福建海域巖基海上風電大直徑嵌巖單樁施工防塌孔技術研究

凌衛軍

摘要：近年來，隨著國內海上風電事業的快速發展，福建省海域因得天獨厚的風資源優勢而備受海上風電開發商的青睞，但受制于該片海域為巖基海床，大直徑單樁基礎嵌巖成孔施工過程中遇到了諸多困難與挑戰，其中，巖基成孔過程中塌孔、滲漏等問題一直是制約嵌巖施工的重癥之一，本文就嵌巖過程中塌孔的產生原因及解決措施進行了研究簡述。

關鍵詞：海上風電;巖基海域;大直徑;單樁基礎;防塌孔

一、項目概況

福建省東部海域位于臺灣海峽，該海域常年風速較大，是國內海上風電開發最理想的海域之一，但該片海域受制于巖基海床，且海底地形地質復雜，海域巖石硬度很高，飽和抗壓強度達80～120MPa，需進行巖基鉆孔施工，為國內海上風電領域最難施工的海域。自2014年開始至今，海域附近諸如平海灣、興化灣、平潭及南日島北側海域等已有多家電力企業參與海上風電場建設，但受制于巖基海床開發難度及裝備投入限制，國內巖基大直徑嵌巖單樁基礎施工一直處于技術攻關及摸索階段。

福建莆田南日島海上風電項目位于南日島北側海域，該項目于2014年開工建設，為國內首個海上風電大直徑嵌巖單樁基礎施工項目，單樁直徑5.5～5.8m，單樁樁長50～60m，樁身需嵌入中風化巖層以下10～15m，在此之前，國內還未有海上風電大直徑單樁基礎嵌巖施工的施工經驗，缺乏相應的大直徑單樁嵌巖沉樁技術及施工裝備，該項目的具有很大的難度和挑戰性。

二、施工工藝

為確保項目的順利實施，施工單位投入先進的大型嵌巖鉆機設備、穩樁平臺等關鍵設備及相應輔助設施，并采用國內先進的“大直徑無過渡段嵌巖單樁基礎施工方案”，主要施工工序為：施工船舶定位→沉放穩樁平臺→液壓錘錘擊內護筒→于內護筒頂部安裝大型鉆機設備鉆孔→清孔→大直徑單樁基礎翻身、入內護筒→調樁并檢測垂直度→灌注灌漿料（3次）→拔出內護筒及穩樁平臺重復利用。經過海上施工實踐，施工工藝已可滿足嵌巖單樁施工，但由于巖基海床地質條件復雜，各層地質軟硬不一，大型鉆機設備在嵌巖鉆孔過程中經常出現穩樁平臺護筒底部滲漏、塌孔等現象，護筒底部一旦塌孔或者滲漏，隨著海流的沖刷、塌陷區域會不斷擴大，護筒內外水位聯通，更甚者，隨著塌孔區域的擴大，可能出現護筒及穩樁平臺傾覆，造成重大安全事故，因此，鉆機鉆進工作只能中止并采取海下堵漏措施。在水深25m的海域進行水下堵漏施工，堵漏后還存在二次穿孔的風險，施工難度可想而知。據統計，塌孔后單次堵漏施工就需要15～30天，嚴重影響現場施工效率，大大增加施工及船機成本。

三、問題原因及解決措施

針對大直徑單樁基礎鉆孔施工過程中護筒反復塌孔、滲漏等問題，分析產生的主要原因包括以下幾個方面：

1） 受復雜地質、設計地勘準確度等因素影響，導致護筒利用液壓錘錘擊后入泥深度不足，一般僅入泥3～5m，覆蓋層經受海水沖刷后，護筒底部實際入泥更淺，極易出現滲漏現象;

2） 大型嵌巖鉆機設備的鉆頭在加壓嵌巖鉆進過程中會出現振動，振動傳導至護筒底部會使原本密實的巖面地質變得松散，從而增加滲漏及塌孔風險;

3） 地質復雜、巖層均一性差，泥下存在斜巖等，導致護筒底部錘擊入泥后一側擱置于硬巖側，另一側位于松散地質，地質松散側極易出現塌孔或貫穿等問題。

為解決鉆孔過程中巖基覆蓋層反復塌孔的難題，目前普遍采用以下幾種方法減少或避免塌孔現象：

1） 采用內護筒“打-鉆-打”入泥深度控制工藝，即內護筒在原工藝方案基礎上利用液壓錘擊到位后，吊裝架設大型嵌巖鉆機對內護筒底部進行鉆孔（鉆孔直徑小于筒徑60～70cm），鉆孔鉆至設計一定深度后，根據鉆進出渣情況，再吊裝液壓錘對內護筒進行二次復打，以增加護筒入泥深度。兩次錘擊過程中均需控制好內護筒入泥貫入度和錘擊能量兩個核心指標，防止護筒底發生變形或卷邊現象;

2） 當護筒入泥深度不足，未達到完整基巖面時，采取在鉆機鉆進過程中添加膨潤土的方法，并對孔內泥漿比率進行檢測，通過提高孔內水中的泥漿比率，起到泥漿護壁的作用，同時，泥漿通過鉆機設備的泥漿分離器實現循環利用，泥漿分離器能很好的控制泥漿的流失，便于操作人員控制護筒內部泥漿比例，阻斷孔內外滲水，防止孔壁坍塌或剝落。

3） 對鉆機設備鉆孔過程中各項鉆進作業參數的控制，如在鉆進不同硬度巖層時，通過改變鉆進速率、鉆頭轉速、鉆頭提升力、鉆壓等技術參數，以減少作業過程中鉆頭的晃動，從而最大限度避免護筒塌孔或滲漏。

四、結束語

據統計，2018年，國內僅福建莆田南日島海上風電項目完成9臺巖基大直徑嵌巖單樁施工，但大部分機位內護筒在架設鉆機鉆孔過程中出現塌孔及滲漏，塌孔率高達50%，塌孔后堵漏工作量很大，施工效率很低，而國內其他項目還未有成功施工的案例。直到2019年，福建南日島項目吸取以往塌孔處理施工經驗，分析塌孔產生的原因并積極進行處理，不斷完善嵌巖施工方案、優化施工裝備，在巖基大直徑嵌巖單樁施工方面率先取得了突破，該項目全年共計完成Ⅲ型嵌巖單樁基礎14臺，產能為18年完成總量的1.56倍，且鉆孔成功率100%，全年幾乎未出現一例塌孔或滲漏現象，無塌孔堵漏施工，已初步具備了巖基大直徑單樁基礎規模化、批量化施工能力，也為附近海域以及國內其他巖基海域大直徑單樁基礎嵌巖施工提供了諸多寶貴的借鑒和參考經驗。

參考文獻：

[1] 范正慶.地質條件復雜海域超大直徑單樁基礎嵌巖施工方法研究2020，6（05），187-188.

[2]秦順全，張瑞霞，李軍堂.海上風電場基礎形式及配套施工技術[J].中國工程科學，2010，12（11）：35-39.

（作者單位：江蘇龍源振華海洋工程有限公司）