CN111705833A - 大直径海上风电嵌岩单桩开挖方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大直径海上风电嵌岩单桩开挖方法，包括如下步骤：沉放导井护筒；采用石油钻机通过导井护筒开挖导井；采用地质钻钻设2～3圈主爆孔和1圈轮廓爆破孔，下放套管护孔；安装专用CO2相变膨胀致裂管，主爆孔内分段安装，轮廓爆破孔内连续安装；连接爆破网路；下放嵌岩单桩钢护筒；吸除导井护筒与嵌岩单桩钢护筒之间的淤泥和风化砂；拔出导井护筒和钻孔套管；水下清渣；灌注混凝土形成嵌岩单桩基础。本发明将导井机械开挖和CO2膨胀破岩扩挖相结合，突破利用2～4m直径石油钻机和普通地质钻机完成8～10m及以上直径海上嵌岩单桩基础开挖技术难题，CO2相变产生的膨胀压力可控，爆炸冲击波和振动速度小，经济环保。
Description
技术领域
本发明属于工程爆破技术领域，具体涉及一种大直径海上风电嵌岩单桩开挖方法。
背景技术
随着社会经济的不断发展，人们对能源尤其是清洁能源的需求越来越大。海上风力发电具有风速大、有效发电时间长、不占用陆地等优点，非常适合大规模开发，而我国海岸线漫长、海上风能资源丰富，给海上风力发电提供了有利的先天条件。海上风电场风机基础主要有大直径嵌岩单桩基础、群桩嵌岩基础、吸力筒式基础和重力式基础等型式，其中大直径嵌岩单桩基础以其施工简便、结构型式简单占据优势，但由于海上无风施工窗口期短、大直径钻机难以及时就位等问题，大直径嵌岩单桩基础的应用受到了限制。
为了使大直径嵌岩单桩基础安全可靠地在岩基海床中应用，目前出现的技术方案主要有以下三种，其一是“沉桩-钻孔-沉桩”方案，即在首次沉桩后进行钻孔施工，然后进行二次沉桩，如CN 106088140 A、CN 104032765 A公开的嵌岩单桩基础施工工艺；其二是“沉桩-钻孔-灌浆”方案，即先行沉桩到设定深度后进行钻孔施工，然后灌注高强灌浆体或海工混凝土，加强钢管单桩嵌固在岩基海床中的牢固度，提高水平承载力和抗倾覆能力，如CN106759449 A、CN 105862905 A、CN 110241731 A公开的嵌岩单桩基础施工工艺；其三是“钻孔-灌浆-锚固”方案，即在钢管单桩内钻孔，浇筑混凝土形成灌注桩，在灌注桩中插入锚杆，锚杆嵌固于中、弱风化岩中，进一步提高嵌岩单桩基础的施工质量，减少嵌岩施工风险，如CN 105297765 A公开的复合式嵌岩单桩基础施工工艺。前两种方案依赖于大直径钻机，施工成本较高；第三种方案施工程序复杂，操作不便，而且浅海海上风电场的岩基以强、中风化层为主，不必要使用锚杆插入中、弱风化岩。为了简化水下桩基的开挖程序，提高施工效率，需要提出一种新的水下桩基开挖方法，服务于海上风电场建设。
发明内容
本发明的目的是提供一种大直径海上风电嵌岩单桩开挖方法，可用于海上风电场、跨海桥梁等工程的水下桩基开挖施工中，以有效解决海上风电场建设中大直径海上嵌岩单桩基础开挖技术难题，提高施工效率。
为实现上述目的，本发明提供的大直径海上风电嵌岩单桩开挖方法，采用石油钻机机械开挖和CO2膨胀破岩扩挖相结合，石油钻机直径为2.0～4.0m，开挖的导井直径为1.2～3.0m，导井超深达到0.10～0.15倍桩基深度，包括如下步骤：
