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，抗壓強度可達(dá)130MPa，對于海上風(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，國內(nèi)以龍源振華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)電機組單機容量的增大，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，大直徑成孔是一項關(guān)鍵工藝。一般來說，成孔可采用爆破法和鉆孔法，由于爆破法對海洋環(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，無法直接應(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。本文從我國海上風(fēng)電開發(fā)實際出發(fā)，對植入式嵌巖單樁穩(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，對比分析不同方案的特點和對海上風(fēng)電施工的適應(yīng)性，并以某工程中實際環(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)伸出一個桁架結(jié)構(gòu)用來保證護筒穩(wěn)定，并在護筒上架設(shè)鉆機用來鉆孔。該方案對支腿船的穩(wěn)定性要求較高，且穩(wěn)樁桁架為懸臂結(jié)構(gòu)，采用該方案時需校核其力學(xué)性能。此外，護筒需進(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)致的護筒底穿等現(xiàn)象的發(fā)生。目前國外大多采用該種穩(wěn)樁措施，而國內(nèi)由于抗風(fēng)浪能力強、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，需在套箱下部內(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，將土工布壓實，或者可采用振動錘將鋼制套箱振入泥面下一定深度，注砂完成后利用振動錘將內(nèi)護筒振入，如果護筒沉入時貫入度較大，則應(yīng)對套箱內(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，液壓振動錘可邊振邊調(diào)內(nèi)護筒的垂直度，保證實際垂直度控制在1‰以內(nèi)。內(nèi)護筒沉樁完成后，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)鉆孔振動過程中填砂不會流失。當(dāng)巖基完全裸露時，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直徑比內(nèi)護筒略大的坑，然后放置內(nèi)護筒，在內(nèi)護筒周圍填砂，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，在該工藝中鉆機需架設(shè)在內(nèi)護筒上進(jìn)行鉆孔，作業(yè)過程中鋼套箱和內(nèi)護筒除了遭受浪流荷載外，還會受到鉆機鉆孔過程中的振動荷載、扭矩等作用，因此，施工前需對套箱的抗傾、抗滑穩(wěn)定性，內(nèi)護筒樁基承載力、內(nèi)護筒穩(wěn)定性等進(jìn)行計算分析，并根據(jù)分析結(jié)果確定套箱內(nèi)填砂所需高度，計算方法可參考《港口工程嵌巖樁設(shè)計與施工規(guī)程》。

套箱穩(wěn)樁方案雖然結(jié)構(gòu)簡單，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)域有待實踐檢驗。

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，在護筒打入時及后續(xù)嵌巖鉆孔過程中不會由于浪流作用和振動作用發(fā)生失穩(wěn)、滑移等現(xiàn)象，同時人造基床設(shè)計時應(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，可有效保護天然泥面，減少對原有覆蓋層的沖刷；中間層采用袋裝中粗砂；頂層為護面袋裝碎石，以防止中間層砂體的流失。在護筒沉入后，為減少砂和碎石流失，應(yīng)及時在護筒四周拋袋裝砼圍護。

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)港等多個工程項目中。在海上風(fēng)電領(lǐng)域該方案可有效應(yīng)用于巖基裸露、完全無覆蓋層機位的嵌巖施工，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易導(dǎo)管架平臺，通常為4樁或6樁結(jié)構(gòu)，通過將樁基打入海床一定的深度來保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而保證平臺內(nèi)護筒的穩(wěn)定性。圖4為某項目中海上風(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卡鍵聯(lián)接，從而實現(xiàn)平臺水平度調(diào)整及平臺頂高程調(diào)整的目的。鋼架中間有一護筒與鋼架整體焊接在一起，護筒內(nèi)放置中心筒，護筒和中心筒中間通過液壓千斤頂裝置聯(lián)接，以調(diào)整中心筒的垂直度。施工時需根據(jù)具體機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，通過振動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筒中，并通過打樁錘打入泥面一定深度，完成后在平臺上口通過螺栓將中心筒與平臺固定，形成一個整體，之后便可在上面架設(shè)鉆機進(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、穩(wěn)定性好、適用水深大、可重復(fù)利用等優(yōu)點，是海上風(fēng)電領(lǐng)域作為輔助平臺的首選方案，在國內(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)樁方案來控制單樁打樁的垂直度，國內(nèi)首臺成功實施的海上風(fēng)電植入式單樁工程——福建南日風(fēng)電項目也是采用導(dǎo)管架式方案作為嵌巖鉆孔的穩(wěn)樁平臺。

導(dǎo)管架式穩(wěn)樁平臺應(yīng)用分析

一、工程概況及穩(wěn)樁平臺結(jié)構(gòu)

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

該工程采用6樁導(dǎo)管架式平臺作為穩(wěn)樁嵌巖鉆孔平臺，如圖5所示。穩(wěn)樁平臺由一體焊接的護筒、導(dǎo)向套與鋼架組成，6片主鋼架相對中心筒呈對稱輻射布置，均與主鋼架焊接，其遠(yuǎn)端仍用鋼架聯(lián)成六方體，使整個穩(wěn)樁平臺成為一個大強度空間結(jié)構(gòu)。主鋼架的遠(yuǎn)端焊接有6個鋼管樁的導(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)。該平臺可實現(xiàn)快速安裝，承載能力大，具備承載鉆機荷載和海洋環(huán)境荷載的能力。承載時以平臺承載為主、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)樁平臺的具體參數(shù)如表2所示，施工時所用鉆機的鉆頭重量為330t，主機重量340t，鉆桿約130t，額定扭矩1000kN·m。

