一种海上风电嵌岩单桩施工优化方法与流程

1.本发明涉及海上风电工程基础施工技术领域，具体涉及一种海上风电嵌岩单桩施工优化方法。


背景技术：

2.地质条件复杂的海域建设海上风场时，较多的涉及大直径单管桩的嵌岩施工，尤其是“植桩嵌岩”施工，受恶劣海况及复杂地质的影响，施工工期往往超过三个月，成本居高不下。一般而言，当海床中风化岩面以上的覆盖层厚度小于25米，适用于正常的植桩嵌岩施工。当海床中风化岩面以上的覆盖层厚度大于40米，适用于可直接打入的摩擦桩施工。但是，覆盖层厚度在25米与40米之间的区域，若做成可直接打入式的摩擦桩，则桩基承载力明显不满足安全要求。若做成植入式嵌岩桩，则会显著增加内护筒及嵌岩辅助平台的尺寸，增加大直径嵌岩钻机钻孔过程中遇到斜岩，孤石及塌孔的风险。对施工船机的起重能力要求也显著提高，施工工期和施工成本都会明显增加。传统的管桩施工都避开了覆盖层深度在25米与40米之间的区域，或者转而寻求其他更高成本更长工期的群桩基础形式，如高桩承台等。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供一种海上风电嵌岩单桩施工优化方法，能够在有效提高桩基承载力的同时，避免嵌岩工序，降低成本，节省工期。
4.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
5.根据本发明实施例的一种海上风电嵌岩单桩施工优化方法，包括：
6.s100、安装管桩，并对管桩进行锤击沉桩；
7.s200、当土层较为致密，锤击沉桩困难时，对所述管桩进行桩内清孔后，将所述管桩沉桩至设计标高；
8.s300、在管桩周围土体内依次间隔设置多个旋喷管，并进行旋喷作业以形成桩外周加固层；
9.s400、通过旋喷管在海床表面喷射水下混凝土以形成防冲刷层；
10.s500、向管桩内回填水下混凝土以恢复所述管桩内的内摩阻力。
11.通过在管桩周围设置多个旋喷管并进行旋喷作业以形成桩外周加固层，有效提高了桩基的承载能力。其次，通过旋喷管在海床表面喷射水下混凝土形成防冲刷层，提高了桩基的抗冲刷能力。再者，通过向管桩内回填水下混凝土，进一步提高了桩基的承载力。
12.在本发明的一个实施例中，安装管桩，并对管桩进行锤击沉桩，包括：
13.s110、在指定的海床位置，初次锤击管桩，将管桩沉入海床至稳定深度。
14.管桩锤至自稳定深度后，无需设置稳桩设施，有利于后续钻孔和锤击施工。
15.在本发明的一个实施例中，当土层较为致密，锤击沉桩困难时，对管桩进行桩内清孔后，将管桩沉桩至设计标高，包括：
16.s210、在管桩内部钻孔进行桩内清孔后，对管桩进行沉桩施工。
17.在本发明的一个实施例中，在管桩内部钻孔进行桩内清孔后，对管桩进行沉桩施工，包括：
18.s211、在管桩桩顶架设钻机，并通过钻机在管桩桩内部，进行桩内清孔以破坏土壤的桩塞效应；
19.s212、再次架设打桩锤，使打桩锤锤击管桩，进行沉桩；
20.s213、循环使用打桩锤和钻机，以将管桩沉桩至设计标高。
21.通过在管桩内部钻孔并进行桩内清孔，利于后续再次进行锤击沉桩，此外通过循环使用打桩锤和钻机，可以将管桩沉桩至设计标高，可以有效提高桩基的承载能力。
22.在本发明的一个实施例中，在管桩周围土体内依次间隔设置多个旋喷管，并进行旋喷作业以形成桩外周加固层，包括：
23.s310、以管桩为圆心，在管桩周围土体内间隔环绕布置多个引孔；
24.s320、依次向引孔内导入旋喷管进行旋喷作业，以形成旋喷加固体。
25.通过在引孔内分别导入旋喷管进行旋喷作业，可以在管桩周围形成多个圆柱状的旋喷加固体，可以有效强化桩周土层，加固桩周软土地基，提高桩基的水平承载力，确保桩基的稳定和安全。
26.在本发明的一个实施例中，旋喷管旋喷压力为10-45mpa。由此，旋喷管喷出的浆料可以充分地与桩周土体结合，进而形成旋喷加固体。
27.在本发明的一个实施例中，旋喷加固体直径为1-1.5米。由此，可以有效强化桩周土层。
28.在本发明的一个实施例中，多个旋喷加固体间隔形成为多层环形结构，多层环形结构形成为桩外周加固层。
