海上风电导管架结构与桩基灌浆连接施工工艺
灌浆技术作为导管架安装的重要关键技术，越来越受到业界的关注。灌浆连接具有良好的 结构性能，以及施工便利、造价低廉等优点，被广泛应用于海上风电场。导管架灌浆是整个风电基 础结构施工的一项关键技术，灌浆的成功与否直接关系到风机基础结构抵抗环境载荷的能力和寿 命。文章针对导管架结构灌浆工艺进行研究，并结合江苏滨海项目分析了导管架灌浆工艺及其施 工过程中的难点，为我国海上风电基础建设提供参考。
关键词：海上风电；导管架基础；灌浆工艺
0引 言
随着我国风力发电行业的迅速发展，海上风力 发电开始快速起步，近几年涌现了大批在建、拟建的海上风电场。海上风电场的风电机组基础、海上升压站基础一般有高桩承台基础、导管架基础、单 桩基础等。导管架基础作为一种重量轻、海床地质条件适应性好、稳定性好、适合较深海域的海上风电基础，在欧洲海上风电场得到了广泛应用]。 导管架灌浆连接段是整个海上风电导管架基础结构承上启下的关键部位。风电机组、波浪和洋流等载荷主要通过导管架结构经混凝土传递至钢管桩，钢管桩再把载荷传递到海床。而导管架基础和桩基连接主要通过灌浆方式进行，灌浆质量直接影响到导管架的整体稳定性能和安全性。
海上风机结构所受到的力极为复杂，包括：风 机叶片和风机自身旋转以及塔桶造成的风机载荷、 波浪力、潮流力、船舶的撞击力等，这就决定了近海风电导管架基础的灌浆连接尤其重要，尤其是在灌浆材料的选择和灌浆质量的控制等方面的要求将更加严格。此外，特殊的搅拌工艺、特殊的泵送灌浆、水下灌浆、特殊的施工要求以及特殊的外海施 工条件等因素决定了导管架灌浆施工难度大。
目前，笔者所在单位成功完成了桂山、响水、东 台、滨海等多个导管架灌浆项目，多个施工案例的
成功实施，都证明了合理设计灌浆工艺的必要性和有效性。本文针对导管架结构灌浆工艺进行研究， 分析了导管架灌浆工艺及其施工过程中的难点，为我国海上风电基础建设提供参考。
1导管架基础
导管架基础有两种结构形式：先打桩导管架和 后打桩导管架。两种导管架形式主体结构相同，先 打桩导管架支撑腿末端不用设置桩靴，而后打桩导 管架基础支撑腿末端设置桩靴。导管架基础主体 为框架对称结构，均为钢制材料。导管架结构主要 分过渡段、导管架基础主体两部分，过渡段包括主 筒体、主斜撑、平台甲板等结构。
1.1 导管架灌浆区域
导管架灌浆施工作业在专业灌浆船上进行，在 打桩、下部导管架施工等工序完成后进行。灌浆施 工范围为导管架与钢管桩之间的环形空间(图1)。
1.2 导管架灌浆流程
导管架安装完成后，灌浆工作船驶入→抛锚使 船停靠在有灌浆终端面板的导管架一侧 →连接灌 浆管→ 向环形空间压注淡水，检查密封性→灌浆前 向灌浆管压注润管料，湿润灌浆管道→灌浆料拌制 →泵送灌浆材料→当溢浆口有浓浆溢出，即完成单 桩灌浆→连接导管架同侧另一根桩灌浆管线，进行 灌浆→ 同侧导管架灌浆完成后，移动灌浆管至另一
下部，由下往上进行顶浆作业。此时，位于导管架 底部的封隔器的作用就是在灌浆过程中，防止导管 架底部漏浆，确保灌浆成功。因此，封隔器是导管 架平台中一个非常重要且必不可少的部件。目前 国内外常规采用的封隔器主要有两种形式：气囊式 (Inflatable GroutPackers) 和机械式(Mechanical Grout Seal)。
2.2.1 气囊式封隔器
气囊式封隔器安装于桩套筒底部，主要包括
图1 导管架灌浆施工区域示意图
侧，对另外两根桩进行灌浆。
2 导管架灌浆施工难点
