基于膨胀高聚物的导管架桩靴密封系统及其密封方法与流程

本发明属于海上风电施工技术领域，具体涉及基于膨胀高聚物的导管架桩靴密封系统及其密封方法。

背景技术：

海上风电风机与升压站位于恶劣的海洋环境中，其基础不仅要承受来自承台上部的荷载，还要抵抗巨大的环境荷载，因此对其结构要求以及施工工艺要求十分严苛，以保证海洋平台的稳定与安全。

海上风机有许多不同的结构形式，包括重力式、单桩式、吸力式、三桩(多桩)导管架式和漂浮式等多种形式，其中导管架基础应用较为广泛，仅次于单桩的应用，海上升压站的基础形式也是采用导管架较为广泛。导管架基础为空间框架式结构，其优点在于杆径小、强度高、质量轻、受波浪流作用小，适用于较深的海域。按照施工顺序可将导管架基础分为两种结构形式：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。

后桩法施工采用的即是后打桩导管架，在施工过程中需要先将导管架基础放置于海床面之上，桩靴底部与泥面接触，随后将钢管桩贯穿通过桩靴打入海床中，桩靴与钢管桩均为圆环形柱状结构，桩靴的内径要大于钢管桩的外径，桩靴与钢管桩之间再通过混凝土等灌浆材料进行连接，这样，导管架承台上部、波浪和洋流等荷载可以通过桩靴经灌浆材料传递至钢管桩，钢管桩再把载荷传递到海床，从而保证海上风电结构物的结构强度和稳定性。

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海上风电基础结构抵抗环境荷载的能力与寿命。由于导管架桩靴与管桩的直径不等，因此其之间都会存在圆环形间隙，灌浆材料就是用来填充此圆环形空间，以保证荷载能通过桩靴传递至钢管桩，最后将力传递到海床中。

为了防止在灌浆过程中浆料泄漏，所述圆环形空间的底部需要进行封堵，即在导管架桩靴底部进行密封，目前较为流行的密封方法有两种，第一种是气囊式密封：其工作原理为先将密封气囊安装于桩靴的底部，同时安装气压传输管路，然后在导管架安装定位与打桩完成后，采用气压设备使气囊充气膨胀后封闭桩靴与钢管桩之间的环形空间，最后进行灌浆；第二种方法是机械式密封，此方法采用橡胶片或钢板等密封条通过螺栓连接或焊接方式安装于桩靴底部，钢管桩穿过密封条后，桩体与密封条之间相互挤压，紧密接触，产生摩擦力以抵抗灌浆时灌浆液与海水对密封条的压力，这种密封条可以只安装一条也可以安装两条。

上述两种方法虽然目前比较流行，但是并不能保证完全密封，在施工过程中容易造成灌浆液从桩靴底部泄露以及海水的渗透，从而造成资源浪费，增加了施工成本，同时，海水中夹杂的许多细沙，容易通过桩靴与钢管桩之间缝隙进入密闭空间，从而影响密闭性。

技术实现要素：

为了弥补现有技术的不足，本发明针对后桩法施工过程提供一种基于膨胀高聚物的导管架桩靴密封系统及其密封方法的技术方案。

所述的基于膨胀高聚物的导管架桩靴密封系统，包括安置于海床上的导管架、若干设置于导管架下端周围的桩靴及若干插入海床的钢管桩，钢管桩插接于对应桩靴中，其特征在于桩靴与钢管桩的缝隙之间上下分别填满混凝土和膨胀高聚物，桩靴的内壁上还连有环状的弹性隔膜，弹性隔膜包裹膨胀高聚物，使之与钢管桩及混凝土隔绝。

所述的基于膨胀高聚物的导管架桩靴密封系统，其特征在于桩靴与钢管桩之间上下设置第一密封隔条和第二密封隔条，第一密封隔条和第二密封隔条将桩靴与钢管桩之间的缝隙上下分隔成第一环形容腔和第二环形容腔，混凝土填充于第一环形容腔，膨胀高聚物和弹性隔膜设置于第二环形容腔。

