海上风电大直径植入型嵌岩单桩关键技术

朱嵘华， 王恒丰， 田振亚， 张融圣， 孙 香， 徐清富

(1. 浙江大学 海洋学院， 浙江 舟山 316021；2. 阳江海上风电实验室， 广东 阳江 529500)

0 引 言

单桩基础结构简单、技术成熟，在海上风电场的建设中得到广泛应用。我国在江苏沿海地区建设了大量单桩基础的风电场，这些地区地基为软土，可直接通过液压冲击锤将桩打入海床底部。然而，在福建、广东、广西沿海地区，地基中存在大面积的浅覆盖层和裸岩地层，开发适合这些海域的基础型式已经成为迫切的需求[1-4]。

对于欧洲已经建设的海上风电场，传统单桩基础进入的岩层主要以砂岩和砾岩为主，岩石的单轴抗压强度较低，一般在5 MPa左右。不同于欧洲海域的海上风电海床地质条件，在国内的基岩地质条件下，桩基持力层主要由强风化岩、中风化岩或弱风化岩组成，其中弱风化岩的轴心单轴抗压强度甚至可达130 MPa[2,5-6]。由于浅层淤泥、砂土的承载力弱，而深层基岩的单轴抗压强度大、完整性佳，单桩桩体可牢固地嵌入已经钻好的岩孔中，因此采用大直径植入型嵌岩基础是一种创新的基础方案，其在结构受力、单桩和钻孔侧隙的连接方式等诸多方面也有其特点。

校建东等[1]采用数值模拟的方法分析大直径嵌岩单桩基础的敏感性参数对其承载能力的影响，但未建立灌浆料的数值模型，未考虑灌浆料的力学特性和基岩材料的区别；孙小钎等[7]介绍植入式嵌岩桩基施工方案、施工所用整体式平台和钻孔工艺，但未详细叙述灌浆工艺和灌浆设备的应用；郭新杰等[8]介绍斜桩基础嵌岩施工中的导管架整体式嵌岩施工钢平台及相应的钻头滚刀。

本文总结前人的创造与研究，分析国内风电场地质特性，对大直径植入型嵌岩单桩基础孔隙填充材料选择、灌浆工艺和灌浆设备进行介绍，分析风险点并提出解决措施，并建立桩-基岩-灌浆料模型，对桩身、灌浆层和岩土的最大应力进行校核。

1 海域海床地质特征

岩石的地质成因、分化程度等具有多样性，因此对于其性能的研究也呈现复杂性，目前对于基岩的评价较为局限，较多采用岩石的单轴抗压强度和岩石质量指标(Rock Quality Designation，RQD)等进行基岩地质评价。对于基岩的桩基础计算分析，美国石油协会(API)和挪威船级社(DNV)规范并没有如砂土和黏土地质那样给予详细的设计指导和说明。

目前在开发的中国海域基岩海床地质条件以花岗岩和片麻岩为主，根据分化程度的不同，划分为全风化、强风化、中风化和弱风化岩石地质：全风化岩层由于其地质风化程度较高，多数呈现砂土的特征；强风化、中风化岩石风化程度相对较低，介于全风化与弱风化程度之间；弱风化岩层相对致密，风化程度低，且岩石的单轴抗压强度高，有的可达130 MPa，但施工难度非常大。有的场区地质条件相对复杂，在全风化岩层间，有时会存在中风化的岩块，且硬度较高，这给打桩分析和施工带来了挑战[7]。

表1为台湾海峡附近海域海上风电场嵌岩孔位的地质参数。由表1可知，砂土覆盖层的厚度仅15 m，不能够为目前海上风电大直径单桩基础提供足够承载力，需要寻求方法将单桩基础植入岩石中以寻求足够的承载力。对此植入方法关键技术进行介绍，为中国海上风电大直径嵌岩单桩施工提供参考借鉴。