29.多个旋喷加固体之间的土层可以相互挤压凝实，可以有效强化桩周土层，加固桩周软土地基，提高桩基的水平承载力。
30.在本发明的一个实施例中，桩外周加固层内层和外层的间距为1-8米。由此，可以充分加固桩周附近的土层。
31.在本发明的一个实施例中，通过旋喷管在海床表面喷射水下混凝土以形成防冲刷层，包括：
32.通过旋喷管向管桩沉桩施工形成的海床凹坑表面喷射水下混凝土，以使水下混凝土自流平形成防冲刷层。
33.通过旋喷管在管桩沉桩施工形成的海床凹坑表面喷射水下混凝土，水下混凝土形成自流平，水下混凝土与海床表层土壤粘接成为一个整体，保护桩基一定范围内的土体不被水流冲刷流失，从而代替后期额外抛设的块石。
34.在本发明的一个实施例中，回填的水下混凝土抗压强度大于c30。通过回填水下混凝土以形成桩内回填土，可以恢复管桩内部因钻孔而损失的内摩阻力，从而进一步提高桩基的承载力。
35.本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：
36.本发明的海上风电嵌岩单桩施工优化方法，通过在管桩周围设置多个旋喷管并进行旋喷作业以形成桩外周加固层，有效提高了桩基的承载能力。同时通过旋喷管在海床表
面喷射水下混凝土形成防冲刷层，可以有效保护桩基周围的土体不被水流冲刷流失，从而提高了桩基的水平承载力，减小管桩受载后倾斜的可能。其次，通过向管桩内回填水下混凝土，可以恢复管桩内的摩擦阻力，进一步提高桩基的承载力。综上，本发明的施工方法有效避免了桩基进入中风化硬岩层的嵌岩施工，且桩基加固与防冲刷共用一套船机装备，全程无需更换船机，从而大幅节省了工期和施工成本。
附图说明
37.图1为本发明实施例的海上风电嵌岩单桩施工优化方法的流程图；
38.图2为本发明实施例的海上风电嵌岩单桩施工优化方法中桩外旋喷地基加强的平面布置图；
39.图3为本发明实施例的海上风电嵌岩单桩施工优化方法中桩外旋喷地基加强的立面布置图；
40.图4为本发明实施例的海上风电嵌岩单桩施工优化方法中桩外旋喷防冲刷施工的立面示意图；
41.图5为本发明实施例的海上风电嵌岩单桩施工优化方法的实施效果示意图。
42.附图标记：100、管桩；200、旋喷管；201、施工船；210、旋喷加固体；301、淤泥层；302、细粉砂层；303、粉质黏土层；304、粉细砂层；305、粉质黏土层；306、中细砂层；401、散体状强风化花岗岩；402、中风化花岗岩层；500、防冲刷层；600、桩内回填土。
具体实施方式
43.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
45.为便于对本发明技术方案的理解，首先对本发明所要解决的技术问题进行说明。
46.地质条件复杂的海域建设海上风场时，较多的涉及大直径单管桩的嵌岩施工，尤其是“植桩嵌岩”施工，受恶劣海况及复杂地质的影响，施工工期往往超过三个月，成本居高不下。当海床中风化岩面以上的覆盖层厚度在25米与40米之间的区域，若做成可直接打入式的摩擦桩，则桩基承载力明显不满足安全要求。若做成植入式嵌岩桩，则会显著增加内护筒及嵌岩辅助平台的尺寸，增加大直径嵌岩钻机钻孔过程中遇到斜岩，孤石及塌孔的风险。对施工船机的起重能力要求也显著提高，施工工期和施工成本都会明显增加。而在一些实施例中，则仅在桩外土层，使用水泥搅拌桩加固。但在复杂地地质海域，覆盖层浅，土质松
软，覆盖层下存在碎裂状或中风化基岩，沉桩往往打不到设计要求的深度，即使桩外大范围使用水泥搅拌桩加固，仍无法满足风机载荷要求。此时，需要架设钻机，将桩内土体掏空，再将管桩锤击复打到设计指定的深度(一般是碎裂状岩层或中风化岩层之上)以期能由土层能提供的全部承载力。由于桩内土被掏空，管桩内摩擦阻力消失，桩基承载能力仍不满足风机要求，按传统工艺就需要嵌岩钻孔继续沉桩增加承载力，增加施工成本。为解决上述问题，本发明提供一种海上风电嵌岩单桩施工优化方法。
47.下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种海上风电嵌岩单桩施工优化方法。
