（中国能源建设集团广东火电工程有限公司）
摘要：目前国内海上风电项目涉及水下嵌岩的四桩导管架基础工程案例较少，一般涉及嵌岩的均为单桩或高桩承台基础，其桩顶均在水面以上，满足钻机无法下水的条件，同时桩内气举反循环下的泥浆护壁质量较高，孔壁相对稳定。而四桩导管架基础则为水下嵌岩，即桩顶在水面以下，常规气举反循环原理无法直接在其工艺上使用。本文针对复杂海床地质的导管架基础施工，结合国内外类似施工经验，重点阐述了一种针对DDD（打钻打Drive-Drill-Drive）工艺研发的水下插尖式护筒嵌岩技术。
关键词：可打入性分析；插尖式护筒；水下嵌岩；四桩导管架；气举反循环
Abstract：At present，there are few jacket foudation with four legs project cases in China，espacially piling with drilling under water.Generally，the foundation involving rock-socketed is monopile or high pile foundation，which piles' topside are out of water. Then they could be drilling and make sure the hold will not be collapsed.However，pilling of the jacket foudation are all under water，and normal method can not be used directly.Aiming at the jacket foundation construction of complex geology and combining with similar construction experience at home and abroad，this article focuses on the following casing rock-socking technology developed for DDD（drive-drill-drive）.
Key words：Driveability；Following casing；Jacket foudation with four legs；Air-lift reverse circulation drilling technology
引言
海上风电先桩法导管架基础对桩基施工相对定位精度要求较高，施工工艺要求相对较高，且桩基施工过程中，最终桩顶高程均在-20m以下，传统干施法的嵌岩技术无法直接套用。本文依托于广东粤电阳江沙扒海上风电项目，项目场址平均水深25m，离岸约20km，风机基础设计四桩间距22m，工程桩桩径2.4m，材质为DH36和EH36。
由于项目场址海床地质复杂，桩基涉及DDD、AP（芯柱嵌岩Anchor Pile）和GRS（Grouted Rock Sockets）三种形式，且三种形式均需进行水下嵌岩钻进施工。该施工工艺在国外多采用深海钻工艺，即钻机可满足下水要求，在水下直接钻进，但国内尚未引入该技术，相对造价较高，且涉及国土安全等信息，使用可能性不高；在国内海上风电嵌岩施工，多采用气举反循环原理，通过泥浆护壁来防止塌孔垮孔的风险。本文主要针对南海海域及地质条件复杂的情况，采用现有国内嵌岩设备资源，研究一种新的插尖式护筒水下嵌岩工艺，以满足水下桩顶的DDD施工要求。
1.可行性分析及主要设备选择
1.1方案选择
根据工程特点，DDD工艺在工程桩进入强风化层一段距离后将无法继续直接打入，需对桩内塞土掏空并继续钻进引孔，方可复打到设计标高。但工程桩在初打后，桩顶已没入水下，若选用国内常规钻机则无法满足泥浆护壁形成的要求，需对桩内泥浆进行隔水处理。
