海上风电桩-桶结构复合灌浆施工工艺及质量控制研究.pdf

8港工技术理2 0 2 3年第4期施工技术海上风电桩一桶结构复合灌浆施工工艺及质量控制研究田志王岩松（中交港湾（上海）科技有限公司，上海200032)摘要 桩一桶复合基础是一种新型的海上风电基础，该基础将桩基础良好的竖向承载性能与负压桶型基础良好的水平承载性能相结合。相对于大直径单桩嵌岩基础来说，该新型基础能够降低施工成本、简化施工工艺、提高基础整体稳定性，通过桩一桶复合基础结构缩短单桩设计桩长，规避大直径单桩嵌岩难题。本文依托福建平海湾海上风电桩一桶复合基础工程，从基础安装施工工艺、灌浆材料选取、现场灌浆质量控制等方面总结了桩一桶复合基础安装及灌浆施工关键技术。关键词海上风电桩一桶复合基础水下灌浆施工技术1引言在海上风电发展过程中，桩基础设计是海上风电开发的重要组成部分。单桩桩基作为一种传统的基础，随着风机发电功率的增大，对大直径单桩基础的应用也越来越普遍。近年来，福建等地超强台风、大涌浪等极端天气频发，海域内地质条件复杂，这也导致了风机基础的施工成本长期以来居高不下 2 。在面临土壤覆盖层较厚且岩石风化程度较大的海床时往往选取I型嵌岩桩，该工艺省去了灌浆步骤，但只适用于强风化岩层，无法打进中风化及以上岩层 3。在I型单桩嵌岩施工中遇到中风化及以上岩层而导致卷边的情况下，通过在已打入的大直径单桩外侧安装圆环形负压桶，提高基础的抗水平变形能力和承载力。同时对已打入的大直径单桩进行部分割除处理，通过在单桩顶部设计插入式过渡段与大直径单桩进行灌浆连接，调节桩顶标高，满足装风机的标高要求。海上风电桩一桶复合基础通过桩与桶的复合，能有效提高基础水平方向的承载力，简化施工工艺，同时发挥桶形基础施工方便、经济性好的特点。福建平海湾海上风电场二期项目中，在I型嵌岩桩卷边的情况下，采用了桩一桶复合基础进行改进。本文从基础安装施工工艺、灌浆材料选取、现场灌浆质量控制等方面展开研究，重点阐述了海上风电新型桩一桶复合基础施工中灌浆技术难点及关键措施，有助于推动桩一桶复合基础在海上风电行业的广泛应用。2工程概况平海湾海上风电场二期项目风机基础施工及风机安装工程位于莆田市秀屿区平海湾内，现阶段拟安装41台单机容量6 MW的风力发电机组，其中B区布置2 0 台机位、C区布置2 1台机位，总装机容量约2 5 0 MW，场内风机分布如图1所示。12号机位原设计为I型单桩基础，沉桩过程中桩底遇到孤石，桩端存在局部变形,拟改进为桩一桶复合基础，即桩外套负压桶。复合基础主要由钢管桩、桶形基础和桩身附属构件3个部分构成。其中单桩桩长7 7 m，桩径 7 m，桩重9 2 9.38 t，泥面标高-17.7 m，桩底标高为-48.0 5 m，其桩一桶复合基础设计如图2 所示。该桩一桶复合基础主要用于解决大直径单桩嵌岩困难、单桩过长等问题，提高基础稳定性，简化施工工艺。同时，相较于一般风9A205332516.362612751IC44650C45图1平海湾海上风电场二期项目I标段场区分布图一内插式过渡段一单桩过渡段高强灌浆一大直径单桩灌浆口负压桶顶标高泥面负压桶内低强度回填灌浆标高桩一桶间隙水下混凝土填充图212号机位桩一桶复合基础灌浆示意图机基础，该类复合基础需要灌浆连接的部位的施工工艺、质量要求更高。3木桩一桶复合基础施工工艺12号机位负压桶基础直径为0 2 5 m，高7m，总重35 0 t。桶体顶板厚2 0 mm，外壁厚25mm。桶内设置6 块分隔板，将桶体分为6个密封舱体。桶体顶板下设2 4道梁（包括分舱板）和4道环向加强板，以满足顶板负压贯入要求。