海上风电大直径单桩嵌岩施工的溜桩分析及对策

张曦，谢锦波，时蓓玲，王喆，王孝健

（中交第三航务工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

近年海上风电工程在国内沿海得到大规模建设，因受盐雾腐蚀、波浪荷载、水流荷载及台风荷载等诸多制约因素影响，施工技术远比陆地风电要复杂[1-2]。目前国内外已建及在建海上风电场的基础类型主要有：单桩基础（打入式、嵌岩式）、高桩承台群桩基础、重力式基础、三脚架基础、四桩导管架基础、五脚架基础等[3]。由于单桩基础结构形式简单，施工速度快，方便快捷，单桩基础成为一种主流的风电基础形式[4]。海上风电单桩基础的直径从6 m逐渐发展到7.8 m，地质条件从软黏土扩展到岩基。在海上风电单桩嵌岩施工中面临着桩内土体及桩端岩土体掏空而桩体还没最终形成的临时阶段，这也是桩体受力最不利的阶段，此时存在较大的溜桩风险，一旦产生溜桩将会对工期造成较大的影响，使施工成本大幅上升，带来较大的经济损失。

本文将结合某海上风电工程项目中的嵌岩施工中出现的溜桩问题，开展分析研究，并提出嵌岩施工溜桩问题的应对方法，为今后海上风电大直径单桩嵌岩施工提供技术支撑。

1 地质情况

风机所处位置海床面较平缓，海床泥面高程为-18.00～-18.50 m。根据地质时代、成因、岩性、沉积相变组合、工程特性差异等因素，钻孔揭露上部覆盖层自上而下综合划分为①、②、⑤、⑥4个工程地质大层，其中⑤层又划分为2个亚层。钻孔揭露基岩岩性为板岩，根据风化程度又划分为强风化与中风化。地层分布见图1。

图1 地层分布及风机基础示意图(m)Fig.1 Schematic diagram of stratum distribution and wind turbine foundation(m)

2 沉桩情况

风机基础示意图见图1。桩型为嵌岩钢管桩，桩长62.5 m，桩径φ5.5～6.1 m，壁厚为60～70 mm。采用液压锤进行沉桩，沉桩时打击能量由小到大，待桩入土一定深度且桩身稳定后再适当加大打桩能量，遇上较硬的土层时，加大功率进行打桩。钢管桩沉桩至预设标高-50.5 m后，进行嵌岩钻孔施工。采用DDC PBA1450钻机进行钻孔施工，该钻机为钻机平台一体化，不需要辅助桩，直接通过夹持器套在桩顶上，刀头采用43 cm（13寸）碟形刀头。当钻入标高-59 m时发现塌孔，大量石块掉落，最大石块尺寸20 cm，钻机无法继续钻进。为避免卡钻，停止钻进，提升钻头，暂停施工。暂停施工后发现钢管桩向下沉入钻孔内，溜桩深度约为4.7 m。

3 溜桩原因分析

根据设计及实际施工情况，钢管桩桩端位于强风化板岩上，其下距离中风化板岩顶面1.1 m；钢管桩的桩径为6.1 m，其内的钻孔灌注桩桩径为5.4 m，在钻孔灌注桩成孔后，钢管桩桩端有厚约35 cm的岩坎，如图1所示。

根据JTS 167-4—2012《港口工程桩基规范》[5]计算得出各土层桩外侧阻力值见表1所示，桩外侧总阻力为34 538 kN，桩体系重量为9 735 kN（其中桩体自重613.5 t，钻机总重360 t），若桩外侧土体无扰动则桩体系重量小于桩外侧阻力，此时并不会产生溜桩。扣除⑤2和⑥2侧阻力后的桩外侧阻力为8 740 kN，可见⑤2和⑥2层土体的侧阻力部分或完全消失最终产生的溜桩。根据钻孔揭露情况，板岩板理面倾角较陡，在基岩面附近倾角近直立，向下倾角略缓。从钻孔揭露情况看，岩石裂隙比较发育。强风化板岩呈碎块、碎板、片状，按照GB 50287—2016《水力发电工程地质勘察规范》[6]分类围岩类别为Ⅴ类。中风化板岩上部岩芯较破碎，以碎块、半柱、短柱状为主，围岩类别为Ⅳ类，钻孔埋深49.5 m以下岩芯较完整，岩芯呈10～30 cm柱状。Ⅴ类围岩极不稳定，围岩不能自稳；Ⅳ类围岩不稳定，围岩自稳时间短。由于桩端位于强风化岩石，桩端岩坎岩石条件较差，在钻孔过程中由于掉块，岩坎逐渐破坏使桩端脱空失去支撑。同时强风化板岩强度比较低、破碎，成孔后由于卸荷应力释放、机械破碎及动水压力下，板理面容易张开，加速了岩石的变形破坏。由此可以看出，本工程的溜桩主要原因在于塌孔后产生了一系列的连锁反应，灌注桩段钻孔过程中出现掉块后塌孔范围逐渐增大，使桩端脱空，桩侧壁强风化岩石也逐步脱落，上部的松散状的砂卵砾石层和中砂层失去支撑出现塌落扰动，同时上部砂卵砾石、中砂层的塌落过程中可能对桩产生了一定的负摩阻力，最终发生了溜桩。

