廣西嵌巖地質(zhì)下嵌巖樁沉樁技術(shù)優(yōu)化分析

摘要：針對(duì)廣西壯族自治區(qū)嵌巖地質(zhì)條件復(fù)雜、基巖裸露起伏大的特點(diǎn)，結(jié)合防城港市施工區(qū)域的實(shí)際情況，優(yōu)化了嵌巖樁沉樁技術(shù)，提出了適合該區(qū)域的三樁植入式嵌巖工藝、海上灌漿施工技術(shù)、底部速凝灌漿施工工藝以及水下可視化定位技術(shù)，旨在提高施工效率、降低環(huán)境影響，并確保工程質(zhì)量與安全。研究結(jié)果表明，這些優(yōu)化措施能夠有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的技術(shù)難點(diǎn)，為廣西壯族自治區(qū)海上風(fēng)電發(fā)展及類(lèi)似工程提供重要參考。

關(guān)鍵詞：嵌巖樁；導(dǎo)管架基礎(chǔ)；沉樁技術(shù)；水下可視化；施工優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TU476 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）02-0-03

Optimization Analysis of Rock Socketed Driving Technology Under Rocky Geology In Guangxi

—Taking Fangchenggang City as an Example

ZHANG Xiaofei

（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.， Ltd.， Jinan 250013， China）

Abstract： In response to the complex geological conditions of rock socketed pile and the large exposed undulations of bedrock in Guangxi Zhuang Autonomous Region， combined with the actual situation of the construction area in Fangchenggang city， the rock socketed pile sinking technology has been optimized. Three pile embedded rock socketed technology， offshore grouting construction technology， bottom rapid setting grouting construction technology， and underwater visualization positioning technology suitable for this area have been proposed， aiming to improve construction efficiency， reduce environmental impact， and ensure project quality and safety. The research results indicate that these optimization measures can effectively address technical difficulties under complex geological conditions， providing important references for the development of offshore wind power and similar projects in Guangxi Zhuang Autonomous Region.

Keywords： rock socketed pile; jacket foundation; pile driving technology; underwater visualization; construction optimization

近年來(lái)，在碳中和目標(biāo)和能源安全戰(zhàn)略的驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)海上風(fēng)電正呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[1]。導(dǎo)管架基礎(chǔ)具有強(qiáng)度高、剛度大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于海上大型風(fēng)機(jī)[2]。廣西壯族自治區(qū)沿海地區(qū)風(fēng)力資源優(yōu)越，同樣具備發(fā)展海上風(fēng)電的條件，但地質(zhì)條件復(fù)雜，存在一定基巖，因此在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工過(guò)程中需要采用一定的嵌巖基礎(chǔ)。而嵌巖基礎(chǔ)工藝復(fù)雜，成本較高，因此為保證廣西壯族自治區(qū)海上風(fēng)電高質(zhì)量發(fā)展，有必要研究分析這種特殊地質(zhì)下的嵌巖技術(shù)，以提高施工效率，降低施工成本，保證工程質(zhì)量[3]。

嵌巖樁具有獨(dú)特的嵌巖結(jié)構(gòu)，嵌巖段承受上部傳遞下來(lái)的大部分荷載，荷載由樁身側(cè)向抗力和樁端阻力聯(lián)合承擔(dān)，因此其具備更強(qiáng)的承載能力和穩(wěn)定性，但其承載特性的影響因素和受力機(jī)理也隨著其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度而變得復(fù)雜。現(xiàn)階段，眾多學(xué)者對(duì)嵌巖樁進(jìn)行了研究。史佩棟等[4]根據(jù)國(guó)外大量嵌巖樁的實(shí)測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)徑比對(duì)端阻力影響效果顯著。劉樹(shù)亞等[5]研究發(fā)現(xiàn)樁嵌巖越深，其端阻占總承載力的比例越小。多項(xiàng)研究表明，主要影響參數(shù)包括巖土參數(shù)、基樁的施工工藝、基樁樁徑及嵌巖深度等[6-8]。王建華等[9]研究了水平荷載下大直徑嵌巖樁的承載力特性，結(jié)果表明嵌巖樁主要依靠嵌巖段承擔(dān)大部分水平荷載，巖土交界處是附加應(yīng)力集中處。董宏季[10]研究了海上風(fēng)電大直徑嵌巖樁承載特性，研究表明樁周灌漿料強(qiáng)度對(duì)提升承載力的作用不大，提高嵌巖深度能增加樁承載力。在實(shí)際工程中計(jì)算樁嵌入基巖的深度時(shí)，可不考慮全風(fēng)化巖層、極軟巖層和極破碎巖層中的樁長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，嵌巖樁承載性能受多種因素影響，因此有必要結(jié)合實(shí)際工程研究分析廣西壯族自治區(qū)嵌巖地質(zhì)。針對(duì)防城港市特定的海洋地質(zhì)條件，因地制宜，對(duì)導(dǎo)管架嵌巖樁下沉過(guò)程的施工技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其大體可分為三樁植入式嵌巖工藝、海上灌漿施工技術(shù)、底部速凝灌漿施工工藝、水下可視化定位技術(shù)4個(gè)工藝。

