海上風電基礎鋼管樁嵌巖斜樁后注漿施工技術

郭新杰

（中交第三航務工程局有限公司廈門分公司，福建 廈門 361006）

引言

超厚強風化花崗巖鋼管樁沉入深度有限，常用的灌注樁鉆機受施工工藝限制難以滿足原設計方案斜樁灌注樁的孔深要求。采用灌注樁后注漿是比較好的解決方案。泥皮效應、沉渣效應、地應力釋放、尺寸效應、強風化巖遇水軟化會對灌注樁承載力造成大幅削弱，采用后注漿灌注樁可以較好地彌補這些削弱影響。

本工程斜樁主要加固土層為強風化巖，海上風機基礎承載力以抗拔力為主且相關作業位于海上，類似工程特征的后注漿經驗還不豐富，因此開展鋼管樁嵌巖斜樁后注漿施工關鍵技術研究是十分必要的。

1 研究背景

灌注樁后注漿是針對傳統灌注樁的缺點而開發出來的一種輔助工藝。后注漿灌注樁是指在灌注樁成樁 3～7 d 且其強度達到設計強度的75 %后，由預設于樁身內的壓漿導管及與之相連的樁端、樁側壓漿閥通過高壓注漿泵壓入一定壓力的漿液，通過漿液對樁端沉渣，樁端持力層及樁周泥皮起到滲透、填充、壓密、劈裂、固結等作用來增強樁端土和樁側土的強度，從而達到提高單樁承載力，減少沉降量的一項技術措施。采用后注漿灌注樁具有以下優點：

1）減少樁底沉渣厚度，加固樁端持力層；

2）改善樁-土界面特性；

3）一定程度上恢復土體應力。

后注漿工藝完美地解決了傳統灌注樁的主要缺陷，大幅提升了灌注樁的樁基承載力。灌注樁后注漿工藝在工業民用建筑、橋梁工程、港口工程、地下工程等均獲得了廣泛應用。其中蘇通長江大橋、上海東海大橋、杭州灣跨海大橋、上海長江大橋等國家重點項目均為水上項目，對本工程有借鑒作用。基于后注漿灌注樁所具備的技術優勢，即：

1）解決灌注樁鉆孔孔壁泥皮、孔底沉渣、應力釋放問題，提高灌注樁樁側及樁端承載力；

2）解決厚強風化巖層灌注樁施工巖體軟化問題；

3）解決灌注樁過長而無法施工的問題。

依托福清興化灣海上風電場二期項目鋼管樁斜樁嵌巖工程在國內開展嵌巖斜樁后注漿新技術研究與實踐，在海上風機基礎鋼管樁與灌注樁組合斜樁承載力滿足設計要求的情況下，優化減小鋼管樁斜樁灌注樁成孔深度，解決由于嵌巖鉆機鉆進成孔技術條件制約引起超厚強風化巖層鋼管樁斜樁超長鉆進成孔的技術難題。

2 工程概況

福清興化灣海上風電場二期項目風機基礎主要采用高樁承臺結構，其基礎根據不同的風機機型荷載、地質條件及風機基礎樁基承載力要求分別采用6 根或8 根斜率6:1、直徑φ1.9 m 的鋼管樁和灌注樁斜樁的組合樁，灌注樁斜樁樁體直徑為 φ1.7 m。其中部分機位在鋼管樁沉樁后樁底位于超厚強風化巖層，灌注樁的側摩阻力和樁端阻力在該地層中相對鋼管樁小得多，嵌巖鉆機鉆頭鉆出鋼管樁樁底標高后需要進入超厚強風化巖一定深度（H大于15 m，一般超過 20 m）繼續鉆進。其中超厚強風化巖又分為厚散體狀強風化巖（H 大于12 m）和厚碎塊狀強風化巖（H 大于12 m）。深厚散體狀強風化巖常存在鋼管樁斜樁沉樁時無法貫入足夠深度，位于散體狀強風化巖層底部的深厚碎塊狀強風化巖存在鋼管樁斜樁沉樁無法貫入的情況，采用現有灌注樁施工機具，受施工工藝限制影響，一般在鉆機鉆頭鉆出鋼管樁樁底后成孔深度在15 m 及以下，在技術上均難以滿足本工程鋼管樁斜樁鉆孔深度的要求。為此，在國內首次開展了海上風電基礎鋼管樁嵌巖斜樁后注漿施工技術研究及應用，以優化減小超長斜樁鉆孔深度為目標，確保現有嵌巖樁機鉆進成孔技術能夠滿足本工程鋼管樁斜樁設計成孔深度要求。

