羅承浩

（福建省巖土與環(huán)境企業(yè)工程技術(shù)研究中心/福建永強(qiáng)巖土股份有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引 言

隨著國家提出“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略及“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，海上風(fēng)電作為綠色可再生清潔能源，近年來發(fā)展迅猛，屬海洋熱點(diǎn)工程[1]。海上風(fēng)機(jī)為高聳結(jié)構(gòu)物，其基礎(chǔ)在承受復(fù)雜的海洋環(huán)境作用下，支撐整個風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定和安全性[2]。樁基礎(chǔ)是海上風(fēng)電廣泛使用的一種基礎(chǔ)型式[3]，但在砂層、殘積土、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等特殊復(fù)雜地層中，樁基礎(chǔ)施工易引發(fā)樁周土體發(fā)生松動塌陷進(jìn)而涌堵鉆孔，阻礙樁基后續(xù)施工成樁，樁基承載力也下降，影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全，須對樁周塌陷地基進(jìn)行加固處理。

海洋風(fēng)、浪、涌、流等特殊的環(huán)境相比陸地更為復(fù)雜惡劣，地基處理施工難度大大增加。此外，海上風(fēng)電多樁承臺基礎(chǔ)均為斜樁，給樁基礎(chǔ)周圍塌陷地層的加固施工帶來更大挑戰(zhàn)。目前陸地環(huán)境地基加固技術(shù)已有較為深入的研究與應(yīng)用[4]，而針對海上風(fēng)電等海洋工程的地基加固多停留在樁-土相互作用的理論及試驗(yàn)研究階段[5-10]，海洋地基加固應(yīng)用案例鮮有報道，缺乏成熟可行的工藝技術(shù)及施工應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)參考。

本文結(jié)合海上風(fēng)電樁周土加固處理工程實(shí)例，重點(diǎn)介紹了海洋塌陷地層的加固方案、樁內(nèi)及樁外斜向?qū)蜓b置、斜孔鉆進(jìn)技術(shù)、靜壓斜孔注漿及高壓旋噴斜樁的復(fù)合地基處理技術(shù)工藝，并通過檢測說明海上新型斜向復(fù)合注漿加固技術(shù)可行、效果較好，為其它海洋工程的地基處理項(xiàng)目施工提供一定的指導(dǎo)與借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

福建沿海某海上風(fēng)電場項(xiàng)目，規(guī)劃場址總面積約20 km2，海域水深一般為10～25 m，離岸距離約5 km，總裝機(jī)容量200 MW，共布置29臺風(fēng)機(jī)（單機(jī)容量7 MW），采用的基礎(chǔ)形式為高樁（斜樁）承臺基礎(chǔ)（見圖1），六樁承臺或八樁承臺基礎(chǔ)（主要為鉆孔嵌巖鋼管樁基礎(chǔ)，采用先振動沉樁-后鉆孔嵌巖-再振動沉樁-灌注混凝土工藝），樁基傾角5∶1，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計級別為I級，基礎(chǔ)設(shè)計使用年限為25年。

圖1 高樁承臺基礎(chǔ)設(shè)計圖Fig. 1 Design of high pile cap foundation

1.2 地質(zhì)條件

如圖2所示，根據(jù)地勘資料揭示，在鉆進(jìn)深度控制范圍內(nèi)，地層主要有淤泥層、含泥細(xì)砂、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、中粗砂層、全風(fēng)化花崗巖、散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖等。

