1.3 灌漿的工程應用

1.3.1 海上風電場的灌漿

海上風機基礎與上部結構連接有三種方式，即螺栓連接、鍛造連接以及灌漿連接。

1．螺栓連接方式

螺栓連接主要用在無過渡段的單樁基礎上，旨在取消過渡段，在單樁頂部設置法蘭，直接與塔筒的法蘭進行連接，兩個法蘭之間通過設置調平構件進行調平，從而避免了采用灌漿方式，但螺栓連接方式對單樁的沉樁精度要求非常高，在打樁過程中法蘭處容易被錘擊破壞，為避免樁內附屬構件在打樁過程中被損壞，樁內附屬構件需到海上后安裝，這種方式在國內外一些淺海風電場中得到應用，圖1-12所示為無過渡段單樁基礎螺栓連接的法蘭盤及剖面圖。

采用螺栓連接的單樁基礎具有一定的應用前景，但它對打樁精度的要求非?？量?，需要采取有效的調平方法，對打樁偏差過大的情況進行糾偏。同時，打樁過程中要對法蘭盤進行保護，以免錘擊造成法蘭盤的破壞。打樁過程產生的強烈震動會使焊接在鋼管樁上的次要結構及其支座產生打樁疲勞，甚至裂縫開裂，局部微裂縫會對運行產生隱患。此外，采用螺栓連接方式的單樁基礎的次要結構如J型管、靠船構件等需要后續在海上進行安裝，一定程度上增加了海上作業的時間，宜采取整體吊裝方式。

2．鍛造連接方式

鍛造連接是一種利用鍛模將鋼管樁鍛壓加工成形的機械連接方式，在英國Beatrice示范海上風電場應用過。在該項目中，鋼管樁沉樁完畢后，導管架基礎下放并調平，確保配套的凸緣是平整的，在鋼管樁與導管架套管緊固前，采用一個鍛壓加工過程，使得鋼管樁的一部分完全嵌入到套管的凹槽中，形成緊密的機械連接，如圖1-13所示。

3．灌漿連接方式

灌漿連接方式與螺栓連接方式和鍛造連接方式相比具有較大的優勢，這種連接方式已成功應用于國外很多海上風電場，成為一種使用最為廣泛的連接方式。灌漿連接的優點有：①容易控制沉樁及風電機組安裝的誤差；②最大限度地降低灌漿材料、樁及套筒/連接件的疲勞損傷；③避免法蘭連接方案中，由于往復荷載導致的主要構件（如法蘭）的疲勞破壞；④灌漿連接避免了水下焊接作業或潛水螺栓作業；灌漿材料一般為水硬性材料，水下施工方便。研究表明，采用灌漿連接方式可以有效地減小鋼管的彎曲變形，灌漿材料可有效地防止海水對鋼管的腐蝕，增加節點的承載力。

1.3.1.1 單樁基礎的灌漿

單樁基礎與過渡段通過灌漿連接已成功應用到許多海上風電場中，例如Utgrunden I（瑞士）、Horns Rev（丹麥）、Samsoe（丹麥）、Rhyl Flats（英國）以及North Hoyle（英國）等，單樁基礎及其灌漿連接是目前全球海上風電應用最成熟的基礎與連接方式，單樁基礎灌漿連接段位置效果圖如圖1-14所示，單樁基礎灌漿連接段示意圖如圖1-15所示。

世界第一座大型海上風電場Horns Rev Ⅰ及后續的Horns Rev Ⅱ均采用的是單樁基礎和灌漿連接段的方式（圖1-16）, Horns Rev Ⅰ項目中的單樁與過渡段重疊部分（灌漿連接段）的長度為6.0m，環向空間的灌漿厚度為80mm，過渡段上事先安裝好靠船構件、J型管以及底法蘭等，將自升式平臺（Jacket-up）緊靠著鋼管樁定位，然后在其上進行安裝、調整以及灌漿連接過渡段與鋼管樁。