圖5 穩(wěn)樁平臺

表1 土壤地質(zhì)參數(shù)

表2 穩(wěn)樁平臺參數(shù)

二、中心護筒埋置深度

植入式單樁鉆孔時，中心護筒內(nèi)泥漿液需保證一定的水頭高度。為防止局部滲透、護筒底穿、管涌等現(xiàn)象的發(fā)生，中心護筒埋入土中的深度一般要求在密實土中最少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，必要時護筒周圍應(yīng)適當(dāng)圍護，如遇淤泥層、軟土層，則護筒應(yīng)穿過該層土。施工前可根據(jù)《公路施工手冊·橋涵》中的計算方法按公式（1）估算護筒入土最小深度，計算簡圖如圖6所示。

式中，L為護筒最小埋置深度，m；H為施工水位至海床表面的深度，m；h為護筒內(nèi)水頭，即護筒內(nèi)水位與施工水位之差，m；γ漿為護筒內(nèi)泥漿容重，kN/m3；γw為海水的容重，kN/m3；γsat為護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（土粒的相對密度），當(dāng)缺乏地勘參數(shù)時，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)護筒穿過幾種不同的土層時，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。

鉆孔施工時水面距海床高度H＝12.76m，水頭高度h約為1.5m，護筒內(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。

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

三、結(jié)構(gòu)分析

平臺作業(yè)時會遭受鉆機以及海洋環(huán)境的荷載作用，為保證結(jié)構(gòu)的可靠性，施工前需對穩(wěn)樁系統(tǒng)的強度、剛度、穩(wěn)定性、樁基承載力等進(jìn)行校核分析。分析時應(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)時的工況為例對該平臺的安全性進(jìn)行校核分析。

鉆孔工作工況下計算校核采用5年一遇環(huán)境條件，工程場區(qū)平均水位為0.225m（85高程），不同水位下對應(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 中心護筒埋置深度計算示意圖

表3 波浪水文要素（5年一遇）

穩(wěn)樁平臺系統(tǒng)所受的風(fēng)荷載可按下式計算：

式中，K為受風(fēng)構(gòu)件形狀系數(shù)，可參考《API RP 2A-WSD—2014 海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦作法（工作應(yīng)力設(shè)計法）》（以下簡稱“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公式計算，當(dāng)流與波浪疊加時，在計算荷載前應(yīng)首先計算出流速與波浪的水質(zhì)點速度的矢量和，單位長度上結(jié)構(gòu)所受的浪流荷載為：

式中，F(xiàn)D為單位長度的拖曳力，kN/m；FI為單位長度的慣性力，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)點速度在垂直于桿件軸線方向的分量，m/s。CM為基于單位長度的排水質(zhì)量的慣性力系數(shù)；.u為浪流疊加作用下水質(zhì)點加速度在垂直于桿件軸線方向的分量，m/s2。

計算分析采用有限元軟件SACS完成，計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，固定樁和中心護筒應(yīng)盡量打入覆蓋層中，本工程中按照固定樁和中心護筒打入泥面下7m來進(jìn)行校核。經(jīng)過計算分析，得出強度分析UC值分布如圖7所示，最大UC值為0.15，發(fā)生在穩(wěn)樁平臺底層水平桿件上，中心護筒位移和轉(zhuǎn)角計算結(jié)果如表4所示。

由分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)的強度值、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，對平臺系統(tǒng)樁基承載力進(jìn)行計算分析。中心護筒及樁基承載力按照式（6）計算：

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

對于打入到粘土層中的鋼樁：

圖7 強度分析UC值分布圖

表4 中心護筒位移計算結(jié)果

表5 樁基承載力計算結(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)點土壤不排水抗剪強度。

對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)，對軸向壓縮荷載K＝0.5～1.0；P0為計算點的有效上覆土壓力，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)固定樁及中心護筒入泥7m時，計算得到兩者的土壤抗壓承載力、抗拔承載力，并通過有限元軟件對鉆孔時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。通過比較分析可知，此時對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；對于中心護筒鉆孔工作時只受到軸向壓力，土壤承載力安全系數(shù)為1.51?？紤]到該穩(wěn)樁系統(tǒng)僅作為海上風(fēng)電植入式單樁基礎(chǔ)鉆孔施工時的臨時結(jié)構(gòu)物，施工時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要求。

攝影：蘇雷

結(jié)語

本文對海上風(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，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，針對導(dǎo)管架式穩(wěn)樁系統(tǒng)進(jìn)行了計算分析。分析可知該平臺能夠滿足該工程鉆孔作業(yè)的要求，實際工程中穩(wěn)樁平臺系統(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，并針對具體的工程特點制定相應(yīng)的應(yīng)急撤離方案，考慮到嵌巖鉆孔時間較長，必要時還需對平臺關(guān)鍵節(jié)點進(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、校核評估提供參考，對于促進(jìn)我國巖基海床海上風(fēng)電的開發(fā)具有重要意義。