王愛(ài)國(guó)，黃 俊，鄧柏松

(1.長(zhǎng)江三峽集團(tuán)福建能源投資有限公司，福建 福州 350001；2.上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

隨著海上風(fēng)電的大力發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量越來(lái)越大，加上中國(guó)南方海域臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，對(duì)樁式基礎(chǔ)的尺寸要求也越來(lái)越高。伴隨著近年福建和廣東海上風(fēng)電的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，遇到的又一個(gè)難題就是場(chǎng)區(qū)淺覆蓋層普遍較淺，如福建興化灣海上風(fēng)電場(chǎng)、廣東南澳海上風(fēng)電場(chǎng)以及廣東陽(yáng)江海上風(fēng)電場(chǎng)等。綜合考慮大容量機(jī)組、臺(tái)風(fēng)和淺覆蓋層地質(zhì)帶來(lái)的問(wèn)題，主要有以下三點(diǎn)：一是增大了基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工難度，二是降低了樁式基礎(chǔ)的地質(zhì)適應(yīng)性，三是大幅增加工程施工成本。本文從風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工前和施工時(shí)遇到孤石[1]的兩個(gè)角度提出解決方案，為后續(xù)類(lèi)似工程施工提供借鑒。

1 淺覆蓋層場(chǎng)址

淺覆蓋區(qū)一般指第四系厚度小于100 m，為植被、草皮、黃土、殘坡積連續(xù)覆蓋的丘陵山區(qū)和沖積、洪積平原區(qū)，覆蓋層面積占圖幅面積大于或等于50%的地區(qū)。對(duì)于海上風(fēng)電，淺覆蓋層地質(zhì)可以理解為風(fēng)化巖埋深較淺，鋼樁能直接沉入風(fēng)化巖一定深度，但無(wú)法達(dá)到指定標(biāo)高的地質(zhì)。由于鋼樁長(zhǎng)度與風(fēng)機(jī)荷載量級(jí)、建設(shè)場(chǎng)址的環(huán)境荷載、淺層土承載能力等有關(guān)，淺覆蓋層地質(zhì)通常需要鉆孔跟進(jìn)或進(jìn)行鉆孔灌注嵌巖樁。

風(fēng)化巖劃分為未風(fēng)化巖、微風(fēng)化巖、中等風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、全風(fēng)化巖與殘積土，沉樁難度依次減弱。通常一定厚度的全風(fēng)化層鋼樁能直接穿透，強(qiáng)風(fēng)化巖因巖性和標(biāo)貫擊數(shù)值的差異性較大，通常只能進(jìn)入部分深度，其他風(fēng)化巖基本不能沉入，所以風(fēng)化巖限制了鋼管樁長(zhǎng)度方向的設(shè)計(jì)。

孤石是殘留于風(fēng)化巖體中，多為中-微風(fēng)化狀，周?chē)鷰r體多為全風(fēng)化狀，主要是不均勻風(fēng)化的產(chǎn)物(如花崗巖的球狀風(fēng)化)，一般獨(dú)立存在、埋深較淺。

福建和廣東近海海域的淺覆蓋層下伏巖體以花崗巖為主(見(jiàn)圖1)，因風(fēng)化程度不同，在強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化巖中極易存在孤石，且強(qiáng)度較高，若樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)高低于孤石存在標(biāo)高，基本不能直接沉樁到位，且容易發(fā)生不確定風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 海底巖石取樣圖

2 孤石影響

受制于現(xiàn)有海上勘測(cè)方法的局限性，較難準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)場(chǎng)址內(nèi)孤石分布的位置和大小，如果在沉樁過(guò)程中遇到未知的孤石，可能會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：

1)沉樁達(dá)不到指定標(biāo)高，樁基軸向承載力不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求且承受較大水平抗力，需要割除高于樁基設(shè)計(jì)頂標(biāo)高多余部分；

2)由于巖石的強(qiáng)度較高，極易發(fā)生鋼管樁卷邊的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)安全性降低，若發(fā)生卷邊，需要潛水員下潛處理，一是影響工程進(jìn)度，二是下潛風(fēng)險(xiǎn)大，小直徑剛裝難度更高。

