復(fù)雜地質(zhì)條件下外海風(fēng)電場(chǎng)高樁承臺(tái)基礎(chǔ)植入式嵌巖樁施工技術(shù)

房超珺 嚴(yán) 昇 房霆宸 姚文娟

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2. 中交三航局工程有限公司 上海 200032；3. 上海超高層建筑智能建造工程技術(shù)研究中心 上海 200080；4. 上海大學(xué) 上海 200444

在外海風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目中，基礎(chǔ)施工普遍選用高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)雖施工技術(shù)成熟、施工資源豐富，易于組織多工作面作業(yè)，但在復(fù)雜地質(zhì)條件下的嵌巖樁施工時(shí)存在施工程序多、施工周期長(zhǎng)、質(zhì)量檢查困難等不利因素[1]，因此要選擇良好的施工工藝和設(shè)備，并采取針對(duì)性措施，保持孔壁穩(wěn)定，預(yù)防卡鉆、埋鉆等異常狀況的出現(xiàn)。

1 工程概況

某外海風(fēng)電場(chǎng)工程45臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)均采用現(xiàn)澆高樁承臺(tái)基礎(chǔ)形式，包含30個(gè)高樁嵌巖基礎(chǔ)、5個(gè)摩擦樁基礎(chǔ)，因存在部分機(jī)位覆蓋層較薄、水深較淺或存在孤石、風(fēng)機(jī)機(jī)型荷載較大等原因，故項(xiàng)目采用若干個(gè)六直樁高樁承臺(tái)及四直四斜高樁承臺(tái)基礎(chǔ)形式的特殊機(jī)位。

2 植入式嵌巖樁施工工藝流程

嵌巖植入樁基礎(chǔ)是通過(guò)輔助護(hù)筒進(jìn)行嵌巖成孔再植入鋼管樁的高樁基礎(chǔ)，針對(duì)覆蓋層較淺、無(wú)法穩(wěn)樁施工的難題，設(shè)計(jì)植入式嵌巖樁基施工方案[2]，采用“氣舉反循環(huán)鉆機(jī)就位→鉆孔→清孔→植入鋼管樁→澆筑封底混凝土→灌漿施工→拔除鋼護(hù)筒→灌注填芯混凝土”的順序進(jìn)行施工作業(yè)。

3 鋼護(hù)筒沉樁

本工程機(jī)位為超淺覆蓋層機(jī)位，根據(jù)計(jì)算，護(hù)筒需進(jìn)入散體狀強(qiáng)風(fēng)化層1 m才能具有足夠的穩(wěn)定性。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，一般振動(dòng)錘不具備令其進(jìn)入散體狀強(qiáng)風(fēng)化層的性能，故選用YC-50液壓錘進(jìn)行護(hù)筒沉樁。鋼護(hù)筒選用Q345B鋼板，厚度28 mm，確保其具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防發(fā)生變形，因護(hù)筒在直樁灌漿后需拔除，所以每個(gè)機(jī)位計(jì)劃投入2個(gè)鋼護(hù)筒，護(hù)筒直徑3.4 m。護(hù)筒沉樁時(shí)，輔以千斤頂控制其垂直度（設(shè)計(jì)說(shuō)明中要求樁頂平面位置允許偏差≤250 mm，軸線傾斜度偏差不宜大于1%）。

鋼護(hù)筒沉樁具體施工方法為：

1）在平臺(tái)上下兩層的孔口間隔90°設(shè)置4個(gè)方向的千斤頂，以便在沉護(hù)筒時(shí)控制垂直度。

2）護(hù)筒通過(guò)起重船起吊到樁位后緩慢落入，當(dāng)護(hù)筒入泥后立即停止下沉，采用2臺(tái)水平尺測(cè)量樁的垂直度，符合要求后，在平臺(tái)底層通過(guò)液壓千斤頂抱緊，再緩慢下沉。

3）未穩(wěn)樁前，每下沉1 m測(cè)量復(fù)核護(hù)筒的垂直度，符合要求后再繼續(xù)下沉至穩(wěn)定，待鋼護(hù)筒自重入土不再下沉?xí)r，套YC-50液壓沖擊錘使用小能量點(diǎn)動(dòng)錘擊，鋼護(hù)筒進(jìn)入散體狀強(qiáng)風(fēng)化層1 m，每根套管均應(yīng)沉樁至相應(yīng)風(fēng)化層頂面[3]，達(dá)到沉樁標(biāo)準(zhǔn)時(shí)停錘復(fù)核護(hù)筒垂直度，滿足設(shè)計(jì)要求后再加固護(hù)筒與平臺(tái)的連接[4]。