3 方案及其特點

3.1 斜樁后注漿總體布置方案

斜樁后注漿采用開放式樁底和樁側聯合注漿。樁端注漿采用U 形管方式注漿。樁側注漿管采用直管方式注漿。均沿樁基圓周均勻布置4 根注漿管。

灌注樁混凝土灌注結束后在12 h～24 h 小時內及時清水開塞，使壓漿管路暢通，開啟壓漿孔。開塞壓力不超過8 MPa。

樁底注漿采用管式單向注漿閥，樁側注漿閥采用外置于樁工界面的彈性注漿管閥。注漿閥具備逆止功能。

注漿采用普通硅酸鹽水泥漿，水泥標號不小于42.5 級。水灰比宜為0.45～0.65；并宜摻入適量減水、微膨脹等外加劑以改善漿液性能。

壓漿過程采用壓漿量與壓漿壓力雙重控制，以壓漿量控制為主，壓力控制為輔。并輔以樁頂上抬量控制。

單樁合理注漿量：樁端注漿暫定為4.3 t（水泥質量），復式注漿暫定為6.0 t（水泥質量）；最佳注漿量需要通過試注漿確定。

樁端注漿壓力宜為1～4 Mpa。注漿流量宜控制在30～50 L/min，不宜超過75 L/min 。注漿作業與成孔作業點的距離不宜小于8～10 m[1]。

后注漿起始作業時間一般于成樁后5～7 d 進行，具體時間可視施工情況與經驗進行調整。復式注漿宜先樁側后樁端，樁側樁端注漿間隔時間不宜少于2 h。

3.2 斜樁后注漿工藝特點

斜樁后注漿工藝具備能有效地清理斜樁灌注樁孔底沉渣，并使樁底虛土得到固結擠密，使樁側摩擦力和樁端承載力明顯增大，樁基承載性能得到明顯改善，并能有效控制樁基的沉降量的優點。本工程斜樁后注漿具有與常規后注漿灌注樁不同的特點：

1）本工程為斜樁。施工時易引起漿液灌注不飽滿的情況。這需要采取不同于常規工程的灌漿工藝。

2）本工程灌注段主要為強風化巖層，目前在本巖層進行灌注樁后注漿的案例并不多見，相關經驗比較欠缺。許多規范中關于強風化巖層樁端樁側后注漿的提高系數都沒有規定，其是否適用于本工程尚有待于進一步驗證。

3）風機基礎以抗拔控制，目前國內抗拔樁的后注漿也不太多見，相關經驗比較欠缺。

4）本工程位于海上，不同于絕大多數后注漿工程。后注漿灌注樁在海上風電應用尚未見先例。

5）工程案例中樁端后注漿遠遠多于樁側后注漿。樁側后注漿多作為安全儲備。而本工程要求比較大幅度提升樁側摩阻力，以減小樁長。

6）本工程承受交變動力荷載，對樁基承載力有更高要求，采用自平衡法進行樁基承載力試驗，確定樁基軸向抗壓、抗拔承載力，驗證勘察報告土層設計參數的合理性，為樁基優化設計提供參考。

4 主要施工方法

4.1 工藝流程

海上風電基礎鋼管樁嵌巖斜樁后注漿施工方法主要包括以下工藝流程：灌注樁斜樁成孔和清孔、安裝鋼筋籠和注漿器（包括樁端和樁側）、澆筑樁身混凝土、開塞、樁身混凝土完整性檢測、樁端和樁側壓漿嵌巖樁后壓漿施工順序以實際施工順序為準，每根嵌巖樁先側面壓漿后樁端壓漿。