3 解決方案

針對(duì)淺覆蓋層可能存在的孤石影響，可根據(jù)孤石發(fā)現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)，提出不同的解決方案。

3.1 沉樁前解決方案

3.1.1 地質(zhì)勘測(cè)

高質(zhì)量的地質(zhì)勘測(cè)是海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，一是決定了可采用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，二是可有效降低后續(xù)設(shè)計(jì)和施工的風(fēng)險(xiǎn)。

1)地球物理勘探。地球物理勘探是指通過(guò)研究和觀測(cè)各種地球物理場(chǎng)的變化來(lái)探測(cè)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)條件。該方法兼有勘探與試驗(yàn)兩種功能，和鉆探相比，具有設(shè)備輕便、成本低、效率高、工作空間廣等優(yōu)點(diǎn)。但由于不能取樣、直接觀察，故多與鉆探配合使用[2]。

雖然地球物理勘探對(duì)發(fā)現(xiàn)體積較小孤石比較困難，且只能解決剖面上的問(wèn)題，但通過(guò)該方法有利于工程設(shè)計(jì)人員對(duì)整個(gè)場(chǎng)址地質(zhì)分布的判斷(見(jiàn)圖2)。

圖2 海上地球物理勘探圖

2)鉆探取芯。地質(zhì)鉆探坐標(biāo)通常布置在風(fēng)機(jī)機(jī)位的中心，各類(lèi)型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的樁徑一般在1.7～8.0 m，群樁樁徑較小，單樁樁徑較大。由于鉆探鉆桿直徑通常較小(約110 mm)，淺覆蓋層巖基面變化幅度大，鉆孔的地質(zhì)分層并不能完全代表機(jī)位地質(zhì)分布特點(diǎn)，建議對(duì)于群樁基礎(chǔ)，可按照一樁一鉆孔處理，對(duì)于大直徑單樁基礎(chǔ)的鉆探可以布置在樁周上，建議不少于3個(gè)，若樁徑再增加，鉆探孔數(shù)量可相應(yīng)增加。

3)微觀選址。結(jié)合物探和鉆孔數(shù)據(jù)成果，對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)位進(jìn)行微觀選址時(shí)，盡可能避開(kāi)孤石，對(duì)機(jī)位微小挪位，可直接節(jié)約投資、加快進(jìn)度(見(jiàn)圖3)。

3.1.2 基礎(chǔ)選型

對(duì)于發(fā)現(xiàn)有孤石的機(jī)位，如孤石埋深較淺，樁基承載力不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可以考慮采用嵌巖樁[3](如灌注嵌巖樁和III型嵌巖樁等)或淺基礎(chǔ)(如重力式基礎(chǔ)和負(fù)壓筒基礎(chǔ)[4]見(jiàn)圖4)。

3.2 沉樁后解決方案

孤石的強(qiáng)度一般較高，有的地區(qū)可以達(dá)到100 MPa以上，如樁基遇孤石，錘擊能量過(guò)大時(shí)，可能到導(dǎo)致鋼樁無(wú)法繼續(xù)沉入或發(fā)生變形。

3.2.1 割樁處理

如果鋼樁發(fā)生卷邊，導(dǎo)致鋼樁不能繼續(xù)跟進(jìn)和鉆孔灌注，必須割除水下卷邊部分，以便進(jìn)行下一步操作。割樁在大橋施工中較為常見(jiàn)，技術(shù)較為成熟，但是耗時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)，增加了工程造價(jià)(見(jiàn)圖5)。

圖3 地球物理勘探結(jié)合鉆孔圖

圖4 淺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

圖5 水下割樁圖

3.2.2 植樁和樁身補(bǔ)強(qiáng)

常規(guī)的鉆機(jī)(如旋轉(zhuǎn)鉆、旋挖鉆[5]和沖擊鉆，見(jiàn)圖6)鉆孔直徑小于鋼樁內(nèi)徑，即使鉆孔可以達(dá)到鋼樁底部以下一定深度，但由于鋼樁底部孤石的強(qiáng)度過(guò)高，繼續(xù)跟進(jìn)的可能性較小。對(duì)此可以采取以下兩種處理方法。

