防止植入式嵌巖鋼管樁灌漿上浮的施工工藝研究

吳海兵，朱國(guó)虎，王大鵬，張悅?cè)唬逘N

（1.中交上海港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222042）

0 引言

在覆蓋層薄的地質(zhì)條件下，錨桿式嵌巖樁、植入式嵌巖樁、芯柱式嵌巖樁等樁型得到越來越多的開發(fā)運(yùn)用[1]。福建、廣東、廣西海域覆蓋層較薄的風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架基礎(chǔ)一般采用植入式嵌巖鋼管樁。施工工藝包括[2]：安放嵌巖施工平臺(tái)、打入鋼護(hù)筒至一定深度、鉆嵌巖孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高、嵌巖鋼管樁植入、澆筑鋼管樁底部封底混凝土、澆筑樁內(nèi)混凝土、樁側(cè)壁灌漿至海床面、割除并吊離鋼護(hù)筒。為提高施工工效，降低施工成本，樁內(nèi)混凝土改為陸上預(yù)制。植入式嵌巖鋼管樁側(cè)壁灌漿施工過程中，樁內(nèi)預(yù)制混凝土頂面受泥漿向下的壓力作用，底面受灌漿料向上的壓力作用，底面壓力大于頂面壓力，產(chǎn)生向上的浮力，與灌漿高度成正比，鋼管樁存在上浮風(fēng)險(xiǎn)。

目前海上風(fēng)電基礎(chǔ)植入式嵌巖鋼管樁施工，通常采用分層澆筑或壓重[3]、焊接限位塊、設(shè)置反力梁等方法防止灌漿上浮。分層澆筑法需等待灌漿料初凝，施工效率低；壓重法對(duì)灌漿管線布置造成影響，無法采取應(yīng)急措施處置灌漿堵管、爆管等突發(fā)狀況；限位塊法、反力梁法工序多，水下作業(yè)量大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。本文分析植入式嵌巖鋼管樁灌漿上浮的受力機(jī)理，提出采用底部速凝灌漿施工工藝，在鋼管樁樁底空腔及側(cè)壁底部范圍澆筑添加速凝劑的灌漿料，有效解決灌漿施工過程中鋼管樁的上浮問題。

1 工程概況

風(fēng)電場(chǎng)位于廣東陽西沙扒海域。根據(jù)地質(zhì)資料，覆蓋層厚度10 m 左右，覆蓋層較淺，典型地質(zhì)鉆探孔位巖層厚度統(tǒng)計(jì)表見表1。該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用三樁植入式嵌巖鋼管樁。

表1 典型地質(zhì)鉆探孔位巖層厚度統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of rock layer thickness at typical geological drilling hole locations

1.1 側(cè)壁灌漿施工方案

側(cè)壁灌漿包括巖壁段及鋼護(hù)筒段：巖壁段灌漿范圍自嵌巖孔底至鋼護(hù)筒底，鋼管樁與巖壁間環(huán)形空間厚度160 mm；鋼護(hù)筒段灌漿范圍自鋼護(hù)筒底至泥面，鋼管樁與鋼護(hù)筒環(huán)形空間厚度250 mm。樁內(nèi)預(yù)制混凝土高度根據(jù)各樁位的地質(zhì)情況確定，樁底預(yù)留高30 cm 的空腔，植樁后與樁側(cè)壁一次性連續(xù)灌漿，提高鋼管樁樁端與巖基的整體性[4]。

嵌巖鋼管樁頂高程為-22.00 m，樁底高程為-44.10～-74.40 m，單樁灌漿方量30.98～78.60 m3，水深深、高差大、灌漿方量大。為降低灌漿施工風(fēng)險(xiǎn)，樁身預(yù)制灌漿管線分層布置，巖壁段設(shè)2層、3 套灌漿管線，鋼護(hù)筒段設(shè)1 層、1 套灌漿管線[5]。植入式嵌巖鋼管樁灌漿連接及預(yù)制灌漿管線布置見圖1。