Horns RevⅡ海上風電場水深7～17m，共包含91臺風電機組單樁基礎與1座海上生活平臺。單樁不僅在過渡段與鋼管樁采用的是灌漿連接，過渡段與混凝土平臺也是采取灌漿連接。當過渡段建造完成后，起吊混凝土平臺放至過渡段的上部，緩慢將該平臺插入過渡段內，兩者之間形成環向空間，事先在平臺設置密封圈，防止漿體泄露，通過灌漿充滿環向空間，兩者形成緊密的連接。單樁基礎采取灌漿連接非常高效，本項目部分基礎12h即完成所有灌漿施工。

Samsoe海上風電場位于Kattegat海峽的丹麥Samsoe區域，本風場建設有10臺風電機組單樁基礎，其灌漿連接段（圖1-17）的長度為6m，灌漿的環向空間間隙為110mm。該海域有冰荷載的作用，在水線附近，設置了一個抗冰的錐形體。

Gwynty M?r海上風電場位于愛爾蘭海的利物浦灣附近，離北威爾士海岸約20.92km，共建設有160臺單樁基礎，水深跨越較大，介于12～28m之間，是當時歐洲最大的海上風電場項目，建成于2014年。本風電場中，灌漿管線的端口位于過渡段的甲板上，在船甲板上通過灌漿的軟管將灌漿料輸送至主要灌漿管線的端口上進行灌漿，灌漿的混合速率比較高，達到6m3/h，大大提高了灌漿施工效率。

West of Duddon Sands海上風電場位于愛爾蘭海，總裝機容量為389MW，共108臺風電機組，單機容量3.6MW。灌漿管線固定在過渡段上，在船甲板上，通過一個可伸縮桿，灌漿軟管固定其上，將軟管與漿接口相連進行灌漿，如圖1-18所示。本工程部分灌漿非常迅速，包括單樁安裝、過渡段調平以及灌漿在內，總時間為8.8h，灌漿的混合速率更是高達12m3/h。

由于單樁基礎的灌漿連接段是傳力的唯一路徑，而且沒有冗余度，一旦灌漿連接段出現失效或者缺陷，直接影響風電機組的運行和使用壽命，因此，對單樁基礎的灌漿連接設計、施工以及材料都提出很高的要求。

1.3.1.2 導管架基礎的灌漿

導管架基礎與鋼管樁通過灌漿連接也已成功應用在一些海上風電場項目中，導管架基礎不僅可作為風電機組的下部基礎，在海上升壓站的設計中也廣泛采用，例如Alpha Ventus（德國）、Belwind Demo（比利時）、Thornton Bank（比利時）、Walney（英國）以及Ormonde（英國）等，因其穩定性與可靠性，導管架基礎及其灌漿連接也是目前全球海上風電應用比較成熟的基礎型式與連接形式，導管架基礎的灌漿連接段位置效果如圖1-19所示。

導管架基礎的灌漿連接段構成與單樁基礎圓柱形灌漿連接段類似，但又有一些不同。由于鋼管樁和導管架的施工順序的不同，導管架基礎分為后樁法導管架與先樁法導管架，兩類導管架基礎灌漿位置對比如圖1-20所示，同樣，其灌漿連接段也存在差異。

先樁法導管架采用安裝模架定位后沉樁，然后進行導管架基礎整體吊裝，吊裝前先進行導管架調平，再將導管架支撐腿端部插入鋼管樁，或先放下導管架再通過液壓手段調平，最后進行水下灌漿，連接導管架和鋼管樁。后樁法導管架基礎結構型式是在導管架支腿末端設置樁靴，進行海上施工時，先進行導管架吊裝，通過樁靴定位把鋼管樁打入海床，然后進行灌漿，連接導管架和鋼管樁。

Ormonde海上風電場是歐洲第一座采用導管架基礎的大型商業化風電場，位于愛爾蘭海，總裝機容量150MW，單機容量5MW，共30臺風電機組，還包括1座海上升壓站，其基礎型式也為導管架基礎，即共有31座四樁導管架基礎。所有導管架基礎均為先樁法導管架，安裝時將4個主腿插入到預先打好的鋼管樁內，每個腿上均有1根主要灌漿管線和1根次要灌漿管線，灌漿管線的接口位于過渡段平臺上。灌漿施工時，往灌漿管線中灌漿來填充環形空間，同時在鋼管樁樁頂觀察漿體溢出的情況，至少要比理論灌漿量多灌10%以保證環形空間中灌漿料的質量。本工程的混合與泵送速度為0.3～0.5m3/min。