表1 嵌岩孔位地质参数

2 孔隙填充材料选择

植入型嵌岩单桩基础一般先采用大直径嵌岩钻机进行钻孔并清孔，再植入单桩基础，考虑到海上施工难度且植入施工的可行性，一般会在钢管桩与基岩壁之间留有一定的缝隙[9]，缝隙厚度一般为150～250 mm，在打入钢管桩之后，再对缝隙进行填充。对于该缝隙的填充物，需要进行充分的论证。如果钢管桩与钻孔壁之间缝隙采用回填砂土进行填充，虽然短期内不会出现太大的问题，但是风机基础受到风机运行和波浪交变循环载荷的作用会使土体出现松动，钢管桩容易发生倾斜，另一方面，钢管桩的直径达5 m，在海流及波浪的作用下，钢管桩附近会出现涡激效应，海流的扰动将使钢管桩周砂土被冲刷，钢管桩与孔壁缝隙之间的砂土有被掏蚀的风险，随着钢管桩与孔壁缝隙中的砂土被掏蚀，钢管桩很可能会出现倾斜现象。因此，采用回填土的方式存在很大的安全风险。海上风电灌浆材料在满足上述要求的同时，比普通混凝土材料具有更良好的流动性能，完全可以满足大直径灌浆实施的需要，而且灌浆材料在老化之后，具有一定的强度，有利于将风机和波浪海流的载荷传递至土层中。根据实际要求，嵌岩单桩灌浆强度可选择30 MPa以上，甚至可选择120 MPa，而且灌浆材料具有一定的微膨胀性能，完全可以填充钢管桩与孔壁之间的缝隙，达到良好的使用效果。

在海上风电灌浆材料的研制过程中，材料成分的选用和用量比例的设置都将对灌浆材料的力学性能产生影响，其中砂胶比是一个重要的影响参数。砂胶比即为灌浆材料中骨料与胶凝材料的比例。以石英砂为骨料，以P.Ⅱ52.5水泥为胶凝材料，研究两者配比对灌浆材料力学性能的影响，其中骨料的粗细比例定为1∶1，另加一定量的水和外加剂配制成灌浆材料。不同砂胶比下的灌浆材料力学性能如表2所示，抗压强度为灌浆材料试件养护28 d后所测的强度，流动度为灌浆材料的初始流动度。由试验结果可知，在所研究砂胶比范围内，胶凝材料占比越高，灌浆材料的流动度则越大，而强度则越低，这是因为骨料能够增加灌浆材料的骨架结构，而胶凝材料则能优化灌浆材料整体的流动性能。因此，在灌浆材料的配制过程中，需要选用合适的胶砂比，从而同时保证强度和流动度。

表2 砂胶比对灌浆材料力学性能的影响

另外，嵌岩单桩灌浆空间体积大、水下灌浆可视性差，这会增加灌浆的难度。对此，开发一整套灌浆材料选型、密封方法设计、施工方法设计、灌浆管线布置等关键技术和方法十分必要。

3 灌浆施工工艺

海上灌浆施工为水下作业，施工难度大，另外地质条件复杂，因此合理的灌浆施工方法对于嵌岩单桩施工的安全性和经济性具有重要的意义[10]。对一种植入型嵌岩单桩灌浆施工工艺进行说明，钢管桩灌浆前的结构如图1所示。为防止上表层软弱土塌陷，需要先下放钢护筒，其底部与岩层接触，顶部高于海平面，使用钻机等设备将钢护筒内侧的泥层与护筒底部岩层清空形成桩孔，再用起重机将钢管桩吊入桩孔内定位，钢管桩与清空岩层后形成的岩壁及钢护筒之间形成环形腔。

注：1. 环形腔；2. 钢管桩；3. 钢护筒；4. 泥面；5. 泥层；6. 泥岩交界面；7. 岩层

形成桩孔后，需要对环形腔进行灌浆作业，灌浆管线包括封底灌浆管、岩层灌浆管、泥层灌浆管和应急灌浆管，岩层灌浆管与泥层灌浆管固定于钢管桩之上，其布置图如图2所示，在钢管桩调平后，将封底灌浆管下放至距桩底300～500 mm处，将灌浆料泵送至钢管桩内部，使其充满钢管桩底部，在后续灌浆过程中应匀速提升封底灌浆管，使灌浆口始终位于浆料面下方150～250 mm处，当灌浆至浆料厚度为1 000～1 100 mm时，停止灌浆，移走封底灌浆管，上提钢管桩，使灌浆料进入环形腔，再下放钢管桩，静置24 h，待灌浆料老化后形成封底灌浆层，如图3(a)所示。

注：1.岩层灌浆管；2.应急灌浆管；3.封底灌浆管；4.岩层灌浆管；5. 泥层灌浆管

这时可在钢管桩与钢护筒之间的环形腔内下放应急灌浆管至封底灌浆层上方400～500 mm处。环形腔可分为嵌岩段与非嵌岩段。通过岩层灌浆管对嵌岩段进行灌浆，当环形腔中的浆料面升高至泥层灌浆管的第二灌浆口(见图3(b))时，改用泥层灌浆管对非嵌岩段进行灌浆，直至环形腔的浆料面升高至泥面的位置(见图3(c))。在用岩层灌浆管和泥层灌浆管进行灌浆的过程中，当浆料面高于泥岩交界面时，应匀速提升应急灌浆管和钢护筒，使应急灌浆管的应急灌浆口始终高于浆料面400～500 mm。如果钢护筒提升过快，钻孔壁坍塌，钢管桩周围为松散的泥土，会影响单桩的承载力。如果钢护筒提升过慢，灌浆料凝结，则很难依靠起重机的提升能力将钢护筒拔出，因此在非嵌岩段灌浆时需要协调钢护筒的提升速度与灌浆速度。灌浆速度与灌浆设备的生产能力有关，也与桩孔壁周围的地层状况有关，需要依靠实际施工经验来确定钢护筒的提升速度。