圖1 植入式嵌巖鋼管樁灌漿連接及預(yù)制灌漿管線布置Fig.1 Grouting connection of embedded rock-socketed steel pipe piles and layout of prefabricated grouting pipelines

灌漿施工采用巖壁段第1 層第1 套管線持續(xù)灌漿。出現(xiàn)堵管、泵送壓力激增等現(xiàn)象，立即更換其它灌漿管線。樁身預(yù)制灌漿管線均失效時(shí)，采用插管法進(jìn)行應(yīng)急灌漿，施工風(fēng)險(xiǎn)可控。

1.2 灌漿上浮風(fēng)險(xiǎn)

灌漿料在深水條件下初凝時(shí)間8～10 h。本工程單根植入樁最長(zhǎng)灌漿歷時(shí)約7 h，灌漿完成時(shí)灌漿料處于流動(dòng)狀態(tài)，內(nèi)部同一位置各個(gè)方向的壓強(qiáng)相等。樁底灌漿料對(duì)樁內(nèi)混凝土底面形成垂直向上的壓力P2，遠(yuǎn)大于樁內(nèi)混凝土頂面所受泥漿向下的壓力P1，見圖2。

圖2 鋼管樁垂直方向受力示意圖Fig.2 Schematic diagram of vertical force on steel pipe piles

植入式嵌巖鋼管樁灌漿過程中所受最大浮力Fmax為：

式中：h2為鋼管樁樁底至海床面高度；S2為鋼管樁底面積；h1為鋼管樁內(nèi)預(yù)制混凝土頂面至海床面高度；S1為鋼管樁樁內(nèi)混凝土頂面積；ρ2為灌漿料密度，取2 350 kg/m3；ρ1為嵌巖孔中泥漿密度，取1 050 kg/m3；ɡ 為重力加速度。

根據(jù)阿基米德原理，浸在流體中的物體受到向上浮力，其大小等于該物體所排開的流體重力。關(guān)于“浸”的理解，就是物體在流體以下的外表面全部被流體所包圍。植入式嵌巖鋼管樁灌漿施工過程中所受浮力，由鋼管樁底部流動(dòng)狀態(tài)的灌漿料引起，當(dāng)浮力大于鋼管樁及樁內(nèi)混凝土自重，鋼管樁上浮。

2 防止灌漿上浮的施工工藝

防止嵌巖鋼管樁灌漿過程中上浮，本質(zhì)是改變鋼管樁底部灌漿料的流動(dòng)狀態(tài)。在鋼管樁樁底空腔及側(cè)壁底部范圍澆筑添加速凝劑的灌漿料，較短時(shí)間內(nèi)凝結(jié)，可消除后續(xù)施工灌漿料對(duì)樁底向上的壓力作用。

2.1 速凝劑摻量

圖3 為試驗(yàn)室條件下，添加不同摻量速凝劑的灌漿料流動(dòng)度損失曲線。為保證鋼管樁側(cè)壁灌漿施工的連續(xù)性和可靠性，確保不發(fā)生堵管現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)施工條件下速凝劑的摻量根據(jù)施工環(huán)境溫度、拌合水溫度、海水溫度、灌漿管線總長(zhǎng)度等因素綜合確定[6]。

圖3 速凝劑摻量-拌合料流動(dòng)度損失室內(nèi)試驗(yàn)曲線Fig.3 Indoor experimental curve of quick-setting agent dosage to the loss of fluidity of the mixture

