毛以雷，杜瑞剛，田博宇

（中交第一航務(wù)工程局有限公司總承包工程分公司，天津 300456）

海上風(fēng)電近些年發(fā)展如火如荼，適應(yīng)不同地質(zhì)情況的各種基礎(chǔ)形式多種多樣[1]，其中適用于淺覆蓋層下臥巖石地基的大直徑嵌巖單樁基礎(chǔ)施工難度大、周期長、成本高[2-3]，為業(yè)內(nèi)一大難題。

大直徑嵌巖單樁根據(jù)施工方式主要分為I 型“打-鉆-打”、II 型“打-鉆-擴(kuò)-灌-打”和 III 型“植入式”3 類[4]。III 型樁通常用于樁端嵌入在弱風(fēng)化或微風(fēng)化巖層中的機(jī)位。該型樁通過先安裝作業(yè)平臺和護(hù)筒，再在護(hù)筒內(nèi)鉆孔，最后在孔內(nèi)植入工程樁并灌漿的方式完成施工，其作業(yè)難度大，風(fēng)險高，荷載工況復(fù)雜，施工設(shè)備要求高，工藝復(fù)雜[5]。國內(nèi)目前已實(shí)施的III 型樁數(shù)量較少。

本文以福建莆田平海灣F 區(qū)項目為例介紹III型嵌巖單樁的雙護(hù)筒鉆孔施工技術(shù)。該項目為國內(nèi)首個應(yīng)用7 MW 大功率風(fēng)機(jī)單樁嵌巖項目，在弱風(fēng)化層的鉆孔直徑達(dá)7.1 m，為目前國內(nèi)之最。

1 工程概況

莆田平海灣海上風(fēng)電場F 區(qū)II 標(biāo)段風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工工程項目位于莆田市秀嶼區(qū)海域，設(shè)計水深約22 m，共包含III 型嵌巖單樁基礎(chǔ)12 臺。該海域地層中弱風(fēng)化花崗巖強(qiáng)度較大，約為80~120 MPa，最大強(qiáng)度達(dá)130 MPa。弱風(fēng)化層中鉆孔直徑7.1 m，深度約20 m。單樁直徑6.7 m，重量655~812 t，長度58.8~62.3 m。

2 工藝關(guān)鍵點(diǎn)分析

III 型樁施工面臨的主要問題和困難包括：風(fēng)場覆蓋層淺或接近裸巖地質(zhì)，施工平臺輔樁在臺風(fēng)等環(huán)境荷載作用下抗拔承載力不足；護(hù)筒直徑大且地質(zhì)不均勻，打入時垂直度難保證；鉆孔直徑大、巖石硬度高，對鉆機(jī)能力和可靠性要求高，而目前適用海上風(fēng)電的大直徑嵌巖鉆機(jī)剛剛起步，技術(shù)不成熟；從覆蓋層至弱風(fēng)化層，中間通常夾有散體狀和碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化層，標(biāo)貫擊數(shù)大，護(hù)筒打入時容易引起底部卷邊或撕裂，且后期拔出困難。然而如無護(hù)筒保護(hù)在鉆進(jìn)時又極易產(chǎn)生塌孔，造成埋鉆甚至施工平臺輔樁沉降等風(fēng)險。

解決措施：針對海況和地質(zhì)條件設(shè)計適用的大型施工平臺解決承載問題，用上下雙層液壓千斤頂保證護(hù)筒垂直度；專用大功率海上鉆機(jī)解決鉆進(jìn)難題；研發(fā)雙護(hù)筒工藝解決護(hù)筒打入問題和塌孔問題，研發(fā)拔除工裝解決護(hù)筒拆除問題等。

3 施工平臺選型設(shè)計

為確保大直徑鋼管樁沉樁工作的順利進(jìn)行，需搭設(shè)單樁定位平臺[6]，即大直徑單樁嵌巖施工平臺。大直徑單樁鉆孔作業(yè)涉及鉆機(jī)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、動力設(shè)備及油料倉庫等，配套設(shè)施繁多，總重量達(dá)1 232 t。施工平臺設(shè)計一種為大型模塊化平臺，集成所有生產(chǎn)和生活設(shè)施于其上；另一種為小型施工平臺，僅布設(shè)鉆機(jī)系統(tǒng)，配套生產(chǎn)設(shè)施和生活設(shè)施布置在支持船上。大型模塊化施工作業(yè)平臺一次性投入較大，但后期作業(yè)獨(dú)立性強(qiáng)，模塊組裝、周轉(zhuǎn)倒運(yùn)簡便，作業(yè)窗口期多，且可節(jié)省支持船費(fèi)用。綜合考慮后本項目采取了大型施工平臺模式。

