大连海上风电单桩抗冰锥结构灌浆施工研究

孙烜，王强，李孟超，钟茗秋，黄祥声

（1. 中交港湾（上海）科技有限公司，上海200032；2. 中国长江三峡集团公司福建分公司，福州350003；3. 福建省新能海上风电研发中心有限公司，福州350108）

海上风能是一种分布广泛的清洁能源，有着广阔的应用前景，也是促进我国能源转型、实现经济可持续发展的重要推力。在经历“十二五”期间的技术探索和市场示范后，“十三五”期间，国内海上风电市场迎来爆发式增长，截止到2017 年8 月，我国已经开工投建的海上风电项目共计19 个，总装机量合计4.799 GW，分别位于江苏、福建、浙江、广东、辽宁等附近海域。计划到2020年，开工建设10 GW，确保建成5 GW［1-8］。

大连某海上风电场项目，属于高纬度海域，每年冬季都会出现不同程度的冰冻，而海冰会对风机的结构和安全运营造成重要的影响［9-10］。为防止海冰对单桩结构造成影响，设计在国内首次提出了单桩基础抗冰锥结构。从外观看，抗冰锥由正、倒锥组合而成。冰力由冰的抗弯强度控制，当浮冰撞击在上錐或下錐时，浮冰发生弯曲破坏，这样就可以充分地借助锥体结构减小冰力［11-12］，如图1 所示。在冰期可以有效抵御浮冰的侵袭，保护桩身的安全。

本研究通过大连某海上风电项目单桩抗冰锥灌浆连接的工程实践，总结单桩抗冰锥灌浆管路设计、抗冰锥结构安装、抗冰锥灌浆封堵、抗冰锥灌浆材料研发应用、抗冰锥施工质量控制与检测等技术要点，总结形成单桩抗冰锥结构特有的灌浆连接工艺。

图1 抗冰锥破坏冰力示意图Fig.1 Ice-force failure by icebreaking cone structure

1 抗冰锥灌浆简介

根据设计图纸，钢管桩外径5.5 m，抗冰锥钢管内径5.7 m，对抗冰锥与钢管桩之间的宽度为0.1 m 的环形空间进行灌浆施工。灌浆连接段标高位于-4.30 m～+4.90 m，平均海平面以下灌浆高度约4.28 m。每个环空灌浆料理论用量大约16.35 m3，应一次灌注完成。抗冰锥结构图及灌浆部位如图2所示，实物如图3所示。

图2 抗冰锥及灌浆部位结构示意图Fig.2 Icebreaking cone and grounting structure

图3 抗冰锥实物图Fig.3 Icebreaking cone

2 灌浆材料

根据设计文件要求，抗冰锥连接段灌浆料必须具备大流动性、高早强、超高强、微膨胀和抗疲劳性等技术特点。同时，为满足水下灌浆特殊需求，材料必须具备较好的抗水分散特性；针对单个环空灌浆量较大或在气温较低环境下使用需求，材料既要能保证有足够的施工时间，又要在早期（1 d）有较高的强度。具体技术要求如下：

1）最大骨料直径≤4.75 mm。

2）初始流动度不低于290 mm，30 min 流动度保留值不低于260 mm。

3）灌浆材料应为无收缩材料。

4）灌浆材料泌水率为0。

5）试件1 d 抗压强度≥50.0 MPa；3 d 抗压强度≥75.0 MPa；28 d抗压强度≥100.0 MPa。

6）试件28 d 抗折强度≥13.5 MPa，28 d 弹性模量≥50 GPa。

为此，本工程采用中交港湾（上海）科技有限公司自主研发的优固特®SKG-V 高强灌浆料。该产品由特种水泥、超细矿物掺合料、纳米微粉和复合膨胀剂等组成的胶凝材料与优质天然高强石英砂、高效减水剂、聚合物和其他各类化学改性剂组成的干混材料。产品主要性能如表1所示。

3 灌浆施工

3.1 灌浆前期准备

灌浆施工前的准备工作包括灌浆设备上船安置，灌浆料存放与保护，设备检修与标定，灌浆人员技术培训，灌浆接口的制作与加工等，以及设备就位后对灌浆管线的连接等。根据海上风电灌浆经验，灌浆前必须确保两个灌浆技术要点，一是灌浆底部封堵措施到位确保灌浆时不漏浆，二是灌浆前必须采取措施确保需要灌浆的结构内外钢管临时固结无相对位移。

