海上風(fēng)電植入式單樁施工穩(wěn)樁系統(tǒng)研究

文 | 曹淑剛，遲巖，韓毅平，張晗

福建等東南海域風(fēng)能資源豐富，是海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)的“天府之地”。然而該海域海底巖基埋藏較淺，且多為硬度較高的花崗巖，抗壓強(qiáng)度可達(dá)130MPa，對(duì)于海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)很難直接打入。鑒于此，該海域的海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)步伐一直比較緩慢。為解決巖基海床海上風(fēng)電施工的技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)以龍?jiān)凑袢A為代表的多家單位不斷研究世界范圍內(nèi)類似地質(zhì)條件下海上風(fēng)電、跨海大橋的施工工藝，針對(duì)基巖基本裸露、不足以沉樁穩(wěn)定的地質(zhì)條件，提出了“成孔—植樁—灌漿”的植入式嵌巖單樁理念，使得巖基海床大直徑單樁的應(yīng)用成為可能。

隨著海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的增大，目前單樁基礎(chǔ)直徑已達(dá)到5～7m，若在巖基海床采用植入式單樁，大直徑成孔是一項(xiàng)關(guān)鍵工藝。一般來(lái)說(shuō)，成孔可采用爆破法和鉆孔法，由于爆破法對(duì)海洋環(huán)境污染較大，目前大多采用鉆孔工藝。該工藝必須配備大功率鉆機(jī)及可靠的穩(wěn)樁系統(tǒng)，其中穩(wěn)樁系統(tǒng)在支撐嵌巖鉆機(jī)鉆孔、穩(wěn)定單樁基礎(chǔ)方面扮演重要角色。然而，傳統(tǒng)港口、大橋施工中采用的穩(wěn)樁方案適用樁徑較小、施工成本較高，且存在易失穩(wěn)、易管涌的風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法直接應(yīng)用于海上風(fēng)電行業(yè)，目前海上風(fēng)電大直徑樁基在巖基地質(zhì)條件下施工的穩(wěn)樁系統(tǒng)還處于研究之中。本文從我國(guó)海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)實(shí)際出發(fā)，對(duì)植入式嵌巖單樁穩(wěn)樁系統(tǒng)進(jìn)行研究，創(chuàng)新提出支腿船式、套箱式、人造基床式、導(dǎo)管架式穩(wěn)樁方案，對(duì)比分析不同方案的特點(diǎn)和對(duì)海上風(fēng)電施工的適應(yīng)性，并以某工程中實(shí)際環(huán)境條件為例，介紹了導(dǎo)管架式穩(wěn)樁系統(tǒng)的具體應(yīng)用。

穩(wěn)樁方案

一、支腿船式穩(wěn)樁方案

如圖1所示，為支腿船式穩(wěn)樁方案示意圖，在支腿船一側(cè)伸出一個(gè)桁架結(jié)構(gòu)用來(lái)保證護(hù)筒穩(wěn)定，并在護(hù)筒上架設(shè)鉆機(jī)用來(lái)鉆孔。該方案對(duì)支腿船的穩(wěn)定性要求較高，且穩(wěn)樁桁架為懸臂結(jié)構(gòu)，采用該方案時(shí)需校核其力學(xué)性能。此外，護(hù)筒需進(jìn)入泥面以下一定深度，以抵抗浪流作用力，以及防止海床沖刷導(dǎo)致的護(hù)筒底穿等現(xiàn)象的發(fā)生。目前國(guó)外大多采用該種穩(wěn)樁措施，而國(guó)內(nèi)由于抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好的支腿船較為缺乏，且需要進(jìn)行安裝桁架穩(wěn)樁結(jié)構(gòu)的改造，故該方案目前在國(guó)內(nèi)未被采用。

二、套箱式穩(wěn)樁方案

套箱穩(wěn)樁方案一般是在海底沉放鋼套箱或鋼筋混凝土套箱形成圍堰，之后在套箱內(nèi)注砂。為防止注砂漏失，需在套箱下部?jī)?nèi)外一周鋪設(shè)土工織物，吊放套箱后投放砂袋或袋裝混凝土，將土工布?jí)簩?shí)，或者可采用振動(dòng)錘將鋼制套箱振入泥面下一定深度，注砂完成后利用振動(dòng)錘將內(nèi)護(hù)筒振入，如果護(hù)筒沉入時(shí)貫入度較大，則應(yīng)對(duì)套箱內(nèi)填砂進(jìn)行壓密處理以保證穩(wěn)樁效果。為保證后續(xù)鉆孔的垂直度，液壓振動(dòng)錘可邊振邊調(diào)內(nèi)護(hù)筒的垂直度，保證實(shí)際垂直度控制在1‰以內(nèi)。內(nèi)護(hù)筒沉樁完成后，在套箱頂層鋪放袋裝混凝土封固套箱內(nèi)的砂，以保證后續(xù)鉆孔振動(dòng)過(guò)程中填砂不會(huì)流失。當(dāng)巖基完全裸露時(shí)，該法也可與沖孔埋置法聯(lián)合應(yīng)用，即先使用沖錘沖出一個(gè)直徑比內(nèi)護(hù)筒略大的坑，然后放置內(nèi)護(hù)筒，在內(nèi)護(hù)筒周圍填砂，之后在外面套入套箱，再在套箱內(nèi)填砂，該方法中套箱的作用是增加了填砂高度，進(jìn)一步確保了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 支腿船式穩(wěn)樁方案

