CN209099349U - 一种植入型大直径嵌岩单桩灌浆系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种植入型大直径嵌岩单桩灌浆系统，灌浆系统包括钢护筒、钢管桩和灌浆管线，钢护筒打设在土层中，钢管桩设置在钢护筒内侧并植入至岩层中；钢管桩和岩层之间形成嵌岩段灌浆环形空间，钢护筒和土层之间形成二次灌浆环形空间；在钢管桩的底部设有封底混凝土层。本申请可保证嵌岩段水下灌浆质量，具有施工效率高，灌浆质量好，节省灌浆施工成本等。

Description

一种植入型大直径嵌岩单桩灌浆系统

技术领域

本申请属于海上风电基础施工技术领域，涉及一种植入型大直径嵌岩单桩灌浆系统。

背景技术

目前，在重力式、单桩式、吸力式、三桩(多桩)导管架式和浮体式等多种海上风电基础结构形式中，单桩基础占有较高的比例。其中单桩基础适用于水深小于30m的海域，采用直径3m(常用的在5m以上)以上的钢管桩，壁厚约为直径的1％。单桩基础因结构简单、施工快速、总体造价低而得到广泛应用，并成为欧洲安装风力发电机的“半标准”方法，在欧洲风电场中所占比例达65％以上。然而，超大直径单桩基础的施工受海洋气象条件和地质条件的制约较多，特别是中国风电场的地质条件与欧洲存在显著差异。随着风电市场的发展，由于超大型钢管桩单桩基础施工进度快，造价低的特点，国内风场也逐渐倾向采用单桩基础，单桩采用变截面型式的大直径(直径大约7m)钢管桩。

最近，福建地区开始建设海上风电项目，福建地区岩土地质条件与江苏近海存在较大差异，福建地区风场地质特点为上覆土层较薄，岩层上方土层很薄。因此，在这样的地质条件下设计的海上风电单桩基础大量采用嵌岩桩，嵌岩段的灌浆质量对桩的承载能力起到决定性的作用，嵌岩段灌浆是这种大直径单桩嵌岩成败的重中之重。

针对这种特殊的植入型嵌岩单桩施工工艺，嵌岩段灌浆难度大、风险高，这种条件下，水下灌浆面临灌浆管线长、灌浆落差大、单根桩灌浆方量大、灌浆堵管风险大和灌浆施工质量难以控制等诸多难题；本申请通过采用特殊的灌浆管线设计、特殊的灌浆工序和特殊的灌浆施工质量控制方法，确保植入型嵌岩单桩嵌岩段水下灌浆质量。

实用新型内容

针对上述现有技术的缺点或不足，本申请要解决的技术问题是提供一种可保证嵌岩段水下灌浆质量，具有施工效率高，灌浆质量好，节省灌浆施工成本等的植入型大直径嵌岩单桩灌浆系统。

为解决上述技术问题，本申请具有如下构成：

一种植入型大直径嵌岩单桩灌浆系统，包括：钢护筒、钢管桩以及预制在钢管桩内侧的多根灌浆管线，所述钢护筒打设在土层中，所述钢管桩设置在所述钢护筒内侧并植入至岩层中；其中，所述钢管桩和岩层之间形成嵌岩段灌浆环形空间，所述钢护筒和土层之间形成二次灌浆环形空间；在所述钢管桩的底部设有封底混凝土层；所述钢管桩上设有多个灌浆口，所述灌浆口与其对应设置的灌浆管线连通设置。

作为进一步地改进，在与所述嵌岩段灌浆环形空间的设计顶标高相对应设置的钢管桩内部设置有水下溢浆口。

作为进一步地改进，所述钢护筒上还设有溢水口，其中，所述溢水口设置在设计高水位以上。

作为进一步地改进，所述灌浆管线包括至少一根主灌浆管线以及至少一根备用灌浆管线，所述主灌浆管线为低位注浆管线，其对应设置的主灌浆口高于所述封底混凝土层顶标高0.5m位置；在垂直方向上，相邻设置所述备用灌浆管线上的备用灌浆口之间的高度差不大于10m。

