海上风电植入式单桩施工稳桩系统研究

文 | 曹淑刚，迟岩，韩毅平，张晗

福建等东南海域风能资源丰富，是海上风电开发的“天府之地”。然而该海域海底岩基埋藏较浅，且多为硬度较高的花岗岩，抗压强度可达130MPa，对于海上风电大直径单桩基础很难直接打入。鉴于此，该海域的海上风电开发步伐一直比较缓慢。为解决岩基海床海上风电施工的技术难题，国内以龙源振华为代表的多家单位不断研究世界范围内类似地质条件下海上风电、跨海大桥的施工工艺，针对基岩基本裸露、不足以沉桩稳定的地质条件，提出了“成孔—植桩—灌浆”的植入式嵌岩单桩理念，使得岩基海床大直径单桩的应用成为可能。

随着海上风电机组单机容量的增大，目前单桩基础直径已达到5～7m，若在岩基海床采用植入式单桩，大直径成孔是一项关键工艺。一般来说，成孔可采用爆破法和钻孔法，由于爆破法对海洋环境污染较大，目前大多采用钻孔工艺。该工艺必须配备大功率钻机及可靠的稳桩系统，其中稳桩系统在支撑嵌岩钻机钻孔、稳定单桩基础方面扮演重要角色。然而，传统港口、大桥施工中采用的稳桩方案适用桩径较小、施工成本较高，且存在易失稳、易管涌的风险，无法直接应用于海上风电行业，目前海上风电大直径桩基在岩基地质条件下施工的稳桩系统还处于研究之中。本文从我国海上风电开发实际出发，对植入式嵌岩单桩稳桩系统进行研究，创新提出支腿船式、套箱式、人造基床式、导管架式稳桩方案，对比分析不同方案的特点和对海上风电施工的适应性，并以某工程中实际环境条件为例，介绍了导管架式稳桩系统的具体应用。

稳桩方案

一、支腿船式稳桩方案

如图1所示，为支腿船式稳桩方案示意图，在支腿船一侧伸出一个桁架结构用来保证护筒稳定，并在护筒上架设钻机用来钻孔。该方案对支腿船的稳定性要求较高，且稳桩桁架为悬臂结构，采用该方案时需校核其力学性能。此外，护筒需进入泥面以下一定深度，以抵抗浪流作用力，以及防止海床冲刷导致的护筒底穿等现象的发生。目前国外大多采用该种稳桩措施，而国内由于抗风浪能力强、稳定性好的支腿船较为缺乏，且需要进行安装桁架稳桩结构的改造，故该方案目前在国内未被采用。

二、套箱式稳桩方案

套箱稳桩方案一般是在海底沉放钢套箱或钢筋混凝土套箱形成围堰，之后在套箱内注砂。为防止注砂漏失，需在套箱下部内外一周铺设土工织物，吊放套箱后投放砂袋或袋装混凝土，将土工布压实，或者可采用振动锤将钢制套箱振入泥面下一定深度，注砂完成后利用振动锤将内护筒振入，如果护筒沉入时贯入度较大，则应对套箱内填砂进行压密处理以保证稳桩效果。为保证后续钻孔的垂直度，液压振动锤可边振边调内护筒的垂直度，保证实际垂直度控制在1‰以内。内护筒沉桩完成后，在套箱顶层铺放袋装混凝土封固套箱内的砂，以保证后续钻孔振动过程中填砂不会流失。当岩基完全裸露时，该法也可与冲孔埋置法联合应用，即先使用冲锤冲出一个直径比内护筒略大的坑，然后放置内护筒，在内护筒周围填砂，之后在外面套入套箱，再在套箱内填砂，该方法中套箱的作用是增加了填砂高度，进一步确保了整个系统的稳定性。

图1 支腿船式稳桩方案

图2为钢套箱式稳桩方案施工示意图，在该工艺中钻机需架设在内护筒上进行钻孔，作业过程中钢套箱和内护筒除了遭受浪流荷载外，还会受到钻机钻孔过程中的振动荷载、扭矩等作用，因此，施工前需对套箱的抗倾、抗滑稳定性，内护筒桩基承载力、内护筒稳定性等进行计算分析，并根据分析结果确定套箱内填砂所需高度，计算方法可参考《港口工程嵌岩桩设计与施工规程》。