图3 灌浆流程图

只有在岩层灌浆管、泥层灌浆管因故障无法灌浆时，才使用应急灌浆管对环形腔进行灌浆，并让应急灌浆管一边灌浆一边在环形腔中绕钢管桩间断移动，以达到灌浆均匀的目的。在环形腔中的浆料面升高至泥面位置时，把钢护筒吊离泥层，进行钢护筒的回收。

4 灌浆设备

灌浆作业的有序进行需要一套稳定高效的灌浆设备来支撑，灌浆设备就像是大直径单桩嵌岩基础的输液器，为其输送动力以支撑其长期屹立于海洋中。海上风电大直径植入型嵌岩单桩的灌浆设备整体结构如图4所示，整个灌浆设备分为上中下等3层，顶层进料，中层搅拌、控制，底层进水与泵送浆料。

注：1. 灌浆管线；2. 水箱；3. 搅拌机；4. 上水系统；5. 进料筒；6. 灌浆管线；7. 出料口；8. 泵送设备

灌浆管线由多段2～4 m的分段组成，段与段之间通过卡箍与螺栓连接，在灌浆作业开始前，将第1段灌浆管线与泵车出口相连，其余段根据灌浆设备与嵌岩单桩基础的距离进行组装。在管线组装完成后，打开泵送设备和搅拌机，通过上水系统从水箱中抽取清水注入搅拌机中，在存储一定的水量后，打开出料口，将水泄放至泵车前端的卸料斗中，通过泵车向灌浆管线中泵送清水，查看管道的密封情况，若管道中间段漏水，则需拆卸管路，将漏水段进行替换，或加固管道之间的连接；待无漏水后，向搅拌机中加入润管剂，使之对灌浆设备与管路进行润滑，避免未来发生堵管。

在润管结束后，使用施工船上的起重机将灌浆料袋起吊至顶层的进料筒，同时打开上水系统抽取指定质量的拌和水。在灌浆料全部落入中层搅拌机后，打开供水系统的泄水阀门向搅拌机内注入拌和水。搅拌器采用行星式结构，其工作原理为电机通过弹性联轴器带动减速器运动，减速器带动搅拌臂进行自转运动同时进行公转，刮板臂也进行公转运动，从而形成多层次、全方位的搅拌，可以覆盖筒仓内所有位置，保证搅拌的均匀性。灌浆搅拌器的底板和侧壁由耐摩材料制成，以承受灌浆骨料颗粒运动产生的摩擦[11]。待灌浆料充分搅拌均匀后，打开卸料口使其落入卸料斗中，并使用泵车向管路中持续泵送。

由于灌浆料的搅拌时间较长，将灌浆料完全泵送出去也需要一定的时间，灌浆料无法完全储存于卸料斗中，一般情况下先存储于搅拌机中，再按一定的量均匀卸料至卸料斗中。在这个过程中，进料筒无法继续进料，影响整体施工效率。因此，将整个灌浆设备左右对称设置，进料筒、搅拌机、进水系统、水箱的数量均为2个，在其中一台搅拌机进行卸料的过程中，另一台进行搅拌，泵车则不停歇地泵送源源不断下放下来的灌浆料，这样协同作业可大幅提高整个灌浆作业效率。

在泵送期间应按照施工要求对泵送的灌浆料拌和物采样，进行现场流动度测试并浇筑试块进行强度测试。若遇堵管等突发状况，则应立即关闭出料口并关闭泵车，迅速拆卸受堵塞管道，采用高压水枪等工具清除堵塞浆体。若泵车出现故障，则应及时排除设备故障。若停泵半小时以上则必须排净搅拌机内的剩余拌和物，并拆除整条管线并进行清洗。整个应急处置过程必须始终保持搅拌机处于运行状态，避免拌和物凝固在搅拌机内。