圖2為鋼套箱式穩(wěn)樁方案施工示意圖，在該工藝中鉆機(jī)需架設(shè)在內(nèi)護(hù)筒上進(jìn)行鉆孔，作業(yè)過(guò)程中鋼套箱和內(nèi)護(hù)筒除了遭受浪流荷載外，還會(huì)受到鉆機(jī)鉆孔過(guò)程中的振動(dòng)荷載、扭矩等作用，因此，施工前需對(duì)套箱的抗傾、抗滑穩(wěn)定性，內(nèi)護(hù)筒樁基承載力、內(nèi)護(hù)筒穩(wěn)定性等進(jìn)行計(jì)算分析，并根據(jù)分析結(jié)果確定套箱內(nèi)填砂所需高度，計(jì)算方法可參考《港口工程嵌巖樁設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》。

套箱穩(wěn)樁方案雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，套箱制造工藝成熟，但填砂和水下潛水工程量較大，且需大型浮吊安裝套箱，該工藝在國(guó)內(nèi)的內(nèi)河或淺海橋梁工程、港口碼頭工程中應(yīng)用較多，在海上風(fēng)電領(lǐng)域有待實(shí)踐檢驗(yàn)。

三、人造基床方案

人造基床是指在嵌巖樁區(qū)域一定范圍內(nèi)拋鋪一定厚度的砂層（砂袋）和袋裝碎石層，形成人工覆蓋層來(lái)滿足施工期的穩(wěn)樁要求。人造基床要求具有較好的穩(wěn)定性和抗沖刷能力，在護(hù)筒打入時(shí)及后續(xù)嵌巖鉆孔過(guò)程中不會(huì)由于浪流作用和振動(dòng)作用發(fā)生失穩(wěn)、滑移等現(xiàn)象，同時(shí)人造基床設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮沉降、砂層流失的影響。通常人造基床采用3層結(jié)構(gòu)，基床的邊坡以1/2～1/3為宜，底層采用袋裝碎石粘土，可有效保護(hù)天然泥面，減少對(duì)原有覆蓋層的沖刷；中間層采用袋裝中粗砂；頂層為護(hù)面袋裝碎石，以防止中間層砂體的流失。在護(hù)筒沉入后，為減少砂和碎石流失，應(yīng)及時(shí)在護(hù)筒四周拋袋裝砼圍護(hù)。

圖3為人造基床穩(wěn)樁方案示意圖，該方案在港口碼頭工程中應(yīng)用廣泛，曾應(yīng)用于上海洋山深水港、浙江馬跡山中轉(zhuǎn)港等多個(gè)工程項(xiàng)目中。在海上風(fēng)電領(lǐng)域該方案可有效應(yīng)用于巖基裸露、完全無(wú)覆蓋層機(jī)位的嵌巖施工，但海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)與港口碼頭中的樁基相比樁徑更大，若采用該種方案工程量將較大。

四、導(dǎo)管架式穩(wěn)樁方案

導(dǎo)管架式穩(wěn)樁方案采用鋼管或箱梁焊接成簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)，通常為4樁或6樁結(jié)構(gòu)，通過(guò)將樁基打入海床一定的深度來(lái)保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而保證平臺(tái)內(nèi)護(hù)筒的穩(wěn)定性。圖4為某項(xiàng)目中海上風(fēng)電植入式單樁基礎(chǔ)施工所用穩(wěn)樁系統(tǒng)示意圖。在該方案中，穩(wěn)樁系統(tǒng)由鋼架、樁基（小樁）、中心筒組成，鋼架與樁基之間通過(guò)卡鍵聯(lián)接，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)水平度調(diào)整及平臺(tái)頂高程調(diào)整的目的。鋼架中間有一護(hù)筒與鋼架整體焊接在一起，護(hù)筒內(nèi)放置中心筒，護(hù)筒和中心筒中間通過(guò)液壓千斤頂裝置聯(lián)接，以調(diào)整中心筒的垂直度。施工時(shí)需根據(jù)具體機(jī)位地形起伏情況先將導(dǎo)管架與周圍固定小樁基進(jìn)行預(yù)組裝，然后整體吊入海水中，通過(guò)振動(dòng)錘將固定小樁打入泥面一定深度，調(diào)平后將卡鍵鎖死，之后將中心筒吊入護(hù)筒中，并通過(guò)打樁錘打入泥面一定深度，完成后在平臺(tái)上口通過(guò)螺栓將中心筒與平臺(tái)固定，形成一個(gè)整體，之后便可在上面架設(shè)鉆機(jī)進(jìn)行嵌巖鉆孔作業(yè)。