套箱稳桩方案虽然结构简单，套箱制造工艺成熟，但填砂和水下潜水工程量较大，且需大型浮吊安装套箱，该工艺在国内的内河或浅海桥梁工程、港口码头工程中应用较多，在海上风电领域有待实践检验。

三、人造基床方案

人造基床是指在嵌岩桩区域一定范围内抛铺一定厚度的砂层（砂袋）和袋装碎石层，形成人工覆盖层来满足施工期的稳桩要求。人造基床要求具有较好的稳定性和抗冲刷能力，在护筒打入时及后续嵌岩钻孔过程中不会由于浪流作用和振动作用发生失稳、滑移等现象，同时人造基床设计时应考虑沉降、砂层流失的影响。通常人造基床采用3层结构，基床的边坡以1/2～1/3为宜，底层采用袋装碎石粘土，可有效保护天然泥面，减少对原有覆盖层的冲刷；中间层采用袋装中粗砂；顶层为护面袋装碎石，以防止中间层砂体的流失。在护筒沉入后，为减少砂和碎石流失，应及时在护筒四周抛袋装砼围护。

图3为人造基床稳桩方案示意图，该方案在港口码头工程中应用广泛，曾应用于上海洋山深水港、浙江马迹山中转港等多个工程项目中。在海上风电领域该方案可有效应用于岩基裸露、完全无覆盖层机位的嵌岩施工，但海上风电单桩基础与港口码头中的桩基相比桩径更大，若采用该种方案工程量将较大。

四、导管架式稳桩方案

导管架式稳桩方案采用钢管或箱梁焊接成简易导管架平台，通常为4桩或6桩结构，通过将桩基打入海床一定的深度来保证结构的稳定性，进而保证平台内护筒的稳定性。图4为某项目中海上风电植入式单桩基础施工所用稳桩系统示意图。在该方案中，稳桩系统由钢架、桩基（小桩）、中心筒组成，钢架与桩基之间通过卡键联接，从而实现平台水平度调整及平台顶高程调整的目的。钢架中间有一护筒与钢架整体焊接在一起，护筒内放置中心筒，护筒和中心筒中间通过液压千斤顶装置联接，以调整中心筒的垂直度。施工时需根据具体机位地形起伏情况先将导管架与周围固定小桩基进行预组装，然后整体吊入海水中，通过振动锤将固定小桩打入泥面一定深度，调平后将卡键锁死，之后将中心筒吊入护筒中，并通过打桩锤打入泥面一定深度，完成后在平台上口通过螺栓将中心筒与平台固定，形成一个整体，之后便可在上面架设钻机进行嵌岩钻孔作业。

图2 钢套箱稳桩与钻孔施工

图3 人造基床稳桩方案

图4 导管架式稳桩方案

导管架式稳桩结构具有安装方便（可整体式吊装）、承载能力强、稳定性好、适用水深大、可重复利用等优点，是海上风电领域作为辅助平台的首选方案，在国内海上风电施工用支腿船缺乏的情况下，中交三航局曾利用四桩导管架式稳桩方案来控制单桩打桩的垂直度，国内首台成功实施的海上风电植入式单桩工程——福建南日风电项目也是采用导管架式方案作为嵌岩钻孔的稳桩平台。

导管架式稳桩平台应用分析

一、工程概况及稳桩平台结构

以某海上风电项目植入式单桩工程为例。该工程中海底覆盖层较浅，桩基无法直接打入，只能采用重力式基础或植入式桩基的方案。考虑到重力式基础工期较长、成本较高，故最终采用植入式单桩的方案。场区地质参数如表1所示。

