海上升压站基础导管架及上部组件灌浆连接施工技术

王海斌，王 霄，孙 烜，张 恒

(1.中国广核新能源控股有限公司，北京 100071；2.中交港湾(上海)科技有限公司，上海 200032)

海上风电升压站是一个海上风电场的“心脏”，是海上风电工程的重要配套设备[1]，用于将风电机组所发的电能进行升压转换后，通过海底电缆送到路上集控中心接入外部电网，决定着整个海上风场的电力输出，它的安全性和可靠性极其重要[2-3]。

目前，国内已建海上升压站的基础形式主要有先桩法和后桩法导管架基础[4]。从国内的实践看，后桩法四桩斜桩导管架基础结构适用范围广泛，成为近海海上升压站基础的主要结构型式。导管架水下灌浆是导管架基础施工的关键节点，灌浆连接段将导管架结构与钢管桩连接在一起，将风机的荷载传递至钢管桩桩，因此灌浆连接段的灌浆质量对后续风机的运行非常重要[5-7]。目前我国海上升压站基础导管架及上部组件灌浆施工技术还有待完善，亟需相关工程实践为后续海上升压站基础导管架施工技术提供宝贵的工程经验，进一步指导深水导管架灌浆施工。

1 项目概况及要求

1.1 工程概况

江苏某海上风电场工程位于盐城南部基地的省管区海域，离岸距离约37 km，规划装机容量200 MW。风电场范围内海底高程在0～-11.5 m之间(85高程，下同)，水深条件较为复杂，深浅不一，具有典型的辐射沙洲地形特征。风电场形状呈不规则多边形，东西长约为13.5 km，南北宽约为7.5 km，涉海面积30.1 km2。风电场配套新建1座220 kV海上升压站，所有风电机组所发电能经海上升压站升压后接入陆上集控中心送至电网。

1.2 灌浆区域及技术要求

该升压站灌浆分两次进行，第一次灌浆为下部基础导管架和钢管桩之间的环缝灌浆，灌浆将导管架与钢管桩连接成整体结构，承受海上升压站上部组块荷载和导管架自重荷载。第二次灌浆为上部组块桩腿插尖和钢管桩之间空隙的灌浆，上部组块灌浆将上部组块与导管架基础永久固结[8]。

1)升压站基础导管架灌浆。该升压站基础包含后桩法斜桩导管架，钢管桩和附属构件，其均为在工厂内制作完成后，运输至项目现场，经安放导管架、沉桩、打桩、导管架焊接等工序后，进行升压站基础导管架灌浆。灌浆段钢管桩外径2 200 mm，导管架内径2 338 mm，灌浆范围为-11.70～+11.00 m，单腿方量11.16 m3，属于水下施工。升压站基础和导管架灌浆段示意图如图1所示。

图1 升压站基础和导管架灌浆段示意图

2)上部组件部位灌浆。升压站基础导管架灌浆完成且强度达到设计要求后，进行上部组件的安装。上部组件安装完成后，桩腿插尖和钢管桩之间形成空隙，该部分需要进行灌浆连接。上部组件灌浆范围为+8.6～+11.8 m，灌浆段高度约3.2 m，属于干施工。灌浆部位如图2所示。

3)灌浆材料技术要求。根据设计文件要求，升压站基础导管架及上部组件采用高性能灌浆料，具体技术指标如下：①初始流动度不小于290 mm，30 min流动度保留值不小于250 mm；②1 d抗压强度不小于20 MPa，3 d抗压强度不小于40 MPa，28 d抗压强度不小于80 MPa；③28 d抗折强度不小于10 MPa，抗拉强度不小于2 MPa，静弹性模量不小于35 GPa。