圖2 鋼套箱穩(wěn)樁與鉆孔施工

圖3 人造基床穩(wěn)樁方案

圖4 導(dǎo)管架式穩(wěn)樁方案

導(dǎo)管架式穩(wěn)樁結(jié)構(gòu)具有安裝方便（可整體式吊裝）、承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、適用水深大、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，是海上風(fēng)電領(lǐng)域作為輔助平臺(tái)的首選方案，在國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電施工用支腿船缺乏的情況下，中交三航局曾利用四樁導(dǎo)管架式穩(wěn)樁方案來(lái)控制單樁打樁的垂直度，國(guó)內(nèi)首臺(tái)成功實(shí)施的海上風(fēng)電植入式單樁工程——福建南日風(fēng)電項(xiàng)目也是采用導(dǎo)管架式方案作為嵌巖鉆孔的穩(wěn)樁平臺(tái)。

導(dǎo)管架式穩(wěn)樁平臺(tái)應(yīng)用分析

一、工程概況及穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)

以某海上風(fēng)電項(xiàng)目植入式單樁工程為例。該工程中海底覆蓋層較淺，樁基無(wú)法直接打入，只能采用重力式基礎(chǔ)或植入式樁基的方案。考慮到重力式基礎(chǔ)工期較長(zhǎng)、成本較高，故最終采用植入式單樁的方案。場(chǎng)區(qū)地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

該工程采用6樁導(dǎo)管架式平臺(tái)作為穩(wěn)樁嵌巖鉆孔平臺(tái)，如圖5所示。穩(wěn)樁平臺(tái)由一體焊接的護(hù)筒、導(dǎo)向套與鋼架組成，6片主鋼架相對(duì)中心筒呈對(duì)稱輻射布置，均與主鋼架焊接，其遠(yuǎn)端仍用鋼架聯(lián)成六方體，使整個(gè)穩(wěn)樁平臺(tái)成為一個(gè)大強(qiáng)度空間結(jié)構(gòu)。主鋼架的遠(yuǎn)端焊接有6個(gè)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，下端與導(dǎo)向管的間隙略大，并與導(dǎo)向套間用卡鍵式方式聯(lián)接，卡鍵聯(lián)接的軸向間隙用螺桿（釘）調(diào)節(jié)。該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)快速安裝，承載能力大，具備承載鉆機(jī)荷載和海洋環(huán)境荷載的能力。承載時(shí)以平臺(tái)承載為主、中心筒承載為輔，不僅適用于厚軟地層，在薄軟地層（2～3m）中也可保持較好的穩(wěn)定性。穩(wěn)樁平臺(tái)的具體參數(shù)如表2所示，施工時(shí)所用鉆機(jī)的鉆頭重量為330t，主機(jī)重量340t，鉆桿約130t，額定扭矩1000kN·m。

圖5 穩(wěn)樁平臺(tái)

表1 土壤地質(zhì)參數(shù)

表2 穩(wěn)樁平臺(tái)參數(shù)

二、中心護(hù)筒埋置深度

植入式單樁鉆孔時(shí)，中心護(hù)筒內(nèi)泥漿液需保證一定的水頭高度。為防止局部滲透、護(hù)筒底穿、管涌等現(xiàn)象的發(fā)生，中心護(hù)筒埋入土中的深度一般要求在密實(shí)土中最少3m以上，并應(yīng)考慮沖刷的影響。在施工期埋入局部沖刷線以下至少1m，必要時(shí)護(hù)筒周圍應(yīng)適當(dāng)圍護(hù)，如遇淤泥層、軟土層，則護(hù)筒應(yīng)穿過(guò)該層土。施工前可根據(jù)《公路施工手冊(cè)·橋涵》中的計(jì)算方法按公式（1）估算護(hù)筒入土最小深度，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6所示。