表1 各土层桩外侧阻力值Table 1 Outside resistance value of pile in each soil layer

在嵌岩施工中溜桩根本原因是桩侧阻力与端阻力之和小于桩锤体系重量，造成工程溜桩的主要因素是塌孔后产生的连锁反应，即塌孔后使桩端上部的岩土体失去支撑出现塌落扰动，使桩外侧阻力降低或丧失，由此可以看出溜桩的主要原因是塌孔，而造成塌孔（孔壁失稳）的原因主要包括天然因素和工程因素。

1）天然因素方面有：原地应力、岩石类型及其力学性质、地层的构造形态、黏土矿物的种类和数量、地层孔隙流体的类型和孔隙压力等。

2）工程因素包括：临空面高度、裸露的时间、钻头对井壁的刮拉及碰撞、岩体经反复扰动后强度降低等。

孔壁岩石的失稳是一个力学过程，其实质是孔壁岩石所受应力超过了其强度而诱发失稳破坏。孔壁稳定问题最常发生的情况包括钻进过程中的孔壁坍塌和地层破裂两种基本类型[7]。

处于地层深处的岩石受上覆地层压力、水平方向地应力及地层孔隙压力的作用，在钻孔钻开前，地下岩层处于应力平衡状态，钻孔钻开后，破坏了地层的原有应力平衡，引起钻孔周围应力重新分布。从力学的角度来看，造成孔壁坍塌的原因主要是孔壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏造成的，此时，对于脆性地层会产生坍塌掉块，井径扩大；而对塑性地层，则向钻孔内产生塑性变形，造成缩径。

此外，一些特殊构造的岩石也需特别引起注意，如层理状岩石（板岩）。层理状岩石在平行于层理面方向和垂直于层理面方向的物理、力学等性质表现出明显的差异性，这种现象称为岩石的横观各向同性[8]。自然界中横观各向同性岩石普遍存在，例如板岩、云母、片麻岩、绿泥石、千枚岩等具有明显的横观各向同性，层理状的沉积岩和片理状的变质岩均具有明显的横观各向同性。横观各向同性是岩石的重要性质，特别是在钻孔的稳定性方面，相对于各向同性，横观各向同性使得岩石的力学问题更加复杂，如果将横观各向同性岩石当作各向同性处理，则工程设计和计算将会出现较大的误差。

4 溜桩后处理

本工程溜桩的主要原因在于塌孔后产生了一系列的连锁反应，上部的松散状砂卵砾石层和中砂层失去支撑出现塌落扰动，造成桩外侧阻力降低，同时上部砂卵砾石、中砂层在塌落的过程中可能对桩产生了一定的负摩阻力，最终发生了溜桩。经计算分析，采用挤密砂桩对桩侧土体进行加固，以提高桩外侧阻力，保证桩基能够符合使用期承载力的要求。水下挤密砂桩平面布置示意图见图2。

图2 水下挤密砂桩平面布置示意图Fig.2 Plan layout of underwater sand compaction pile

根据土层分布及地质情况，水下挤密砂桩加固深度为-35.1 m，加固的土体主要为①1淤泥质粉质黏土混砂层和②黏土层，桩长约为14.8 m。水下挤密砂桩采用正方形布置，桩间距为1.8 m，桩径为1.6 m，置换率为62%，水平范围为距桩中心约20 m。桩体材料采用中砂、粗砂，最大粒径不大于50 mm，含泥量不大于5%。

桩周附近水下挤密砂桩施工采用间隔跳打的方式，防止对桩周土体的集中扰动，同时防止挤土对桩身影响。水下挤密砂桩打设完成后清除隆起土，并铺设垫层。桩身内部先填砂土，在-19.50～-22.50 m高程范围内填充C35微膨胀混凝土。水下挤密砂桩打设完成后进行了标贯检测，经测试标贯击数大部分处于20～35击范围，满足加固土层内摩擦角不小于28°的设计要求。

5 结语

本文对海上风电嵌岩桩施工工程中的溜桩问题进行了分析研究，为避免海上大直径嵌岩单桩施工中出现溜桩现象，建议采用“一桩一议”的方式，即对每根桩分别进行打设前分析评估、施工过程控制、施工完成后总结，主要为：

1）打设前分析评估：在施工前，根据场地地质条件对打桩各种工况进行验算分析，评估其稳定性，确定其关键参数（如临空面高度、裸露时间等），为施工方案的制定提供依据。

2）施工过程控制：施工中会出现岩土层与勘查时的土层不一致的现象，因此还需确定土层的变化，重新进行评估，修正相关参数，以保证施工安全。另外，海上风电施工受天气、海况影响较大，施工作业窗口期较短，在钻孔完成后，临空面不宜长时间裸露，否则会造成失稳坍塌，因此施工中可考虑在同一窗口期内钻孔完成后及时完成复打，以避免塌孔、溜桩。由于V级围岩不能自稳，在V级围岩段钻孔后应立即复打或采用临时护壁措施，以避免塌孔。

3）针对成桩垂直度的问题，建议进一步研究嵌岩钻孔垂直度控制的施工措施，并结合水下成孔垂直度及形状方面的检测技术，进一步验证成桩偏斜产生的原因。

4）施工完成后总结：施工完成后及时将地质资料、设计资料、施工过程资料归纳总结，以形成嵌岩桩数据库，积累相关经验，为今后的类比分析提供参考。