桶体外周设置3.5 m防冲板以减少桶周冲刷，桩一桶复合基础主要依靠负压“抽吸”沉贯到泥面以下。下沉过程中，先靠负压桶自重入泥一定深度，使桶裙与泥面之间形成密封。通过水泵抽水，密封的桶体内由此与桶外界产生压力差，将桶体压至预定深度，有效提高了单桩基础的水平承载性能。施工流程如下：施工准备一桶型基础、桩基础制作基础运输负压桶定位、下沉桩桶之间、桶内灌浆内桩安装单桩基础过渡段灌浆。负压桶安装入水前，需要对基础周边海床面进行整平作业，保证桶体初始贯入泥面时的严密性。利用大型起重船起吊负压桶，将负压桶内圈套入钢桩内后，打开桶体阀门放气，待负压桶顶接近水面时关闭放气阀，桶顶入水后下放速度减缓，保证有充足时间释放桶内空气（图3）。桶顶完全入水后，检查阀门等密封情况，随结构下放同时将电缆、管线等放入水下，避免受拉或与甲板上障碍物发生刮蹭。在负压桶抽真空沉入过程中，需要依靠定位监测系统持续监测基础结构的倾斜，调整桶内各舱抽气下沉量，确保水平度控制，直到沉入设计标高。4灌浆施工技术分析与质量控制研究4.1灌浆施工技术难点分析本次灌浆施工主要包含负压桶内灌浆、桩一桶环缝灌浆、单桩基础过渡段灌浆3个部分。由于灌浆区域的部位和结构作用不同，灌浆材料种类选择及灌浆施工工艺均有所不同，主要技术难点有以下几个方面：10图3现场负压桶吊装（1）施工海域海况复杂，涌浪较大。3个部分灌浆区域需分次灌浆，灌浆工作量大。对于单桩过渡段区域，考虑到其结构作用及承担荷载，对应的灌浆材料各项性能指标要求更为严格。（2）桩一桶结构沉设对地质要求较高，要求海床面平整，沉设前需水下清理嵌岩渣。在桩一桶环缝区域灌浆前，按照设计要求进行清淤，清淤效果对环缝灌浆质量有较大影响（图4)。若桩一桶间未形成可靠连接，则会影响桩一体组合基础的服役性能。图4现场桩一桶环缝清淤（3）水下灌浆需要潜水员配合水下接管、溢浆观察，潜在风险较高。灌浆管线入水较深，若出现堵塞、损坏无法及时发现并更换软管，将严重影响现场灌浆质量。现场灌浆连接法兰如图5 所示。图5灌浆连接法兰4.2灌浆区域及技术要求（1）负压桶内冲刷坑灌浆按照设计要求，桶内冲刷坑灌浆强度为40MPa，潜水员水下连接灌浆管与灌浆孔，通过溢浆孔判断注浆完成情况。按照设计图纸，负压桶分为6 个隔舱，每个隔舱设有1个灌浆孔和1个溢浆孔，每舱灌注约45 m，理论灌浆方量2 6 8.5 m。（2）桩一桶环缝区域灌浆待桶内灌浆填充完成，再进行桩一桶环缝灌浆。灌浆前，利用高压水枪及大型空压机清除桩一桶间浅层淤泥质土层，清理范围需达到桶顶以下4m。清淤完成后，将钢性灌浆管插入距桶顶4m以下位置处进行灌浆，灌浆料强度应达到设计要求的8 0 MPa，理论灌浆方量10 6 m，灌浆面高度需达到桶顶板以上2 m，待灌浆完成立即进行封顶板安装。(3)单桩过渡段灌浆植入内桩前先将桩内水抽至-8.5 m处。焊工通过吊篮从原桩+4.5 m处吊入进行桩内剪力键焊接，拟从-1.5 4m标高处开始，每隔0.5m焊接g20mm、长40 mm的剪力键，每排均布设8 根，共14排。焊接完成后再进行港工技术与管理2 0 2 3年第4期11植入内桩吊装作业。植入桩通过环向板与原桩顶连接固定。植入桩加固后进行桩与桩之间灌浆，拟采用设计要求为12 0 MPa的高强度灌浆料，理论灌浆方量为34m。4.3灌浆管线布置(1）负负压桶内冲刷坑灌浆主要通过潜水员将灌浆软管和负压桶上预留的灌浆口相连进行灌浆，具体管线布置如图6 所示，根据负压桶内灌浆设计强度要求选取SPG-I灌浆材料。