作为进一步地改进，多根所述灌浆管线均延伸到水面标高以上设置，并通过连接组件连接到灌浆系统。

作为进一步地改进，所述灌浆管线在垂直方向上采用S形布置，单根灌浆管线从其灌浆口标高到桩顶部的高度范围内每隔10-15m设置一水平段。

作为进一步地改进，所述灌浆管线的壁厚不小于5mm，直径不小于89 mm，耐压能力不低于5MPa。

基于所述的灌浆系统的施工方法，在目标位置打入钢护筒，清孔后再在钢护筒内侧植入钢管桩，其中，钢护筒打入土层，钢管桩穿过土层并植入至岩层中；在钢管桩底部浇筑封底混凝土层，待其硬化；通过灌浆管线自下而上对嵌岩段灌浆环形空间进行灌浆；待嵌岩段灌浆环形空间的浆体硬化后，拔掉钢护筒，通过灌浆管线对二次灌浆环形空间进行二次灌浆，直至灌浆结束。

作为进一步地改进，在二次灌浆时，一旦上拔钢护筒导致无法继续灌浆时，通过在钢护筒内侧插入钢管的方式继续二次灌浆。

作为进一步地改进，在嵌岩段灌浆环形空间灌浆终点完成时需对其灌浆终点进行判断，派潜水员水下观察溢浆口的溢浆状态，并对溢浆口的浆体进行水下取样，检测达到标准后停止灌浆，并将溢浆口封闭；或者，通过在嵌岩段灌浆环形空间/二次灌浆环形空间灌浆过程中，在钢管桩外侧通过下放重锤测试其灌浆料顶面标高，待达到顶面标高后停止灌浆。

作为进一步地改进，在完成嵌岩段灌浆环形空间灌浆后，在钢管桩外侧和钢护筒之间的环隙中下设标尺，探测嵌岩段灌浆环形空间的灌浆顶面最终达到的标高；在完成二次灌浆环形空间灌浆后，在钢管桩外侧和钢护筒之间的环隙中下设标尺，探测二次灌浆环形空间的灌浆顶面最终达到的标高。

作为进一步地改进，在灌浆管线输送灌浆料之前，先泵送水，再泵送润管料，最后泵送灌浆料。

与现有技术相比，本申请具有如下技术效果：

(1)本申请针对特殊的工况条件和超长管线水下灌浆极为苛刻的特殊灌浆要求，解决了嵌岩段灌浆水下灌浆管线长、灌浆堵管风险高、水下灌浆施工质量难以控制等技术难题，克服普通灌浆工艺技术的不足，弥补国内海上风电大直径单桩嵌岩段水下灌浆施工的技术空白；

(2)本申请适用于海上风电大直径单桩基础植入型施工工艺，适应上覆土层薄、嵌岩深度大的特殊地质条件，本申请形成一套了针对性的嵌岩段水下灌浆特殊施工方法，该施工方法填补国内空白，推动技术进步，对于解决我国福建地区等特殊地质条件下大直径单桩基础施工具有重大意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请植入型大直径嵌岩单桩灌浆系统的结构示意图；

图2为本申请中溢浆口设置与嵌岩段灌浆环形空间的终点检测示意图；

图3为本申请中不同灌浆口的标高布置示意图；

图4为本申请中灌浆管线的水平剖面结构图。

图5为本申请中灌浆管线垂直方向的结构示意图；

图6为本申请中重锤的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本申请的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本申请的目的、特征和效果。

如图1至图3所示，本实施例植入型大直径嵌岩单桩灌浆系统，包括：钢护筒B、钢管桩A以及预制在钢管桩A内侧的多根灌浆管线C，所述钢护筒B打设在土层中，所述钢管桩A设置在所述钢护筒B内侧并植入至岩层中；其中，所述钢管桩A和岩层之间形成嵌岩段灌浆环形空间P，所述钢护筒B 和土层之间形成二次灌浆环形空间Q；在所述钢管桩A的底部设有封底混凝土层M；所述钢管桩A上设有多个灌浆口，所述灌浆口与其对应设置的灌浆管线C连通设置。针对特殊灌浆要求，本实施例解决了嵌岩段灌浆环形空间 P灌浆高度高、堵管风险高、灌浆质量难以检测和水下灌浆施工质量控制的难题，通过特殊的灌浆管线C设计和特殊的灌浆工艺以及质量控制方法克服了现有普通灌浆工艺技术的不足，弥补国内植入型大直径嵌岩单桩嵌岩段水下灌浆施工技术空白。