目前国内针对DDD工艺的主流概念为将工程桩在建造阶段便将其焊接接长，在嵌岩钻进和复打后，再通过水下切割将其接长部分切除，以满足设计标高要求。
但上述方案需对每根工程桩均做加长处理，钢材量浪费较大，且水下切桩难度较大、桩顶平面度及粗糙度难以保证。另外切桩工序耗费时间较长，对船机施工成本把控非常不利。为解决上述难题，本文提出一种插尖式护筒的工艺加长段方案，通过在与工程桩插尖部分安装密封圈，以达到隔水密封效果，从而满足泥浆护壁形成要求。
1.2可行性分析
1.2.1桩可打入性分析计算
根据工程桩设计参数及拟打入风机位的地质条件参数，选择合适的液压冲击锤对其进行桩的可打入性分析，以验证选定的液压冲击锤是否满足沉桩要求、桩身应力及疲劳强度是否在允许范围内。本次计算采用PDI公司研发的GRLWEAP 2010打桩模拟软件进行沉桩模拟。
根据工程桩设计参数，初步选择MHU 1200S锤进行可打入性分析和自由站立强度校核。
1.2.1.1桩身自由站立强度校核
桩身自由站立强度计算时，应根据 API 规范《海上固定平台规范、设计和建造的推荐作法——工作应力设计法》，钢桩的自由站立分析应考虑桩重量、锤重量、桩倾斜和打桩动应力。
有效长度系数K取2.1，弯矩折减系数Cm取1.0。
轴向应力和弯曲应力和组合应力校核公式采用《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》中3.3节的公式。
通过经验公式估算不同深度下的土体阻力，根据现场实际的操作流程，将钢桩重量、液压锤和送桩段重量进行组合，借助插值工具得出工程桩最大和最小入泥深度，以本工程WT21#为例，土体阻力估算如下表：
钢桩自沉深度计算（部分数据）
计算得出，预计工程桩将在入泥41.5m处拒锤，为保守计算，故工艺加长段考虑从入泥36m处，即进入强风化层约7m后便停锤，安装插尖护筒。
1.2.2气举反循环下泥浆护壁压力差计算
介质选择：欧洲施工单位在进行海上嵌岩工程时，多采用循环介质为海水的方式；而中国和美国，则更倾向于泥浆作为循环介质。两者在本质上对护壁的形成质量均在于内外内外压力差，即可认为孔内外压力差超过20MPa时，即可进行清水钻（塌孔风险较小），而泥浆循环，则对护筒内水位要求更低，且排渣能力也相对理想。
考虑国内海上施工采用的平台为临时搭建的工作平台，非自升式平台，距离海平面高度并不大，海水循环介质的使用可能性并不大，故考虑采用泥浆作为循环介质。
泥浆护壁压力差计算，应考虑钻进深度、孔径及所在位置水深情况，运用SACS等软件模拟综合计算处满足泥浆护壁强度要求下的桩内泥浆高程。
研究和实践表明，钻进速度随泥浆密度的增大而降低，孔深时尤为明显。对钻孔灌注桩中的稳定性问题也主要体现在泥浆的护壁上。在坍塌底层，应适当提高泥浆密度，以维持压力平衡。泥浆比重大，利于排渣，而且可以有效地平衡地层侧压力和地下水压力，防止孔壁坍塌，造成扩孔或塌孔。但是泥浆比重过大，往往会大幅度降低钻进效率；如果清孔不彻底，易产生过量的沉渣。
结合钻进速度及泥浆浓度比重选择，最终核算选定泥浆高程在桩顶3m以下，满足施工工艺要求。
1.2.3插尖连接段密封性计算
1.2.3.1侧向作用力影响
插尖护筒在波浪和还留作用下，会产生一定的晃动。本次对其选用Morison方程进行计算分析。计算波浪作用在圆柱形物体上的力取决于波长与杆件直径的比值。当比值较大（＞5）时，则杆件不会明显改变入射波浪，那么，波浪力就可按如下的公式作为拖曳力和惯性力的和来计算：
式中：
F——垂直作用于构件轴单位长度上的水动力矢量，N/m（1b/ft）；
FD——垂直作用于构件轴线并在构件轴线和速度U平面内单位长度拖曳力矢量，N/m（1b/ft）；
FI——垂直作用于构件轴线并在构件轴线和du/dt平面内的单位长度的惯性矢量，N/m（1b/ft）；
Cd——拖曳力系数；
w——水的重量，N/m³（1b/ft³）；
g——重力加速度，m/sec²（ft/sec²）；