48.参考图1，图1为本发明实施例的海上风电嵌岩单桩施工优化方法的流程图，本发明的海上风电嵌岩单桩施工优化方法包括：
49.s100、安装管桩，并对管桩进行沉桩；
50.s200、当土层较为致密，锤击沉桩困难时，对所述管桩进行桩内清孔后，将所述管桩沉桩至设计标高；
51.s300、在管桩周围土体内依次间隔设置多个旋喷管，并进行旋喷作业以形成桩外周加固层；
52.s400、通过旋喷管在海床表面喷射水下混凝土以形成防冲刷层；
53.s500、向管桩内回填水下混凝土以恢复管桩内的内摩阻力。
54.本发明通过在管桩周围设置多个旋喷管并进行旋喷作业以形成桩外周加固层，有效强化桩周土层、加固桩周软土地基，提高桩基的抗水平承载力，确保桩基的稳定和安全。同时通过旋喷管在海床表面喷射水下混凝土，水下混凝土自流平形成防冲刷层，使水下混凝土与海床表层土壤粘接成为一个整体，保护桩基一定范围内的土体不被水流冲刷流失，提高了桩基的水平承载力。其次，通过向管桩内回填水下混凝土，进一步提高了桩基的承载力。
55.下面结合附图对本发明实施例的中各步骤进行说明。
56.s100、安装管桩，并对管桩进行锤击沉桩。
57.在本发明的一个实施例中，安装管桩，并对管桩进行锤击沉桩，包括：
58.s110、在指定的海床位置，初次锤击管桩，将管桩沉入海床至稳定深度。
59.施工船就位锚固后，通过施工船对海底土层进行钻孔，可以将管桩打入自稳定深度，此时无需设置稳桩设施，有利于后续施工。在本发明的一些实施例中，若管桩不具备自稳能力，也可以使用额外的稳桩措施进行稳定，此处不作限制。
60.需要说明的是，本发明实施例中提及的施工船是指施工船队。
61.参考图1和图4，图4为本发明实施例的海上风电嵌岩单桩施工优化方法中桩外旋喷防冲刷施工的立面示意图。在本发明的一个实施例中，当土层较为致密(一般为散体状地层，如散体状强风化花岗岩)，锤击沉桩困难时，对管桩进行桩内清孔后，将管桩沉桩至设计标高，包括：
62.s210、在管桩内部钻孔进行桩内清孔后，对管桩进行沉桩施工。具体来讲，可以包括：
63.s211、在管桩桩顶架设钻机，并通过钻机在管桩内部钻孔，进行桩内清孔以破坏土壤的桩塞效应。
64.通过在管桩内部钻孔并进行桩内清孔，以破坏桩内土壤的桩塞效应，有利于后续再次进行锤击沉桩。
65.参考图2和图3，图2和图3分别为本发明实施例的海上风电嵌岩单桩施工优化方法中桩外旋喷地基加强的平面布置图和立面布置图。在本发明的一个实施例中，土层包括淤泥层301、细粉砂层302、粉质黏土层303、粉细砂层304、粉质黏土层305、中细砂层306、粉质黏土层305、散体状强风化花岗岩401以及中风化花岗岩层402。由于覆盖的土层300以及散体状强风化花岗岩401较为致密，打桩锤贯入度小，无法继续沉桩。因此可以通过在管桩100顶部架设钻机，通过钻机将桩内的泥沙和致密的散体状强风化花岗岩401钻出，即进行桩内清孔。由此，通过降低管桩100的内摩阻力，破除土体和散体装强风化花岗岩401在桩内产生的桩塞效应，便于打桩锤将管桩100沉桩至设计标高。
66.s212、再次架设打桩锤，以使打桩锤锤击管桩，进行沉桩。
67.在管桩100的桩塞效应破除后，可以继续使用打桩锤锤击管桩100，以使管桩继续下沉。
68.s213、循环使用打桩锤和钻机，以将管桩沉桩至设计标高。
69.在本发明的一个实施例中，通过循环使用打桩锤和钻机，可以将管桩100沉桩至设计标高，进而有效提高桩基的承载能力。
70.如图2和图3所示，在本发明的一个实施例中，在管桩周围土体内依次间隔设置多个旋喷管，并进行旋喷作业以形成桩外周加固层，包括：
71.s310、以管桩为圆心，在管桩周围土体内间隔环绕布置多个引孔。
72.参考图3和图4，在一些实施例中，可以根据桩土耦合的载荷计算及上部风机所需的承载能力共同确定引孔的数量及范围，且引孔的位置从海床泥面至散体状强风化花岗岩401的岩面之上。通过在管桩100周围间布置多个引孔，以便于通过引孔容纳旋喷管200。