由于項目區(qū)域覆蓋層較薄導(dǎo)致輔樁入土淺，在臺風(fēng)和波流等荷載作用下有部分機(jī)位驗(yàn)算出現(xiàn)輔樁抗拔承載力不足，為此采取了一系列措施。

井口區(qū)鉆機(jī)、鉆桿等設(shè)備多、重量大，設(shè)施區(qū)配套設(shè)備相對重量較輕，因此平臺布設(shè)時按照長邊順強(qiáng)風(fēng)向方向，并選擇重量較大的井口區(qū)布置于上風(fēng)向的原則，有效降低了輔樁的上拔力；將生活設(shè)施疊高形成模塊化配重體，既減少了平臺面積占用又增加了抗傾力臂。對于優(yōu)化后仍然抗拔承載力不足的樁位，在輔樁內(nèi)設(shè)置配重塊，在不增加環(huán)境力的情況下有效增加了樁重，起到了較好的抗拔效果。

最終大型施工平臺設(shè)計平面尺度為40 m×30 m，平臺重876 t。輔樁6 根，呈2×3 排列，合計重量324 t。甲板分成兩塊作業(yè)區(qū)域，井口區(qū)和設(shè)施區(qū)，如圖1 所示。本平臺改變了傳統(tǒng)嵌巖施工鋼平臺采用貝雷梁裝配式的結(jié)構(gòu)形式和搭拆工藝，節(jié)約了大量的海上搭設(shè)與拆除作業(yè)時間[7]。

圖1 平臺主甲板平面布置圖Fig.1 Layout plan of main deck of platform

在施工平臺的上下兩層甲板各布設(shè)4 臺200 t千斤頂，在一級護(hù)筒插打時進(jìn)行垂直度調(diào)節(jié)，確保最終垂直度滿足鉆機(jī)作業(yè)要求。

4 鉆機(jī)選型

大直徑鉆機(jī)是鉆孔作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，通過整體性能、鉆進(jìn)效率、排渣能力等方面比選，最終選定了專門針對海上大直徑鉆孔研制的亨通HT-400 鉆機(jī)，其鉆進(jìn)施工工效見表1。

表1 亨通HT-400 鉆機(jī)鉆進(jìn)施工工效表Table 1 Drilling construction work efficiency table of Hengtong HT-400 drilling rig

該鉆機(jī)主要由門架、驅(qū)動部、鉆頭、導(dǎo)向器、鉆桿、排渣裝置、封口平車等組成。鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)加壓和減壓鉆進(jìn)2 種功能。加壓鉆進(jìn)能夠增加鉆齒對巖石的壓強(qiáng)，有利于破碎硬巖，但加壓也容易導(dǎo)致鉆桿發(fā)生彎曲變形，轉(zhuǎn)動時可能引起扶正器與孔壁撞擊或產(chǎn)生偏心振動；而減壓鉆進(jìn)中鉆桿受豎向拉力，垂直度相對較好，對鉆進(jìn)的穩(wěn)定性非常有利。首樁采用150 t 鉆壓進(jìn)行減壓鉆進(jìn)，后通過增加鉆頭配重的方式將鉆壓增加至220 t，提高了鉆進(jìn)效率約15%。

鉆進(jìn)速度方面，理論與試驗(yàn)資料都說明刀具的破巖速度（鉆速）與其轉(zhuǎn)速有線性關(guān)系。按能量守恒原理，可得到式（1）：

式中：M 為扭矩，kg·cm；n 為鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min；D 為鉆頭直徑，cm；az為牙輪鉆破巖比功，kg·m/cm3；Fz為鉆壓，kg[8]。

對于亨通 HT-400 鉆機(jī)，M 為 3.965×107kg·cm，F(xiàn)z為 2.2×105kg，D 為 1 040 cm，對于花崗巖地層取 az=32.3 kg·m/cm3，n 為 9 r/min，根據(jù)式（1）可得，在花崗巖地層中的鉆進(jìn)速度可達(dá)v=0.5 m/h。

理論上，在鉆壓滿足鉆齒對巖石的壓裂破碎前提下，轉(zhuǎn)速越高則鉆進(jìn)效率越高，然而過快的轉(zhuǎn)速容易造成刀具的磨損加劇。且如果排渣不及時，也會造成反復(fù)破碎，降低效率。所以扭矩與轉(zhuǎn)速通常維持在一個相對合理的區(qū)域，而非越快越好。本項目在弱風(fēng)化巖層中鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速為3~4 r/min，扭矩值約400~1 000 kN·m。

成孔采用與鉆孔直徑相匹配的滾刀鉆頭鉆進(jìn)成孔，在鉆進(jìn)過程中，滾刀產(chǎn)生公自轉(zhuǎn)和上下振動等復(fù)合運(yùn)動將巖石破碎[9]。本項目中因?yàn)楦采w層較薄，未專門使用刮刀鉆，而是直接使用滾刀鉆鉆進(jìn)，減少了鉆具更換的時間，破巖刀具選用硬質(zhì)合金球齒滾刀。

