海上升壓站基礎(chǔ)導(dǎo)管架及上部組件灌漿連接施工技術(shù)

王海斌，王 霄，孫 烜，張 恒

(1.中國(guó)廣核新能源控股有限公司，北京 100071；2.中交港灣(上海)科技有限公司，上海 200032)

海上風(fēng)電升壓站是一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)的“心臟”，是海上風(fēng)電工程的重要配套設(shè)備[1]，用于將風(fēng)電機(jī)組所發(fā)的電能進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換后，通過(guò)海底電纜送到路上集控中心接入外部電網(wǎng)，決定著整個(gè)海上風(fēng)場(chǎng)的電力輸出，它的安全性和可靠性極其重要[2-3]。

目前，國(guó)內(nèi)已建海上升壓站的基礎(chǔ)形式主要有先樁法和后樁法導(dǎo)管架基礎(chǔ)[4]。從國(guó)內(nèi)的實(shí)踐看，后樁法四樁斜樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)適用范圍廣泛，成為近海海上升壓站基礎(chǔ)的主要結(jié)構(gòu)型式。導(dǎo)管架水下灌漿是導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，灌漿連接段將導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)與鋼管樁連接在一起，將風(fēng)機(jī)的荷載傳遞至鋼管樁樁，因此灌漿連接段的灌漿質(zhì)量對(duì)后續(xù)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行非常重要[5-7]。目前我國(guó)海上升壓站基礎(chǔ)導(dǎo)管架及上部組件灌漿施工技術(shù)還有待完善，亟需相關(guān)工程實(shí)踐為后續(xù)海上升壓站基礎(chǔ)導(dǎo)管架施工技術(shù)提供寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步指導(dǎo)深水導(dǎo)管架灌漿施工。

1 項(xiàng)目概況及要求

1.1 工程概況

江蘇某海上風(fēng)電場(chǎng)工程位于鹽城南部基地的省管區(qū)海域，離岸距離約37 km，規(guī)劃裝機(jī)容量200 MW。風(fēng)電場(chǎng)范圍內(nèi)海底高程在0～-11.5 m之間(85高程，下同)，水深條件較為復(fù)雜，深淺不一，具有典型的輻射沙洲地形特征。風(fēng)電場(chǎng)形狀呈不規(guī)則多邊形，東西長(zhǎng)約為13.5 km，南北寬約為7.5 km，涉海面積30.1 km2。風(fēng)電場(chǎng)配套新建1座220 kV海上升壓站，所有風(fēng)電機(jī)組所發(fā)電能經(jīng)海上升壓站升壓后接入陸上集控中心送至電網(wǎng)。

1.2 灌漿區(qū)域及技術(shù)要求

該升壓站灌漿分兩次進(jìn)行，第一次灌漿為下部基礎(chǔ)導(dǎo)管架和鋼管樁之間的環(huán)縫灌漿，灌漿將導(dǎo)管架與鋼管樁連接成整體結(jié)構(gòu)，承受海上升壓站上部組塊荷載和導(dǎo)管架自重荷載。第二次灌漿為上部組塊樁腿插尖和鋼管樁之間空隙的灌漿，上部組塊灌漿將上部組塊與導(dǎo)管架基礎(chǔ)永久固結(jié)[8]。

1)升壓站基礎(chǔ)導(dǎo)管架灌漿。該升壓站基礎(chǔ)包含后樁法斜樁導(dǎo)管架，鋼管樁和附屬構(gòu)件，其均為在工廠內(nèi)制作完成后，運(yùn)輸至項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)安放導(dǎo)管架、沉樁、打樁、導(dǎo)管架焊接等工序后，進(jìn)行升壓站基礎(chǔ)導(dǎo)管架灌漿。灌漿段鋼管樁外徑2 200 mm，導(dǎo)管架內(nèi)徑2 338 mm，灌漿范圍為-11.70～+11.00 m，單腿方量11.16 m3，屬于水下施工。升壓站基礎(chǔ)和導(dǎo)管架灌漿段示意圖如圖1所示。