4.2 注漿器布置方案

本工程進行安裝鋼筋籠和注漿器流程時，包括安裝樁端注漿器和樁側注漿器。樁端注漿器包括四根沿鉆孔嵌巖樁的外緣均布的樁端豎向注漿管，每根樁端豎向注漿管的底部連接雙層樁端注漿閥；樁側注漿器包括設在距樁底一定距離的注漿環形管和一根通過一個三通垂直連接在注漿環形管上的樁側豎向注漿管；注漿環形管上均布地安裝四個樁側壓漿閥。具體布置方案如下：

樁端壓漿在鋼筋籠上布置4 根豎向壓漿管，由聲測管兼用，管底安裝雙層樁端壓漿閥，閥底伸出樁底50 mm～100 mm，具體長度視現場情況決定。聲測管頂伸出至樁頂嵌巖施工鋼平臺以上，便于施工。對于樁身鋼管樁底端距離樁底不小于8.5 m 的樁基布置樁側壓漿裝置，樁側壓漿裝置距離樁底分別為5 m 和6 m 的鋼筋混凝土樁段各布置一道樁側環管，環管上眼四周均勻布置4 個單向壓漿閥（其中距樁底6 m 的樁側環管為備用）。環管有三通與樁側豎向壓漿管相連，樁側豎向壓漿管為外徑 38 mm，壁厚3 mm 的普通焊接鋼管。注漿管布置于鋼筋籠內側，與鋼筋籠點焊或鋼絲綁扎固定；注漿管應連接牢固及密封，采用螺紋套筒連接，長度不小于50 mm，兩端各不小于25 mm 內絲牙螺紋，接頭部位纏繞止水膠帶。

圖1 樁側注漿器結構示意圖

圖2 樁側注漿器安裝圖

4.3 注漿器安裝方法

1）樁端注漿器安裝方法

樁端注漿器包括四根沿鉆孔嵌巖樁的外緣均布的樁端豎向注漿管，四根樁端豎向注漿管采用外徑為32 mm 的聲測管；四根樁端豎向注漿管置于鋼筋籠的內側并與鋼筋籠的主筋平行，四根樁端豎向注漿管均用鐵絲與鋼筋籠綁扎固定；四根樁端豎向注漿管均由多節注漿管拼接而成，每節注漿管用螺紋套筒依次連接，螺紋套筒的長度不小于50 mm，接頭部位纏繞止水膠帶；每根樁端豎向注漿管的頂端伸出至樁頂的施工操作平臺并與施工操作平臺上的輸漿軟管連接；每根樁端豎向注漿管的底部連接雙層樁端注漿閥，該雙層樁端注漿閥包括兩個一上一下串聯連接的樁端注漿閥，位于上部的樁端注漿閥的進漿口與樁端豎向注漿管的底部連接，位于上部的樁端注漿閥的出漿口通過絲扣轉接頭與位于下部的樁端注漿閥的進漿口連接，使兩個樁端注漿閥的間距為50 mm；位于下部的樁端注漿閥的底部伸出樁底50 mm～100 mm。

2）樁側注漿器安裝方法

樁側注漿器包括設在距樁底5 m 的注漿環形管和一根通過一個三通垂直連接在注漿環形管上的樁側豎向注漿管，樁側豎向注漿管采用外徑為 38 mm、壁厚為3 mm 的普通焊接鋼管并由多節注漿管拼接而成，每節注漿管用螺紋套筒依次連接，螺紋套筒的長度不小于50 mm，接頭部位纏繞止水膠帶；樁側豎向注漿管的頂端伸出至樁頂的施工操作平臺并與施工操作平臺上的輸漿軟管連接；注漿環形管上均布地安裝四個樁側壓漿閥；樁側注漿器布置在鋼筋籠的內側，并與鋼筋籠的主筋點焊固定或綁扎鋼絲固定。