Thornton Bank海上風電場位于比利時，是比利時北海第一個海上風電場，水深為12～27m。本風電場分三期建設，第一期為6臺5MW風電機組重力式基礎，后兩期為48臺6.15MW風電機組導管架基礎和1座海上升壓站。導管架每條腿上有3根灌漿管線——主要灌漿管線、次要灌漿管線以及三級灌漿管線。前兩種灌漿管線位于中間的休息平臺上，后面的灌漿管線位于導管架腿柱與鋼管樁樁頂接觸的位置。在正式灌漿施工前，需在船甲板上擺設好灌漿軟管。Thornton Bank海上風電場灌漿施工如圖1-21所示。

Samsung的7MW風電機組是當時全球單機容量最大的風電機組，工程場址水深30m，下部基礎采用導管架基礎型式。該工程的灌漿分兩個工作部分：第一部分，由于海底覆蓋層淺，鋼管樁為嵌巖樁，首先將鋼管樁插入30m深預先鉆好的巖孔里，然后通過灌漿軟管往環形空間中灌漿，通過連續的灌漿，確保灌漿質量；第二部分，待嵌巖鋼管樁施工完畢后，再對鋼管樁與導管架腿柱中間的環形空間進行灌漿，同理，確保灌漿的連續性，通過在樁頂處觀察漿體的溢出情況來判斷灌漿施工是否結束。

該項目建成后，通過一個棧橋連接陸地，可允許游客登上基礎進行參觀，棧橋的基礎以及連接也采用了灌漿的形式。Samsung的7MW風電機組導管架基礎，如圖1-22所示。

Walney海上風電場的海上升壓站采用四樁導管架基礎型式，水深30m, Walney海上升壓結構如圖1-23所示。海上升壓站導管架基礎與海洋石油平臺的導管架基礎型式相似，先安裝導管架基礎，再把鋼管樁通過樁套管打入海底。

Walney海上風電場工程中鋼管樁外徑1829 mm，樁套管的內徑1990mm，如此形成一個環形的空間，每個環形空間的底部設置一個雙層灌漿密封圈，阻止灌漿料的泄露，每個樁套管上設置有主要灌漿管線與次要灌漿管線，通過灌漿管線進行灌漿。Walney海上升壓站導管架基礎灌漿施工如圖1-24所示。由于海上升壓站結構沒有很強的動荷載，主要以重力荷載為主，因此在灌漿材料的選擇與攪拌的用水上沒有風機基礎要求嚴格，該工程海上升壓站導管架基礎選擇的灌漿材料最終強度將近80MPa，采用海水進行攪拌。

導管架基礎的灌漿連接段是傳力的關鍵路徑，與單樁不同的是，其冗余度較高，但是，導管架基礎的灌漿連接段都在海床處，不易于巡檢，因此，其施工質量不容易得到有效控制，需采取有效的防護措施來進行質量控制，保障結構的耐久性。

1.3.1.3 其他基礎的灌漿

除上述單樁基礎和導管架基礎兩種常見與典型的基礎灌漿外，水下三樁基礎、水上三樁基礎以及重力式基礎等都存在灌漿連接。

1．水下三樁基礎

水下三樁基礎灌漿連接段與后樁法導管架基礎灌漿連接段類似，其位置效果圖如圖1-25所示。水下三樁基礎的灌漿需要注意：應確保漿體在達到規定強度的時間內，樁頂與樁套管不發生較大的相對位移，這也是保證長期穩定運行的必要條件。

為了測量到灌漿連接段在短期與長期的變形，在Alpha Ventus的海上風電場建設中，其中有一臺水下三樁基礎安裝了測量相對位移的設施。水下三樁基礎灌漿連接段相對位移測量如圖1-26所示。