73.s320、依次向引孔内导入旋喷管进行旋喷作业，以形成旋喷加固体。
74.如图2和图3所示，在一些实施例中，可以依次向引孔内导入旋喷管200，并进行旋喷作业，通过桩外高压旋喷出的水泥浆液与桩周土体结合，可以在桩周形成多个间隔设置的旋喷加固体210。由此，通过在引孔内分别导入旋喷管200进行旋喷作业，可以在管桩100周围形成多个旋喷加固体210，可以有效强化桩周土层300，加固桩周软土地基，提高桩基的水平承载力，确保桩基的稳定和安全。
75.在本发明的一个实施例中，旋喷管200旋喷压力为10-45mpa。旋喷管200喷射的水泥浆液，水灰比为1.2:1.0-0.8:1.0。可以通过对桩周地质取样，获取土体特性后确定。旋喷管200旋喷压力为10-45mpa，经过调节后，旋喷压力大于土层300的阻力，使得旋喷管200旋喷出的水泥浆液可以充分且均匀地与桩周土体结合。由此，旋喷管200喷出的浆料可以充分地与桩周土体结合，进而形成旋喷加固体210。
76.在本发明的一个实施例中，旋喷加固体210直径为1-1.5米。圆柱形的旋喷加固体210可以充分的压实土层300。由此，可以有效强化桩周土层300。
77.在本发明的一个实施例中，多个旋喷加固体210间隔形成为多层环形结构，多层环形结构形成为桩外周加固层。也就是说，多个旋喷加固体210之间的土层300可以相互挤压凝实，可以有效强化桩周土层300，加固桩周软土地基，提高桩基的水平承载力。此外，外层环形结构的旋喷加固体210可以间隔设置在内层环形结构的两个旋喷加固体210之间，从而
可以进一步强化桩周土层300且环形结构受力均匀，可以有效降低外部风浪流的影响。当然，多个旋喷加固体210形成的结构并不局限于环形结构，可以根据具体施工情况进行设置，如矩形结构、椭圆形结构及非均匀环绕结构等，此处不做限制。
78.在本发明的一个实施例中，桩外周加固层的环径约为1-8米。也就是说，桩外周加固层内有多层环形结构，且每层环形结构内设有多个旋喷加固体210。由此，可以充分加固桩周附近的土层300。
79.参考图4和图5，图4为本发明实施例的海上风电嵌岩单桩施工优化方法中桩外旋喷防冲刷施工的立面示意图，图5为本发明实施例的海上风电嵌岩单桩施工优化方法的实施效果示意图。在本发明的一个实施例中，施工船通过旋喷管在海床表面喷射水下混凝土以形成防冲刷层，包括：
80.完成旋喷作业后，通过旋喷管向管桩沉桩施工形成的海床凹坑表面喷射水下混凝土，以使水下混凝土自流平形成防冲刷层。
81.在一些实施例中，由于施工船201使用打桩锤进行沉桩施工，管桩100周围的海床也会随管桩100一同下降，进而形成一定范围内的凹坑。在旋喷管200进行旋喷施工工序后，可以将旋喷管200停留在引孔内，并通过旋喷管200在管桩100沉桩施工形成的海床凹坑表面喷射水下混凝土。此时，水下混凝土形成自流平进而形成防冲刷层500，此时水下混凝土与海床表层土壤粘接成为一个整体，保护桩基一定范围内的土体不被水流冲刷流失，后期无需额外进行抛石加固。也就是说，本发明的施工方法全程只需要一艘施工船201进行施工，无需更换船机进行抛石加固，从而有效缩短了工期，节省了施工成本。
82.如图5所示，在本发明的一个实施例中，回填的水下混凝土抗压强度大于c30。具体来说，由于通过钻机进行桩内清孔，管桩100内的桩内土被掏空，管桩100内摩擦阻力消失，造成桩基承载能力下降。因此，可以通过回填水下混凝土以形成桩内回填土600，可以恢复管桩100内部的内摩擦阻力，从而进一步提高桩基的承载力。
83.在本发明的一些实施例中，当土层较为松软时，可以直接使用打桩锤将管桩100打入设计标高，因此无需进行桩内清孔。也就是说，由于未在管桩内进行桩内钻孔，管桩的内摩阻力未遭到破坏，因此也无需回填水下混凝土。由此，可以进一步节省施工工期和成本。