3）備用樁側注漿器安裝方法

備用樁側注漿器包括設在注漿環形管的上方 1 m 的備用注漿環形管和一根通過一個三通與備用注漿環形管垂直連接的備用樁側豎向注漿管，該備用樁側豎向注漿管與注漿環形管上的樁側豎向注漿管對稱布置，備用樁側豎向注漿管也采用外徑為38 mm、壁厚為3 mm 的普通焊接鋼管并由多節注漿管拼接而成，每節注漿管用螺紋套筒依次連接，螺紋套筒的長度不小于50 mm，接頭部位纏繞止水膠帶；備用樁側豎向注漿管的頂端伸出至樁頂的施工操作平臺并與施工操作平臺上的輸漿軟管連接；備用注漿環形管上均布安裝四個樁側壓漿閥；備用樁側注漿器布置在鋼筋籠的內側，并與鋼筋籠的主筋點焊固定或綁扎鋼絲固定。

每個樁端注漿閥的注漿孔外和每個樁側壓漿閥的注漿孔外均用薄橡膠皮包裹。樁端注漿器、樁側注漿器和備用樁側注漿器隨鋼筋籠一起下放至孔內。

4.4 開塞

開塞工作的主要目的是使注漿管路暢通，開啟注漿孔，劈裂樁端與樁側混凝土，為注漿工作提供前提條件，所以開塞工作是樁端與樁側注漿成敗的關鍵。

在成樁后12 h～24 h 內進行開塞流程，用壓漿泵將清水壓入樁端注漿器和樁側注漿器，使每根樁端豎向注漿管底部的雙層樁端壓漿閥和注漿環形管和備用注漿環形管上的八個樁側壓漿閥打開，確保壓漿時管路暢通。

4.5 樁端樁側壓漿技術

樁端樁側壓漿技術包括漿液制備、壓漿系統現場連接技術和壓漿技術。

1）漿液制備技術

本工程通過試樁確定的實際壓漿漿液施工技術參數如下：采用P.O42.5 級普通硅酸鹽水泥，水膠比為0.5～0.6，攪拌時間不少于2 min，漿液用篩孔尺寸為3 mm×3 mm 的濾網進行過濾，確保漿液具有良好的流動性，不離析，不沉淀；漿液采用純水泥漿，防止雜物堵塞壓漿孔及管路，并摻入適量減水、微膨脹劑以改善漿液性能，漿液的性能要求：初凝時間為3 h～4 h，稠度為17 s～18 s，7 天強度≥10 MPa[2]。

2）壓漿系統現場連接技術

本工程鋼管樁嵌巖斜樁樁端樁側后注漿采用智能壓漿系統，避免人為因素的干擾。壓漿系統現場連接時，壓漿系統安裝在施工操作平臺上并包括水泥罐、上料機、水泵、制漿機、注漿泵和控制柜；水泥罐的容量為20 t～60 t，水泥罐的下端出料口連接上料機，上料機的出料端與制漿機的進料口連接，設在水池內的水泵通過軟管連接制漿機的上水口；制漿機分為制漿罐和儲漿罐，制漿罐將進來的水泥和水攪拌，儲漿罐儲存由制漿罐攪拌好的漿液；儲漿罐的出漿口通過粗軟管連接注漿泵，注漿泵的出漿口與樁頂的樁端豎向注漿管和注漿環形管的樁側豎向注漿管之間連接高壓橡膠輸漿軟管，同時制漿罐和儲漿罐的底部各自安裝一組稱重傳感器，注漿泵的出漿口的上方安裝有壓力傳感器，與注漿泵的出漿口連接的鋼管上安裝有流量傳感器；控制柜通過信號線與所有的傳感器、上料機、制漿機、水泵和注漿泵相連。