2．水上三樁基礎

水上三樁基礎灌漿連接段與先樁法導管架灌漿連接段類似，但它的灌漿部分位于水上，因此便于灌漿的施工與質量控制。

3．重力式基礎

重力式基礎分為混凝土沉箱式和重力基座式兩類，其在安裝過程中都需要采用高強度灌漿料進行灌漿，以保持基礎結構在后期運行的穩定性和安全性。

目前，海上風電機組塔筒與重力式基礎的連接主要有兩種方式：①塔筒插入到重力式基礎中；②在預制基礎中預埋連接桿，通過法蘭將塔筒與基礎連接。對于插入式的連接方式，首先將塔筒插入到重力式基礎預留孔中，通過調平固定后向塔筒與預留孔之間的環形空間灌漿。對于法蘭連接方式，在基礎結構放置穩定后，需要對預埋塔筒連接桿件及法蘭進行垂直度調節，調平后通過第二次灌漿實現對調平位置的固定。重力式基礎在多向復雜荷載作用下會發生應力變形及抗力作用，在通過二次灌漿后對其受力起緩沖作用，結構更加穩定。圖1-27所示為重力式基礎二次灌漿位置效果圖，重力式基礎法蘭連接灌漿步驟如圖1-28所示。根據圖1-28所示步驟，預先對法蘭調平后再進行灌漿，便可確保風電機組桿塔安裝后的垂直度。

重力式基礎地基必須有足夠的承載力支撐基礎結構自重、使用荷載以及波浪和水流荷載，在施工前首先要進行疏浚作業，需將基礎安裝點的表層土清除至滿足設計強度后拋石，再進行地基灌漿作業，并將重力式基礎放置于灌漿材料之上進行固定以提高基礎的抗滑、抗傾穩定性，然后再對基礎進行拋石保護，圖1-29所示為地基灌漿施工示意。越來越多重力式基礎并不需要這一步灌漿，直接將基礎放置在處理好的基礎海床地基上，這取決于具體的重力式基礎構造形式。

重力式基礎在丹麥近海風場的應用比較廣泛，表1-9為幾個典型應用情況。

圖1-30給出了幾種基礎型式的灌漿連接位置。無論是單樁基礎還是導管架基礎，或是多樁基礎以及重力式基礎，從傳力途徑上看，海上風機基礎的灌漿連接段是傳遞風電機組荷載至地基基礎承上啟下的關鍵部位，從施工上看，海上風機基礎的灌漿是鋼管樁沉樁與安裝基礎承前啟后的關鍵工序，因此，灌漿連接設計與施工對于保證風電機組正常運行至關重要，其可靠性是確保海上風電機組正常運行的必要條件。

1.3.2 海洋石油平臺的灌漿

海洋石油平臺的基礎一般為導管架結構，導管架按腿柱對應樁的數目可分為四樁導管架、六樁導管架以及八樁導管架。以八樁導管架為例，一般腿柱與樁的布置呈正方形或矩形。在樁基施工時，腿柱可作為打樁定位和導向，保證打樁精度和質量，并使各單樁有機地連為一體；另外，導管架作為支撐結構的一部分可以增加結構抗傾覆力矩的剛度，提高結構的整體穩定性；而且導管架作為平臺與海床的連接通道，一些附屬設施，如隔水套管、防腐系統等可以用導管架作為支撐；在導管架結構上安裝靠船設備，還可以?？抗ぷ鞔?。海洋石油平臺結構通常在導管架腿柱（或套管）與樁之間的環形空間內進行灌漿，通過灌漿連接將平臺荷載傳遞給鋼管樁。某石油平臺導管架基礎灌漿連接段示意圖如圖1-31所示。

無論是淺水導管架基礎，還是深水導管架基礎，鋼管樁與導管架的樁套管之間都以灌漿進行連接，尤其是我國渤海的石油平臺，灌漿連接段往往還會增加結構剛度和抗冰能力。

以我國某海洋石油平臺工程為例，在導管架調平以后，要通過在裙樁與套管之間的環向空間灌注水泥漿，把裙樁和導管架永久地連接在一起。導管架灌漿系統包括封隔器組合件、灌漿管線和封隔器氣脹控制管線等部件。導管架裙樁與套管之間的環向空間厚度為50.8mm。為保證樁的垂直度并保護封隔器的氣囊，裙樁套管上下兩端的內壁各設置8塊扶正塊。根據結構設計規定，水泥漿的設計強度為34.5MPa，灌漿段長度為8.7m，套管內壁和樁外壁均焊接一系列環向剪力鍵。剪力鍵的高度為8mm，寬度為16mm，間距為300mm。為保證灌漿的均勻性和可靠性，每個裙樁套管上均有主、副灌漿孔，主灌漿孔在正常狀態下使用，副灌漿孔為應急備用灌漿孔。