1)植樁?？紤]在樁內(nèi)鉆孔，植入一根直徑較小的樁，小樁長(zhǎng)度大于原樁樁長(zhǎng)，并在兩樁之間灌注混凝土，形成一個(gè)組合樁。

2)樁身加強(qiáng)。將鋼樁卷邊部分割除后，下部采用加強(qiáng)型灌注樁(將鋼筋型號(hào)和混凝土等級(jí)提高)，由于剛樁進(jìn)入土層的深度減短，樁基承載力降低，可以在海床采取防沖刷措施，變相提高土層承載力。但是應(yīng)注意盡量避免灌注樁段承受樁身最大彎矩。

圖6 常規(guī)嵌巖鉆機(jī)圖

3.2.3 擴(kuò)孔跟進(jìn)

在鋼樁底部采用擴(kuò)孔鉆機(jī)，將孤石進(jìn)行處理，擴(kuò)孔孔徑略大于鋼樁直徑即可繼續(xù)跟進(jìn)鋼樁。該方案樁基結(jié)構(gòu)受力較樁身加強(qiáng)方案好。但應(yīng)注意擴(kuò)孔鉆孔可能需要根據(jù)樁徑定制，時(shí)間較長(zhǎng)；另外擴(kuò)孔鉆會(huì)產(chǎn)生較大扭矩，嵌巖平臺(tái)也需做加強(qiáng)處理(見(jiàn)圖7)。

圖7 擴(kuò)孔鉆機(jī)圖

4 案 例

福建區(qū)域某海上風(fēng)電場(chǎng)樁基礎(chǔ)施工過(guò)程中，遭遇孤石地質(zhì)，導(dǎo)致鋼管樁底卷邊。因處理工法經(jīng)過(guò)充分咨詢(xún)與論證，取得較好的效果。

4.1 沉樁及鉆孔情況

鋼管樁直徑3.2 m，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)52 m，設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高為10 m，采用YC60型打樁錘沉樁，累計(jì)錘擊數(shù)為1 126次，最大錘擊能量為960KJ，最終貫入度為6.3 mm/擊。停錘后，實(shí)際樁頂標(biāo)高為16.2 m，樁底標(biāo)高為-35.84 m，開(kāi)始進(jìn)行鋼管樁鉆孔。在鉆孔過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)利用直徑2.8 m沖擊鉆頭鉆孔至孔底標(biāo)高為-32.2 m處時(shí)，沖擊過(guò)程中鉆頭不穩(wěn)，出現(xiàn)“偏錘”、“卡錘”現(xiàn)象，分析懷疑鋼樁內(nèi)有孤石。將卡錘提出，即回填片石至-28.8 m處，繼續(xù)利用2.8 m直徑?jīng)_擊鉆頭繼續(xù)進(jìn)行沖擊后，仍持續(xù)出現(xiàn)卡錘現(xiàn)象，推斷可能鋼管樁有變形。

4.2 主體鋼管樁底口變形檢查情況

發(fā)現(xiàn)鋼樁疑似變形情況后，安排潛水員進(jìn)行了下探摸檢查，發(fā)現(xiàn)鋼管樁在-28.26 m(標(biāo)高)處有明顯變形，變形處寬度約1 m，高度約0.6 m。調(diào)整鉆機(jī)位置，采用直徑2.2 m沖擊錘繼續(xù)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，在鉆進(jìn)至-32.24 m時(shí)，仍發(fā)現(xiàn)卡錘現(xiàn)象。再次安排潛水員水下探摸檢查，結(jié)果見(jiàn)圖8。