圖2 典型地質(zhì)剖面圖Fig. 2 Typical geological profile

1.3 問題及原因

樁基施工過程中，先振動鋼管樁下沉，到地層一定深度無法繼續(xù)下沉后，采用嵌巖鉆機(jī)樁內(nèi)鉆孔，發(fā)現(xiàn)鉆孔施工過程中樁內(nèi)水位下降，從樁外自底部往上漏水，且樁內(nèi)涌砂造成鉆機(jī)鉆頭掩埋卡鉆，阻礙鉆孔施工，水下探摸發(fā)現(xiàn)樁周土層塌陷，樁一側(cè)有明顯塌陷區(qū)，塌陷區(qū)域較大，呈漏斗型狀，通過鉆探進(jìn)一步查明，在樁的四周泥面以下 4～12 m深度范圍存在較多孔洞，且有一條明顯的漏水通道至樁底（見圖 3）。主要是由于砂層、殘積土和砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等復(fù)雜地層的存在，因受到打樁及鉆孔施工等外力影響加上遇水容易發(fā)生軟化水解，引發(fā)樁周地層塌陷造成樁內(nèi)涌砂封堵，樁周土松動，樁側(cè)摩阻力會因此降低，須對樁周土體進(jìn)行加固處理。

圖3 樁周土塌陷示意圖Fig. 3 Schematic diagram of soil collapse around the pile

2 加固方案

2.1 方案設(shè)計

樁周塌陷土加固處理的目的是加固土層、充填樁周土裂隙、使樁外側(cè)與周圍的土膠結(jié)成密實(shí)的整體，確保樁基后續(xù)成樁施工，也提高樁側(cè)摩阻力，進(jìn)而提高樁基承載力。

根據(jù)斜樁基礎(chǔ)情況，研發(fā)同等傾斜度的斜向?qū)蜓b置，并基于此裝置，采用斜孔靜壓注漿及高壓旋噴斜樁的復(fù)合地基處理手段，充分發(fā)揮靜壓注漿擴(kuò)散范圍大和高壓旋噴樁加固范圍可控及強(qiáng)度高的各自優(yōu)勢，先樁內(nèi)引斜孔靜壓注漿密封鋼管樁樁底，隨后在樁外采用高壓旋噴注漿對樁周土進(jìn)行加固形成強(qiáng)度高的水泥土樁柱體，以堵住樁周的漏水通道，再進(jìn)行樁外斜向靜壓注漿補(bǔ)強(qiáng)加固，將樁周土的底部和側(cè)部一定范圍充分固化，使斜樁基礎(chǔ)和周圍塌陷地層充分聯(lián)結(jié)成整體（見圖 4），確保樁基后續(xù)鉆孔及沉樁施工，也大大提高樁基摩阻力。參考相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，加固后的地層取芯芯樣室內(nèi)抗壓強(qiáng)度值設(shè)計要求達(dá)1 MPa以上。

圖4 地基加固效果示意圖Fig. 4 Schematic diagram of foundation reinforcement

2.2 施工工藝

海上風(fēng)電樁周塌陷土體加固處理施工流程如下：

（1）樁內(nèi)制作安裝斜向?qū)蜓b置、引斜孔注漿

如圖5所示，設(shè)計制作圓形木質(zhì)導(dǎo)向板，板外徑略小于鋼管樁內(nèi)徑，導(dǎo)向板內(nèi)離板邊緣 500 mm的圓周上等間距開好4個孔洞，孔洞直徑150 mm（大于套管外徑），4根PVC導(dǎo)向套管（外徑140 mm，內(nèi)徑130 mm）穿過孔洞后從樁內(nèi)下放，每隔5 m設(shè)一塊導(dǎo)向板[11]，下放至樁底位置后XY-300鉆機(jī)調(diào)整傾斜角度，沿著導(dǎo)向套管內(nèi)下放鉆桿鉆頭，開鉆引孔至樁底以下2 m，鉆孔直徑110 mm，鉆孔過程中要詳細(xì)記錄好鉆桿節(jié)數(shù)，保證鉆孔深度的準(zhǔn)確。

圖5 樁內(nèi)斜向?qū)蜓b置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the inclined guide device inside the pile

制備水泥漿首先將水加入桶中，再將水泥倒入，開動攪拌機(jī)攪拌10～20 min，而后擰開攪拌桶底部閥門，放入第一道篩網(wǎng)（孔徑為0.8 mm），過濾后流入漿液池，然后通過泥漿泵抽進(jìn)第二道過濾網(wǎng)（孔徑為0.8 mm），第二次過濾后流入漿液桶中，待壓漿時備用，水灰比1∶1。