圖1 升壓站基礎(chǔ)和導(dǎo)管架灌漿段示意圖

2)上部組件部位灌漿。升壓站基礎(chǔ)導(dǎo)管架灌漿完成且強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行上部組件的安裝。上部組件安裝完成后，樁腿插尖和鋼管樁之間形成空隙，該部分需要進(jìn)行灌漿連接。上部組件灌漿范圍為+8.6～+11.8 m，灌漿段高度約3.2 m，屬于干施工。灌漿部位如圖2所示。

3)灌漿材料技術(shù)要求。根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，升壓站基礎(chǔ)導(dǎo)管架及上部組件采用高性能灌漿料，具體技術(shù)指標(biāo)如下：①初始流動(dòng)度不小于290 mm，30 min流動(dòng)度保留值不小于250 mm；②1 d抗壓強(qiáng)度不小于20 MPa，3 d抗壓強(qiáng)度不小于40 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度不小于80 MPa；③28 d抗折強(qiáng)度不小于10 MPa，抗拉強(qiáng)度不小于2 MPa，靜彈性模量不小于35 GPa。

圖2 升壓站導(dǎo)管架平臺(tái)上部插尖和鋼管樁空隙灌漿區(qū)域示意圖

2 灌漿施工

2.1 灌漿設(shè)備及材料

本工程采用中交港灣(上海)科技有限公司自主研發(fā)的海上風(fēng)電灌漿作業(yè)系統(tǒng)和優(yōu)固特?UHPG-120海上風(fēng)電導(dǎo)管架灌漿材料。

優(yōu)固特?UHPG-120海上風(fēng)電導(dǎo)管架灌漿材料主要用于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)水下灌漿，具有良好的抗水分散性和流變性能，早期和最終強(qiáng)度高，硬化漿體與鋼管之間粘結(jié)強(qiáng)度高等特性，適用于超長(zhǎng)管路水下灌漿。由于單根鋼管樁灌漿施工必須連續(xù)灌，注不得中間間斷或停頓，且海上施工作業(yè)窗口有限，需要在較短時(shí)間內(nèi)完成灌漿工作，因此對(duì)施工效率提出了較高的要求?，F(xiàn)場(chǎng)灌漿設(shè)備采用自主研發(fā)的集裝箱一體化小型灌漿專用設(shè)備，該系統(tǒng)由兩臺(tái)攪拌機(jī)、一臺(tái)灌漿泵、一臺(tái)備用灌漿泵和數(shù)字控制系統(tǒng)組成。灌漿料噸包經(jīng)攪拌機(jī)頂部的破袋錐自動(dòng)破包后，進(jìn)入攪拌機(jī)攪拌，數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)用水量、攪拌時(shí)間等環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，保證攪拌效果的同時(shí)提高了施工效率。

2.2 灌漿施工工藝流程

一般灌漿工藝流程主要包括灌漿管線的連接、潤(rùn)管料漿體制備、潤(rùn)管、灌漿料漿體制備、灌漿、溢漿、壓力屏漿和設(shè)備的清洗。升壓站基礎(chǔ)導(dǎo)管架灌漿施工工藝主要步驟如下：

1)安裝導(dǎo)管架并打入鋼管樁后，導(dǎo)管架與鋼管樁之間形成環(huán)形空隙并在導(dǎo)管架頂部進(jìn)行固定。

2)對(duì)導(dǎo)管架每個(gè)樁腿底部自封閉封隔器進(jìn)行封底灌漿。

3)封底灌漿24 h后，連接好灌漿管線，主灌漿口底部位于封隔器上方。

4)制備潤(rùn)管料并進(jìn)行潤(rùn)管，然后將攪拌好的灌漿料漿體經(jīng)灌漿管線，通過(guò)泵送的方式自下而上頂升，置換環(huán)形空間中海水進(jìn)行灌漿。

5)待環(huán)形空間充滿料漿，并且位于環(huán)空頂部的溢漿口溢漿后進(jìn)行壓力屏漿。

6)單個(gè)鋼管樁灌漿結(jié)束后，進(jìn)行拆管換管，按照步驟4)和5)，對(duì)另外3根鋼管樁依次進(jìn)行灌漿。

7)灌漿結(jié)束后，拆除灌漿管線，清洗灌漿設(shè)備。

升壓站上部組件灌漿施工工藝與基礎(chǔ)導(dǎo)管架類似，由于灌漿位置完全位于水面以上，灌漿為干施工環(huán)境，灌漿難度和風(fēng)險(xiǎn)并不高。