結(jié)合廣東陽西沙扒風(fēng)電場(chǎng)植入式嵌巖鋼管樁側(cè)壁灌漿施工工況，在風(fēng)電場(chǎng)海域高溫季節(jié)、常溫季節(jié)添加不同摻量的速凝劑進(jìn)行灌漿施工工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證灌漿拌合料的流動(dòng)度損失情況。試驗(yàn)分2 次進(jìn)行，第1 次試驗(yàn)時(shí)間為2021 年5 月中旬，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度34.2 ℃，拌合水溫度26.1 ℃，海水平均溫度21.6 ℃，灌漿管線全長(zhǎng)120 m。第2次試驗(yàn)時(shí)間為2021 年10 月下旬，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度26.7 ℃，拌合水溫度23.4 ℃，海水平均溫度22.1 ℃，灌漿管線全長(zhǎng)96 m。速凝劑摻量-拌合料流動(dòng)度損失曲線見圖4。綜合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，陽西沙扒風(fēng)電場(chǎng)海域高溫季節(jié)現(xiàn)場(chǎng)灌漿施工速凝劑摻量選用0.5%，常溫季節(jié)選用0.8%。

圖4 速凝劑摻量-拌合料流動(dòng)度損失現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)曲線Fig.4 Field test curve of quick-setting agent dosage to the loss of fluidity of the mixture

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合不同施工條件添加相應(yīng)摻量的速凝劑進(jìn)行灌漿施工，工藝可行。經(jīng)留取試樣檢測(cè)，28 d 抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 底部速凝灌漿施工工藝

為保證灌漿連接質(zhì)量，采用自下而上的頂升灌漿施工工藝[7]。底部澆筑添加速凝劑的灌漿料后，無法采用原預(yù)制灌漿管線繼續(xù)灌漿，需要更換至上層管線。對(duì)預(yù)制灌漿管線布置進(jìn)行優(yōu)化，將巖壁段第2 層管線出漿口由樁底與鋼護(hù)筒底的中部移至距離樁底4 m 處。灌漿施工工藝各工序如下：

1）采用巖壁段第1 層預(yù)制灌漿管線進(jìn)行樁底空腔及巖壁段下部灌漿，直至灌漿料頂面上升至第2 層預(yù)制灌漿管線出漿口。

2）灌漿料中添加相應(yīng)摻量的速凝劑，采用第1 層預(yù)制灌漿管線繼續(xù)灌漿，直至灌漿料頂面上升至第2 層預(yù)制灌漿管線出漿口上方3 m。此時(shí)巖壁段灌漿總高度7 m，下部添加速凝劑的灌漿料高度3 m，頂面位于第2 層預(yù)制灌漿管線出漿口下方1 m，速凝后不會(huì)造成第2 層預(yù)制灌漿管線堵管。上部未添加速凝劑的灌漿料高度4 m，初凝時(shí)間8～10 h，滿足單根嵌巖鋼管樁側(cè)壁灌漿施工要求。

3）泵送潤(rùn)管料，將灌漿軟管中添加速凝劑的灌漿料全部泵送至上述第1 層預(yù)制灌漿管線。潤(rùn)管料的泵送量由計(jì)算確定，大于灌漿軟管內(nèi)部填充量，確保灌漿軟管不發(fā)生堵管；小于灌漿軟管及巖壁段第1 層預(yù)制灌漿管線內(nèi)部填充量之和，確保潤(rùn)管料不進(jìn)入樁底空腔，不影響樁底添加速凝劑灌漿料的正常凝結(jié)。潤(rùn)管料采用灌漿料配套產(chǎn)品，流動(dòng)度350～360 mm，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于灌漿料。

4）更換灌漿管線，采用巖壁段第2 層預(yù)制灌漿管線進(jìn)行連續(xù)灌漿施工，完成巖壁段剩余部分及鋼護(hù)筒段側(cè)壁灌漿。

3 應(yīng)用效果

選取本工程植入式嵌巖鋼管樁F7 號(hào)-2，采用優(yōu)化的預(yù)制灌漿管線布置方案，底部灌漿料不添加速凝劑，進(jìn)行防止灌漿上浮對(duì)比試驗(yàn)。灌漿最大浮力Fmax比鋼管樁及樁內(nèi)混凝土自重G 大580.52 kN，巖壁段灌漿高度16.44 m，鋼護(hù)筒段灌漿高度14.68 m。