图2 升压站导管架平台上部插尖和钢管桩空隙灌浆区域示意图

2 灌浆施工

2.1 灌浆设备及材料

本工程采用中交港湾(上海)科技有限公司自主研发的海上风电灌浆作业系统和优固特®UHPG-120海上风电导管架灌浆材料。

优固特®UHPG-120海上风电导管架灌浆材料主要用于导管架结构水下灌浆，具有良好的抗水分散性和流变性能，早期和最终强度高，硬化浆体与钢管之间粘结强度高等特性，适用于超长管路水下灌浆。由于单根钢管桩灌浆施工必须连续灌，注不得中间间断或停顿，且海上施工作业窗口有限，需要在较短时间内完成灌浆工作，因此对施工效率提出了较高的要求。现场灌浆设备采用自主研发的集装箱一体化小型灌浆专用设备，该系统由两台搅拌机、一台灌浆泵、一台备用灌浆泵和数字控制系统组成。灌浆料吨包经搅拌机顶部的破袋锥自动破包后，进入搅拌机搅拌，数字控制系统对用水量、搅拌时间等环节进行控制，保证搅拌效果的同时提高了施工效率。

2.2 灌浆施工工艺流程

一般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。升压站基础导管架灌浆施工工艺主要步骤如下：

1)安装导管架并打入钢管桩后，导管架与钢管桩之间形成环形空隙并在导管架顶部进行固定。

2)对导管架每个桩腿底部自封闭封隔器进行封底灌浆。

3)封底灌浆24 h后，连接好灌浆管线，主灌浆口底部位于封隔器上方。

4)制备润管料并进行润管，然后将搅拌好的灌浆料浆体经灌浆管线，通过泵送的方式自下而上顶升，置换环形空间中海水进行灌浆。

5)待环形空间充满料浆，并且位于环空顶部的溢浆口溢浆后进行压力屏浆。

6)单个钢管桩灌浆结束后，进行拆管换管，按照步骤4)和5)，对另外3根钢管桩依次进行灌浆。

7)灌浆结束后，拆除灌浆管线，清洗灌浆设备。

升压站上部组件灌浆施工工艺与基础导管架类似，由于灌浆位置完全位于水面以上，灌浆为干施工环境，灌浆难度和风险并不高。

2.3 灌浆封堵

灌浆底部封堵技术是海上风电导管架水下灌浆能否成功的关键。若底部封堵失效则会导致漏浆，造成灌浆料用量增大、施工工期延长、灌浆质量下降、增加施工成本都诸多问题。针对本项目升压站基础“后桩法”导管架施工方法，结合以前项目经验，采用自封闭式封隔器，如图3所示。封隔器底部橡胶完全封闭，正式灌浆前先通过封隔器灌浆管线灌入一定体积的灌浆料进行封底，同时增大了封隔器对钢管桩的挤压进一步提高封堵效果。待封隔器内灌浆硬化后，环空底部封堵成功概率极高，该方法在实际工程中已大量被采用。

升压站上部组件灌浆连接段采用桩内封板的方式进行封堵，如图3所示在插尖下方630 mm处布置环形板。上部组块安装前做好密封性检查，确保不漏浆。

图3 自封闭式封隔器灌浆管线示意图

2.4 灌浆检测及质量控制

为了确保灌浆质量得到有效控制，灌浆材料除了进场的见证取样送检外，在灌浆的过程中还需要进行现场检测，同时制作试块进行三方送检。现场检测项目通常包括灌浆料温度、流动度、表观密度等项目。江苏某升压站具体检测项目和检测频次见表1。

表1 灌浆施工现场检测项目及检测频率表

灌浆现场测试结果见表2。表3的灌浆留样试块抗压强度试验结果表明，材料具有优异的施工性能，28 d强度达到120 MPa以上，各项性能指标均满足设计要求。

2.5 升压站导管架及上部组件灌浆关键工序控制

1)为保证灌浆质量，从灌浆开始至浆体产生强度的过程中，应尽量避免对导管架和钢管桩的扰动，保证两者之间不发生相对位移，因此在灌浆前需要将导管架和钢管桩进行临时固定。本项目在插桩打桩且测量满足要求后，及时将钢管桩与导管架用“7”字板进行焊接固定，待灌浆料终凝强度符合设计要求后，再割除临时固定的“7”字板。