导管架灌浆是整个风电基础结构施工的一项 关键技术，灌浆的成功与否直接关系到风机基础结 构抵抗环境载荷的能力和寿命。灌浆管线布置、封 浆结构和灌浆料的性能等因素都决定灌浆能否 成功。
2.1 导管架灌浆管线布置
海上风电导管架灌浆管线布置对灌浆施工质 量影响很大。灌浆管线通常采用双管线系统(一主 一备),以防止灌浆管线的堵塞。如，导管架灌浆高 度比较大，可以适当考虑增加备用灌浆管线。管线 布置方式，可以在水下预留快速接头派潜水员携带 灌浆管进行水下对接；也可以将灌浆管线沿导管架 外壁向上延伸至水面以上，并通过软管连接至灌 浆泵。
灌浆管线通常采用50 mm 以上无缝钢管或橡 胶软管。灌浆口的设计采用圆形外包管形式，设置 在所需灌浆空间的底部，焊接在导管架套筒外壁 上，内部沿圆周方向开6或者8只灌浆嘴。这种设 计方式，可以使灌浆从底部开始，并且均匀进行，确 保灌浆的质量。
导管架灌浆作业在船上进行，但船机无法完全 贴近待作业钢管桩，且导管架桩腿相对距离较大。 灌浆软管应保持一定长度的弯曲段才能接入预制灌浆管线，也要求船机和待作业钢管桩之间有一定距离。
Paker Can 、Paker Element 、Retaining Ring 等。气 囊式封隔器的工作原理是先将封隔器橡胶囊安装 在导管架导管的底部，同时安装气压传输管路。然 后在导管架海上就位及打桩完成后，准备灌浆前， 采用气压设备使橡胶气囊充气来封闭导管与桩之 间的环形空间。
2.2.2 机械式封隔器
机械式封隔器的工作原理和结构形式相对简 单，主要是依靠打桩作业时，桩体穿过爪形环形橡 胶垫，桩体与橡胶垫之间相互挤压，紧密接触，产生 摩擦力来抵抗灌浆时灌浆液和海水对橡胶垫产生 的压力。
2.3 灌浆料的性能
灌浆料的性能可靠性决定了导管架灌浆部位 的安全性和稳定性，风电机组的质量及受力情况决 定灌浆料的性能要求。灌浆料对风电基础不仅起 受力缓冲作用，同时也起提高结构安全性和稳定性 的作用。因此，灌浆料的压缩强度、拉伸强度、弯曲 强度等指标是考察材料性能的灌浆因素。具体性 能指标需要根据装机容量、基础结构特点、灌浆部 位、环境条件等因素综合考虑。表1为常用的国内 外海上风电导管架灌浆材料性能指标。
2.4 资源协调工作量大
海上灌浆作业对灌浆设备、材料、船机等均有较高要求，需要调配灌浆专用设备，采用加工定制的灌浆材料包装袋，同时配备交通船、多功能驳船、 吊机等资源。施工现场所用的设备资源包括：灌浆专用设备、专用管线、配套小设施、灌浆料、淡水等，均要求状态良好，随时可用，确保紧急情况下不影 影响，直接影响可作业窗口期及每天可作业时间段。
响后续作业。此外，受风浪、气温、潮位等天气因素
表1 国内外海上风电导管架灌浆材料性能指标
材料厂家
BASF
Densi
Densit
Nautic
Nautie
三航科研院
型号
MF9500
S5W
S1W
NaxTMQ110
Nax¹Q140
UHPG-120
表观密度/(kg·m-3)
2440
2250
2250
2360
2450
2374
流动度/mm
初始
300
280
g≥290
30min
g≥260
60min
g≥230
抗压强度/MPa
1 d
≥60
65
≥55
50
65
≥55
3 d
=95
73
85
85
7 d
≥120
90
105
≥100
28d
135
130
110
110
140
≥120
抗折强度/MPa
28d
15
18
13.5
19
21
15
弹性模量/GPa
28 d
50.0
50
35
36
48
45
3案例分析