灌浆软管通过增加配重灌浆设备的方式进行水下固定海面灌浆口泥面图6负压桶内灌浆管线布置（2）桩一桶环缝灌浆环缝大小为0.5 m，因涉及到水下灌浆，采用抗水分散性灌浆材料SKG-。施工过程中，通过插管法进行水下灌浆，灌浆之前，需要根据设计要求进行环缝内清泥，管线布置如图7 所示。灌浆口灌浆设备海面泥面图7桩一桶环缝灌浆管线布置（3）单单桩过渡段灌浆单桩基础过渡段灌浆材料要求较高，采用UHPG-120灌浆材料，通过桩内预留灌浆管线进行灌浆工作，管线布置如图8 所示。根据以往灌浆工作经验，预制灌浆口应根据灌浆高度具体布置。考虑此单桩基础过渡段的灌浆高度为13.9 7 m，再考虑封堵措施，建议设计4个灌浆口和1个溢浆口，具体方案如下：在封隔器上方5 0 0 mm处设置1号主灌浆管线主灌浆管线上方5 0 0 mm处设计2 号备用灌浆管线；2 号灌浆管线上方6 0 0 0 mm处设计3号灌浆管线；在通向封隔器内部设置1个4号封底口；在割桩高程下方5 0 mm处设置5 号溢浆口。灌浆口一内插桩灌浆设备海平面灌浆区域外桩图8单桩过渡段灌浆管线布置灌浆施工过程中，先利用4号灌浆管线向封隔器内部打封底灌浆料，待封底灌浆料强度达到要求后再通过1号主灌浆管线进行灌浆施工。4.4灌浆设备及材料选取本工程以专业的工程船舶作为灌浆施工平台，采用自主研发的灌浆作业设备（图9），该设备的工作能力为8 10 m/h，搅拌机、泵机、进水系统等均满足一用一备的原则。按照设计要求，灌浆材料选取自主研发的优固特SPG-I、S K G-、U H P G-12 0 海上风电灌浆料，其主要性能指标如表1所示。SPG-I灌浆材料主要用于植入桩嵌岩灌浆，12港工技术与理2 0 2 3年第4期K图9灌浆搅拌设备其2 8 d强度在5 0 MPa以上；SKG-灌浆料主要应用于海上风电高桩靠泊灌浆，2 8 d强度在8 0 MPa以上;UHPG-120材料2 8 d强度在12 0 MPa以上。负压桶内冲刷坑灌浆主要用作填充灌浆，采用满足设计要求的SPG-I材料；桩一桶环缝、过渡段作为结构主要受力部位，则采用满足设计要求的SKG-、U H P G-12 0 灌浆材料。4.5灌浆施工工艺流程表1优固特?SPG-I、S K G-I、U H P G-12 0 灌浆材料性能指标项目SPG-ISKG-IIUHPG-120初始流动度/mm29029029030min流动度/mm260260260竖向膨胀率(3h)/(%)0.10.80.13.50.10.8竖向膨胀率（2 4h与3h之差)/(%）0.020.500.020.500.020.501d强度/MPa1530503d强度/MPa30608028 d强度/MPa508012020凝结时间/h101210121012泌水率/(%)000用水量/（%）11.012.08.59.08.08.7骨料最大粒径/mm2.362.362.36(1)前期准备灌浆条件具备后，现场调试搅拌机、泵机、发电机等设备，同时检查备用设备是否正常运行。确保灌浆管、现场试验仪器及模具数量充足，并针对灌浆施工中存在的风险制定应急措施与备用方案。（2）管线连接、润管作业现场涌浪较大，水面下的管线需设多吊点，以防灌浆管线脱落。正式灌浆前进行润管作业，并控制泵送速度。（3）复合基础灌浆待润管作业完成之后开始正式灌浆，严格按照SPG-I、S K G-、U H P G-12 0 材料用水量要求进行浆体制备，并定时取样测试，保证现场灌浆质量。(4)溢浆观察、压力屏浆待溢浆孔溢出浓浆即停止灌浆，使浆料中的气泡充分溢出，进行压力屏浆。（5）灌浆结束拆除灌浆管线，清洗设备。