A——垂直于圆杆轴线单位长度上的投影面积（对圆形杆件为D），m（ft）；
V——圆杆单位长度上的体积（对圆形杆件为πD²/4），㎡（ft²）；
D——包括海生物在内的圆形杆件的有效直径，m（ft）；
U——垂直于构件轴线的水流（由波浪和/或还留引起的）速度矢量的分量，m/sec（ft/sec）；
——U的绝对值，m/sec（t/sec）；
Cm——惯性力系数
——垂直于构件轴线的水流局部加速度矢量分量，m/sec²（ft/sec²）
代入项目测得数据，可计算得知水流对插尖护筒的影响会使得其横向摇摆幅度较大，故在护筒顶部需加施位移限制措施。项目实施所用导向架设有U型口，即在钻机底座可设置角钢与插尖护筒筒顶临时焊接固定，以提高护筒的稳定性，降低横向摇摆对密封性的影响。
本文介绍的技术密封圈为Ⅰ型密封（密封圈在内轴），其拉伸率α=（D1+d）/（D+d）
其中：
D1——密封槽的公称直径；
Dd——轴的公称直径；
D ——密封圈的公称内径；
d ——密封圈截面的公称直径；
同时，根据压缩率计算，Yb=[1-h/d*（1.35/α-0.35）^0.5]*100%，取其外部活动密封Yb为18％。考虑泥浆循环混合制浆，浓度可持续补充，故可满足循环要求。
1.2.4钻进分析计算
（1）钻孔直径
综合考虑钻头下放与工程桩内剪力键的内径影响，波浪对起重机稳定性的影响及复打阶段引孔孔径对其可打入性的影响，最终计算选定钻孔孔径为1.5m。
（2）沉没比
沉没比是风包埋入液面深度与风包到动力头（水龙头）排除口的距离之比。
沉没比（a）＝h1/h，对于气举反循环来说，沉没比越大工作效率越高，通常情况沉没比需大于0.5，而小于0.4将无法工作。实际操作上，在保证沉没比不小于0.5的前提下，只要空压机的功率能够满足需要，可适当增大沉没比。
沉没比计算示意图
开孔阶段，如沉没比过小，可采取其它措施，譬如：提高孔内泥浆面高度或者降低动力头（水龙头）出水口的高度。如仍不能满足，应在开孔段采用其它其它钻孔方式。
孔深比较深的情况下，根据设备的配置情况，需要调整风包的位置，以降低能耗，确保空压机的正常运转。
（2）风压
比较简单的计算方式：风压P=h1*γ/10+ΔP
h1为风包埋入泥浆面以下的深度（m）；γ为泥浆的比重（t/m3）；ΔP为管路压力损失，一般在0.3～0.5kg/cm2之间。
（3）泥浆的循环量
泥浆的循环量决定着钻机的排渣能力。循环量越大，排渣越及时，减少二次或者重复破碎，降低能耗，特别是延长滚刀钻头的寿命，提高钻进效率。
泥浆循环量计算公式：Q＝πr2×V×3600
r为钻杆内径（m）；V为钻杆内泥浆的回流速度，一般取2～4m/s。同样，如果能测算出泥浆的循环量，就可以计算出钻杆内泥浆的流速。
2.施工技术流程及要点
2.1施工工艺流程
本施工关键技术包括初打标高控制、插尖护筒安装、嵌岩钻进及复打高应变监测等，其施工工艺流程如下图所示：
DDD施工工艺流程图
2.2技术要点
2.2.1初打标高控制
本技术初打入底部土层为强风化片麻岩，施工工艺设计接近停锤标准。根据《API RP2A-WSD2014》规范要求，桩身动应力应小于钢管桩材料屈服强度的80%~90%，即桩身应力允许值为284N/ mm2（按80%取值）。
考虑结合工艺延长段（插尖护筒）的适应性，初打标高应控制在进入强风化层后约7m处停锤，以保证插尖护筒安装就位后护筒顶部在U型口附近。同时，初打过程中应做好高应变监测，随时反馈桩身应力及打桩疲劳情况，与地勘CPT数据曲线进行拟合，以计算后续钻孔对桩基承载力的影响。
2.2.2插尖护筒安装
按海上工程一用一备要求，插尖护筒应至少备有2根，可按一长一短进行设计，避免因地质勘探不准而导致提前拒锤，从而无法满足安装嵌岩钻机的要求。
插尖护筒一用一备要求
插尖护筒设计长度不宜过长，仅满足隔水要求即可。因其重量较大，一般采用浮吊进行吊装，考虑对插尖部位密封圈的保护，吊装过程中因尽量保持平稳。参考国际三大设计标准（美国API规范、LOC设计规范和DNV GL规范），选取安全系数最大值1.35。
