海上風電嵌巖單樁鉆孔防塌孔技術研究

梅衛東

（江蘇龍源振華海洋工程有限公司，江蘇 南通 226000）

1 引言

海上風電是我國可再生新能源的主要組成部分，是國家實施環境保護、能源替代的重要支撐，現已進入大規?；l展階段。目前，我國在建約 6×106kW，2020年實際開工規模超過1.5×107kW。目前，已應用于海上風電機組的基礎形式主要有單樁基礎、重力式基礎、導管架式基礎、高樁承臺基礎、負壓筒式基礎等。其中，以單樁基礎在國內外海上風電場工程應用最為廣泛。

2 鉆孔施工難點

海上風機嵌巖單樁基礎直徑一般超過 6m，樁重超過500t，鉆孔深度超過 30m，目前已經廣泛應用的施工工藝為單樁“種植”工藝，即首先在施工機位搭設鉆孔穩樁平臺，然后在穩樁平臺中心安裝內護筒，從而搭建一個穩定的大直徑鉆孔平臺，然后將鉆機安裝至內護筒頂部進行鉆孔，鉆出一個比單樁直徑略大的孔，最后將單樁放入已經鉆好的孔內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，地質條件復雜，巖石強度大等各種原因，鉆孔過程中經常出現塌孔等現象，嚴重影響了施工效率。以福建南日島某風場為例進行統計分析，在該風場已經完成的前30根嵌巖單樁基礎中，影響施工進度的因素大致分為塌孔、內護筒卷邊、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

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

3.1.1 內護筒深度不足

巖基海床一般是深度越深土層強度越高，內護筒打入深度其本體越穩定。內護筒入泥深度不足往往會導致鉆孔過程中內護筒底部處于不穩定狀態，底部的土層發生松動進而發生塌孔。

3.1.2 地勘未顯示孤石

巖石在風化應力的作用下，其結構、成分和性質已產生不同程度的變異，根據風化程度的不同劃分為全、強、中、弱4類。殘積土、全風化里面的弱風化、微風化定名為孤石。

海上風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致內護筒底部巖土被震送，從而內護筒底部發生穿孔滲漏，滲漏得不到及時封堵后造成塌孔。

3.2 塌孔的現象

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

4 塌孔的預防

預防鉆孔塌孔主要有以下幾種方法。

4.1 采用合適的鉆孔穩樁平臺

與傳統的海上風電單樁施工穩樁平臺不同，因鉆孔過程中鉆機振動較大，對穩樁平臺要求較高，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樁平臺。鉆孔穩樁平臺是一種可快速將內護筒、整體式平臺及鋼管樁連接成整體的穩樁平臺系統。該穩樁平臺具有大承載能力特點，具備承載鉆機設備以及平臺自重（含鋼護筒共約 1000t）能力，同時還需承受波浪載荷在內的海洋環境力。

穩樁平臺主要由一體焊接的中心筒、導向套與鋼桁架組成，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，其遠端仍用桁架聯成六方體，使整個穩樁平臺成為一個高強度空間結構。主鋼桁架的遠端均焊接有鋼管樁的導向套，鋼管樁的上段與導向套內孔為較精密的間隙配合，下段與導向管的間隙略大,并與導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節。

4.2 鉆孔過程中采用泥漿護壁工藝

泥漿護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。

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

5 塌孔的處理方法

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

塌孔堵漏完成后，后由于護筒外側潮水變化，內護筒里面需要架設水泵來控制水位和外側齊平，減少壓差，以防止臨時堵漏繼續穿孔，待堵漏全部完成后方可繼續進行鉆孔施工。

6 結語

本文簡述了海上風電大直徑嵌巖單樁鉆孔防塌孔技術，包括鉆孔塌孔的原因分析、預防塌孔的方法以及塌孔處理的方法，該鉆孔防塌孔技術已在福建南日島某海上風電場項目得到了廣泛應用。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電大直徑嵌巖單樁的施工效率，也推動了國內海上風電嵌巖單樁技術的大規模應用和發展。