2.3 灌漿封堵

灌漿底部封堵技術(shù)是海上風(fēng)電導(dǎo)管架水下灌漿能否成功的關(guān)鍵。若底部封堵失效則會(huì)導(dǎo)致漏漿，造成灌漿料用量增大、施工工期延長(zhǎng)、灌漿質(zhì)量下降、增加施工成本都諸多問(wèn)題。針對(duì)本項(xiàng)目升壓站基礎(chǔ)“后樁法”導(dǎo)管架施工方法，結(jié)合以前項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，采用自封閉式封隔器，如圖3所示。封隔器底部橡膠完全封閉，正式灌漿前先通過(guò)封隔器灌漿管線灌入一定體積的灌漿料進(jìn)行封底，同時(shí)增大了封隔器對(duì)鋼管樁的擠壓進(jìn)一步提高封堵效果。待封隔器內(nèi)灌漿硬化后，環(huán)空底部封堵成功概率極高，該方法在實(shí)際工程中已大量被采用。

升壓站上部組件灌漿連接段采用樁內(nèi)封板的方式進(jìn)行封堵，如圖3所示在插尖下方630 mm處布置環(huán)形板。上部組塊安裝前做好密封性檢查，確保不漏漿。

圖3 自封閉式封隔器灌漿管線示意圖

2.4 灌漿檢測(cè)及質(zhì)量控制

為了確保灌漿質(zhì)量得到有效控制，灌漿材料除了進(jìn)場(chǎng)的見(jiàn)證取樣送檢外，在灌漿的過(guò)程中還需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，同時(shí)制作試塊進(jìn)行三方送檢。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)項(xiàng)目通常包括灌漿料溫度、流動(dòng)度、表觀密度等項(xiàng)目。江蘇某升壓站具體檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)頻次見(jiàn)表1。

表1 灌漿施工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)項(xiàng)目及檢測(cè)頻率表

灌漿現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。表3的灌漿留樣試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，材料具有優(yōu)異的施工性能，28 d強(qiáng)度達(dá)到120 MPa以上，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 升壓站導(dǎo)管架及上部組件灌漿關(guān)鍵工序控制

1)為保證灌漿質(zhì)量，從灌漿開(kāi)始至漿體產(chǎn)生強(qiáng)度的過(guò)程中，應(yīng)盡量避免對(duì)導(dǎo)管架和鋼管樁的擾動(dòng)，保證兩者之間不發(fā)生相對(duì)位移，因此在灌漿前需要將導(dǎo)管架和鋼管樁進(jìn)行臨時(shí)固定。本項(xiàng)目在插樁打樁且測(cè)量滿足要求后，及時(shí)將鋼管樁與導(dǎo)管架用“7”字板進(jìn)行焊接固定，待灌漿料終凝強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求后，再割除臨時(shí)固定的“7”字板。

2)灌漿封堵是影響海上風(fēng)電導(dǎo)管架灌漿尤其是水下灌漿質(zhì)量的重要因素。本項(xiàng)目下部為后樁法斜樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)，導(dǎo)管架安放后再進(jìn)行沉樁打樁，打樁過(guò)程中封隔器存在損壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此在打樁過(guò)程中通過(guò)導(dǎo)管架腿柱內(nèi)側(cè)的導(dǎo)向塊防止封隔器出現(xiàn)損壞。實(shí)際施工中，每條鋼管樁先打入1 t的灌漿料進(jìn)行封底，待封底灌漿料硬化后再進(jìn)行灌漿。4條鋼管樁的灌漿方量依次為11.86、11.73、11.5 m3和11.73 m3，略大于理論計(jì)算方量11.16 m3，自封閉式封堵器起到了良好的效果。

表2 灌漿料現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表

表3 灌漿留樣試塊抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果表

上部組件則采用封板封堵的方式，封板的高程位置與插尖最低處留有一定距離，防止上部組件在吊裝過(guò)程中對(duì)封板造成損壞。上部組件4根鋼管樁的灌漿數(shù)量依次為8.28、8.36、8.59 m3和8.05 m3，與理論方量一致。