84.本发明的海上风电嵌岩单桩施工优化方法，通过在管桩100周围设置多个旋喷管200并进行旋喷作业以形成桩外周加固层，有效提高了桩基的承载能力。同时通过旋喷管200在海床表面喷射水下混凝土形成防冲刷层500，可以有效保护桩基周围的土体不被水流冲刷流失，从而提高了桩基的水平承载力，减小了管桩100因外部水平载荷而产生倾斜的可能性。其次，通过向管桩100内回填水下混凝土，可以恢复管桩100内的摩擦阻力，进一步提高桩基的承载力。此外，本发明的施工方法全程无需更换船机，而且有效避免了费时费力的中风化硬岩层的嵌岩施工，从而大幅节省了工期和施工成本。
85.以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种海上风电嵌岩单桩施工优化方法，其特征在于，包括：s100、安装管桩，并对所述管桩进行锤击沉桩；s200、当土层较为致密，锤击沉桩困难时，对所述管桩进行桩内清孔后，将所述管桩沉桩至设计标高；s300、在所述管桩周围土体内依次间隔设置多个旋喷管，并进行旋喷作业以形成桩外周加固层；s400、通过所述旋喷管在海床表面喷射水下混凝土以形成防冲刷层；s500、向所述管桩内回填水下混凝土以恢复所述管桩内的内摩阻力。2.根据权利要求1所述的海上风电嵌岩单桩施工优化方法，其特征在于，所述安装管桩，并对所述管桩进行锤击沉桩，包括：s110、在指定的海床位置，初次锤击所述管桩，将所述管桩沉入海床至稳定深度。3.根据权利要求2所述的海上风电嵌岩单桩施工优化方法，其特征在于，当土层较为致密，锤击沉桩困难时，对所述管桩进行桩内清孔后，将所述管桩沉桩至设计标高，包括：s210、在所述管桩内部钻孔进行桩内清孔后，对所述管桩进行沉桩施工。4.根据权利要求3所述的海上风电嵌岩单桩施工优化方法，其特征在于，在所述管桩内部进行钻孔进行桩内清孔后，对所述管桩进行沉桩施工，还包括：s211、在所述管桩桩顶架设钻机，并通过钻机在所述管桩内部钻孔，进行桩内清孔以破坏土壤的桩塞效应；s212、再次架设打桩锤，使打桩锤锤击所述管桩，进行沉桩；s213、循环使用打桩锤和钻机，以将所述管桩沉桩至设计标高。5.根据权利要求1所述的海上风电嵌岩单桩施工优化方法，其特征在于，在所述管桩周围土体内依次间隔设置多个旋喷管，并进行旋喷作业以形成桩外周加固层，包括：s310、以所述管桩为圆心，在所述管桩周围土体内间隔环绕布置多个引孔；s320、依次向所述引孔内导入旋喷管进行所述旋喷作业，以形成旋喷加固体。6.根据权利要求5所述的海上风电嵌岩单桩施工优化方法，其特征在于，所述旋喷管旋喷压力为10-45mpa。7.根据权利要求6所述的海上风电嵌岩单桩施工优化方法，其特征在于，所述旋喷加固体直径为1-1.5米。8.根据权利要求7所述的海上风电嵌岩单桩施工优化方法，其特征在于，多个所述旋喷加固体间隔形成为多层环形结构，多层环形结构形成为所述桩外周加固层。9.根据权利要求8所述的海上风电嵌岩单桩施工优化方法，其特征在于，所述桩外周加固层内层和外层的间距为1-8米。10.根据权利要求1所述的海上风电嵌岩单桩施工优化方法，其特征在于，通过所述旋喷管在海床表面喷射水下混凝土以形成防冲刷层，包括：完成旋喷作业后，通过所述旋喷管向所述管桩沉桩施工形成的海床凹坑表面喷射水下混凝土，以使水下混凝土自流平形成所述防冲刷层。

技术总结
本发明提供一种海上风电嵌岩单桩施工优化方法，包括：S100、安装管桩，并对所述管桩进行锤击沉桩；S200、当土层较为致密，锤击沉桩困难时，对所述管桩进行桩内清孔后，将所述管桩沉桩至设计标高；S300、在所述管桩周围土体内依次间隔设置多个旋喷管，并进行旋喷作业以形成桩外周加固层；S400、通过所述旋喷管在海床表面喷射水下混凝土以形成防冲刷层；S500、向所述管桩内回填水下混凝土以恢复所述管桩内的内摩阻力。本发明的海上风电嵌岩单桩施工优化方法有效提高了地基的承载能力，避免了费时费力的中风化硬岩嵌岩工序，从而大幅降低了工程造价，节省了大量的建设工期。节省了大量的建设工期。节省了大量的建设工期。


技术研发人员：刘天文 李天鹏 张帆 张汉超
受保护的技术使用者：上海振华重工(集团)股份有限公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/2