泥漿護(hù)壁雖具有潤滑鉆頭、防止塌孔等作用，但控制不力時容易造成環(huán)境污染。海上風(fēng)電領(lǐng)域尤其對于緊鄰海上養(yǎng)殖區(qū)的海上風(fēng)場，環(huán)保要求很高，需要做好嚴(yán)格控制。本項目采用雙護(hù)筒工藝，無需泥漿護(hù)壁，因此采用清水鉆進(jìn)工藝，更加滿足環(huán)保要求。

HT-400 鉆機(jī)采用平底式鉆頭，配合大尺寸長孔形吸渣口和大功率氣舉系統(tǒng)，確保每一輪回轉(zhuǎn)都能將渣排凈。

5 雙護(hù)筒設(shè)計

大直徑嵌巖單樁較多樁承臺嵌巖管樁的鉆孔直徑大很多，導(dǎo)致土層自身的穩(wěn)定性和約束較差，塌孔概率高、塌方量大。塌孔可引起多種嚴(yán)重問題，如埋鉆、貫通孔、護(hù)筒下沉和傾斜等，塌孔嚴(yán)重時，危及輔樁承載力甚至發(fā)生平臺傾斜等重大風(fēng)險。因此塌孔問題是關(guān)系到大直徑嵌巖施工成敗的關(guān)鍵因素。

塌孔主要原因如下：1）施工海域潮差大，致使護(hù)筒內(nèi)外壓差變化大；2）鉆具提升過快，使孔內(nèi)形成抽吸作用；3）泥漿配比不合理，懸浮能力差；4）提鉆時孔內(nèi)泥漿補(bǔ)充慢，導(dǎo)致液面下降過多；5）鉆具提放刮碰孔壁；6）穿過不穩(wěn)定地層時氣舉反循環(huán)負(fù)壓設(shè)置過大；7）因故障等原因?qū)е驴妆诮輹r間過長等。

施工中除了精細(xì)化操作以減少人為擾動外，海上風(fēng)電水下大直徑鉆孔的防塌孔措施目前主要有以下兩種手段，一種是泥漿護(hù)壁，通過泥漿對側(cè)壁的靜壓力及泥皮的阻水作用使孔壁穩(wěn)定；另一種是加長護(hù)筒入土深度，使其穿過易塌孔的碎裂層到達(dá)弱風(fēng)化層頂。后一種方法通常在護(hù)筒初步打設(shè)時僅能到達(dá)碎裂層內(nèi)1~2 m，使用更大錘擊能量時往往容易引起護(hù)筒底端變形。因此需在鉆頭鉆出護(hù)筒一定長度后對護(hù)筒進(jìn)行復(fù)打。然而多次復(fù)打一是會造成施工效率急劇下降，因?yàn)槊看螐?fù)打均需要對鉆機(jī)和鉆桿等進(jìn)行回收和再布設(shè)；二是多次復(fù)打后使得護(hù)筒與巖層產(chǎn)生非常緊密的結(jié)合，后期回收護(hù)筒時上拔力較大。

為解決上述問題，本工程提出了雙護(hù)筒解決方案。即在外護(hù)筒（一級護(hù)筒）打入強(qiáng)風(fēng)化散體層后，在其內(nèi)部再接續(xù)安放一段內(nèi)護(hù)筒（二級護(hù)筒），二級護(hù)筒與鉆桿最下層的扶正器連接，可隨鉆頭一同鉆進(jìn)。鉆至弱風(fēng)化層0.3 m 左右后，二級護(hù)筒與扶正器脫開連接，此時鉆頭縮徑再鉆進(jìn)，在弱風(fēng)化層形成一個臺階，二級護(hù)筒留在該處，鉆頭則繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計深度。本工藝的優(yōu)點(diǎn)在于無需護(hù)筒復(fù)打，可一次性鉆孔至設(shè)計深度。徹底解決了塌孔問題，無需泥漿護(hù)壁，僅需清水鉆進(jìn)即可。護(hù)筒分兩段，每段的回收上拔力降低近1/2。本工藝簡化了施工工序，降低了施工難度和風(fēng)險，極大提高了嵌巖單樁的成功率。

具體設(shè)計為一大一小2 個同心護(hù)筒，外護(hù)筒直徑7.9 m、內(nèi)護(hù)筒直徑7.3 m，兩者間通過導(dǎo)向軌保證同心度。導(dǎo)向軌采用I20a 工字鋼制作，長度6 m，沿二級護(hù)筒外周均布8 條，見圖2。