引孔過程下放PVC保護(hù)套管，引孔完畢拔起鉆桿，在保護(hù)套管內(nèi)插入單根注漿花管，再拔起PVC保護(hù)套管，隨后將配置的水泥漿進(jìn)行樁底靜壓注漿，水泥漿壓入填充樁端空隙，也填充樁內(nèi)到一定高度為止，使得樁內(nèi)密封（見圖6），避免后續(xù)樁外注漿時從樁內(nèi)跑漿泄壓，影響后續(xù)樁外旋噴和注漿的效果。

圖6 樁內(nèi)注漿圖Fig. 6 Grouting in pile

（2）樁外制作安裝斜向?qū)蜓b置、引斜孔高壓旋噴注漿

高壓旋噴注漿具有漿液擴(kuò)散范圍可控、加固強(qiáng)度高的特點(diǎn)，樁內(nèi)注漿初凝后即可開始樁外高壓旋噴注漿。

在鋼管樁上每5 m安裝鋼管環(huán)抱接扣，每個接扣上有16個導(dǎo)向孔（孔徑200 mm，孔中心距離鋼管樁邊0.5 m，8個孔用于樁外高壓旋噴注漿，8個孔用于樁外靜壓注漿，見圖7和圖8），導(dǎo)向孔數(shù)量根據(jù)設(shè)計方案可調(diào)，安裝時注意各個導(dǎo)向孔的位置要一致，偏差不超過30 mm，再下放導(dǎo)向鋼套管（內(nèi)徑130 mm）穿過導(dǎo)向孔，保證導(dǎo)向管與鋼管樁的傾斜度要一致，導(dǎo)向管的內(nèi)壁必須光滑[12]。導(dǎo)向管下放穿過海床面插入泥面以下一定深度穩(wěn)固為止，必要時應(yīng)有潛水員配合安裝。

圖8 導(dǎo)向裝置制作及安裝圖Fig. 8 Guide device and installation

導(dǎo)向定位管就位固定后，施工平臺上調(diào)整好XY-300鉆機(jī)的傾斜度（誤差小于1.0%），鉆孔前應(yīng)調(diào)試鉆機(jī)、空壓機(jī)、泥漿泵，使設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常。運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，沿著導(dǎo)向定位管開始下鉆桿引孔鉆進(jìn)，引8個Φ110 mm平行于樁身方向的斜孔，根據(jù)地層情況注意調(diào)整鉆進(jìn)速度，引孔過程下放PVC保護(hù)套管，防止塌孔。

引孔完畢拔起鉆桿，馬上插入旋噴管到指定深度后，再拔起PVC保護(hù)套管，而后進(jìn)行試噴調(diào)整噴射壓力，先靜噴1～3 min，接著按預(yù)定的提升、旋轉(zhuǎn)速度（見表 1），自下而上邊旋轉(zhuǎn)邊提升直到設(shè)計高程，停止旋噴，提出噴射管。每個孔旋噴范圍約直徑1.5 m，按順序依次旋噴8個孔，樁外形成一圈 8根強(qiáng)度較高且相互咬合的旋噴水泥土樁體（見圖9），有效避免樁外地層繼續(xù)塌陷。

表1 高壓旋噴注漿施工工藝參數(shù)Table 1 Construction process parameters of high pressure rotary jet grouting

圖9 樁外高壓旋噴注漿圖Fig. 9 High pressure jet grouting outside the pile

（3）樁外安裝斜向?qū)蜓b置，引斜孔靜壓注漿

樁外斜孔注漿的導(dǎo)向裝置與樁外高壓旋噴的同為一體，如圖7所示。

靜壓注漿具有漿液擴(kuò)散范圍大且深入空隙的優(yōu)點(diǎn)，因此在樁外高壓旋噴注漿初凝后進(jìn)行引孔靜壓注漿，進(jìn)一步加固補(bǔ)強(qiáng)樁周的塌陷地基，擴(kuò)散漿液，消除旋噴注漿的盲區(qū)，增強(qiáng)旋噴效果。