该工程采用6桩导管架式平台作为稳桩嵌岩钻孔平台，如图5所示。稳桩平台由一体焊接的护筒、导向套与钢架组成，6片主钢架相对中心筒呈对称辐射布置，均与主钢架焊接，其远端仍用钢架联成六方体，使整个稳桩平台成为一个大强度空间结构。主钢架的远端焊接有6个钢管桩的导向套，钢管桩的上段与导向套内孔为较精密的间隙配合，下端与导向管的间隙略大，并与导向套间用卡键式方式联接，卡键联接的轴向间隙用螺杆（钉）调节。该平台可实现快速安装，承载能力大，具备承载钻机荷载和海洋环境荷载的能力。承载时以平台承载为主、中心筒承载为辅，不仅适用于厚软地层，在薄软地层（2～3m）中也可保持较好的稳定性。稳桩平台的具体参数如表2所示，施工时所用钻机的钻头重量为330t，主机重量340t，钻杆约130t，额定扭矩1000kN·m。

图5 稳桩平台

表1 土壤地质参数

表2 稳桩平台参数

二、中心护筒埋置深度

植入式单桩钻孔时，中心护筒内泥浆液需保证一定的水头高度。为防止局部渗透、护筒底穿、管涌等现象的发生，中心护筒埋入土中的深度一般要求在密实土中最少3m以上，并应考虑冲刷的影响。在施工期埋入局部冲刷线以下至少1m，必要时护筒周围应适当围护，如遇淤泥层、软土层，则护筒应穿过该层土。施工前可根据《公路施工手册·桥涵》中的计算方法按公式（1）估算护筒入土最小深度，计算简图如图6所示。

式中，L为护筒最小埋置深度，m；H为施工水位至海床表面的深度，m；h为护筒内水头，即护筒内水位与施工水位之差，m；γ浆为护筒内泥浆容重，kN/m3；γw为海水的容重，kN/m3；γsat为护筒外海床土的饱和容重，kN/m3。

当只有一层土时可按式（2）计算，当存在多层土时，应取所有土层的加权平均值，如式（3）所示。

式中，Gs为土粒比重（土粒的相对密度），当缺乏地勘参数时，砂土可取平均值2.65，粘性土可取2.70；e为饱和土的孔隙比，一般砂土为0.33～1.0，粘性土为0.17～0.43，软土为1.0～2.3。

当护筒穿过几种不同的土层时，γsat应取各层土的加权平均值，即：

式中，γsati为第i层土的饱和容重，kN/m3；li为第i层土的厚度，m。

根据地质勘查报告，该工程中上部覆盖层为①淤泥质粉质粘土，厚度4m，土粒比重Gs＝2.74，孔隙比e＝1.42；②散体状强风化花岗岩，厚度3.2m，土粒比重Gs＝2.7，孔隙比e＝0.566。由此计算γsat1为17.19，γsat2为20.86。

将γsat1、γsat2代入式（3）得γsat＝ 18.82kN/m3。

钻孔施工时水面距海床高度H＝12.76m，水头高度h约为1.5m，护筒内泥浆容重为11.50kN/m3，海水的容重取为10kN/m3，将以上数值代入式（1）得L为5m。

为防止护筒底穿、渗透等现象的发生，该机位处护筒入土深度应大于5m，工程实际中除了考虑水头作用下土体的稳定性外，还要考虑平台整体在浪流及钻机荷载作用下的稳定性以及地基的承载力。

三、结构分析

平台作业时会遭受钻机以及海洋环境的荷载作用，为保证结构的可靠性，施工前需对稳桩系统的强度、刚度、稳定性、桩基承载力等进行校核分析。分析时应考虑钻孔作业、风暴自存、安装拆除等工况，下面以钻孔作业时的工况为例对该平台的安全性进行校核分析。

钻孔工作工况下计算校核采用5年一遇环境条件，工程场区平均水位为0.225m（85高程），不同水位下对应波高、周期如表3所示，表层流速1.2m/s，5年一遇风速为26.24m/s。

图6 中心护筒埋置深度计算示意图

表3 波浪水文要素（5年一遇）

稳桩平台系统所受的风荷载可按下式计算：

式中，K为受风构件形状系数，可参考《API RP 2A-WSD—2014 海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法（工作应力设计法）》（以下简称“API RP 2A”）相关规定；Kz为高度系数，海平面以上0～15.3m范围内可取1.0；P0为基本风压，P0＝0.613v2，v为海平面以上10m高度处风速。