所述的基于膨胀高聚物的导管架桩靴密封系统，其特征在于桩靴的底部设置防沙隔膜，钢管桩穿破防沙隔膜后与海床插接。

所述的基于膨胀高聚物的导管架桩靴密封系统，其特征在于桩靴的底部固定配合底盖，防沙隔膜夹设于桩靴与底盖之间。

所述的基于膨胀高聚物的导管架桩靴密封系统，其特征在于桩靴侧部设置用于灌注膨胀高聚物的灌注管。

所述的基于膨胀高聚物的导管架桩靴密封方法，其特征在于包括以下步骤：

s1：在桩靴内壁安装环状的弹性隔膜；

s2：将导管架安置于海床上，往桩靴内插入钢管桩，再将钢管桩的下端打入海床中；

s3：往桩靴内壁与弹性隔膜之间灌注膨胀高聚物，膨胀高聚物在弹性隔膜的包裹下膨胀，使桩靴与钢管桩之间形成一道由膨胀高聚物和弹性隔膜组成的屏障；

s4：在桩靴与钢管桩之间、膨胀高聚物的上方灌注混凝土浆，混凝土浆凝固后使桩靴与钢管桩之间固连，从而完成导管架基础的安装。

所述的基于膨胀高聚物的导管架桩靴密封方法，其特征在于在步骤s1中，桩靴内壁还安装有第一密封隔条和第二密封隔条，第一密封隔条和第二密封隔条分别位于弹性隔膜的上下两端，两个密封隔条将桩靴与钢管桩之间的缝隙上下分隔成第一环形容腔和第二环形容腔；在步骤s2中，钢管桩插入桩靴后，两个弹性隔条的内端与钢管桩紧密贴合；在步骤s3中，膨胀高聚物灌注于第二环形容腔中；在步骤s4中，混凝土浆灌注于第一环形容腔。

所述的基于膨胀高聚物的导管架桩靴密封方法，其特征在于在步骤s1中，桩靴的底部安装有防沙隔膜；在步骤s2中，钢管桩插入桩靴时，钢管桩将防沙隔膜穿破。

所述的基于膨胀高聚物的导管架桩靴密封方法，其特征在于桩靴侧壁具有灌注管，用于灌注膨胀高聚物，膨胀高聚物在水下膨胀的同时，将第二环形容腔内残余的海水通过桩靴侧壁的灌注管挤压出去。

所述的基于膨胀高聚物的导管架桩靴密封方法，其特征在于将钢管桩打入海床后，将导管架进行调平，然后再进行步骤s3。

与现有技术相比，本发明将弹性隔膜与膨胀高聚物相结合进行桩靴底部密封，能够保证海上风电导管架基础施工的安全性，为海上风机以及升压站能够有足够的抵抗荷载的强度提供了保障。

附图说明

图1为本发明的导管架桩靴密封系统结构示意图；

图2为本发明的导管架桩靴密封系统局部结构示意图之一，此时膨胀高聚物未完全膨胀开；

图3为本发明的导管架桩靴密封系统局部结构示意图之二，此时膨胀高聚物已完全膨胀开；

图4为本发明的导管架桩靴密封系统局部结构示意图之三，此时未填充混凝土和膨胀高聚物。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-4所示，基于膨胀高聚物的导管架桩靴密封系统，包括安置于海床4上的导管架3、若干设置于导管架3下端周围的桩靴2及若干插入海床4的钢管桩1，钢管桩1插接于对应桩靴2中。桩靴2与钢管桩1的缝隙之间上下分别填满混凝土13和膨胀高聚物10，桩靴2的内壁上还连有环状的弹性隔膜7，膨胀聚合物13位于弹性隔膜7与桩靴2内壁之间，弹性隔膜7从内测包裹膨胀高聚物10，使之与钢管桩1及混凝土13隔绝。

作为优化：桩靴2与钢管桩1之间上下设置第一密封隔条14和第二密封隔条12，第一密封隔条14和第二密封隔条12将桩靴2与钢管桩1之间的缝隙上下分隔成第一环形容腔11和第二环形容腔6，混凝土13填充于第一环形容腔11，膨胀高聚物10和弹性隔膜7设置于第二环形容腔6。

在上述结构中，第一密封隔条14和第二密封隔条12均为环状结构，且两者均通过螺栓固定于桩靴2内壁或焊接于桩靴2内壁，两个密封隔条内端与钢管桩1外壁紧密贴合。

作为优化：桩靴2的底部设置防沙隔膜9，钢管桩1穿破防沙隔膜9后与海床4插接。

在上述结构中，桩靴2的底部通过螺栓固定底盖200，防沙隔膜9夹设于桩靴2与底盖200之间。

作为优化：桩靴2侧部设置用于灌注膨胀高聚物10的灌注管8。

上述导管架桩靴密封系统的密封方法，其特征在于包括以下步骤：

s1：在桩靴2内壁安装环状的弹性隔膜7；

s2：将导管架3安置于海床4上，此时，桩靴2充斥着海水，往桩靴2内插入钢管桩1，再将钢管桩1的下端打入海床4中；

s3：往桩靴2内壁与弹性隔膜7之间灌注膨胀高聚物10，膨胀高聚物10在弹性隔膜7的包裹下膨胀，使桩靴2与钢管桩1之间形成一道由膨胀高聚物10和弹性隔膜7组成的屏障；

s4：在桩靴2与钢管桩1之间、膨胀高聚物10的上方灌注混凝土浆，混凝土浆凝固后使桩靴2与钢管桩1之间固连，如此一来，钢管桩承台上部、波浪和洋流等荷载就可以通过桩靴2经灌浆材料传递至钢管桩1，钢管桩1再把载荷传递到海床4，从而保证海上风机以及升压站的结构强度和稳定性，从而完成导管架基础的安装。