4.6灌浆质量控制及基础安装关键技术(1）1负压桶施工地质条件复杂、桶内未形成初始密封、桶体下沉压力控制不当等原因均可能导致负压桶变形或下沉不到位，进而影响桩一桶复合基础的服役性能。负压桶下沉施工应制定相应的监测方案，对桶内负压差、下沉速度、结构倾斜度及贯入度等实时监测。（2）桩一桶环缝区域清淤负压桶安装完毕后，采用大功率空压机13配合高压水枪清理桩一桶间浅层淤泥质土，清理范围需达到桶顶以下4m。清理浅层淤泥之后，插入灌浆钢管，插入深度和灌浆高度应严格遵循设计方案要求。桩一桶环缝区域清淤效果很大程度上决定着复合基础的整体性和安全性。(3）理现场灌浆质量控制灌浆施工现场由专业技术人员负责，根据现场的天气、温度情况按照使用要求调整，确定灌浆材料最佳用水量。现场人员定时检验出机灌浆料温度、流动度、表观密度等指标是否满足要求，并保证灌浆过程中质量稳定。现场测试结果表明，气温为2 5 30，泵压控制在6.5 6.7 MPa，灌浆料出机温度控制在30 32，初始流动度为2 9 0 30 0 mm。现场出机灌浆料性能指标符合要求且质量稳定。经第三方检测，负压桶内灌浆取样试块28d抗压强度6 4.3MPa，桩一桶环缝灌浆取样试块2 8 d抗压强度8 8.1MPa，单桩过渡段灌浆取样试块2 8 d抗压强度为135.8 MPa，均满足设计要求。5总结本文依托福建平海湾桩一桶复合基础的成功安装，对复合基础施工工艺及灌浆质量控制展开研究，主要结论如下：（1）福建平海湾项目将12 号I型嵌岩桩成功改进为桩一桶复合基础，并陆续在项目其他I型嵌岩桩机位中得到应用，为今后采用此类基础结构提供了实践经验。桩一桶复合基础相对于单桩基础、桶型基础而言，（上接第7 页）降低至33.0 3%，混合土CBR强度降幅明显低于纯红黏土。参考文献1师龙飞干湿循环对改良膨胀土强度与变形特性结合了两者的优点，在施工工艺、经济性、水平承载力等方面均有所提高，最大的优势在于该基础结构回避大直径嵌岩单桩嵌岩施工难题，适用于覆盖层较薄的地质条件下大功率的海上风机基础。（2）负压桶内回填灌浆、桩一桶间及单桩过渡段灌浆施工对基础稳定性起着决定性作用，其中单桩过渡段结构受力特点对灌浆材料力学性能、抗疲劳性能及灌浆施工质量要求极高，国内应用案例很少，本案在材料、封堵和过渡段结构设计以及灌浆施工等方面为国内单桩过渡段结构连接提供借鉴（3）本案中分别采用3种不同特性的SPG-I、S K G-I I、U H P G-12 0 海上风电灌浆料解决负压桶回填、桶与桩环缝连接、桩与过渡段灌浆连接，通过灌浆技术针对性解决不同结构部位的快速施工。实践证明，通过材料、设备和工艺整体解决方案确保了海上风电桩一桶复合基础顺利实施。参考文献1段勋峰，冉红玉，李凤丽海上风电场风机基础的选型设计 J.水利与建筑工程学报，2 0 10,8（0 1)：1291312任骄阳.海上风机桩一桶复合基础设计及承载力特性研究 D.大连理工大学,2 0 2 13李亚军，刘东华.海上风电嵌岩区风机基础比选原则及依据 J.南方能源建设，2 0 18,5(4)：12 4 12 94黄周泉，吴锋，苏静波.海上风电桩桶复合基础的竖向承载性能研究 J.水力发电，2 0 17,43(12)：8 386+100的影响 J.公路工程，2 0 15(3)：8 9 9 1+1152施灿海，李猛，王绍强改良云南红黏土强度特性研究 J.科学技术与工程,2 0 11(9)：2 137 2 1403张晓帆.不同剂量石灰处治高液限红黏土物理力学及工程性质 J.城市道桥与防洪，2 0 14(1)：40 42