的破極硬巖石的反循環鉆機的滾刀破巖能力強，覆蓋范圍廣，破巖速度快，損壞更換率低，嵌巖成孔及清孔施工工效高，質量優，安全有保障，可降低工人作業強度，減少嵌巖鉆機投入及其它輔助配置的船機設備，加快工程進度，減少了廢棄物。其中搭設、拆除單個嵌巖施工鋼平臺較以往的貝雷梁裝配式嵌巖施工鋼平臺相比節約了7 d，單個機位6根鋼管樁嵌巖施工周期較以往的嵌巖工藝相比節約了20 d，總體節約工期27 d/機位，節約施工成本66.582萬元/機位。

7 結語

研發的模塊化導管架整體式嵌巖施工鋼平臺及破巖能力、破巖速度均處于國內領先水平的反循環鉆機的滾刀，采用的海上鋼管樁斜樁嵌巖施工技術都顯著提高了海上鋼管樁斜樁嵌巖施工效率及標準化水平，降低了海上鋼管樁斜樁嵌巖作業受惡劣海況、氣候條件的影響，優化了嵌巖施工船機設備配置方案，保證了海上風電鋼管樁斜樁嵌巖施工的質量、安全、工期、成本，對類似工程具有很好的借鑒意義。