表1 优固特®SKG-V高强灌浆料性能指标Tab.1 Properties of ugrount®SKG-V high performance grounting material

3.2 灌浆设备

针对该项目，中交港湾（上海）科技有限公司专门定制了集装箱小型一体化专业灌浆设备，如图4所示。内部集成了2台5.5 kW 功率的搅拌机，2套进水设备，灌浆管线，一台主灌浆泵为活塞泵，输出能力100 L/min，另配备一台备用泵，同时集成了上水、卸料和泵送控制系统。该系统的工作能力为3～4 m3/h。

图4 中交港湾（上海）科技有限公司集装箱小型一体化专业灌浆设备Fig.4 Small-scale integrated grouting equipment of CCCC Harbour（Shanghai）Science and Technology Co.，Ltd.

3.3 灌浆工艺及流程

单桩抗冰锥结构灌浆工艺流程主要包括灌浆管线的连接、润管料浆体制备、润管、灌浆料浆体制备、灌浆、溢浆、压力屏浆和设备的清洗：

1）灌浆挂线的连接：灌浆施工船就位后，采用快速接头连接的方式，将灌浆软管与抗冰锥结构灌浆口连接。

2）润管：在泵送灌浆料浆体前，使用专用润管料对灌浆泵和灌浆软管进行润滑。润管料浆体流动度320～350 mm，润管结束后进行灌浆作业。

3）灌浆料制备：施工时吨包通过吊机起吊，利用破袋器自动破袋后加水搅拌制作浆体。根据材料使用说明，现场施工时用水量87 kg/t、搅拌时间5～7 min，控制灌浆料浆体初始流动度满足设计要求不小于290 mm。

4）泵送压浆：为确保单个环形空间一次性灌注完成，两台搅拌机同时制备浆体，交替为灌浆泵喂料，泵送压浆持续进行。通过控制浆体制备速度、搅拌机卸料速度与泵送速度的控制，使泵送压浆的速度始终维持在连续不断匀速泵送。当实际用量接近理论用量时，控制泵送速度，观察溢浆孔，直到溢浆后停止泵送压浆。

5）灌浆停止：判断环空内浆体是否完全灌满需要同时满足以下条件：一是实际泵送用量超过理论计算用量；二是观察确认环空顶部溢浆。溢浆后停止泵送，静置14～16 min 后，进行压力屏浆。所谓压力屏浆是采用低流量、低泵速进行二次灌浆，压力屏浆结束后灌浆结束。

3.4 施工工效

2017年完成的两台抗冰锥灌浆作业，采用了小型设备进行施工，2018年在此基础上定制了集装箱小型一体化专业设备。理论施工工效、2017 年及2018年实际施工工效如表2所示。

表2 施工工效分析Tab.2 Analysis of construction efficiency

2017年施工时，现场气温低，适当延长了搅拌时间，且采用起重船大吊机进行施工，速度慢、上料准确性差，需7 h左右才能完成一个机位的施工。2018年的集装箱小型一体化专业设备，对灌浆泵升级，系统集成供水系统，施工现场配备了履带吊，工效比2017 年提高了1 倍，每小时可灌浆10 t，完成一个机位的灌浆作业大约在4 h左右。

3.5 现场检测与质量控制

现场检测是灌浆施工质量控制的重要环节。为确保灌浆质量得到有效控制，在每个环形空间灌浆施工的开始、中间和结束前对材料取样测试。施工过程现场检测指标和检测频率见表3。

表3 现场检测项目及频次表Tab.3 Test items and frequency on site

3.6 三方送检测试结果分析

灌浆施工时，现场测试与留样试块抗压强度测试结果见汇总表4和图5。上述试验结果说明采用SKGV高强灌浆料在外海工况条件下，灌浆料性能满足单桩抗冰锥灌浆连接设计和施工技术要求，不仅和易性、可泵性好，并且具有充裕的可工作时间，硬化浆体力学性能优异，具有高早强和超高强的特点。

表4 灌浆料现场检测试验结果汇总Tab.4 Summary of grounting material test results on site

4 单桩抗冰锥灌浆技术难点及解决措施

4.1 抗冰锥结构安装

本项目是单桩抗冰锥结构国内首次使用，设计和施工缺乏经验。由于抗冰锥自身重力小于浮力，首个抗冰锥安装后未进行固定，位置及角度产生了变化。为解决该问题，采用候潮作业的方式，在低潮位安装抗冰锥，依靠抗冰锥自重使抗冰锥底部环板与桩身环板紧贴，并在抗冰锥顶部一周焊接上压板固定，防止抗冰锥随潮水上浮。上压板固定见图6。

