海上風(fēng)電嵌巖單樁鉆孔防塌孔技術(shù)研究

梅衛(wèi)東

（江蘇龍源振華海洋工程有限公司，江蘇 南通 226000）

1 引言

海上風(fēng)電是我國可再生新能源的主要組成部分，是國家實施環(huán)境保護(hù)、能源替代的重要支撐，現(xiàn)已進(jìn)入大規(guī)?；l(fā)展階段。目前，我國在建約 6×106kW，2020年實際開工規(guī)模超過1.5×107kW。目前，已應(yīng)用于海上風(fēng)電機組的基礎(chǔ)形式主要有單樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、導(dǎo)管架式基礎(chǔ)、高樁承臺基礎(chǔ)、負(fù)壓筒式基礎(chǔ)等。其中，以單樁基礎(chǔ)在國內(nèi)外海上風(fēng)電場工程應(yīng)用最為廣泛。

2 鉆孔施工難點

海上風(fēng)機嵌巖單樁基礎(chǔ)直徑一般超過 6m，樁重超過500t，鉆孔深度超過 30m，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的施工工藝為單樁“種植”工藝，即首先在施工機位搭設(shè)鉆孔穩(wěn)樁平臺，然后在穩(wěn)樁平臺中心安裝內(nèi)護(hù)筒，從而搭建一個穩(wěn)定的大直徑鉆孔平臺，然后將鉆機安裝至內(nèi)護(hù)筒頂部進(jìn)行鉆孔，鉆出一個比單樁直徑略大的孔，最后將單樁放入已經(jīng)鉆好的孔內(nèi)并在單樁與孔壁之間灌注水下高強度灌漿料。

由于鉆孔直徑大，地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石強度大等各種原因，鉆孔過程中經(jīng)常出現(xiàn)塌孔等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了施工效率。以福建南日島某風(fēng)場為例進(jìn)行統(tǒng)計分析，在該風(fēng)場已經(jīng)完成的前30根嵌巖單樁基礎(chǔ)中，影響施工進(jìn)度的因素大致分為塌孔、內(nèi)護(hù)筒卷邊、孤石等，其中鉆孔塌孔所占比例約為 50%。

3 塌孔原因

3.1 塌孔原因分析

根據(jù)福建南日島某風(fēng)場的嵌巖單樁施工統(tǒng)計分析，造成鉆孔過程中塌孔的原因大致可分為以下 3種。

3.1.1 內(nèi)護(hù)筒深度不足

巖基海床一般是深度越深土層強度越高，內(nèi)護(hù)筒打入深度其本體越穩(wěn)定。內(nèi)護(hù)筒入泥深度不足往往會導(dǎo)致鉆孔過程中內(nèi)護(hù)筒底部處于不穩(wěn)定狀態(tài)，底部的土層發(fā)生松動進(jìn)而發(fā)生塌孔。

3.1.2 地勘未顯示孤石

巖石在風(fēng)化應(yīng)力的作用下，其結(jié)構(gòu)、成分和性質(zhì)已產(chǎn)生不同程度的變異，根據(jù)風(fēng)化程度的不同劃分為全、強、中、弱4類。殘積土、全風(fēng)化里面的弱風(fēng)化、微風(fēng)化定名為孤石。

海上風(fēng)電地勘的鉆孔直徑一般約為 9cm，而單樁鉆孔直徑比地勘直徑大很多，地勘無法完全反映鉆孔機位的地質(zhì)狀況，鉆孔時會遇到地勘柱狀圖中未勘測到的孤石，孤石也是造成鉆孔塌孔的主要因素之一[1]。

3.1.3 鉆機振動因素

巖石強度過高，鉆孔壓力大會造成施工過程中鉆機震動過大，鉆機長期震動過大會導(dǎo)致內(nèi)護(hù)筒底部巖土被震送，從而內(nèi)護(hù)筒底部發(fā)生穿孔滲漏，滲漏得不到及時封堵后造成塌孔。

3.2 塌孔的現(xiàn)象

鉆孔施工過程中發(fā)生如下狀況，表示極有可能已經(jīng)發(fā)生了塌孔：（1）鉆機排漿量突然減少；（2）內(nèi)護(hù)筒內(nèi)部水位發(fā)生變化，最終和海平面齊平；排渣時出現(xiàn)大量貝殼及海底表層殘渣。

4 塌孔的預(yù)防

預(yù)防鉆孔塌孔主要有以下幾種方法。

4.1 采用合適的鉆孔穩(wěn)樁平臺

與傳統(tǒng)的海上風(fēng)電單樁施工穩(wěn)樁平臺不同，因鉆孔過程中鉆機振動較大，對穩(wěn)樁平臺要求較高，因此，為防止鉆孔過程中塌孔，需采用專用的嵌巖單樁鉆孔穩(wěn)樁平臺。鉆孔穩(wěn)樁平臺是一種可快速將內(nèi)護(hù)筒、整體式平臺及鋼管樁連接成整體的穩(wěn)樁平臺系統(tǒng)。該穩(wěn)樁平臺具有大承載能力特點，具備承載鉆機設(shè)備以及平臺自重（含鋼護(hù)筒共約 1000t）能力，同時還需承受波浪載荷在內(nèi)的海洋環(huán)境力。