作为优化：在步骤s1中，弹性隔膜7的上边沿和下边沿分别通过压板压紧于桩靴2内壁，使弹性隔膜7的上下边沿严格密封。

作为优化：在步骤s1中，桩靴2内壁还安装有第一密封隔条14和第二密封隔条12，第一密封隔条14和第二密封隔条12分别位于弹性隔膜7的上下两端，两个密封隔条将桩靴2与钢管桩1之间的缝隙上下分隔成第一环形容腔11和第二环形容腔6；在步骤s2中，钢管桩1插入桩靴2后，两个弹性隔条的内端与钢管桩1紧密贴合；在步骤s3中，膨胀高聚物10灌注于第二环形容腔6中；在步骤s4中，混凝土浆灌注于第一环形容腔11，混凝土浆充斥于第一环形容腔11，将桩靴2内的海水排出。

在上述密封方法中，桩靴2侧壁具有灌注管8，用于灌注膨胀高聚物10。具体操作时，采用泵机等压力灌注设备对灌注管8进行灌注，膨胀高聚物10在水下膨胀的同时，将第二环形容腔6内残余的海水通过桩靴2侧壁的灌注管8挤压出去。

作为优化：在步骤s1中，桩靴2的底部安装有防沙隔膜9，隔膜9为防止泥沙进入桩靴2的第一道防线；在步骤s2中，钢管桩1插入桩靴2时，钢管桩1将防沙隔膜9穿破。

作为优化：将钢管桩1打入海床4后，将导管架3进行调平，然后再进行步骤s3。

在上述密封方法中，在陆上时，先在桩靴2底部预先安装防沙隔膜9、弹性织物7以及两个密封隔条，防沙隔膜9为防止泥沙进入桩靴2的第一道防线，在钢管桩1打入桩靴2后，防沙隔膜9破裂，弹性织物7初始状态为与桩靴2内壁紧贴，防止后续打桩时将弹性织物7擦破，密封隔条的作用是防止泥沙进入第二环形容腔6，并防止灌浆时混凝土浆从第一环形容腔11泄露出去，但是在打桩过程中，钢管桩1与密封隔条之间摩擦剧烈，密封隔条有被破坏的风险，因此弹性织物7与膨胀高聚物10起到了密封堵漏的关键保障作用，桩靴2侧壁具有若干灌注管8，用于向弹性织物7内灌注膨胀高聚物10，在导管架3调平及打桩完毕后，桩靴2与钢管桩1之间形成第一环形容腔11和第二环形容腔6，这时，从灌注管8向弹性织物7内灌注膨胀高聚物10，膨胀高聚物10在弹性织物7中膨胀，随着膨胀高聚物10注射量的增加，弹性织物7慢慢被填充满，这时的状态如图2所示，在膨胀高聚物10注射与膨胀结束后，被膨胀高聚物10充斥的弹性织物7将填满整个第二环形容腔6，这时的状态如图3所示，在灌注封堵的过程中，第二环形容腔6内残余的海水也将通过桩靴2侧壁的另外几个孔洞排出，如此第二环形容腔6就是一个全密闭的状态，有了弹性织物7与膨胀高聚物10的双重保障，混凝土浆就不会从底部泄露，海水也无法从底部渗透进第一环形容腔11，随后进行灌浆，使桩靴2与钢管桩1之间固连，从而完成海上风电导管架基础的安装。

本发明中的弹性织物可以是土工布或橡胶等具有强力高、耐腐蚀、抗微生物性好等优点的材料，其在干湿状态下都能保持充分的强力和伸长。

本发明的膨胀聚合物为公知技术，具体采用公开号为cn110511340a的中国专利所公布的高强度双组份聚氨酯材料制成，此外也可以采用其它具有相同功能的材料制成。

与传统方法相比，本发明的优点及创新点如下：

1.利用膨胀高聚物与弹性织物相结合的方法进行导管架基础桩靴与钢管桩之间的灌注密封，具有良好的密封效果与堵漏效果。

2.桩靴底部安装有防沙隔膜，为防止泥沙进入灌注空间提供第一道屏障。

3.膨胀高聚物具有很好的快速胶结性能，如果细沙通过缝隙进入管桩与桩靴之间的环形空间，这种材料也能将其迅速胶结为一体，从而保证了密闭性。

4.弹性织物具有力高、耐腐蚀、抗微生物性好等优点，在海洋环境中能保证较好的耐用性，在干湿状态下都能保持充分的强力和伸长，随着膨胀高聚物在其内膨胀，材料不会破损，是一种理想的密封灌注材料。采用弹性织物后，可以免去前期钢丝毛刷与密封隔条的安装，降低了成本与施工难度，提高了施工效率。

5.本发明应用范围较广，可应用于海上风电风机导管架基础也可应用于升压站导管架基础。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。