本实施例中的大直径通常指6-8m的直径范围。

本实施例适用于上覆土层较薄、嵌岩段较深的特殊地址条件。

在本实施例中，所述封底混凝土层M的厚度至少0.8m，以保证足够的底部封堵效果。

在与所述嵌岩段灌浆环形空间P的设计顶标高相对应设置的钢管桩A内部设置有水下溢浆口A1。优选地，所述的溢浆口A1采用桩内侧水平开口，溢浆口A1应通过快速接头与溢浆口封盖可快速密封连接。

如图4所示，所述灌浆管线C包括至少一根主灌浆管线以及至少一根备用灌浆管线。在本实施例中，所述灌浆管线C的总设置数量优选为8根，其分别为灌浆管线C1，灌浆管线C2，灌浆管线C3，灌浆管线C4，灌浆管线 C5，灌浆管线C6，灌浆管线C7以及灌浆管线C8，上述8根不同的灌浆管线 C依次对应设置的灌浆口分别为灌浆口1，灌浆口2，灌浆口3，灌浆口4，灌浆口5，灌浆口6，灌浆口7以及灌浆口8；其中，在本实施例中，所述灌浆管线C1为主灌浆管线。其中所述主灌浆管线为低位注浆管线，其对应设置的主灌浆口高于所述封底混凝土层M顶标高0.5m位置；在垂直方向上，相邻设置所述备用灌浆管线上的备用灌浆口之间的高度差不大于10m，进一步地，所述高度差为5-10m。在本实施例中，在嵌岩段钢管桩A桩壁的不同标高自下而上依次设置灌浆口1、灌浆口2、灌浆口3…….多个灌浆口，通过灌浆管线C引申到桩顶部，与灌浆软管对接。进一步地，所述灌浆管线C的灌浆口在水平方向上间隔均布于钢管桩A内侧。

如图5所述，所述灌浆管线C在垂直方向上采用S形布置，单根灌浆管线C从其灌浆口标高到桩顶部的高度范围内每隔高度H(10-15m)设置一水平段，其中所述水平段的长度L1可以根据实际情况进行具体设定，本实施例并未对其进行具体限定。在实际应用过程中，由于钢管桩A太长(通常在65-70 m)，与其对应设置的灌浆管线C也相对较长，如果将所述灌浆管线C设置为直线型，在对灌浆管线C灌浆时由于泵送灌浆料的间歇性，可能在中间段可能产生不同程度的负压，从而影响灌浆料的输送。本实施例中S形设置的灌浆管线C的水平段可以承担灌浆料下降过程中的部分压力，并且可以有效避免灌浆料的离析。

进一步地，所述灌浆管线C的壁厚不小于5mm，直径不小于89mm，耐压能力不低于5MPa。

多根所述灌浆管线C均延伸到水面标高(钢管桩A顶法兰盘附近)以上设置，并通过连接组件连接到灌浆系统。具体地，所述灌浆管线C通过快速接头与灌浆软管连接，然后连接到专用的灌浆系统。进一步地，定制转接口的一端设置法兰盘与灌浆管线C连接，另外一端设有快速接头能够与灌浆软管快速连接。其中，所述灌浆软管为橡胶软管，所述灌浆软管直径不小于2.5 寸，耐压性能不低于85bar。

其中，所述转接口上设置有阀门，所述阀门为不缩径的蝶阀，进一步地，所述阀门不能采用球阀。因为，球阀通常为缩径设计，缩径设计无疑会增加该部分的承受压力，会对整个系统产生一定安全隐患。

进一步地，所述灌浆管线C为钢管，所述灌浆管线C的内径不小于2.5 寸，所述灌浆管线C不存在缩径或变径。所述灌浆管线C在任何情况下的弯曲半径不得小于700mm，避免因弯曲半径过小而增加该弯曲段的承受压力等。更优选地，所述灌浆管线C通过快速接头与灌浆软管相连接。其中，所述快速接头的内径也不存在缩径。