1 防城港市嵌巖地質(zhì)特點(diǎn)和沉樁工藝選取

針對(duì)防城港市海域，根據(jù)施工區(qū)域地質(zhì)資料及鉆探揭示，大部分區(qū)域內(nèi)自上而下地層為第四系全新統(tǒng)海相、全風(fēng)化～微風(fēng)化板巖、全風(fēng)化～微風(fēng)化沉凝灰?guī)r。區(qū)域內(nèi)基巖埋深在海底面以下0～20 m。

與傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)相比，嵌巖樁具有更強(qiáng)的端承力，能有效傳遞荷載至深層巖石，減少沉降與變形。結(jié)合已有研究成果和防城港市海域的地質(zhì)條件，雖然場(chǎng)址內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，部分基巖裸露，巖石起伏較大，但是未發(fā)現(xiàn)如溶洞、溶蝕、軟巖夾層等明顯的地質(zhì)難點(diǎn)，因此在該場(chǎng)址中選用嵌巖基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有合理性和必要性。

2 嵌巖地質(zhì)下沉樁施工技術(shù)現(xiàn)狀

嵌巖三樁導(dǎo)管架的做法包括芯柱式嵌巖三樁導(dǎo)管架和植入式嵌巖三樁導(dǎo)管架兩種。芯柱式設(shè)計(jì)中，導(dǎo)管架的上半段采用鋼管樁，中間部分為外部鋼管樁與內(nèi)部鋼筋混凝土樁的組合，下半段則是鉆入巖層的鋼筋混凝土樁，這種結(jié)構(gòu)能夠有效提升整體的承載力和穩(wěn)定性。植入式嵌巖三樁導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于，樁端以上一定長(zhǎng)度的鋼管樁內(nèi)部灌入素混凝土，同時(shí)在鋼管樁外與巖土體的環(huán)形間隙內(nèi)注入灌漿料。這種方法不僅增強(qiáng)了樁的整體強(qiáng)度，還提高了與周?chē)馏w的黏結(jié)力，確保了基礎(chǔ)的穩(wěn)固性和可靠性。施工過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題如下。

第一，變徑鋼管樁送樁器開(kāi)裂問(wèn)題。在青洲風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行沉樁施工時(shí)，鋼管樁的變徑段在超過(guò)沉樁定位架導(dǎo)向套筒之后，送樁器開(kāi)始產(chǎn)生回轉(zhuǎn)搖晃現(xiàn)象。該現(xiàn)象多次出現(xiàn)后，送樁器插尖段與鋼管樁樁頂接觸面以下部位的插尖段齊根斷裂。

第二，樁傾斜、達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)高等問(wèn)題。以欽州港大欖坪港區(qū)大欖坪南作業(yè)區(qū)后方陸域工程樁基工程為例，其地質(zhì)難點(diǎn)主要如下：區(qū)域內(nèi)的基巖面有很大的起伏波動(dòng)，基巖埋深不均勻，跨度極大，埋深在8～21 m；而且?guī)r石特性變化非常大，導(dǎo)致巖石的硬度差別很大，硬度在0～40 MPa。該地質(zhì)條件下，由于巖石分布狀況較為復(fù)雜，在樁基施工的過(guò)程中，易出現(xiàn)樁傾斜而無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高的情況。

3 嵌巖地質(zhì)下沉樁技術(shù)的優(yōu)化分析及新技術(shù)應(yīng)用

3.1 三樁植入式嵌巖工藝

三峽陽(yáng)江沙扒海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目中，三樁植入式嵌巖風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架基礎(chǔ)作為一種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)形式，為全球首次應(yīng)用。項(xiàng)目首次研發(fā)了適用于復(fù)雜海況下的一體化嵌巖平臺(tái)及配套施工工藝，鋼管樁平面位置、垂直度等得到了有效控制。該成功經(jīng)驗(yàn)也可為防城港市的其他工程提供借鑒。防城港市施工區(qū)域內(nèi)北部礁石偏高，地形起伏較大，南部和東北部有較大面積的裸露，水下地形條件復(fù)雜，因此可以借鑒三樁植入式嵌巖工藝，優(yōu)化沉樁施工過(guò)程。可根據(jù)防城港市施工區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件和地形地貌，在陸上預(yù)先打造坐底式鉆巖和嵌巖的平臺(tái)，通過(guò)安裝限位塊，嚴(yán)格控制樁身垂直高度。

三樁植入式嵌巖工藝用量最大的建筑材料是鋼材，而廣西壯族自治區(qū)內(nèi)擁有多家鋼鐵企業(yè)，如廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司等。因此，鋼管樁可以就近選擇陸上工廠進(jìn)行加工，加工完成后進(jìn)行灌漿封頂?shù)裙に嚕纯蛇\(yùn)輸至施工地點(diǎn)完成鋼管樁植入，施工區(qū)域內(nèi)的鋼鐵企業(yè)和工廠也可以為該技術(shù)提供原材料。