2)灌浆封堵是影响海上风电导管架灌浆尤其是水下灌浆质量的重要因素。本项目下部为后桩法斜桩导管架基础，导管架安放后再进行沉桩打桩，打桩过程中封隔器存在损坏的风险。因此在打桩过程中通过导管架腿柱内侧的导向块防止封隔器出现损坏。实际施工中，每条钢管桩先打入1 t的灌浆料进行封底，待封底灌浆料硬化后再进行灌浆。4条钢管桩的灌浆方量依次为11.86、11.73、11.5 m3和11.73 m3，略大于理论计算方量11.16 m3，自封闭式封堵器起到了良好的效果。

表2 灌浆料现场测试结果表

表3 灌浆留样试块抗压强度检测结果表

上部组件则采用封板封堵的方式，封板的高程位置与插尖最低处留有一定距离，防止上部组件在吊装过程中对封板造成损坏。上部组件4根钢管桩的灌浆数量依次为8.28、8.36、8.59 m3和8.05 m3，与理论方量一致。

3)合理的管线布置可以避免在运输和吊装过程中的损坏，施工时还能提高灌浆管线连接的效率并减小堵管的风险。根据以往经验，灌浆管线通常包括主灌浆管线、备用灌浆管线和溢浆口。本项目下部基础导管架灌浆部位共设置了4根灌浆管和2个溢浆口，如图4所示。

图4 基础导管架部位灌浆管线示意图

6号为封底灌浆管。1号和2号为主灌浆管，底高程相差1 m，防止同时发生堵管。3号为备用灌浆管，从灌浆段中间引出，若施工时发现主灌浆管无法使用，则可采用该备用灌浆管。灌浆管线顶高程位于上部平台以上，灌浆管线的连接和换管可在上部平台进行操作，减少作业难度和时间。4号和5号为溢浆口，灌浆时灌浆料自下而上顶推，环空中的海水和最先灌入的润管料从4号溢浆口溢出，当溢出的浆料为灌浆料时，表明海水与润管料已经完全排出，然后用盖板对4号溢浆口进行封堵，并继续灌浆，直至5号溢浆口溢浆。实际施工表明，从灌浆段中部溢浆，便于对溢浆部位进行清洗，减少了对导管架表面和上部平台的污染。

上部组件灌浆管管口位于升压站上部组件底层，管线连接方便，灌浆管布置于插尖内部，运输与安装过程中避免了管线的损坏。

4)灌浆施工过程中，需要严格按照准备、润管、搅拌、灌浆、溢浆、屏浆的流程进行灌浆施工。并根据现场测试的结果，及时调整材料用水量、拌和水和材料温度、搅拌时间等，确保材料的性能指标满足要求。现场制作的试块应及时养护并送至检测公司进行检测。

3 结 语

本文依托江苏某升压站项目，通过技术论证和工程实践，总结了升压站“后桩法”斜桩基础导管架和上部组件灌浆连接施工的关键技术，归纳技术要点如下：

1)采用中交港湾(上海)科技有限公司自主研发的优固特®UHPG-120海上风电导管架灌浆料和集装箱一体化小型灌浆专用设备，材料各项性能指标达到设计要求，设备满足海上特种施工的需求。

2)基础导管架灌浆采用自封闭式封隔器，在正式灌浆前，潜水员进行水下检查后进行封底灌浆，待封底灌浆料凝结硬化达到一定强度后进行正式灌浆；上部组件采用环形板封堵。基础导管架和上部组件灌浆均未发生漏浆，方量与理论计算值基本一致，封堵效果良好。

3)升压站基础导管架灌浆管路设计采用两个主灌浆管路和一个备用灌浆管路，灌浆管线引到平台以上，灌浆管路设计合理，灌浆管线连接方便，效果可靠。在灌浆段中部增加溢浆口将海水和润管料提前排出，减少了对导管架的污染。