穩(wěn)樁平臺主要由一體焊接的中心筒、導(dǎo)向套與鋼桁架組成，6 片主鋼桁架相對中心筒對稱輻射布置，均與主鋼桁架焊接，其遠(yuǎn)端仍用桁架聯(lián)成六方體，使整個穩(wěn)樁平臺成為一個高強度空間結(jié)構(gòu)。主鋼桁架的遠(yuǎn)端均焊接有鋼管樁的導(dǎo)向套，鋼管樁的上段與導(dǎo)向套內(nèi)孔為較精密的間隙配合，下段與導(dǎo)向管的間隙略大,并與導(dǎo)向套間用卡鍵式連接方式連接，卡鍵連接的軸向間隙用螺桿調(diào)節(jié)。

4.2 鉆孔過程中采用泥漿護(hù)壁工藝

泥漿護(hù)壁就是在充滿水和膨潤土等其他外加劑的混合液的情況下，對于地下鉆孔等工程，泥漿對孔壁的靜壓力和泥漿在孔壁上形成的泥皮可以有效地防止孔壁坍塌。

海上風(fēng)電大型嵌巖單樁的施工中，首先是利用安放內(nèi)護(hù)筒來隔斷施工孔和外界的連接，由于護(hù)筒的長度以及地層影響，往往內(nèi)護(hù)筒底部無法安放到弱風(fēng)化層巖層。在鉆孔過程中，由于排渣等因素的影響，護(hù)筒內(nèi)側(cè)水位往往比護(hù)筒外側(cè)水位高，內(nèi)外形成壓力差，再加上鉆進(jìn)過程中鉆頭的轉(zhuǎn)動造成內(nèi)護(hù)筒的震動，在鉆頭鉆進(jìn)超過護(hù)筒底部后存在塌方的風(fēng)險。在鉆進(jìn)過程中添加膨潤土造漿護(hù)壁可以很好地降低塌方的風(fēng)險。

5 塌孔的處理方法

如果鉆孔過程中出現(xiàn)穿孔滲漏情況，可按照以下施工方法進(jìn)行堵漏處理：用測繩沿著內(nèi)護(hù)筒周圍測量泥面高程，查看是否有部分區(qū)域泥面高程出現(xiàn)了較大的變化；或者讓潛水沿著護(hù)筒外側(cè)進(jìn)行探摸以確定最終外側(cè)穿孔范圍，潛水員進(jìn)入護(hù)筒內(nèi)部進(jìn)行探摸來確定內(nèi)部穿孔情況以及護(hù)筒四周巖石情況，根據(jù)潛水員探摸情況制定具體堵漏方針：（1）如果護(hù)筒四周塌方范圍較大而且護(hù)筒底部還未到達(dá)巖石時，使用繼續(xù)錘擊內(nèi)護(hù)筒來封堵漏點。錘擊能量需控制好，防止錘擊造成內(nèi)護(hù)筒卷邊。（2）如果護(hù)筒四周塌方范圍較小而且護(hù)筒底部已經(jīng)有部分達(dá)到巖層，使用臨時封堵外側(cè)灌漿的方法來封堵漏點。外側(cè)灌漿時要充分考慮潛水員臨時封堵的地方沉載力，外側(cè)可以分幾次灌漿。外側(cè)灌漿全部結(jié)束后使用沙袋將灌漿料和泥面接合處壓死，防止繼續(xù)抽縫滲漏。

塌孔堵漏完成后，后由于護(hù)筒外側(cè)潮水變化，內(nèi)護(hù)筒里面需要架設(shè)水泵來控制水位和外側(cè)齊平，減少壓差，以防止臨時堵漏繼續(xù)穿孔，待堵漏全部完成后方可繼續(xù)進(jìn)行鉆孔施工。

6 結(jié)語

本文簡述了海上風(fēng)電大直徑嵌巖單樁鉆孔防塌孔技術(shù)，包括鉆孔塌孔的原因分析、預(yù)防塌孔的方法以及塌孔處理的方法，該鉆孔防塌孔技術(shù)已在福建南日島某海上風(fēng)電場項目得到了廣泛應(yīng)用。實施效果好、效率高、成本低、安全性好。不僅大大提高了海上風(fēng)電大直徑嵌巖單樁的施工效率，也推動了國內(nèi)海上風(fēng)電嵌巖單樁技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用和發(fā)展。