稳桩系统所受的波浪、海流载荷可采用Morison公式计算，当流与波浪叠加时，在计算荷载前应首先计算出流速与波浪的水质点速度的矢量和，单位长度上结构所受的浪流荷载为：

式中，FD为单位长度的拖曳力，kN/m；FI为单位长度的惯性力，kN/m；ρw为海水密度，kg/m3；D为杆件横流向的投影宽度，m；CD为拖曳力系数；u为浪流叠加作用下水质点速度在垂直于杆件轴线方向的分量，m/s。CM为基于单位长度的排水质量的惯性力系数；.u为浪流叠加作用下水质点加速度在垂直于杆件轴线方向的分量，m/s2。

计算分析采用有限元软件SACS完成，计算所用波浪理论选用流函数理论，桩土相互作用考虑土壤非线性，由PSI分析模块进行处理。为保证稳桩系统稳定性，固定桩和中心护筒应尽量打入覆盖层中，本工程中按照固定桩和中心护筒打入泥面下7m来进行校核。经过计算分析，得出强度分析UC值分布如图7所示，最大UC值为0.15，发生在稳桩平台底层水平杆件上，中心护筒位移和转角计算结果如表4所示。

由分析结果可知，结构的强度值、位移、转角都较小，能够满足安全性和钻孔功能性要求。为校核稳桩系统的稳定性，对平台系统桩基承载力进行计算分析。中心护筒及桩基承载力按照式（6）计算：

式中，Qf为桩（中心护筒）侧摩阻力，kN；Qp为桩（中心护筒）端阻力，kN；f为单位桩长（中心护筒）侧摩阻力，kPa；As为桩（中心护筒）侧表面积，m2；qu为单位桩端承载力，kPa；Ap为桩（中心护筒）端总面积，m2；

对于打入到粘土层中的钢桩：

图7 强度分析UC值分布图

表4 中心护筒位移计算结果

表5 桩基承载力计算结果

式中，α为粘着系数，可参考API RP 2A规范；c为相应点土壤不排水抗剪强度。

对于打入到砂性土层中的钢桩：

式中，K为地层侧压力系数，对轴向压缩荷载K＝0.5～1.0；P0为计算点的有效上覆土压力，kPa；δ为桩与土之间的摩擦角，一般取δ＝φ－5，φ为土的内摩擦角；Nq为承载力系数，可参考API RP规范。

基于以上方法，当固定桩及中心护筒入泥7m时，计算得到两者的土壤抗压承载力、抗拔承载力，并通过有限元软件对钻孔时不同水位下的工况进行分析，得到固定桩受到的最大轴向压力和最大轴向拉力，如表5所示。通过比较分析可知，此时对于固定桩土壤抗压承载力安全系数为1.51，抗拔承载力安全系数为1.15；对于中心护筒钻孔工作时只受到轴向压力，土壤承载力安全系数为1.51。考虑到该稳桩系统仅作为海上风电植入式单桩基础钻孔施工时的临时结构物，施工时需选择海况较好的天气，在此条件下本文认为承载力安全系数大于1即符合安全要求，故该稳桩系统桩基承载力能够满足施工时要求。

摄影：苏雷

结语

本文对海上风电植入式单桩施工嵌岩稳桩系统进行了研究分析，借鉴跨海大桥、港口码头嵌岩桩施工经验，提出并分析了大直径单桩嵌岩稳桩的不同方案，并以具体工程为例，针对导管架式稳桩系统进行了计算分析。分析可知该平台能够满足该工程钻孔作业的要求，实际工程中稳桩平台系统除了满足正常作业安全性外还须校核安装拆除工况、极限自存工况的安全性，并针对具体的工程特点制定相应的应急撤离方案，考虑到嵌岩钻孔时间较长，必要时还需对平台关键节点进行局部分析和疲劳分析。该研究方法可为后续嵌岩施工稳桩系统的选择、校核评估提供参考，对于促进我国岩基海床海上风电的开发具有重要意义。