XY-300鉆機(jī)鉆桿沿著樁外導(dǎo)向定位管下鉆引孔，引孔過程同樣下放PVC保護(hù)套管，防止塌孔，引到指定深度后拔起鉆桿，下放多根注漿花管（見圖10），再提起保護(hù)套管。隨后采用分階段多次間歇反復(fù)注漿工藝，開始時采用濃度較稀的水泥漿液和較低的注漿壓力（0.5～1.0 MPa），進(jìn)漿量較大，加固旋噴樁體與樁基之間的塌陷地層，隨后增加水泥漿液濃度和加大注漿壓力（1.5～3.0 MPa），漿液逐漸劈裂擠密進(jìn)地層空隙，如圖11所示。

圖10 注漿花管群Fig. 10 Grouting flower tube group

圖11 樁外注漿補(bǔ)強(qiáng)固化Fig. 11 Grouting outside the pile reinforce the soil

2.3 質(zhì)量檢測

注漿及旋噴效果質(zhì)量檢測在施工完成 28 d后進(jìn)行。檢測采用鉆探取芯來判定塌陷地層的充實(shí)情況，檢測數(shù)量為總孔數(shù)的1%，且不少于3個孔。

本次鉆孔取芯檢測共選 3個代表性的位置孔（見圖12），分別位于靠近旋噴孔位置、靠近注漿孔位置、離鋼管樁邊緣約1 m距離位置，每個孔在加固深度的中部位置附近取部分芯樣作多個（5個以上）室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明，處理后的芯樣灰色堅(jiān)硬，膠結(jié)較好較密實(shí)，無松散，芯樣基本成柱狀，完整性較好（見圖13）。每個孔代表性芯樣群的室內(nèi)抗壓強(qiáng)度值去掉最大值和最小值后的剩余平均值分別達(dá)到8.82 MPa、8.27 MPa、7.67 MPa，均達(dá)到設(shè)計方案要求。樁基后續(xù)鉆孔沉樁施工也不再發(fā)生塌孔埋鉆問題，順利成樁，加固效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖12 鉆孔取芯檢測孔平面位置圖Fig. 12 Locationof drilling and coring inspection hole

圖13 鉆孔取芯樣Fig. 13 Borehole coring

3 結(jié)論和展望

塌陷地基穩(wěn)定性差，給海上風(fēng)電工程樁基施工帶來很大挑戰(zhàn)，給風(fēng)場后期運(yùn)營帶來安全隱患，目前關(guān)于海洋地基處理加固技術(shù)的研究及應(yīng)用案例鮮有報道。本文結(jié)合海上風(fēng)電工程實(shí)例，開發(fā)了樁內(nèi)及樁外斜向?qū)蚨ㄎ谎b置，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)海上斜孔注漿及高壓旋噴斜樁的復(fù)合地基處理方法，充分發(fā)揮各技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可充分確保海上風(fēng)電斜樁基礎(chǔ)周圍塌陷地基區(qū)域無空白加固。經(jīng)現(xiàn)場鉆孔取芯及室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等多種手段檢測，地基加固質(zhì)量效果較好，為其它海洋工程的地基處理項(xiàng)目提供一定的經(jīng)驗(yàn)參考和借鑒，具有重要的社會效益及推廣應(yīng)用價值。新型復(fù)合注漿加固技術(shù)方法理念可以借鑒，但需注意的是，具體方案設(shè)計及實(shí)際應(yīng)用效果受眾多客觀因素的影響，海洋工程具有多樣性和特殊性，應(yīng)結(jié)合不同海洋工程的性質(zhì)特點(diǎn)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、水文氣象及地質(zhì)條件等因素開展更為針對性的研究。