式中，L為護(hù)筒最小埋置深度，m；H為施工水位至海床表面的深度，m；h為護(hù)筒內(nèi)水頭，即護(hù)筒內(nèi)水位與施工水位之差，m；γ漿為護(hù)筒內(nèi)泥漿容重，kN/m3；γw為海水的容重，kN/m3；γsat為護(hù)筒外海床土的飽和容重，kN/m3。

當(dāng)只有一層土?xí)r可按式（2）計(jì)算，當(dāng)存在多層土?xí)r，應(yīng)取所有土層的加權(quán)平均值，如式（3）所示。

式中，Gs為土粒比重（土粒的相對(duì)密度），當(dāng)缺乏地勘參數(shù)時(shí)，砂土可取平均值2.65，粘性土可取2.70；e為飽和土的孔隙比，一般砂土為0.33～1.0，粘性土為0.17～0.43，軟土為1.0～2.3。

當(dāng)護(hù)筒穿過(guò)幾種不同的土層時(shí)，γsat應(yīng)取各層土的加權(quán)平均值，即：

式中，γsati為第i層土的飽和容重，kN/m3；li為第i層土的厚度，m。

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，該工程中上部覆蓋層為①淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚度4m，土粒比重Gs＝2.74，孔隙比e＝1.42；②散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，厚度3.2m，土粒比重Gs＝2.7，孔隙比e＝0.566。由此計(jì)算γsat1為17.19，γsat2為20.86。

將γsat1、γsat2代入式（3）得γsat＝ 18.82kN/m3。

鉆孔施工時(shí)水面距海床高度H＝12.76m，水頭高度h約為1.5m，護(hù)筒內(nèi)泥漿容重為11.50kN/m3，海水的容重取為10kN/m3，將以上數(shù)值代入式（1）得L為5m。

為防止護(hù)筒底穿、滲透等現(xiàn)象的發(fā)生，該機(jī)位處護(hù)筒入土深度應(yīng)大于5m，工程實(shí)際中除了考慮水頭作用下土體的穩(wěn)定性外，還要考慮平臺(tái)整體在浪流及鉆機(jī)荷載作用下的穩(wěn)定性以及地基的承載力。

三、結(jié)構(gòu)分析

平臺(tái)作業(yè)時(shí)會(huì)遭受鉆機(jī)以及海洋環(huán)境的荷載作用，為保證結(jié)構(gòu)的可靠性，施工前需對(duì)穩(wěn)樁系統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、樁基承載力等進(jìn)行校核分析。分析時(shí)應(yīng)考慮鉆孔作業(yè)、風(fēng)暴自存、安裝拆除等工況，下面以鉆孔作業(yè)時(shí)的工況為例對(duì)該平臺(tái)的安全性進(jìn)行校核分析。

鉆孔工作工況下計(jì)算校核采用5年一遇環(huán)境條件，工程場(chǎng)區(qū)平均水位為0.225m（85高程），不同水位下對(duì)應(yīng)波高、周期如表3所示，表層流速1.2m/s，5年一遇風(fēng)速為26.24m/s。

圖6 中心護(hù)筒埋置深度計(jì)算示意圖

表3 波浪水文要素（5年一遇）

穩(wěn)樁平臺(tái)系統(tǒng)所受的風(fēng)荷載可按下式計(jì)算：

式中，K為受風(fēng)構(gòu)件形狀系數(shù)，可參考《API RP 2A-WSD—2014 海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法（工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法）》（以下簡(jiǎn)稱“API RP 2A”）相關(guān)規(guī)定；Kz為高度系數(shù)，海平面以上0～15.3m范圍內(nèi)可取1.0；P0為基本風(fēng)壓，P0＝0.613v2，v為海平面以上10m高度處風(fēng)速。

穩(wěn)樁系統(tǒng)所受的波浪、海流載荷可采用Morison公式計(jì)算，當(dāng)流與波浪疊加時(shí)，在計(jì)算荷載前應(yīng)首先計(jì)算出流速與波浪的水質(zhì)點(diǎn)速度的矢量和，單位長(zhǎng)度上結(jié)構(gòu)所受的浪流荷載為：

式中，F(xiàn)D為單位長(zhǎng)度的拖曳力，kN/m；FI為單位長(zhǎng)度的慣性力，kN/m；ρw為海水密度，kg/m3；D為桿件橫流向的投影寬度，m；CD為拖曳力系數(shù)；u為浪流疊加作用下水質(zhì)點(diǎn)速度在垂直于桿件軸線方向的分量，m/s。CM為基于單位長(zhǎng)度的排水質(zhì)量的慣性力系數(shù)；.u為浪流疊加作用下水質(zhì)點(diǎn)加速度在垂直于桿件軸線方向的分量，m/s2。