在灌浆结束后，拆除末端管道，继续向管内泵送水以清洗灌浆管线。随后逐步拆除各段管线，使用高压水枪清洗灌浆管线和设备，避免残余的灌浆料凝固堵塞管道和机器。

5 单桩基础嵌岩分析

基于有限元软件Abaqus建立桩-基岩-灌浆料模型，灌浆材料采用某商用JGM-SP101型风机基础灌浆料，桩与灌浆料设计输入参数如表3所示，灌浆材料弹性模量是以其老化28 d之后的值作为分析输入条件。

表3 桩与灌浆料设计参数

5.1 模型建立及网格划分

采用库伦-摩尔本构作为上覆层和基岩非线性本构模型，岩土模型参数采用表1所示地勘数据，共划分为7层，设置岩土模型直径为20倍桩径，桩底距岩土模型底面距离为10倍桩径以避免土体边界对计算结果的影响；土体侧面约束水平向位移，底面约束竖向位移。钢桩-灌浆层与灌浆层-土壤接触面采用罚接触约束相对切向位移，采用硬接触约束相对法向位移以避免相互穿透；将刚度较大的桩身外壁和灌浆层外壁分别作为2对接触的接触主面，设置为面-面接触。桩土模型如图5所示。

图5 桩土模型

为提高计算精度并有效减少单元数量，沿土体径向由里向外逐渐扩大播撒种子的间隔，适当降低作为接触主面的桩基的种子密度。所有模型均采用缩减积分的三维8节点单元C3D8R来划分单元，共计3.7万余个单元。模型网格划分结果如图6所示。

图6 模型网格划分

5.2 载荷输入

通过模拟风机的承载能力极限工况进行桩基嵌岩强度校核，承载能力极限状态下的环境载荷设计参数如表4所示，在极端工况下，单桩基础与塔筒连接法兰处所受上部风机载荷如表5所示。

表4 承载能力极限状态下环境载荷设计参数

表5 法兰处上部风机载荷

5.3 强度校核

经有限元分析，得到岩土Tresca应力云图如图7所示，单桩桩身Mises应力分布和灌浆段Tresca应力分布如图8所示。灌浆段最大Tresca应力为15.63 MPa，桩身最大Mises应力为188.3 MPa，经规范[12]校核，其满足极端情况下的风电基础设计要求。

图7 岩土模型Tresca应力云图

图8 桩身和灌浆段应力云图

所开展的分析为嵌岩单桩静力受荷分析，但在风机运行25 a的寿命期内，嵌岩单桩基础持续受到风机疲劳载荷和波浪疲劳载荷作用，在此期间，须保证基岩不会产生破坏、碎裂等现象。因此，对于基岩的破坏机理还需要进一步进行研究和分析。

6 风险点及解决措施

若风电场区地质条件复杂，浅表层为覆土层，在进行嵌岩单桩施工时，先在钢护筒内钻孔至岩石内部，形成桩孔，然后植入钢管桩。但是在施工过程中难免会由于设备的振动、孔隙水压力的变化、土层遇水崩解等造成土层发生局部塌方，最后严重耽误施工的工期。解决方法很多，包括回填砂土、灌浆加强等：如果存在局部塌方的现象，可对桩周局部进行灌浆加强；若出现大面积塌方，则需要验算桩基承载能力能否满足要求，同时考虑回填土或者进行灌浆加强，增加海床垫层以增加表层土覆土压力，保证单桩基础可承受极端的台风载荷以及恶劣的波浪和海流载荷的作用。

7 结 论

随着福建、广东等地近海风电场的大规模开发和嵌岩单桩施工技术的成熟，大直径嵌岩单桩逐渐成为我国海上风电中广泛应用的一种重要基础结构形式，我国的海床地质与欧洲的海床地质差别较大，不能完全照搬欧洲海上风电设计施工经验。基于Abaqus有限元软件对大直径植入型嵌岩单桩进行水平受荷分析，证明嵌岩单桩植入型结构的可靠性；钢管桩与基岩之间的孔隙填充材料需满足高强度、良好流动度等性能要求，以贴合海上风电嵌岩单桩基础的施工需求，在保证风电基础安全的前提下，选择合适经济的灌浆材料是降低大直径植入型嵌岩桩成本的因素之一；植入型嵌岩单桩灌浆施工工艺包括封底、嵌岩段灌浆和泥层段灌浆，同时应设置应急灌浆管以防止其他管线失效；海上风电灌浆设备应包括顶层进料装置，中层搅拌、控制装置以及底层上水与泵送装置等3部分，设计2对进料和搅拌系统以保证灌浆作业的高效性；对于嵌岩单桩基础在施工中塌方的情况，可通过回填砂土、灌浆加强、增加海床垫层等方法进行解决。