江苏滨海300 MW 海上风电项目为中交港湾(上海)科技有限公司既江苏响水升压站灌浆项目 (灌浆高度3.7m) 和江苏东台升压站灌浆项目(灌浆高度19 m) 之后的第三个海上升压站灌浆项目。 相比于前两个项目，江苏滨海风电灌浆难度更大， 施工条件更加苛刻，单根桩灌浆连接水下连接段18.3m, 水上连接段8.5m, 总长26.8m, 是目前国 内已经实施的最大灌浆高度、最大单桩体量、最长水下段灌浆项目。该项目采用了中交港湾(上海)科技有限公司生产的优固特 TM UHPG-120 海上风电导管架灌浆材料，并由我公司采用自主研发的设备和工艺，成功完成该海上升压站导管架水下灌浆施工。
3.1 导管架连接施工技术参数
(1)灌浆设环形空间尺寸
导管架为φ2438×36 mm 和φ2438×50 mm 规格，钢管桩外径为φ2200×45 mm, 环形空间尺 寸为138 mm 和166 mm 两种。
(2)灌浆高度
标高为-18.30m～+8.50m范围内的26.8m, 考虑到钢管桩的倾斜角度，实际灌浆高度为27 m。
(3)灌浆范围
水下高度18.3 m, 水上高度8.5 m。
(4)灌浆方量
单个环形空间灌浆放量为14.5 m³,约32 t; 4个环形空间总计58 m³, 约128 t。
3.2 导管架基础灌浆管线布置
江苏滨海项目导管架内设有灌浆管线，结合本 项目灌浆高度较高的实际情况，预制灌浆口应设置 5个，依次从下向上，高度上均匀分布：灌浆管线1 底高程一15.15 m; 灌浆管线2底高程一8.5 m; 灌 浆管线3顶、底高程1.30 m; 灌浆管线4顶、底高程 8.50 m。 灌浆施工时由最下面的灌浆口开始逐步 实施灌浆作业，直至顶部溢浆。灌浆口由预制灌浆 管线连接并引出至水面以上，灌浆施工时，将灌浆 料通过泵送压浆经由低位灌浆管路顶推灌注入环 形空间，将环形空间内海水和润管料挤出。
3.3 导管架封堵技术
该导管架封堵技术采用自封闭式封隔器，自封闭式封隔器充分考虑海上安装操作的不同阶段，在结构设计上分成两个密封阶段。首先，下落钢桩， 由于橡胶筒部直径比钢桩直径小，钢桩穿过橡胶筒 部分，引起橡胶筒部分变形，同时橡胶变形产生的内应力对钢桩产生抱紧力，从而形成第一层密封功 能；打桩时，在橡胶筒与钢桩的接触面上，设置了低 摩擦系数的涂层，对于打桩操作不造成影响。自封闭式封隔器的主要优点有以下几点：①工作原理简 单，密封能力优异和抗破损性能强。②安装和调试 工艺简单，无需海上操作。③节省钢材、降低施工 成本和提高钢桩的在位工作效率。
3.4灌浆料性能该工程选用的 TM UHPG-120 海 上 风 电 导 管架灌浆材料，该灌浆料具有大流动性、可泵送性好、 高早强、超高强、高耐久性、无收缩和高抗疲劳等特点，适用于海上风电导管架与钢管桩基础之间的灌浆连接。设计要求的高性能灌浆材料满足以下 要求 ：(1)3d后抗压强度达50 MPa,28d 后抗压强 达80 MPa(2)流动度适合灌浆工艺，初始流动度不小于 290mm,30min 流动度不小于260 mm。4总 结结合笔者单位参与国内海上风电机组基础导管架灌浆施工经验，分析了导管架灌浆工艺及其施工过程中的难点，并结合江苏滨海项目介绍了导管 架水下灌浆施工技术。江苏滨海导管架灌浆项目 是目前国内已经实施的最大灌浆高度、最大单桩体 量、最长水下段灌浆项目，该项目 一 次性完成超高 水下外海灌浆作业，为我国海上风电场走向更蓝深 海提供有力保障。
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