海上風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

（中交第三航務工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

近年海上風電工程在國內沿海得到大規模建設，因受鹽霧腐蝕、波浪荷載、水流荷載及臺風荷載等諸多制約因素影響，施工技術遠比陸地風電要復雜[1-2]。目前國內外已建及在建海上風電場的基礎類型主要有：單樁基礎（打入式、嵌巖式）、高樁承臺群樁基礎、重力式基礎、三腳架基礎、四樁導管架基礎、五腳架基礎等[3]。由于單樁基礎結構形式簡單，施工速度快，方便快捷，單樁基礎成為一種主流的風電基礎形式[4]。海上風電單樁基礎的直徑從6 m逐漸發展到7.8 m，地質條件從軟黏土擴展到巖基。在海上風電單樁嵌巖施工中面臨著樁內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險，一旦產生溜樁將會對工期造成較大的影響，使施工成本大幅上升，帶來較大的經濟損失。

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

1 地質情況

風機所處位置海床面較平緩，海床泥面高程為-18.00～-18.50 m。根據地質時代、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，根據風化程度又劃分為強風化與中風化。地層分布見圖1。

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

2 沉樁情況

風機基礎示意圖見圖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定后再適當加大打樁能量，遇上較硬的土層時，加大功率進行打樁。鋼管樁沉樁至預設標高-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。當鉆入標高-59 m時發現塌孔，大量石塊掉落，最大石塊尺寸20 cm，鉆機無法繼續鉆進。為避免卡鉆，停止鉆進，提升鉆頭，暫停施工。暫停施工后發現鋼管樁向下沉入鉆孔內，溜樁深度約為4.7 m。

3 溜樁原因分析

根據設計及實際施工情況，鋼管樁樁端位于強風化板巖上，其下距離中風化板巖頂面1.1 m；鋼管樁的樁徑為6.1 m，其內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JTS 167-4—2012《港口工程樁基規范》[5]計算得出各土層樁外側阻力值見表1所示，樁外側總阻力為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），若樁外側土體無擾動則樁體系重量小于樁外側阻力，此時并不會產生溜樁。扣除⑤2和⑥2側阻力后的樁外側阻力為8 740 kN，可見⑤2和⑥2層土體的側阻力部分或完全消失最終產生的溜樁。根據鉆孔揭露情況，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，巖石裂隙比較發育。強風化板巖呈碎塊、碎板、片狀，按照GB 50287—2016《水力發電工程地質勘察規范》[6]分類圍巖類別為Ⅴ類。中風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類圍巖極不穩定，圍巖不能自穩；Ⅳ類圍巖不穩定，圍巖自穩時間短。由于樁端位于強風化巖石，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。同時強風化板巖強度比較低、破碎，成孔后由于卸荷應力釋放、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生了一系列的連鎖反應，灌注樁段鉆孔過程中出現掉塊后塌孔范圍逐漸增大，使樁端脫空，樁側壁強風化巖石也逐步脫落，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生了一定的負摩阻力，最終發生了溜樁。

表1 各土層樁外側阻力值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生的連鎖反應，即塌孔后使樁端上部的巖土體失去支撐出現塌落擾動，使樁外側阻力降低或喪失，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）的原因主要包括天然因素和工程因素。

1）天然因素方面有：原地應力、巖石類型及其力學性質、地層的構造形態、黏土礦物的種類和數量、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、巖體經反復擾動后強度降低等。

孔壁巖石的失穩是一個力學過程，其實質是孔壁巖石所受應力超過了其強度而誘發失穩破壞。孔壁穩定問題最常發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、水平方向地應力及地層孔隙壓力的作用，在鉆孔鉆開前，地下巖層處于應力平衡狀態，鉆孔鉆開后，破壞了地層的原有應力平衡，引起鉆孔周圍應力重新分布。從力學的角度來看，造成孔壁坍塌的原因主要是孔壁周圍巖石所受應力超過巖石本身的強度而產生剪切破壞造成的，此時，對于脆性地層會產生坍塌掉塊，井徑擴大；而對塑性地層，則向鉆孔內產生塑性變形，造成縮徑。

此外，一些特殊構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、力學等性質表現出明顯的差異性，這種現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，特別是在鉆孔的穩定性方面，相對于各向同性，橫觀各向同性使得巖石的力學問題更加復雜，如果將橫觀各向同性巖石當作各向同性處理，則工程設計和計算將會出現較大的誤差。

4 溜樁后處理

本工程溜樁的主要原因在于塌孔后產生了一系列的連鎖反應，上部的松散狀砂卵礫石層和中砂層失去支撐出現塌落擾動，造成樁外側阻力降低，同時上部砂卵礫石、中砂層在塌落的過程中可能對樁產生了一定的負摩阻力，最終發生了溜樁。經計算分析，采用擠密砂樁對樁側土體進行加固，以提高樁外側阻力，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

根據土層分布及地質情況，水下擠密砂樁加固深度為-35.1 m，加固的土體主要為①1淤泥質粉質黏土混砂層和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。水下擠密砂樁打設完成后清除隆起土，并鋪設墊層。樁身內部先填砂土，在-19.50～-22.50 m高程范圍內填充C35微膨脹混凝土。水下擠密砂樁打設完成后進行了標貫檢測，經測試標貫擊數大部分處于20～35擊范圍，滿足加固土層內摩擦角不小于28°的設計要求。

5 結語

本文對海上風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溜樁現象，建議采用“一樁一議”的方式，即對每根樁分別進行打設前分析評估、施工過程控制、施工完成后總結，主要為：

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

2）施工過程控制：施工中會出現巖土層與勘查時的土層不一致的現象，因此還需確定土層的變化，重新進行評估，修正相關參數，以保證施工安全。另外，海上風電施工受天氣、海況影響較大，施工作業窗口期較短，在鉆孔完成后，臨空面不宜長時間裸露，否則會造成失穩坍塌，因此施工中可考慮在同一窗口期內鉆孔完成后及時完成復打，以避免塌孔、溜樁。由于V級圍巖不能自穩，在V級圍巖段鉆孔后應立即復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，并結合水下成孔垂直度及形狀方面的檢測技術，進一步驗證成樁偏斜產生的原因。

4）施工完成后總結：施工完成后及時將地質資料、設計資料、施工過程資料歸納總結，以形成嵌巖樁數據庫，積累相關經驗，為今后的類比分析提供參考。