經(jīng)嵌巖鋼管樁F7 號(hào)-2 巖壁段第1 層預(yù)制灌漿管線，灌漿至高度7 m，采用巖壁段第2 層預(yù)制灌漿管線繼續(xù)灌漿。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，灌漿至鋼護(hù)筒底標(biāo)高以上2.44 m、灌漿總高度18.88 m，鋼管樁上浮，上浮高度58 mm，立即停止灌漿。待鋼管樁穩(wěn)定后，采用較低泵送速度進(jìn)行灌漿，控制鋼管樁樁頂高程，保持管線內(nèi)灌漿材料流動(dòng)性。此階段，嵌巖鋼管樁浮力與重力處于平衡臨界狀態(tài)，灌漿泵送壓力及灌漿高度增加導(dǎo)致浮力增大，鋼管樁繼續(xù)上浮；停止灌漿，泵送壓力消失，鋼管樁停止上浮。歷時(shí)4 h 32 min、灌漿8.78 m3，鋼管樁停止上浮。控制上浮階段，平均灌漿速度1.95 m3/h，為正常灌漿速度的21%，灌漿效率低；鋼管樁累計(jì)上浮高度167 mm，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)高。

根據(jù)廣東陽西沙扒風(fēng)電場(chǎng)植入式嵌巖鋼管樁灌漿浮力驗(yàn)算結(jié)果，選取上浮風(fēng)險(xiǎn)較大的嵌巖鋼管樁，采用底部速凝灌漿施工工藝進(jìn)行側(cè)壁灌漿。各嵌巖樁浮力計(jì)算及速凝劑摻量見表2，其中各符號(hào)所代表含義見公式（1）。

表2 各嵌巖樁浮力計(jì)算及速凝劑摻量Table 2 Calculation of buoyancy at each rock-socketed pile and quick-setting agent dosage

灌漿施工過程中，采用了測(cè)深繩尺監(jiān)測(cè)鋼管樁頂高程。經(jīng)過監(jiān)測(cè)及驗(yàn)收，表2 中植入式嵌巖鋼管樁灌漿施工過程中樁頂高程無變化，鋼管樁未上浮。通過現(xiàn)場(chǎng)防止灌漿上浮對(duì)比試驗(yàn)以及廣東陽西沙扒風(fēng)電場(chǎng)工程應(yīng)用，采用了底部速凝灌漿施工工藝，消除了灌漿料對(duì)鋼管樁的浮力，解決了植入式嵌巖鋼管樁的灌漿上浮問題。通過監(jiān)測(cè)鋼管樁側(cè)壁環(huán)形空間灌漿料頂面高程的變化情況，嚴(yán)格控制施工工藝各工序的材料用量，灌漿管線未發(fā)生堵管現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了側(cè)壁巖壁段和鋼護(hù)筒段一次性連續(xù)頂升灌漿施工，提高了施工效率。

4 結(jié)語

1）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及工程應(yīng)用，添加速凝劑進(jìn)行植入式嵌巖鋼管樁底部速凝灌漿施工，工藝可行。速凝劑的摻量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境溫度、拌合水溫度、海水溫度、灌漿管線總長(zhǎng)度等因素綜合確定。

2）通過優(yōu)化預(yù)制灌漿管線，研究開發(fā)底部速凝灌漿施工工藝，在鋼管樁樁底空腔以及巖壁段下部澆筑添加速凝劑的灌漿料，有效防止植入式嵌巖鋼管樁在側(cè)壁灌漿施工過程中上浮。

3）采用底部速凝灌漿施工工藝，解決防止灌漿上浮常規(guī)處置方法如分層澆筑法、壓重法、焊接限位塊法、設(shè)置反力梁法等施工風(fēng)險(xiǎn)高、效率低的問題，實(shí)現(xiàn)植入式嵌巖鋼管樁巖壁段、鋼護(hù)筒段一次性連續(xù)頂升灌漿，確保灌漿施工質(zhì)量，提高施工效率，具有推廣價(jià)值。