进一步地，所述灌浆管线C上的弯头优选为圆弧形弯头，所述弯头内径不小于灌浆软管内径，以保证其更好地与所述灌浆软管连接。

所述钢护筒B上还设有溢水口B1，其中，所述溢水口B1设置在设计高水位以上。当嵌岩灌浆开始一段时间后，随着灌浆进行可通过溢水口B1观测到溢水，既能判断水下灌浆顶面上升，又能有效地降低灌浆压力。

植入型大直径嵌岩单桩灌浆系统的施工方法，具体包括如下步骤：

步骤一，在目标位置打入钢护筒B，清孔后再在钢护筒B内侧植入钢管桩A，其中，钢护筒B打入土层，钢管桩A穿过土层并植入至岩层中。

其中，所述钢管桩A通过上部施工平台固定措施，使钢管桩A固定且其顶部法兰面倾斜度满足规定要求，具体为大直径单桩顶部法兰盘面水平度使上段塔筒垂直度偏差小于3‰。

步骤二，在钢管桩A底部浇筑封底混凝土层M，待其硬化，通常所述封底混凝土层M的充分硬化时间在24h以上。

具体为，在完成嵌岩成孔、清孔和植入钢管桩A并调平之后，先浇筑桩内封底混凝土，等封底混凝土层M达到一定强度后，进行下一步骤。其中，所述钢管桩A底部水下封底混凝土施工质量可靠，在封底混凝土层M与钢管桩A内侧无漏浆风险。

所述水下灌浆之前需要确保具备两个条件：1)水下封底混凝土层M的封堵效果完好；2)大直径单桩通过顶部施工平台临时固定，确保灌浆过程不发生晃动和位移。

在完成上述钢护筒B打设、施工平台搭建、采用大型钻机成孔到设计标高并清孔、植入钢管桩A并固定、桩底灌入封底混凝土并等混凝土达到一定强度后开始嵌岩段灌浆。

步骤三，通过灌浆管线C自下而上对嵌岩段灌浆环形空间P进行灌浆，使得钢管桩A与岩层紧密粘结到一起。

较佳地，所述每根灌浆管线C灌浆前，均要对需要灌浆的环形空间进行海水冲洗，检查和核实灌浆管线C是否通畅。并且，海水冲洗可将灌浆管线 C中的杂质等冲洗干净，有利于疏通灌浆管线C。

进一步地，在所述灌浆管线C灌浆前，需要采用特殊的水下不分散的润管材料对灌浆管线C进行润管，在充分润管之后开始用特殊的具有水下抗分散的灌浆料进行水下灌浆。所述灌浆前采用润管料对灌浆管线C进行润管，能够防止压浆过程可能发生的堵管现象。所述灌浆料不同于普通的水泥基灌浆料，其具有大流动性、抗水分散性、早强、微膨胀以及抗疲劳等优异性能。

进一步地，所述灌浆料中的干料采用吨包包装后存放。所述吨包包装使用敞口集装箱存放，并将集装箱上口采用油布遮挡。所述吨包包装需要防雨、防潮、防晒。

其中，灌浆从钢管桩A底部、封底混凝土层M顶部位置的主灌浆口1 最先开始注入，自下向上灌满填充钢管桩A与岩层之间的环形空间，灌浆顺序为自下而上依次启动，优先从钢管桩A底部靠近封底混凝土层M顶面标高 (H6)处的位于桩身的最下一层灌浆口(灌浆口1)注入，等灌入环空的灌浆料浆液上表面没过灌浆口2的标高后，启用灌灌浆口2开始注浆，等灌浆料浆液上表面没过灌浆口3后，启用灌浆口3开始注浆，按此顺序自下而上依次启用不同灌浆口对嵌岩段环缝进行水下灌浆。

在对上述嵌岩段灌浆环形空间P灌浆结束后，需对其灌浆终点进行判断，派潜水员水下观察溢浆口A1的溢浆状态，并对溢浆口A1的浆体进行水下取样，检测达到标准后停止灌浆，并将溢浆口A1封闭。优选地，所述取样检测的检测项目包括流动度、含气量、表观密度、抗压强度以及温度等。

如果所述溢浆口A1的桩内位置对于潜水员下潜困难，可以取消该溢浆口A1的设置，通过在灌浆过程中，在钢管桩A外侧下放重锤N(见图6所示)的方式测试环缝中灌浆料浆体顶面标高，待达到顶面标高后停止灌浆。通过下放重锤N线的长度测量硬化水下灌浆料浆体上表面距离桩顶的高度，进而确定灌浆最终顶面标高。