3.2 海上灌漿施工技術(shù)

對(duì)于水深較深的海域，可采用海上灌漿技術(shù)，具體步驟如下。首先，將萬(wàn)噸級(jí)駁船改制成集成化灌漿船，滿足鋼管樁樁側(cè)、導(dǎo)管架連接段的灌漿施工；其次，研發(fā)軟管與鋼管相結(jié)合的灌漿管線系統(tǒng)；再次，通過(guò)3道軟管將鋼管樁內(nèi)的底部、下部和上部灌漿鋼管接長(zhǎng)至平臺(tái)頂面，將水下作業(yè)變?yōu)樗鲜┕ぃ瑥墓酀{設(shè)備引出的灌漿軟管依次與3道軟管連接，能快速、連貫地完成樁底與樁側(cè)灌漿工作；最后，導(dǎo)管架安裝完成，灌漿軟管與導(dǎo)管架灌漿鋼管連接，完成連接段灌漿施工[11]。該技術(shù)通過(guò)海上灌漿填充樁底與巖石間空隙，提升樁基承載力與穩(wěn)定性，并利用速凝材料縮短固化時(shí)間與施工周期。改裝萬(wàn)噸級(jí)駁船為灌漿船，集成化操作降低沉降不均與樁體損傷等風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減少對(duì)海洋生態(tài)的影響。

3.3 底部速凝灌漿施工工藝

針對(duì)防城港市海域地質(zhì)覆蓋層較薄的情況，為防止嵌巖鋼管樁在灌漿過(guò)程中因底部灌漿料的壓力上浮，可采用底部速凝灌漿施工工藝。通過(guò)在鋼管樁底部澆筑添加速凝劑的灌漿料，使其快速凝結(jié)，消除后續(xù)灌漿料的上浮壓力。速凝水泥膏漿通過(guò)摻入黏土、膨潤(rùn)土等混合料加快水泥凝結(jié)，實(shí)現(xiàn)巖壁段與鋼護(hù)筒段的連續(xù)灌漿施工。

3.4 水下可視化定位技術(shù)

針對(duì)防城港市三樁植入式嵌巖結(jié)構(gòu)，在工作平臺(tái)上安裝可視化監(jiān)控以及操作平臺(tái)，即施工管理建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）平臺(tái)，利用安裝在工裝平臺(tái)頂部的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）與傾角儀將數(shù)據(jù)反饋至計(jì)算軟件上，通過(guò)可視化指導(dǎo)調(diào)整工裝平臺(tái)的平面位置、轉(zhuǎn)角，能快速完成工裝平臺(tái)定位等工作。水下可視化定位技術(shù)將施工管理BIM平臺(tái)與水下攝像相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管架與鋼管樁之間的水下對(duì)位的可視化、數(shù)字化操作，無(wú)須潛水員配合，對(duì)位效率高且安全風(fēng)險(xiǎn)小。

針對(duì)防城港市水文條件復(fù)雜多變難以掌控、水下部分基巖裸露、巖石凹凸起伏較大的情況，可利用可視化定位技術(shù)直觀有效地監(jiān)控導(dǎo)管架和鋼管樁打入的過(guò)程，同時(shí)能夠?qū)Υ驑哆^(guò)程中存在的問(wèn)題及時(shí)做出調(diào)整。該技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)捕捉嵌巖樁的狀態(tài)和周?chē)颦h(huán)境的變化，便于工程師及時(shí)掌握施工進(jìn)展和潛在問(wèn)題。通過(guò)水下可視化定位技術(shù)，可以提前識(shí)別潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素，如樁體的穩(wěn)定性和水下地質(zhì)條件，從而降低事故發(fā)生的概率。同時(shí)，水下可視化定位技術(shù)可以幫助施工人員準(zhǔn)確定位嵌巖樁的位置，確保其安裝在設(shè)計(jì)的深度和位置，避免因位置偏差導(dǎo)致的工程問(wèn)題。此外，先進(jìn)的水下可視化系統(tǒng)可以提供清晰的3D圖像和多角度觀察，使得施工人員對(duì)水下環(huán)境的分析更加全面，能夠更快速地做出決策，從而提高工程效率，縮短施工時(shí)間并降低成本。

4 結(jié)論

本研究結(jié)合防城港市復(fù)雜地質(zhì)條件，優(yōu)化了嵌巖樁施工技術(shù)，提出三樁植入式嵌巖工藝、海上灌漿施工技術(shù)、底部速凝灌漿工藝及水下可視化定位技術(shù)。這些技術(shù)有效提高了施工效率與樁基穩(wěn)定性，降低了海上作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)境影響。未來(lái)，建議加強(qiáng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與技術(shù)適配性研究，推廣模塊化設(shè)備與數(shù)字化施工方案，以推動(dòng)海上風(fēng)電工程高效發(fā)展。

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收稿日期：2024-12-13

作者簡(jiǎn)介：張曉斐（1985—），男，山東濟(jì)南人，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：海上風(fēng)電建設(shè)。