1)沉放导井护筒至指定深度；2)调整石油钻机工作平台的位置，通过导井护筒开挖导井至设计深度；3)采用地质钻钻机，在导井外围钻设2～3圈主爆孔和1圈轮廓爆破孔，然后下放套管护孔；4)在主爆孔套管内分段安装专用CO2相变膨胀致裂管并做好隔断堵塞，在轮廓爆破孔套管内连续安装专用CO2相变膨胀致裂管；5)连接爆破网路，主爆孔自上而下对称起爆，轮廓爆破孔同时起爆；6)下放嵌岩单桩钢护筒；7)吸除导井护筒与嵌岩单桩钢护筒之间的覆盖层淤泥和风化砂；8)拔出导井护筒和钻孔套管；9)使用水下清渣设备抓渣；10)灌注混凝土形成嵌岩单桩基础。
作为优选方案，所述步骤3)中导井中心线、主爆孔和轮廓爆破孔中心线共线。
进一步地，所述步骤3)中主爆孔共有2～3圈；所述主爆孔的最内圈与导井之间的距离为0.8～1.5m，所述主爆孔的相邻两圈主爆孔之间的距离为0.8～1.5m，轮廓爆破孔与最外圈主爆孔之间的距离为0.8～1.5m，轮廓爆破孔超出桩基设计直径0.2～0.8m，钻孔间距0.8～1.5m。
更进一步地，所述步骤4)中主爆孔内分段安装专用CO2相变膨胀致裂管，在未安装专用CO2相变膨胀致裂管的间隔段设置一个具有延时功能的电引火器并使用吸水膨胀橡胶材料堵塞，间隔段长度为30～80cm，轮廓爆破孔内连续安装专用CO2相变膨胀致裂管。
更进一步地，所述步骤5)中主爆孔分圈分层起爆破碎，每次1～2对炮孔对称起爆，单个炮孔内自上而下依次起爆，起爆延迟时间30ms以上，轮廓爆破孔采用控制爆破技术，同时起爆。
更进一步地，所述步骤4)中主爆孔和轮廓爆破孔的直径为110～150mm，专用CO2相变膨胀致裂管的直径大于80mm。
与现有技术相比，本发明的优点及有益效果如下：
本发明利用导井机械开挖和CO2膨胀破岩扩挖相结合的开挖方法，突破利用2～4m直径石油钻机和普通地质钻机完成8～10m及以上直径海上嵌岩单桩基础开挖技术难题，避免了对大直径钻机的依赖，可有效缩短工期，提高施工效率。利用CO2相变时产生的膨胀压力破岩，膨胀压力可控，破岩效果好，大块率低，通过主爆孔的延时起爆，产生的爆炸冲击波和振动速度小，轮廓爆破孔采用控制爆破技术，使得海上嵌岩单桩基础的成型效果好。爆破过程无有害物质产生，安全环保。
附图说明
图1为主爆孔内专用CO2相变膨胀致裂管安装示意图；
图2为轮廓爆破孔内专用CO2相变膨胀致裂管安装示意图；
图3为导井、主爆孔和轮廓爆破孔分布示意图。
图中：1-堵塞段，2-专用CO2相变膨胀致裂管，3-吸水膨胀橡胶材料，4-电引火器，
5-导井，6-主爆孔，7-轮廓爆破孔；R1-导井半径，R2-内圈主爆孔分布半径，R3-外圈主爆孔分
布半径，R4-轮廓爆破孔分布半径。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性工作的前提下，所获得的所有实施例，都属于本发明保护的范围。
某海上风电场风机基础采用大直径嵌岩单桩基础，桩基设计直径9.0m，设计深度20.0m，钻设2圈主爆孔，1圈轮廓爆破孔，大直径嵌岩单桩基础开挖包括以下步骤：
1)采用振动锤配合高能量液压冲击锤将导井护筒沉放至指定位置；
2)调整石油钻机工作平台的位置，沿导井护筒中心线向下钻孔，钻进深度超过桩基设计深度2.5m，钻设的导井5半径R1为1.2m；
3)换用地质钻钻机，在导井5外围钻设2圈主爆孔6和1圈轮廓爆破孔7，主爆孔6和轮廓爆破孔7的直径为140mm，专用CO2相变膨胀致裂管2直径110mm，内圈主爆孔分布半径R2为2.5m，外圈主爆孔分布半径R3为3.7m，轮廓爆破孔7分布半径R4为4.7m；
4)在主爆孔6套管内分段安装专用CO2相变膨胀致裂管2，未安装专用CO2相变膨胀致裂管2的间隔段长度为60cm，在间隔段安装一个具有延时功能的电引火器4并使用吸水膨胀橡胶材料3堵塞，在轮廓爆破孔7套管内连续安装专用CO2相变膨胀致裂管2，在主爆孔6和轮廓爆破孔7的顶部用级配砂堵塞，堵塞段1长度为3.0m；
