海上风电嵌岩单桩钻孔防塌孔技术研究

梅卫东

（江苏龙源振华海洋工程有限公司，江苏 南通 226000）

1 引言

海上风电是我国可再生新能源的主要组成部分，是国家实施环境保护、能源替代的重要支撑，现已进入大规模化发展阶段。目前，我国在建约 6×106kW，2020年实际开工规模超过1.5×107kW。目前，已应用于海上风电机组的基础形式主要有单桩基础、重力式基础、导管架式基础、高桩承台基础、负压筒式基础等。其中，以单桩基础在国内外海上风电场工程应用最为广泛。

2 钻孔施工难点

海上风机嵌岩单桩基础直径一般超过 6m，桩重超过500t，钻孔深度超过 30m，目前已经广泛应用的施工工艺为单桩“种植”工艺，即首先在施工机位搭设钻孔稳桩平台，然后在稳桩平台中心安装内护筒，从而搭建一个稳定的大直径钻孔平台，然后将钻机安装至内护筒顶部进行钻孔，钻出一个比单桩直径略大的孔，最后将单桩放入已经钻好的孔内并在单桩与孔壁之间灌注水下高强度灌浆料。

由于钻孔直径大，地质条件复杂，岩石强度大等各种原因，钻孔过程中经常出现塌孔等现象，严重影响了施工效率。以福建南日岛某风场为例进行统计分析，在该风场已经完成的前30根嵌岩单桩基础中，影响施工进度的因素大致分为塌孔、内护筒卷边、孤石等，其中钻孔塌孔所占比例约为 50%。

3 塌孔原因

3.1 塌孔原因分析

根据福建南日岛某风场的嵌岩单桩施工统计分析，造成钻孔过程中塌孔的原因大致可分为以下 3种。

3.1.1 内护筒深度不足

岩基海床一般是深度越深土层强度越高，内护筒打入深度其本体越稳定。内护筒入泥深度不足往往会导致钻孔过程中内护筒底部处于不稳定状态，底部的土层发生松动进而发生塌孔。

3.1.2 地勘未显示孤石

岩石在风化应力的作用下，其结构、成分和性质已产生不同程度的变异，根据风化程度的不同划分为全、强、中、弱4类。残积土、全风化里面的弱风化、微风化定名为孤石。

海上风电地勘的钻孔直径一般约为 9cm，而单桩钻孔直径比地勘直径大很多，地勘无法完全反映钻孔机位的地质状况，钻孔时会遇到地勘柱状图中未勘测到的孤石，孤石也是造成钻孔塌孔的主要因素之一[1]。

3.1.3 钻机振动因素

岩石强度过高，钻孔压力大会造成施工过程中钻机震动过大，钻机长期震动过大会导致内护筒底部岩土被震送，从而内护筒底部发生穿孔渗漏，渗漏得不到及时封堵后造成塌孔。

3.2 塌孔的现象

钻孔施工过程中发生如下状况，表示极有可能已经发生了塌孔：（1）钻机排浆量突然减少；（2）内护筒内部水位发生变化，最终和海平面齐平；排渣时出现大量贝壳及海底表层残渣。

4 塌孔的预防

预防钻孔塌孔主要有以下几种方法。

4.1 采用合适的钻孔稳桩平台

与传统的海上风电单桩施工稳桩平台不同，因钻孔过程中钻机振动较大，对稳桩平台要求较高，因此，为防止钻孔过程中塌孔，需采用专用的嵌岩单桩钻孔稳桩平台。钻孔稳桩平台是一种可快速将内护筒、整体式平台及钢管桩连接成整体的稳桩平台系统。该稳桩平台具有大承载能力特点，具备承载钻机设备以及平台自重（含钢护筒共约 1000t）能力，同时还需承受波浪载荷在内的海洋环境力。

稳桩平台主要由一体焊接的中心筒、导向套与钢桁架组成，6 片主钢桁架相对中心筒对称辐射布置，均与主钢桁架焊接，其远端仍用桁架联成六方体，使整个稳桩平台成为一个高强度空间结构。主钢桁架的远端均焊接有钢管桩的导向套，钢管桩的上段与导向套内孔为较精密的间隙配合，下段与导向管的间隙略大,并与导向套间用卡键式连接方式连接，卡键连接的轴向间隙用螺杆调节。

4.2 钻孔过程中采用泥浆护壁工艺

泥浆护壁就是在充满水和膨润土等其他外加剂的混合液的情况下，对于地下钻孔等工程，泥浆对孔壁的静压力和泥浆在孔壁上形成的泥皮可以有效地防止孔壁坍塌。

海上风电大型嵌岩单桩的施工中，首先是利用安放内护筒来隔断施工孔和外界的连接，由于护筒的长度以及地层影响，往往内护筒底部无法安放到弱风化层岩层。在钻孔过程中，由于排渣等因素的影响，护筒内侧水位往往比护筒外侧水位高，内外形成压力差，再加上钻进过程中钻头的转动造成内护筒的震动，在钻头钻进超过护筒底部后存在塌方的风险。在钻进过程中添加膨润土造浆护壁可以很好地降低塌方的风险。

5 塌孔的处理方法

如果钻孔过程中出现穿孔渗漏情况，可按照以下施工方法进行堵漏处理：用测绳沿着内护筒周围测量泥面高程，查看是否有部分区域泥面高程出现了较大的变化；或者让潜水沿着护筒外侧进行探摸以确定最终外侧穿孔范围，潜水员进入护筒内部进行探摸来确定内部穿孔情况以及护筒四周岩石情况，根据潜水员探摸情况制定具体堵漏方针：（1）如果护筒四周塌方范围较大而且护筒底部还未到达岩石时，使用继续锤击内护筒来封堵漏点。锤击能量需控制好，防止锤击造成内护筒卷边。（2）如果护筒四周塌方范围较小而且护筒底部已经有部分达到岩层，使用临时封堵外侧灌浆的方法来封堵漏点。外侧灌浆时要充分考虑潜水员临时封堵的地方沉载力，外侧可以分几次灌浆。外侧灌浆全部结束后使用沙袋将灌浆料和泥面接合处压死，防止继续抽缝渗漏。

塌孔堵漏完成后，后由于护筒外侧潮水变化，内护筒里面需要架设水泵来控制水位和外侧齐平，减少压差，以防止临时堵漏继续穿孔，待堵漏全部完成后方可继续进行钻孔施工。

6 结语

本文简述了海上风电大直径嵌岩单桩钻孔防塌孔技术，包括钻孔塌孔的原因分析、预防塌孔的方法以及塌孔处理的方法，该钻孔防塌孔技术已在福建南日岛某海上风电场项目得到了广泛应用。实施效果好、效率高、成本低、安全性好。不仅大大提高了海上风电大直径嵌岩单桩的施工效率，也推动了国内海上风电嵌岩单桩技术的大规模应用和发展。