2.2.3钻机安装、钻进
钻机组装完毕后，再进行就位复测，检查其动力头回转中心位置与桩位中心的对中以及钻机倾斜情况，满足要求后，将钻机与平台进行限位固定，保证钻机在钻进过程中的稳定性。
钻杆安装必须加用钻杆密封圈、气管密封圈，用螺丝将各个法兰牢固连接。准备工作完成后，将钻头下放水中，距孔底约50cm处，接通供气及泥浆循环管路，开动空压机，开启供气阀供气，在护筒内用气举法使泥浆开始循环，检查钻杆、孔内水面，供风管路、循环管路、水龙头等有无漏气、漏水现象，并动力头情况，开动钻机空转，持续5min确定无故障后，方可开始钻进。
结合本工程地质特点及施工特点，钻孔施工拟采用正转反吹及气举反循环相结合的钻进施工工艺，引孔阶段（护筒内）钻机采用正转反吹施工工艺，投入优质膨润土及造浆材料进行造浆，并调整泥浆指标（泥浆比重1.10-1.15，粘度≥20S，含砂率≤1％）为下覆不具备造浆能力的地层做好合格的泥浆储备。造浆完成后，泥浆循环方式改用气举反循环，可正常进行钻进。
在岩层钻进过程中，根据地质报告，结合钻渣情况及进尺速度分析，确定钻头是否进入基岩层或孤石层。当钻进至岩层后，将逐渐出现进尺减慢、钻机跳动、气量减小等现象。根据本工程的地质特点，由于作业区域地质条件复杂、工程桩孔孔径大且钻孔深度深，钻机设备必须满足2个基本条件：要有足够的配重以纠正大倾角岩坡面钻进轨迹的变形；要具备足够大的扭矩以满足减压钻进的需要。
嵌岩钻孔示意图
2.2.4复打及高应变监测
在钻进深度达到设计要求后，对钢管桩进行二次复打沉桩。钻进施工时一次钻进至设计桩底标高。由于复打最后涉及桩基承载力的复核，故需同时进行高应变监测。本文主要采用PDI水下传感器及配套打桩分析仪结合的方式进行分析，通过分析内部应变和加速度信号等数据，结合CAPWAP曲线拟合分析，最终复核终锤的桩基参数。
在复打过程中，主要注意以下事项：
1、送桩器及水下PDI传感器安装
成孔完成后选用M1200S液压冲击锤进行钢管桩复打沉桩作业。打桩锤桩套筒直径大于导向定位平台导向筒直径，无法通过导向筒，需在钢管桩顶安装送桩器进行送桩处理。同时，潜水员在水下进行PDI传感器的安装。打桩锤将锤击送桩器，从而将钢管桩沉桩至设计标高。
2、锤击沉桩控制
锤击控制：工程桩复打严格控制打击能量，由小渐大，为防止打桩能量过大造成溜桩，实际最大打桩能量预控在合理范围内。开始沉桩时，用低档位启动，小冲程锤击沉桩；下沉变缓后逐步切换到高档位或较大冲程锤击沉桩；当发现贯入度自小变大时再切换至低档小冲程沉桩。该锤采用控制柜内计算机控制，能够通过打桩进程自动调整控制规避异常风险，同时自动记录各项打桩参数。
3、沉桩测量控制
工程桩沉桩测量时，测量人员可在工装甲板面固定位置架设仪器辅助监控。平面控制：通过GPS对钢管桩平面位置进行监控、控制；同时，保证钢管桩之间相对距离距离偏差要求。
高程及高差控制：采用工装平台作为基准，基准点高程由GPS高程测量获得。平台上安装水准仪，以基准点作为后视，观测桩锤标识点，从而推算出钢桩桩顶标高进行控制。重点观测及记录4根钢管桩桩顶标高和桩心平面位置，为后续桩头处理定位提供原始数据支持。
垂直度控制：垂直度采用两台经纬仪呈90°布置扫边，钢管桩垂直度在5‰以内。
3.效益分析
3.1经济效益
本技术通过插尖护筒作为工艺加长段，相比原工艺理念需要水下切桩，且每个风机位均需消耗钢材，有着较为显著的效益，按一个300MW的风电场（55台）全部需要进行嵌岩考虑，其节约成本分析如下：
1、插尖护筒工艺取消了水下切割的工序，大幅度降低了人员水下作业的风险。按市场价单根工程桩切割价格为15万元，可节约施工费：150，000×4×55=33，000，000元；
2、由于插尖护筒主钢材可回收重复利用，仅需消耗密封圈，相对原设计理念可节省大量材料费。按工艺加长段单价7，000元/t考虑，工程桩工艺加长段长度约为12m，插尖护筒按整个风场共制作6根考虑，则可节约成本约：7，000×12×2×4×55-7，000×12×2×4×6-1，200×2×55=32，796，000元；