5)连接爆破网路，当吸水膨胀橡胶材料3吸水膨胀形成压力塞后，由内向外依次起爆主爆孔6和轮廓爆破孔7，通过具有延时功能的电引火器4设置相邻两段专用CO2相变膨胀致裂管2的起爆延迟时间为50ms，每次2对炮孔对称起爆，主爆孔6起爆完成后，轮廓爆破孔7同时起爆；
6)沉放嵌岩单桩钢护筒至开挖深度；
7)吸除导井护筒与嵌岩单桩钢护筒之间的覆盖层淤泥和风化砂；
8)拔出导井护筒和钻孔套管；
9)使用水下清渣设备抓渣；
10)在基坑中灌注混凝土形成大直径嵌岩单桩基础。
Claims (7)
1.一种大直径海上风电嵌岩单桩开挖方法，其特征在于：采用导井机械开挖和CO2膨胀破岩扩挖相结合：先用2.0～4.0m直径石油钻机开挖导井，为后续CO2相变膨胀破岩创造临空面，石油钻机开挖的导井直径为1.2～3.0m，导井超深达到0.10～0.15倍桩基深度；包括如下步骤：
1)沉放导井护筒至指定深度；
2)调整石油钻机工作平台的位置，通过导井护筒开挖导井至设计深度；
3)采用地质钻钻机，在导井外围钻设2～3圈主爆孔和1圈轮廓爆破孔，然后下放套管护孔；
4)在主爆孔套管内分段安装专用CO2相变膨胀致裂管并做好隔断堵塞，在轮廓爆破孔套管内连续安装专用CO2相变膨胀致裂管；
5)连接爆破网路，主爆孔自上而下对称起爆，轮廓爆破孔同时起爆；
6)下放嵌岩单桩钢护筒；
7)吸除导井护筒与嵌岩单桩钢护筒之间的覆盖层淤泥和风化砂；
8)拔出导井护筒和钻孔套管；
9)使用水下清渣设备抓渣；
10)灌注混凝土形成嵌岩单桩基础。
2.根据权利要求1所述的大直径海上风电嵌岩单桩开挖方法，其特征在于：所述步骤3)中导井中心线、主爆孔和轮廓爆破孔中心线共线。
3.根据权利要求1或2所述的大直径海上风电嵌岩单桩开挖方法，其特征在于：所述步骤3)中主爆孔共有2～3圈；所述主爆孔的最内圈与导井之间的距离为0.8～1.5m，所述主爆孔的相邻两圈主爆孔之间的距离为0.8～1.5m，轮廓爆破孔与最外圈主爆孔之间的距离为0.8～1.5m，轮廓爆破孔超出桩基设计直径0.2～0.8m，钻孔间距0.8～1.5m。
4.根据权利要求1或2所述的大直径海上风电嵌岩单桩开挖方法，其特征在于：所述步骤4)中主爆孔内分段安装专用CO2相变膨胀致裂管，在未安装专用CO2相变膨胀致裂管的间隔段设置一个具有延时功能的电引火器并使用吸水膨胀橡胶材料堵塞，间隔段长度为30～80cm，轮廓爆破孔内连续安装专用CO2相变膨胀致裂管。
5.根据权利要求3所述的大直径海上风电嵌岩单桩开挖方法，其特征在于：所述步骤4)中主爆孔内分段安装专用CO2相变膨胀致裂管，在未安装专用CO2相变膨胀致裂管的间隔段设置一个具有延时功能的电引火器并使用吸水膨胀橡胶材料堵塞，间隔段长度为30～80cm，轮廓爆破孔内连续安装专用CO2相变膨胀致裂管。
6.根据权利要求1或2或5所述的大直径海上风电嵌岩单桩开挖方法，其特征在于：所述步骤5)中主爆孔分圈分层起爆破碎，每次1～2对炮孔对称起爆，单个炮孔内自上而下依次起爆，起爆延迟时间30ms以上，轮廓爆破孔采用控制爆破技术，同时起爆。
7.根据权利要求1或2或5所述的大直径海上风电嵌岩单桩开挖方法，其特征在于：所述步骤4)中主爆孔和轮廓爆破孔的直径为110～150mm，专用CO2相变膨胀致裂管的直径大于80mm。
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