浅谈海上风电浅覆盖层地质孤石解决方案

王爱国，黄 俊，邓柏松

(1.长江三峡集团福建能源投资有限公司，福建 福州 350001；2.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

随着海上风电的大力发展，风电机组的单机容量越来越大，加上中国南方海域台风频发，对桩式基础的尺寸要求也越来越高。伴随着近年福建和广东海上风电的大规模开发，遇到的又一个难题就是场区浅覆盖层普遍较浅，如福建兴化湾海上风电场、广东南澳海上风电场以及广东阳江海上风电场等。综合考虑大容量机组、台风和浅覆盖层地质带来的问题，主要有以下三点：一是增大了基础的设计和施工难度，二是降低了桩式基础的地质适应性，三是大幅增加工程施工成本。本文从风机基础施工前和施工时遇到孤石[1]的两个角度提出解决方案，为后续类似工程施工提供借鉴。

1 浅覆盖层场址

浅覆盖区一般指第四系厚度小于100 m，为植被、草皮、黄土、残坡积连续覆盖的丘陵山区和冲积、洪积平原区，覆盖层面积占图幅面积大于或等于50%的地区。对于海上风电，浅覆盖层地质可以理解为风化岩埋深较浅，钢桩能直接沉入风化岩一定深度，但无法达到指定标高的地质。由于钢桩长度与风机荷载量级、建设场址的环境荷载、浅层土承载能力等有关，浅覆盖层地质通常需要钻孔跟进或进行钻孔灌注嵌岩桩。

风化岩划分为未风化岩、微风化岩、中等风化岩、强风化岩、全风化岩与残积土，沉桩难度依次减弱。通常一定厚度的全风化层钢桩能直接穿透，强风化岩因岩性和标贯击数值的差异性较大，通常只能进入部分深度，其他风化岩基本不能沉入，所以风化岩限制了钢管桩长度方向的设计。

孤石是残留于风化岩体中，多为中-微风化状，周围岩体多为全风化状，主要是不均匀风化的产物(如花岗岩的球状风化)，一般独立存在、埋深较浅。

福建和广东近海海域的浅覆盖层下伏岩体以花岗岩为主(见图1)，因风化程度不同，在强风化和全风化岩中极易存在孤石，且强度较高，若桩基础设计标高低于孤石存在标高，基本不能直接沉桩到位，且容易发生不确定风险。

图1 海底岩石取样图

2 孤石影响

受制于现有海上勘测方法的局限性，较难准确发现场址内孤石分布的位置和大小，如果在沉桩过程中遇到未知的孤石，可能会出现以下问题：

1)沉桩达不到指定标高，桩基轴向承载力不满足设计要求且承受较大水平抗力，需要割除高于桩基设计顶标高多余部分；

2)由于岩石的强度较高，极易发生钢管桩卷边的风险，结构安全性降低，若发生卷边，需要潜水员下潜处理，一是影响工程进度，二是下潜风险大，小直径刚装难度更高。

3 解决方案

针对浅覆盖层可能存在的孤石影响，可根据孤石发现的时间点，提出不同的解决方案。

3.1 沉桩前解决方案

3.1.1 地质勘测

高质量的地质勘测是海上风电基础设计的关键点，一是决定了可采用的基础结构形式，二是可有效降低后续设计和施工的风险。

1)地球物理勘探。地球物理勘探是指通过研究和观测各种地球物理场的变化来探测地层岩性、地质构造等地质条件。该方法兼有勘探与试验两种功能，和钻探相比，具有设备轻便、成本低、效率高、工作空间广等优点。但由于不能取样、直接观察，故多与钻探配合使用[2]。

虽然地球物理勘探对发现体积较小孤石比较困难，且只能解决剖面上的问题，但通过该方法有利于工程设计人员对整个场址地质分布的判断(见图2)。

图2 海上地球物理勘探图

2)钻探取芯。地质钻探坐标通常布置在风机机位的中心，各类型风机基础的桩径一般在1.7～8.0 m，群桩桩径较小，单桩桩径较大。由于钻探钻杆直径通常较小(约110 mm)，浅覆盖层岩基面变化幅度大，钻孔的地质分层并不能完全代表机位地质分布特点，建议对于群桩基础，可按照一桩一钻孔处理，对于大直径单桩基础的钻探可以布置在桩周上，建议不少于3个，若桩径再增加，钻探孔数量可相应增加。

3)微观选址。结合物探和钻孔数据成果，对风机机位进行微观选址时，尽可能避开孤石，对机位微小挪位，可直接节约投资、加快进度(见图3)。

3.1.2 基础选型

对于发现有孤石的机位，如孤石埋深较浅，桩基承载力不能满足设计要求时，可以考虑采用嵌岩桩[3](如灌注嵌岩桩和III型嵌岩桩等)或浅基础(如重力式基础和负压筒基础[4]见图4)。

3.2 沉桩后解决方案

孤石的强度一般较高，有的地区可以达到100 MPa以上，如桩基遇孤石，锤击能量过大时，可能到导致钢桩无法继续沉入或发生变形。

3.2.1 割桩处理

如果钢桩发生卷边，导致钢桩不能继续跟进和钻孔灌注，必须割除水下卷边部分，以便进行下一步操作。割桩在大桥施工中较为常见，技术较为成熟，但是耗时时间较长，增加了工程造价(见图5)。

图3 地球物理勘探结合钻孔图

图4 浅基础结构图

图5 水下割桩图

3.2.2 植桩和桩身补强

常规的钻机(如旋转钻、旋挖钻[5]和冲击钻，见图6)钻孔直径小于钢桩内径，即使钻孔可以达到钢桩底部以下一定深度，但由于钢桩底部孤石的强度过高，继续跟进的可能性较小。对此可以采取以下两种处理方法。