由于灌漿工作在水中進行，水泥漿受海水作用，導致其黏結力要小于陸上的設計強度。根據《海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦作法 工作應力設計法》（API RP 2A-WSD）的規定，水泥漿試樣的28d齡期無側限抗壓強度不應小于17.25MPa。因此，海洋石油平臺基礎中，灌漿材料主要以普通水泥漿為主。但隨著裙樁在深水導管架中的廣泛應用，為了節省裙樁導管的長度，應盡量采用高強灌漿料。

下面介紹幾個采用高強灌漿料的工程案例。

Bubut水下三樁基礎平臺位于我國南海80m水深海域，離Bubut油田約8km，文萊殼牌石油（BSP）要求給平臺的三樁導管架基礎進行灌漿，加強三樁結構。該工程先使用水下攝像機確認需要灌漿的位置，然后注入雙組份發泡聚氨酯設置一個臨時灌漿塞，接著用一種高強灌漿材料進行初步灌漿（計算好用量），并固化24h形成灌漿塞，然后使用另外一種強度更高的高強灌漿材料用于結構灌漿。

2010年10月，TL Offshore Sdn Bhd公司要求給安裝在砂撈越外海的四樁導管架灌漿安裝，業主為砂撈越殼牌有限公司。該平臺設在我國南海水深約為92m的海域。在灌漿工作準備過程中，灌漿專業工程師發現有一根套管上的閥（水下）有泄露，于是專業工程師先在這個位置灌入了高強灌漿料，并固化24h，使之成為一個灌漿塞，然后進行正式的結構灌漿工作。

印度石油天然氣公司（Oil Nature Gas Corporation, ONGC）在孟買較遠海域進行石油天然氣的勘探與開發。作為對該領域重建計劃的一部分，Punj Lloyd印度公司簽約安裝各種采油平臺，這些平臺大多數是由裙樁支撐的四樁結構。在安裝這些平臺過程中，有一個平臺在打樁過程中遇到阻力，樁上的剪力鍵并沒有達到裙樁的預期深度，由于這部分缺少剪力鍵，此處的連接就成為了普通的套管連接。按照設計標準計算，采用普通灌漿材料，無法達到所需要的連接強度。為此，采用了高強灌漿產品進行灌漿，以確保連接強度。

1.3.3 灌漿的其他應用

灌漿材料在海洋工程的其他領域也應用廣泛，例如文獻[33]中提到，可將灌漿螺栓套筒夾的形式用于連接兩直徑相同或相似的鋼管，以起到修補或者補強導管架結構的作用。文獻[34]同樣提到使用在鋼管節點中灌漿的方式加強導管架的圓管節點，如圖1-32所示。文獻[35]則重點研究了用漿體填充補強的圓鋼管T形節點的應力強度因子計算問題，圖1-33所示為K形節點的灌漿補強。除了通過灌漿修復夾的方式進行補強外，還可直接對導管架基礎鋼管內部填充灌漿材料進行灌漿，如圖1-34所示。

另外，文獻[36]及文獻[37]中都針對運用灌漿套管結構修補輸油管道的問題進行了相關的數值模擬。在海底管線的運行過程中，由于海床的變化，部分海底管線會出現懸空，在這種情況下，可通過水下灌漿作為海底管線的支撐（圖1-35），對于深海，灌漿過程還輔以水下機器人（ROV）進行實時監測。同理，海上風電場基礎的J型管出口處的防沖刷也可以采用水下灌漿對海纜進行固定，防止海纜在水下隨水流晃動引起疲勞問題。

同樣，在非近海工程領域，灌漿段的應用也十分廣泛，最具有代表性的是如文獻[38]中所描述的對損傷焊接懸臂鋼結構廣告牌的修補，文中研究顯示采用灌漿連接方式與焊接結構相比疲勞循環次數提高了近10倍，證明了灌漿連接方式具有良好的抗疲勞性能。