計(jì)算分析采用有限元軟件SACS完成，計(jì)算所用波浪理論選用流函數(shù)理論，樁土相互作用考慮土壤非線性，由PSI分析模塊進(jìn)行處理。為保證穩(wěn)樁系統(tǒng)穩(wěn)定性，固定樁和中心護(hù)筒應(yīng)盡量打入覆蓋層中，本工程中按照固定樁和中心護(hù)筒打入泥面下7m來(lái)進(jìn)行校核。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，得出強(qiáng)度分析UC值分布如圖7所示，最大UC值為0.15，發(fā)生在穩(wěn)樁平臺(tái)底層水平桿件上，中心護(hù)筒位移和轉(zhuǎn)角計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度值、位移、轉(zhuǎn)角都較小，能夠滿足安全性和鉆孔功能性要求。為校核穩(wěn)樁系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)樁基承載力進(jìn)行計(jì)算分析。中心護(hù)筒及樁基承載力按照式（6）計(jì)算：

式中，Qf為樁（中心護(hù)筒）側(cè)摩阻力，kN；Qp為樁（中心護(hù)筒）端阻力，kN；f為單位樁長(zhǎng)（中心護(hù)筒）側(cè)摩阻力，kPa；As為樁（中心護(hù)筒）側(cè)表面積，m2；qu為單位樁端承載力，kPa；Ap為樁（中心護(hù)筒）端總面積，m2；

對(duì)于打入到粘土層中的鋼樁：

圖7 強(qiáng)度分析UC值分布圖

表4 中心護(hù)筒位移計(jì)算結(jié)果

表5 樁基承載力計(jì)算結(jié)果

式中，α為粘著系數(shù)，可參考API RP 2A規(guī)范；c為相應(yīng)點(diǎn)土壤不排水抗剪強(qiáng)度。

對(duì)于打入到砂性土層中的鋼樁：

式中，K為地層側(cè)壓力系數(shù)，對(duì)軸向壓縮荷載K＝0.5～1.0；P0為計(jì)算點(diǎn)的有效上覆土壓力，kPa；δ為樁與土之間的摩擦角，一般取δ＝φ－5，φ為土的內(nèi)摩擦角；Nq為承載力系數(shù)，可參考API RP規(guī)范。

基于以上方法，當(dāng)固定樁及中心護(hù)筒入泥7m時(shí)，計(jì)算得到兩者的土壤抗壓承載力、抗拔承載力，并通過(guò)有限元軟件對(duì)鉆孔時(shí)不同水位下的工況進(jìn)行分析，得到固定樁受到的最大軸向壓力和最大軸向拉力，如表5所示。通過(guò)比較分析可知，此時(shí)對(duì)于固定樁土壤抗壓承載力安全系數(shù)為1.51，抗拔承載力安全系數(shù)為1.15；對(duì)于中心護(hù)筒鉆孔工作時(shí)只受到軸向壓力，土壤承載力安全系數(shù)為1.51。考慮到該穩(wěn)樁系統(tǒng)僅作為海上風(fēng)電植入式單樁基礎(chǔ)鉆孔施工時(shí)的臨時(shí)結(jié)構(gòu)物，施工時(shí)需選擇海況較好的天氣，在此條件下本文認(rèn)為承載力安全系數(shù)大于1即符合安全要求，故該穩(wěn)樁系統(tǒng)樁基承載力能夠滿足施工時(shí)要求。

攝影：蘇雷

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)海上風(fēng)電植入式單樁施工嵌巖穩(wěn)樁系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析，借鑒跨海大橋、港口碼頭嵌巖樁施工經(jīng)驗(yàn)，提出并分析了大直徑單樁嵌巖穩(wěn)樁的不同方案，并以具體工程為例，針對(duì)導(dǎo)管架式穩(wěn)樁系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算分析。分析可知該平臺(tái)能夠滿足該工程鉆孔作業(yè)的要求，實(shí)際工程中穩(wěn)樁平臺(tái)系統(tǒng)除了滿足正常作業(yè)安全性外還須校核安裝拆除工況、極限自存工況的安全性，并針對(duì)具體的工程特點(diǎn)制定相應(yīng)的應(yīng)急撤離方案，考慮到嵌巖鉆孔時(shí)間較長(zhǎng)，必要時(shí)還需對(duì)平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部分析和疲勞分析。該研究方法可為后續(xù)嵌巖施工穩(wěn)樁系統(tǒng)的選擇、校核評(píng)估提供參考，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)巖基海床海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)具有重要意義。