經(jīng)多次調(diào)整鉆機(jī)位置后，利用2.2 m直徑?jīng)_擊鉆頭正常鉆進(jìn)，從標(biāo)高-33.64 m鉆進(jìn)至-35.1 m，出現(xiàn)持續(xù)卡鉆現(xiàn)象；利用移動(dòng)鉆機(jī)位置進(jìn)行多點(diǎn)鉆進(jìn)，后沖擊至標(biāo)高-37.04 m，至鋼樁底以下1.3 m，停止鉆進(jìn)，并進(jìn)行清孔。第三次安排潛水員水下探摸檢查，發(fā)現(xiàn)鋼管樁在-28.26 m(標(biāo)高)處有明顯變形，變形由-28.26 m(標(biāo)高)延伸至鋼管樁樁底(-35.84 m)，變形高度約7.64 m(當(dāng)前孔底標(biāo)高-37.04 m)；鋼管樁樁底變形處寬度約1.5 m(向鋼樁內(nèi)凹陷)，凹陷點(diǎn)前部距鋼樁壁最小距離1.6 m。鋼樁內(nèi)孔壁光滑，無(wú)破損開(kāi)裂，鋼樁底口周邊均已露出，測(cè)釬探摸鋼樁底口壁外為散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

利用超聲波成孔檢測(cè)儀在鋼管樁孔內(nèi)進(jìn)行多斷面量測(cè)，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)匯總后見(jiàn)圖9，與潛水員探摸情況基本一致。

4.3 成因分析

根據(jù)事件經(jīng)過(guò)分析和檢查情況，對(duì)于主體鋼管鋼樁變形，疑為在-28.2m位置，鋼樁壁外側(cè)有大漂石(孤石)，漂石外巖恰貼近(或有小部分探頭石)主體鋼管樁，在主體鋼管樁錘擊下沉過(guò)程中逐漸擠壓鋼樁，導(dǎo)致鋼樁變形(見(jiàn)圖10)。

圖8 潛水員水下探摸情況圖

圖9 超聲波成孔檢測(cè)儀測(cè)量數(shù)據(jù)匯總圖

4.4 處理方案

鋼管樁不再跟進(jìn)，切割并取出鋼管樁變形部分，按原設(shè)計(jì)要求對(duì)鋼管樁進(jìn)行嵌巖施工，嵌巖深度保持不變。經(jīng)載荷計(jì)算后，適當(dāng)加大鋼筋籠主筋直徑，按原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行鋼筋籠施工和回填混凝土。

為防止孔內(nèi)出現(xiàn)翻沙和漏水，確保水下切割作業(yè)安全，防止對(duì)覆蓋層土體產(chǎn)生破壞，確保后續(xù)嵌巖樁施工可行性，先采用高壓旋噴樁注漿加固工法對(duì)樁周土體進(jìn)行加固處理。完成后，采用1 m直徑鉆頭進(jìn)行沖孔，保證鋼管變形部分具備水下切割條件。將變形部分鋼板進(jìn)行水下切割后取出，完成后，采用混凝土灌

圖10 主體鋼管樁變形情況匯總圖

注，回填至鋼管樁變形部分以上2 m，達(dá)到強(qiáng)度后，再進(jìn)行嵌巖樁鉆孔施工。

5 結(jié) 語(yǔ)

國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電起步較晚，但是建設(shè)條件遠(yuǎn)比歐洲困難，臺(tái)風(fēng)、地震、淺覆蓋層等都是國(guó)內(nèi)建設(shè)者面臨的難度。特別是覆蓋層地質(zhì)較為復(fù)雜，給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)極大的不便，一是通過(guò)前期充分準(zhǔn)備，可以降低孤石帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，建議適當(dāng)增加前期地勘費(fèi)用，提高地質(zhì)參數(shù)和地質(zhì)分布的準(zhǔn)確性，二是給設(shè)計(jì)更充分的時(shí)間密切聯(lián)系施工單位，比選最優(yōu)基礎(chǔ)形式和優(yōu)化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；三是后期采取合理的解決方案，可以有效保證結(jié)構(gòu)的安全。

雖然淺覆蓋層場(chǎng)址先期建設(shè)成本較高，教訓(xùn)深刻。相信隨著多個(gè)類(lèi)似場(chǎng)址的經(jīng)驗(yàn)積累，定能很好的優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工方案，達(dá)到降低工程建設(shè)成本的目的，讓國(guó)內(nèi)風(fēng)電建設(shè)具有競(jìng)爭(zhēng)性。