圖3 智能壓漿系統現場布置圖

3）壓漿技術

在樁身混凝土的強度達到設計強度80 %以上，且樁身混凝土的完整性通過超聲波法檢測合格后開啟壓漿系統分別對樁端注漿器和樁側注漿器進行樁端壓漿和樁側壓漿[3]。

具體操作過程如下：上料機在控制柜的指令下對制漿罐上一定重量的水泥料，水泵再在控制柜的指令下按水灰比兌制漿罐上一定重量的水，在上水泥和水的過程中，制漿罐對水泥和水進行攪拌，攪拌達到2 min 后，將攪拌好的水泥漿放至儲漿罐；壓漿泵在控制柜的控制下抽取儲漿罐中的水泥，沿高壓輸漿軟管輸送至樁頂的樁端豎向注漿管和樁側豎向注漿管，接著壓入管路內，具有一定壓力的水泥漿液將樁端注漿閥和樁側注漿閥的注漿孔外包裹的薄橡膠皮張開，水泥漿液通過注漿孔壓入土層中，薄橡膠皮同時保證水泥漿液不會回流而將端豎向注漿管、樁側豎向注漿管和注漿環形管堵塞；控制柜接收各個傳感器的數據，根據數據控制各個相關設備的運作；同時，注漿的數據，包括壓力、流量、水泥量和水量通過無線網絡上傳至云平臺，供各方人員查看。

樁端壓漿壓力為1.6 MPa～2.3 MPa，樁側壓漿壓力為1.3 MPa～2.0 MPa。

壓漿量控制方法：1）樁端的實際壓漿量滿足設計壓漿量要求，樁側的實際壓漿量滿足設計壓漿量要求，不采取額外措施；2）樁端的實際壓漿量滿足設計要求，若樁側的實際壓漿量不夠（不論是管路不通導致沒壓或者壓力過大導致壓漿量沒壓夠），采取將樁側未壓完的壓漿量壓入樁端，至壓漿量滿足要求位為止；3）若樁端的壓漿量不夠，則采取鉆孔補壓漿的措施，即在樁身外鉆兩個孔，從這兩個孔中補壓漿至補足量為止；4）樁端和樁側的壓漿量均不夠，則應在樁端的外側鉆孔壓漿，直至在樁端補完樁身的總壓漿量。

終止壓漿需要滿足下列條件之一：1）壓漿量達到設計要求，最近5 min 的壓漿平均壓力達到不小于終止壓力；2）壓漿量已達到設計要求，最近5 min 的壓漿平均壓力≥0.8 倍終止壓力，需要增加壓漿量至120 %后封壓；3）壓漿量已達到設計要求，最近5 min 的壓漿平均壓力＜ 0.8 倍終止壓力，需要增加壓漿量至150 %后封壓；4）壓漿量大于設計要求的80 %，最近5 min 的壓漿平均壓力＞1.2 倍終止壓力。

圖4 環向注漿器安裝平面布置圖

圖5 樁端和樁側環向點式注漿流程狀態圖

5 質量檢查和驗收方法

后注漿在提高樁基承載力、減少樁基沉降量、改善樁基承載性能方面的作用是顯著的。但實際工程中壓漿效果，在土體中漿液的分布情況以及壓漿后承載力提高幅度這些都需要采用一些檢測技術來解決。目前的檢測方法有取芯檢測、標準貫入度試驗、CT 檢測以及靜載試驗等方法[4]。根據本工程鋼管樁嵌巖斜樁后注漿主要以提高其軸向抗拔承載力、優化減小鋼管樁嵌巖斜樁鉆孔深度為目的，制定質量檢查和驗收方法如下：

1）斜樁壓漿后樁端土層和樁側一定范圍內的土層在成分上會發生變化，密度、強度均有所提高，第一根試驗樁應采取鉆孔取芯和井間跨孔超聲波CT 層析成像技術（取芯孔兼作CT 孔）同時進行檢測，相互驗證后壓漿加固體的分布情況，評價后壓漿對單樁承載力的改善效果，并采用自平衡法進行樁基承載力試驗。