3、由于插尖护筒减少了水下切割工序，故相应船机艘班费用也相应减少，预计可节约费用：400，000×3×55=66，000，000元。
上述合计约为131，796，000元，经济效益非常显著。
3.2社会效益
本技术针对南海沙扒海域水深较深、导管架应用份额大，且由于海床地质条件复杂、绝大部分基础需要进行嵌岩施工，将一系列先进的技术组合起来运用，包括高应变监测、沉桩模拟分析、水下嵌岩钻孔和风浪条件下护筒——工程桩整体的有限元分析等技术，以解决国内暂无水下导管架桩基嵌岩的工程案例，开创了中国导管架嵌岩技术的先河，为后续同类风电场的开发建设提供了宝贵的经验，为海上风电往深海发展奠定基调。本技术具有较好的市场推广价值，经济效益显著、社会效益良好。
4.结语
该施工技术具有减少水下作业时间、材料循环利用率高的特点，施工简单、快速、成本低，适应电力系统发展等特点。本次施工中，施工流程事先策划，思路明确，方案可靠，施工进展顺利，实践效果良好。施工全过程处于安全、快速、高效的可控状态，施工质量符合相关设计、规范要求，桩基施工质量优良，达到了预期的目标。
应用本施工技术不仅能大幅度节省施工成本、提高工作效率、保证工期，更有效降低了水下作业的风险，在海上风电导管架嵌岩桩基施工领域解决了诸多难题，积累丰富的水下嵌岩施工经验，对同类导管架嵌岩桩基施工具有较好的推广应用价值。
参考文献：
[1]API RP 2A WSD-2014：Planning，Designing，and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design
[2]《水运工程钢结构设计规范》（JTS 152-2012）.
[3]《码头结构施工规范》（JTS 215-2018）
[4]Hideo Nakasone etc.Nitrogen transport and transformation in packed soil columns from paddy fields [J].Paddy and Water Environment，2004，Volume 2；115-124.
[5]Nagy H M，Watanabe K. Prediction of Sediment Load Concentration in Rivers Using Artifical Neual Network Model[J]. Journal of Hydraulic Engineering，2002，128（6）：588-596.
[6]Jain Ashu，Kumar Varshney Ashish，Chandra Joshi Umesh.Short - Term Water Demand Forecast Modeling at IIT Kanpur using Artifical Neual Network[J].Water Resource Management，2001，15（5）：299-321.
[7]时闽生，孙言茂，黎双邵，纪文利.海上风电大型钢管嵌岩桩基础施工和试验研究[A].中国港湾建设，2016，36（01）.
[8]孙晋华.设计标准在海洋平台吊装中的应用研究[J].石油和化工设备，2016，19（05）.
[9]温世游，陈云敏，唐晓武.泥浆护壁过程及效果的有限元分析[J].工业建筑，2003，33（05）.
[10]黄柄南.海上风电基础大直径嵌岩桩施工技术[J].中国港湾建设，2015，35（08）.
论文作者:郑庆弟
论文发表刊物:《电力设备》2019年第10期
论文发表时间:2019/10/18
标签：泥浆论文; 水下论文; 钻机论文; 工程论文; 桩基论文; 标高论文; 导管论文; 《电力设备》2019年第10期论文;