1)植桩。考虑在桩内钻孔，植入一根直径较小的桩，小桩长度大于原桩桩长，并在两桩之间灌注混凝土，形成一个组合桩。

2)桩身加强。将钢桩卷边部分割除后，下部采用加强型灌注桩(将钢筋型号和混凝土等级提高)，由于刚桩进入土层的深度减短，桩基承载力降低，可以在海床采取防冲刷措施，变相提高土层承载力。但是应注意尽量避免灌注桩段承受桩身最大弯矩。

图6 常规嵌岩钻机图

3.2.3 扩孔跟进

在钢桩底部采用扩孔钻机，将孤石进行处理，扩孔孔径略大于钢桩直径即可继续跟进钢桩。该方案桩基结构受力较桩身加强方案好。但应注意扩孔钻孔可能需要根据桩径定制，时间较长；另外扩孔钻会产生较大扭矩，嵌岩平台也需做加强处理(见图7)。

图7 扩孔钻机图

4 案 例

福建区域某海上风电场桩基础施工过程中，遭遇孤石地质，导致钢管桩底卷边。因处理工法经过充分咨询与论证，取得较好的效果。

4.1 沉桩及钻孔情况

钢管桩直径3.2 m，设计桩长52 m，设计桩顶标高为10 m，采用YC60型打桩锤沉桩，累计锤击数为1 126次，最大锤击能量为960KJ，最终贯入度为6.3 mm/击。停锤后，实际桩顶标高为16.2 m，桩底标高为-35.84 m，开始进行钢管桩钻孔。在钻孔过程中，发现利用直径2.8 m冲击钻头钻孔至孔底标高为-32.2 m处时，冲击过程中钻头不稳，出现“偏锤”、“卡锤”现象，分析怀疑钢桩内有孤石。将卡锤提出，即回填片石至-28.8 m处，继续利用2.8 m直径冲击钻头继续进行冲击后，仍持续出现卡锤现象，推断可能钢管桩有变形。

4.2 主体钢管桩底口变形检查情况

发现钢桩疑似变形情况后，安排潜水员进行了下探摸检查，发现钢管桩在-28.26 m(标高)处有明显变形，变形处宽度约1 m，高度约0.6 m。调整钻机位置，采用直径2.2 m冲击锤继续进行钻孔作业，在钻进至-32.24 m时，仍发现卡锤现象。再次安排潜水员水下探摸检查，结果见图8。

经多次调整钻机位置后，利用2.2 m直径冲击钻头正常钻进，从标高-33.64 m钻进至-35.1 m，出现持续卡钻现象；利用移动钻机位置进行多点钻进，后冲击至标高-37.04 m，至钢桩底以下1.3 m，停止钻进，并进行清孔。第三次安排潜水员水下探摸检查，发现钢管桩在-28.26 m(标高)处有明显变形，变形由-28.26 m(标高)延伸至钢管桩桩底(-35.84 m)，变形高度约7.64 m(当前孔底标高-37.04 m)；钢管桩桩底变形处宽度约1.5 m(向钢桩内凹陷)，凹陷点前部距钢桩壁最小距离1.6 m。钢桩内孔壁光滑，无破损开裂，钢桩底口周边均已露出，测钎探摸钢桩底口壁外为散体状强风化花岗岩。

利用超声波成孔检测仪在钢管桩孔内进行多断面量测，根据测量数据汇总后见图9，与潜水员探摸情况基本一致。

4.3 成因分析

根据事件经过分析和检查情况，对于主体钢管钢桩变形，疑为在-28.2m位置，钢桩壁外侧有大漂石(孤石)，漂石外岩恰贴近(或有小部分探头石)主体钢管桩，在主体钢管桩锤击下沉过程中逐渐挤压钢桩，导致钢桩变形(见图10)。

图8 潜水员水下探摸情况图

图9 超声波成孔检测仪测量数据汇总图

4.4 处理方案

钢管桩不再跟进，切割并取出钢管桩变形部分，按原设计要求对钢管桩进行嵌岩施工，嵌岩深度保持不变。经载荷计算后，适当加大钢筋笼主筋直径，按原设计方案进行钢筋笼施工和回填混凝土。

为防止孔内出现翻沙和漏水，确保水下切割作业安全，防止对覆盖层土体产生破坏，确保后续嵌岩桩施工可行性，先采用高压旋喷桩注浆加固工法对桩周土体进行加固处理。完成后，采用1 m直径钻头进行冲孔，保证钢管变形部分具备水下切割条件。将变形部分钢板进行水下切割后取出，完成后，采用混凝土灌

图10 主体钢管桩变形情况汇总图

注，回填至钢管桩变形部分以上2 m，达到强度后，再进行嵌岩桩钻孔施工。

5 结 语

国内海上风电起步较晚，但是建设条件远比欧洲困难，台风、地震、浅覆盖层等都是国内建设者面临的难度。特别是覆盖层地质较为复杂，给设计和施工带来极大的不便，一是通过前期充分准备，可以降低孤石带来的风险，建议适当增加前期地勘费用，提高地质参数和地质分布的准确性，二是给设计更充分的时间密切联系施工单位，比选最优基础形式和优化基础结构；三是后期采取合理的解决方案，可以有效保证结构的安全。

虽然浅覆盖层场址先期建设成本较高，教训深刻。相信随着多个类似场址的经验积累，定能很好的优化基础设计和施工方案，达到降低工程建设成本的目的，让国内风电建设具有竞争性。