3)合理的管線布置可以避免在運(yùn)輸和吊裝過(guò)程中的損壞，施工時(shí)還能提高灌漿管線連接的效率并減小堵管的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，灌漿管線通常包括主灌漿管線、備用灌漿管線和溢漿口。本項(xiàng)目下部基礎(chǔ)導(dǎo)管架灌漿部位共設(shè)置了4根灌漿管和2個(gè)溢漿口，如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)導(dǎo)管架部位灌漿管線示意圖

6號(hào)為封底灌漿管。1號(hào)和2號(hào)為主灌漿管，底高程相差1 m，防止同時(shí)發(fā)生堵管。3號(hào)為備用灌漿管，從灌漿段中間引出，若施工時(shí)發(fā)現(xiàn)主灌漿管無(wú)法使用，則可采用該備用灌漿管。灌漿管線頂高程位于上部平臺(tái)以上，灌漿管線的連接和換管可在上部平臺(tái)進(jìn)行操作，減少作業(yè)難度和時(shí)間。4號(hào)和5號(hào)為溢漿口，灌漿時(shí)灌漿料自下而上頂推，環(huán)空中的海水和最先灌入的潤(rùn)管料從4號(hào)溢漿口溢出，當(dāng)溢出的漿料為灌漿料時(shí)，表明海水與潤(rùn)管料已經(jīng)完全排出，然后用蓋板對(duì)4號(hào)溢漿口進(jìn)行封堵，并繼續(xù)灌漿，直至5號(hào)溢漿口溢漿。實(shí)際施工表明，從灌漿段中部溢漿，便于對(duì)溢漿部位進(jìn)行清洗，減少了對(duì)導(dǎo)管架表面和上部平臺(tái)的污染。

上部組件灌漿管管口位于升壓站上部組件底層，管線連接方便，灌漿管布置于插尖內(nèi)部，運(yùn)輸與安裝過(guò)程中避免了管線的損壞。

4)灌漿施工過(guò)程中，需要嚴(yán)格按照準(zhǔn)備、潤(rùn)管、攪拌、灌漿、溢漿、屏漿的流程進(jìn)行灌漿施工。并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果，及時(shí)調(diào)整材料用水量、拌和水和材料溫度、攪拌時(shí)間等，確保材料的性能指標(biāo)滿足要求?，F(xiàn)場(chǎng)制作的試塊應(yīng)及時(shí)養(yǎng)護(hù)并送至檢測(cè)公司進(jìn)行檢測(cè)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文依托江蘇某升壓站項(xiàng)目，通過(guò)技術(shù)論證和工程實(shí)踐，總結(jié)了升壓站“后樁法”斜樁基礎(chǔ)導(dǎo)管架和上部組件灌漿連接施工的關(guān)鍵技術(shù)，歸納技術(shù)要點(diǎn)如下：

1)采用中交港灣(上海)科技有限公司自主研發(fā)的優(yōu)固特?UHPG-120海上風(fēng)電導(dǎo)管架灌漿料和集裝箱一體化小型灌漿專用設(shè)備，材料各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，設(shè)備滿足海上特種施工的需求。

2)基礎(chǔ)導(dǎo)管架灌漿采用自封閉式封隔器，在正式灌漿前，潛水員進(jìn)行水下檢查后進(jìn)行封底灌漿，待封底灌漿料凝結(jié)硬化達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行正式灌漿；上部組件采用環(huán)形板封堵?；A(chǔ)導(dǎo)管架和上部組件灌漿均未發(fā)生漏漿，方量與理論計(jì)算值基本一致，封堵效果良好。

3)升壓站基礎(chǔ)導(dǎo)管架灌漿管路設(shè)計(jì)采用兩個(gè)主灌漿管路和一個(gè)備用灌漿管路，灌漿管線引到平臺(tái)以上，灌漿管路設(shè)計(jì)合理，灌漿管線連接方便，效果可靠。在灌漿段中部增加溢漿口將海水和潤(rùn)管料提前排出，減少了對(duì)導(dǎo)管架的污染。