圖2 導(dǎo)向軌示意圖Fig.2 Schematic diagram of guide rail

在二級護(hù)筒內(nèi)壁焊接上下2 道環(huán)形壓槽板，板厚50 mm。壓槽板與護(hù)筒間焊接三角形筋板加強(qiáng)，上筋板尺寸為30 mm×85 mm×90 mm，下筋板尺寸為50 mm×137 mm×146 mm，上下壓槽板凈間距200 mm，見圖3。

圖3 二級護(hù)筒示意圖Fig.3 Schematic diagram of secondary casing

鉆機(jī)最下層扶正器與鉆桿間通過軸承連接，扶正器可繞鉆桿自由轉(zhuǎn)動，扶正器側(cè)面設(shè)計可伸縮限位銷，伸縮量約400 mm。

鉆孔過程中，將限位銷嵌入環(huán)形壓槽內(nèi)，使二級護(hù)筒隨鉆機(jī)鉆頭同步跟進(jìn)，見圖4。前期鉆孔直徑7.3 m，二級護(hù)筒跟進(jìn)至弱風(fēng)化層指定深度，鉆孔直徑縮小至7.1 m，二級護(hù)筒固定不再跟進(jìn)。

圖4 一、二級護(hù)筒及鉆頭示意圖Fig.4 Schematic diagram of primary and secondary casing and bit

6 鉆孔作業(yè)

施工平臺搭設(shè)完成后進(jìn)行外護(hù)筒打入。護(hù)筒打設(shè)前，在平臺上下甲板設(shè)置8 臺200 t 千斤頂，采用2 臺全站儀進(jìn)行垂直度監(jiān)測和控制[10]，做好垂直度校正，實(shí)時對護(hù)筒的打入垂直度進(jìn)行糾偏。過程中嚴(yán)格控制護(hù)筒垂直度≤0.2%。

鉆機(jī)及動力、生活設(shè)施安裝完成后，由起重船起吊鉆頭和底層扶正器的一體結(jié)構(gòu)，將其套入立置在駁船上的二級護(hù)筒內(nèi)，當(dāng)位置對正后通過液壓操作伸出扶正器限位銷，卡入二級護(hù)筒壓槽內(nèi)，二者連接為一體，再由起重船整體吊起后放入一級護(hù)筒內(nèi)，見圖4。

隨后通過井口平車與鉆桿吊機(jī)配合逐節(jié)接長鉆桿至泥面，啟動鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)至設(shè)計深度。

7 護(hù)筒回收

因護(hù)筒入土深度大且自身重量重，回收時所需上拔力非常大。以F9 機(jī)位地質(zhì)條件為例，按照傳統(tǒng)護(hù)筒多次復(fù)打至弱風(fēng)化表面估算，上拔力達(dá)到3 500 t 以上，而按照兩級式護(hù)筒設(shè)計，一級護(hù)筒上拔力約為1 980 t，二級護(hù)筒上拔力約為1 620 t。二級護(hù)筒實(shí)際上拔力會比計算值偏小，具體視護(hù)筒外壁受側(cè)面土體擠壓程度而定。

內(nèi)護(hù)筒抗拔力計算公式為：

式中：Td為抗拔承載力設(shè)計值，kN；rd為抗拔承載力抗力分項系數(shù)，取1；U 為內(nèi)護(hù)筒截面外周長，為23.55 m；ξ 為折減系數(shù)，取1；qfi為護(hù)筒外周第i 層土的極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值，第1~3 層分別為55 kPa、125 kPa、160 kPa；li為護(hù)筒穿過第i層土的長度，第1~3 層分別為5.5 m、2 m、4 m；G 為護(hù)筒重力，為5 300 kN。

選擇工程樁頂部為支撐點(diǎn)，在頂法蘭上設(shè)置頂升梁并于其上等間距布置穿芯千斤頂和精軋螺紋鋼等提升系統(tǒng)（圖5）。在植樁完成且一期高強(qiáng)灌漿料固結(jié)后依次進(jìn)行二級和一級護(hù)筒的步進(jìn)頂升工作，當(dāng)護(hù)筒徹底松開后由浮吊回收放至運(yùn)輸船上。

圖5 護(hù)筒回收圖Fig.5 Drawing of casing recovery

8 結(jié)語

大直徑嵌巖單樁鉆孔是一項風(fēng)險高難度大的綜合作業(yè)，結(jié)合工程實(shí)際對施工過程中的關(guān)鍵工藝技術(shù)如平臺設(shè)計、鉆機(jī)選型、護(hù)筒設(shè)計、塌孔防護(hù)及護(hù)筒回收等內(nèi)容進(jìn)行了探討，指出了一些關(guān)鍵問題并給出了參考解決方案。經(jīng)實(shí)際施工驗(yàn)證，本工藝經(jīng)濟(jì)合理、具有非常高可行性和操作性，對推動海上風(fēng)電大直徑嵌巖單樁鉆孔技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。