4 氣舉反循環(huán)鉆機(jī)嵌巖施工

結(jié)合鉆機(jī)性能及工程實(shí)際情況，本工程采用SPD250全液壓鉆機(jī)氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)成孔工藝，鉆機(jī)特點(diǎn)為：全液壓驅(qū)動(dòng)，大扭矩，大提升力配置，懸掛式動(dòng)力頭；可傾斜式動(dòng)力頭以及機(jī)架；加減壓鉆進(jìn)確保鉆孔成孔速度和孔徑、斜度精度；最大破巖強(qiáng)度200 MPa；鉆機(jī)按設(shè)計(jì)要求制作傾斜固定導(dǎo)向裝置，確保傾斜率，鉆頭以及鉆桿部分每20 m左右安裝導(dǎo)向裝置，確保質(zhì)量；由于需要巖石破碎，且嵌入弱風(fēng)化層，本工程采用“凱式刀盤”布置球齒牙輪鉆頭，采用減壓鉆進(jìn)及雙導(dǎo)向?qū)д?/p>

鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)后在臨時(shí)碼頭實(shí)施安裝調(diào)試，使用吊裝設(shè)備落舶到駁船后運(yùn)送到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，隨后起吊至平臺(tái)，再經(jīng)80 t履帶吊移至樁位。鉆機(jī)就位時(shí)，機(jī)架必須平整、垂直、牢固，保證在作業(yè)過(guò)程中不發(fā)生側(cè)傾、偏移。鉆桿安裝時(shí)，確保鉆桿和機(jī)架的傾斜度與鋼管樁斜度（5∶1）一致，調(diào)整鉆機(jī)基座，居中后即滿足開(kāi)鉆實(shí)施要求。鉆機(jī)就位后驗(yàn)收就位情況，驗(yàn)收合格后固定鉆機(jī)基座、實(shí)施限位，確保鉆入作業(yè)不產(chǎn)生偏移，并多次檢查核實(shí)傾斜度，確保鉆孔傾斜度偏差值控制在1%以內(nèi)。開(kāi)孔鉆進(jìn)時(shí)要減壓低速鉆進(jìn)，保證開(kāi)孔傾斜角度滿足設(shè)計(jì)要求。

5 鋼管樁植樁施工

嵌巖樁孔清孔完畢后，運(yùn)樁駁船將鋼管樁運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)就位，起重船起吊鋼管樁植入樁孔中（圖1）。鋼管樁下放過(guò)程中時(shí)刻保持管樁在樁孔的中心，并緩慢下放，保證不刮到孔壁，以避免坍孔導(dǎo)致護(hù)筒溜樁。鋼管樁下放到底時(shí)，復(fù)核孔口坐標(biāo)及平整度，保證植入的鋼管垂直度及樁底已達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。植樁完成后，馬上安裝混凝土灌注裝置。

圖1 鋼管植樁示意

6 水下封底混凝土灌注

6.1 導(dǎo)管水密閉性試驗(yàn)

1）所有導(dǎo)管制作應(yīng)力求牢固，內(nèi)壁應(yīng)平整、光潔和無(wú)凹陷不平。各節(jié)導(dǎo)管內(nèi)徑數(shù)值應(yīng)保持一致，偏差控制在±2 mm內(nèi)。

2）導(dǎo)管在使用前和使用一定期限內(nèi)，除應(yīng)對(duì)其整體外部構(gòu)造和拼接構(gòu)造進(jìn)行核驗(yàn)檢查外，還需做拼接試驗(yàn)及水密性試驗(yàn)。

3）先將導(dǎo)管頂端及尾端用密閉扣件連接。導(dǎo)管可先行在鉆孔周圍分段拼裝，再在吊放作業(yè)時(shí)逐段拼裝。分段拼裝時(shí)仔細(xì)篩查，因受力產(chǎn)生變形和磨損嚴(yán)重的不得使用。

4）將拼裝完畢的導(dǎo)管先注入70%的水，兩頭密閉，一端焊輸風(fēng)管接頭，輸入預(yù)先計(jì)算的風(fēng)壓力，導(dǎo)管在滾動(dòng)若干次后，15 min不發(fā)生漏水現(xiàn)象即為合格。

6.2 安放導(dǎo)管及二次清孔

鋼管樁植樁完成后，馬上安裝混凝土灌注導(dǎo)管。灌注封底水下混凝土采用內(nèi)直徑為26 cm（或30 cm）的螺栓卡式（便于拆裝管）導(dǎo)管（每節(jié)長(zhǎng)度一般為2.65 m，另配有1 m和0.5 m節(jié)段）；導(dǎo)管在使用前和使用過(guò)程中應(yīng)對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢查（規(guī)格、拼接、過(guò)球、水壓等）；導(dǎo)管連接時(shí)，中間夾有密封圈，連接盤必須上緊，防止漏氣；吊放時(shí)，應(yīng)使位置居中、軸線順直、穩(wěn)步沉放；導(dǎo)管安裝完畢后進(jìn)行第二次清孔，直至泥漿指標(biāo)和沉渣滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，即裝上漏斗和球塞。

6.3 封底水下混凝土灌注

直樁封底擴(kuò)孔段混凝土厚度1.0 m，直徑2.1 m，C40混凝土3.5 m3。為保證混凝土的流動(dòng)性，采用C40水下不分散混凝土，從而確保施工需求（水下不分散混凝土為普通混凝土摻加TW-NA復(fù)合型水下不分散混凝土外加劑拌和而成）。封底混凝土采用攪拌船直接泵送入斗。