取芯試驗檢測目的是通過在樁中預埋鋼管或PVC 管，樁端壓漿后間隔一定時間，用鉆機通過預埋管鉆取樁端以下巖土體芯樣來判定壓漿后樁底巖土性狀的方法。該方法選擇以鉆探為主，并配合室內巖土測試和標準貫入實驗，了解掌握樁體壓漿后水泥灰漿體的空間分布狀況及其相關物理力學指標。取芯檢測參照巖土工程勘察規范《GB50021-2001》中的有關規定進行。取芯目的：①驗證樁端、樁側壓漿效果；②驗證樁端、樁側壓漿對提高承載力的效果。

井間跨孔超聲波CT 層析成像技術試驗檢測目的：①根據試驗結果，分析斜樁后壓漿加固體在樁端和樁側的分布特點；②通過試驗及參數反演，總結后壓漿加固體的電性參數規律；③跨孔探測間距和電磁波探測頻率的優化實驗。

自平衡試樁法是接近于豎向抗壓樁實際工作條件的試驗方法，將一種特制的加載設備—荷載箱，與鋼筋籠相接，埋入樁的指定位置，并將荷載箱的高壓油管和位移棒一起引到地面，由高壓油泵向荷載箱充油而加載。鋼板傳遞到樁身，無應力集中現象，其上部樁身的摩擦力與下部樁身的摩擦力及端阻力相平衡--自平衡來維持加載。只針對試樁機位實施，根據向上向下Q-S 曲線判斷樁承載力、樁基沉降。

基樁自平衡試驗開始后，荷載箱產生的荷載沿著樁身軸向往上、往下傳遞。假設基樁受荷后，樁身結構完好（無破損，混凝土無離析、斷裂現象），則在各級荷載作用下混凝土產生的應變量等于鋼筋產生的應變量，通過量測預先埋置在樁體內的鋼筋計，可以實測到各鋼筋應力計在每級荷載作用下所得的應力—應變關系，可以推出相應樁截面的應力—應變關系，然后相應樁截面微分單元內的應變量也可以求得。由此便可在各級荷載作用下各樁截面的樁身軸力Pz 值及軸力、摩阻力隨荷載和深度變化的傳遞規律。

該檢測方法所用試驗儀器設備與傳統的靜載試驗（檢測）方法（堆載法和錨樁法）相比，自平衡法具有以下特點：①省力：沒有堆載，也不要笨重的反力架，檢測十分簡單、方便、安全、無污染；②省時：土體穩定即可測試，并可多根樁同時測試，大大節省試驗（檢測）時間；③不受場地條件和加載噸位限制：每樁只需一臺高壓油泵、一臺數據采集儀，檢測設備體積小、重量輕，適用于水上作業。

2）調整施工工藝后的后注漿應進行井間跨孔超聲波CT 層析成像技術檢查。

3）后續后注漿機位每個風機選擇一個樁位進行井間跨孔超聲波CT 層析成像技術檢查。后續機位后注漿異常的應在樁外進行鉆孔取芯檢測。

4）后注漿施工完成后應提供水泥材質檢驗報告，壓力表檢定證書，試注漿記錄，設計工藝參數、后后注漿作業記錄，特殊情況處理記錄等資料。

6 結語

通過本工程的實踐可以得出以下結論：海上風電基礎鋼管樁嵌巖斜樁在樁側、樁底采取復式后注漿技術后不僅能提高其樁端承載力，而且在樁端以上5m 甚至更大范圍內的樁側摩阻力也有較大提高。基于鋼管樁嵌巖斜樁復式后注漿技術所采用開放式樁底和樁側聯合注漿所產生的樁端承載力、樁側摩阻力提高，能夠有效控制樁基礎沉降的效果，既確保了現有嵌巖樁機鉆進成孔技術能夠優質高效地完成本工程鋼管樁嵌巖斜樁鉆進成孔施工，又保證了海上風電風機基礎鋼管樁嵌巖斜樁的軸向抗壓、抗拔承載力符合設計要求，對類似工程具有很好的借鑒意義。