图5 各桩位28天抗压强度测试结果Fig.5 28-day compressive strength of each pile position

图6 上压板固定Fig.6 Hold-down plate fixation

图7 抗冰锥灌浆管路示意图Fig.7 Ice cone grounting pipeline

4.2 灌浆材料选择

灌浆连接在抗冰锥结构服役期内需要承受冰锥结构传递的各种复合荷载作用，对灌浆料硬化浆体力学性能和耐久性要求很高，抗冰锥特殊的灌浆工况以及水下灌浆施工条件对材料施工性提出较高的技术要求。本工程选用的优固特®SKG-V 高强灌浆料满足上述特殊要求，现场检测与留样试块的三方送检试验结果表明材料各项性能指标满足北方抗冰锥结构灌浆设计与施工要求。

图7（续） 抗冰锥灌浆管路示意图Fig.7（Cont.） Ice cone grounting pipeline

4.3 灌浆管路设计

单桩基础抗冰锥结构是特殊的新结构，灌浆管路设计（包括灌浆管线尺寸、灌浆管路走向排布、灌浆孔位置数量设计、灌浆管线数量以及预制灌浆管线与灌浆软管的对接等）影响灌浆连接实施。根据海上风电灌浆经验，灌浆管线必须包括有主灌浆管线和备用灌浆管线，本项目共设计了两个主灌浆管路，1个备用灌浆管路。如图7（a）、（b）和（c）所示。

图7（a）中，①#为主灌浆管线，布设在抗冰锥对角的位置，从抗冰锥底部引出，为低位灌浆管线，灌浆管的另一端延伸到水面标高以上位置，施工时采用快速接头与灌浆软管相对接。②#为备用灌浆管线，从抗冰锥中间部位引出，为高位灌浆管线，若施工过程中发现主灌浆管路无法正常使用，则可采用备用管线进行灌浆。备用管线设置在主灌浆管线旁，方便将灌浆软管从主灌浆管转接至备用管。

4.4 灌浆封堵

灌浆封堵是海上风电灌浆尤其是水下灌浆质量的重要影响因素。本项目结构具有特殊性，单桩上设有裙板，抗冰锥安装就位后抗冰锥结构底部的裙板与单桩环板贴合，灌浆封堵通过抗冰锥裙板和单桩环板之间设置一圈三元乙丙环型橡胶板实现。封堵结构如图8所示。

图8 灌浆封堵设计Fig.8 Design of grounting plugging

在灌浆前，潜水员下水检查抗冰锥底部裙板与钢管桩环板之间的橡胶封堵情况，并通过水下焊接将抗冰锥底部裙板与钢管桩环板焊接固定，确保环空灌浆时抗冰锥与钢管桩之间无相对位移。若存在橡胶破损缺失、渗漏面积不大的部位，采用塞土工布的方法进行封堵。检查完毕后才能开始灌浆。灌浆过程中潜水员定期下水对环缝进行检查，对渗漏点进行封堵。

5 结 论

本项目是国内首个单桩抗冰锥灌浆连接施工。在抗冰锥灌浆施工过程中，通过技术论证和工程实践，总结单桩基础抗冰锥灌浆连接施工的关键技术，归纳技术要点如下：

1）抗冰锥安装采用候潮作业方式在低潮位安装抗冰锥并通过上压板固定。

2）灌浆封堵设计是灌浆施工中的关键措施，灌浆前潜水员水下检查抗冰锥底部裙板与钢管桩环板之间的橡胶封堵情况，并通过水下焊接将抗冰锥底部裙板与钢管桩环板焊接固定，确保环空灌浆时抗冰锥与钢管桩之间无相对位移。灌浆管路设计总体采用两个主灌浆管路和一个备用灌浆管路，灌浆管线引到水面以上采用快速接头与橡胶软管对接，灌浆管路设计合理，灌浆施工方便，效果可靠。

3）材料采用中交港湾（上海）科技有限公司自主研发的优固特®SKG-V 高强灌浆料，产品流动度、强度、竖向膨胀率指标完全满足设计要求，现场检测与三方送检试验结果表明材料各项性能指标满足要求。半吨包装灌浆材料和自主研发的集装箱小型一体化专业灌浆专用设备施工，在4 h 内完成16.35 m3，灌浆工效满足工程要求。