7 孔壁灌漿施工

本工程植入式嵌巖樁樁體外壁與巖土之間須進(jìn)行回填灌漿施工。植入式嵌巖樁的灌漿對(duì)灌漿高度要求比較高，水下灌漿施工難度較大，對(duì)材料水下灌注的抗水分散性、可泵性、流動(dòng)性和可工作時(shí)間等提出極其苛刻的要求[5]。對(duì)灌漿設(shè)備的工效、穩(wěn)定性和船機(jī)配合也提出較高的要求，鋼管樁與嵌巖段的永久固結(jié)，對(duì)樁的水平承載能力起決定性作用，因此灌漿連接在本工程中是最為重要的施工環(huán)節(jié)之一，直接影響基礎(chǔ)穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全。

因平臺(tái)空間有限，且為了便于多個(gè)灌漿施工作業(yè)面的前后銜接，在多功能駁船上擺放相應(yīng)的灌漿設(shè)備、灌漿材料。灌漿時(shí)，多功能駁船靠近平臺(tái)施工，通過(guò)注漿管泵送灌漿料至嵌巖平臺(tái)上，通過(guò)樁內(nèi)注漿管完成注漿。

灌漿料堆放完成后，在灌漿料表面覆蓋重載油布。多功能駁船上需要配置小型履帶吊，且至少需要覆蓋灌漿平臺(tái)及灌漿料堆放區(qū)域，灌漿時(shí)需要將灌漿料躉包袋吊至平臺(tái)頂標(biāo)高的灌漿平臺(tái)上，協(xié)助灌漿施工的進(jìn)行。根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，預(yù)制灌漿口應(yīng)設(shè)置2個(gè)，一個(gè)為主灌漿口，另一個(gè)為備用灌漿口，主灌漿口設(shè)置在灌漿段的下端，備用灌漿口設(shè)置在灌漿連接段的中部位置。溢漿口設(shè)置在嵌巖段灌漿連接段頂標(biāo)高位置。2個(gè)灌漿口分別由2根預(yù)制灌漿管線連接并引出至水面以上。灌漿施工作業(yè)的灌漿設(shè)備放在坐底3 000 t運(yùn)輸駁船上，漿料通過(guò)延伸至平臺(tái)的灌漿管供應(yīng)至穩(wěn)樁平臺(tái)上，完成植入預(yù)制鋼樁、灌注封底混凝土后，進(jìn)行樁外壁和巖土間回填灌漿。封底混凝土硬化后從設(shè)計(jì)樁底灌漿至護(hù)筒底下500 mm，二次注漿為從護(hù)筒底至沖刷海床面標(biāo)高（圖2）。

圖2 灌漿部位示意

8 拔除護(hù)筒

單根植入樁灌漿完成后，立即采用YZ-400液壓振動(dòng)錘配合坐底甲板駁船上的1 250 t履帶吊將護(hù)筒拔除。樁體拔除時(shí)，采取使樁身振搗1～2 min的手段，待周邊土層土壤液化后，再進(jìn)行提升振動(dòng)錘拔除樁身，拔樁力成比例逐漸提升，謹(jǐn)防突然增加。拔樁的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)需經(jīng)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)試拔樁確認(rèn)、調(diào)整。

9 嵌巖鋼平臺(tái)拆除

1）平臺(tái)拆除。平臺(tái)重350 t（不含輔助樁），采用600 t起重船拎著平臺(tái)，將平臺(tái)與輔助樁加勁板割除，起吊平臺(tái)至運(yùn)輸駁船上（圖3）。

圖3 平臺(tái)拆除示意

2）輔助樁拔除。平臺(tái)吊至運(yùn)輸駁船后，采用振動(dòng)錘配合600 t起重船將輔助樁逐根拔除（圖4）。

圖4 輔助樁拔除示意

拔樁時(shí)，由于樁身已在土層中有一定的時(shí)間，必須讓樁身振動(dòng)1～2 min，使周圍土壤液化后，再開(kāi)始提升振動(dòng)錘拔樁，拔樁力必須逐漸增加，防止突然增加。拔樁的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)需經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試拔樁確認(rèn)、調(diào)整。

10 結(jié)語(yǔ)

植入式嵌巖樁關(guān)鍵技術(shù)在該工程中的成功應(yīng)用，使得外海風(fēng)電場(chǎng)高樁承臺(tái)基礎(chǔ)施工達(dá)到以下預(yù)期的效果。

1）解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下覆蓋層較淺、無(wú)法穩(wěn)樁施工的難題。

2）從氣舉反循環(huán)鉆機(jī)就位、鉆孔、清孔、植入鋼管樁、澆筑封底混凝土、灌漿施工、拔除鋼護(hù)筒，到灌注填芯混凝土，在惡劣的水文地質(zhì)環(huán)境下，確保了各施工環(huán)節(jié)質(zhì)量受控。