在完成嵌岩段灌浆环形空间P灌浆24h后，在钢管桩A外侧和钢护筒B 之间的环隙中下设标尺，探测嵌岩段灌浆环形空间P的灌浆顶面最终达到的标高。其中，所述标尺分节段下放，两个阶段间采用快速接头或螺旋丝口，通过下放标尺高度确定灌浆顶面最终达到的标高。

步骤四，待嵌岩段灌浆环形空间P的浆体硬化后，拔掉钢护筒B，通过灌浆管线C对二次灌浆环形空间Q进行二次灌浆，直至灌浆结束。

二次灌浆通过预留在桩身的位于钢护筒B标高范围的灌浆口作为灌浆通道浆，待钢护筒B上拔到灌浆管线C无法进行二次灌浆时，在钢护筒B内部插管到钢护筒B底部，继续一边拔钢护筒B一边灌浆，直到钢护筒B拔出海床面二次灌浆顶面达到海床标高为止。

在二次灌浆环形空间Q灌浆过程中，通过在钢管桩A外侧通过下放重锤 N测试其灌浆料顶面标高，待达到顶面标高后停止灌浆。通过下放重锤N线的长度测量硬化水下灌浆料浆体上表面距离桩顶的高度，进而确定灌浆最终顶面标高。

或者，在完成二次灌浆环形空间Q灌浆后，在钢管桩A外侧和钢护筒B 之间的环隙中下设标尺，探测二次灌浆环形空间Q的灌浆顶面最终达到的标高。其中，所述标尺分节段下放，两个阶段间采用快速接头或螺旋丝口，通过下放标尺高度确定灌浆顶面最终达到的标高。

待上述施工完成后，拆除上部工作平台即可。

综上所述，本申请通过多根S形设置的灌浆管线C以及特殊的灌浆工艺，可满足上覆土层薄、嵌岩深度大的特殊地质条件的嵌岩段水下灌浆，具有施工效率高，灌浆质量好，节省灌浆施工成本等优点，值得广泛推广和应用。本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限定，参照较佳实施例对本申请进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，均应涵盖在本申请的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种植入型大直径嵌岩单桩灌浆系统，其特征在于，包括：

钢护筒、钢管桩以及预制在钢管桩内侧的多根灌浆管线，所述钢护筒打设在土层中，所述钢管桩设置在所述钢护筒内侧并植入至岩层中；

其中，所述钢管桩和岩层之间形成嵌岩段灌浆环形空间，所述钢护筒和土层之间形成二次灌浆环形空间；

在所述钢管桩的底部设有封底混凝土层；

所述钢管桩上设有多个灌浆口，所述灌浆口与其对应设置的灌浆管线连通设置。

2.根据权利要求1所述的灌浆系统，其特征在于，在与所述嵌岩段灌浆环形空间的设计顶标高相对应设置的钢管桩内部设置有水下溢浆口。

3.根据权利要求1所述的灌浆系统，其特征在于，所述钢护筒上还设有溢水口，其中，所述溢水口设置在设计高水位以上。

4.根据权利要求1至3任一项所述的灌浆系统，其特征在于，所述灌浆管线包括至少一根主灌浆管线以及至少一根备用灌浆管线，所述主灌浆管线为低位注浆管线，其对应设置的主灌浆口高于所述封底混凝土层顶标高0.5m位置；在垂直方向上，相邻设置所述备用灌浆管线上的备用灌浆口之间的高度差不大于10m。

5.根据权利要求1所述的灌浆系统，其特征在于，多根所述灌浆管线均延伸到水面标高以上设置，并通过连接组件连接到灌浆系统。

6.根据权利要求1或2或3或5所述的灌浆系统，其特征在于，所述灌浆管线在垂直方向上采用S形布置，单根灌浆管线从其灌浆口标高到桩顶部的高度范围内每隔10-15m设置一水平段。

7.根据权利要求1所述的灌浆系统，其特征在于，所述灌浆管线的壁厚不小于5mm，直径不小于89mm，耐压能力不低于5MPa。