一种带桩芯钢管的潮流发电灌注桩及其施工方法与流程

本发明属于海上桩基工程技术领域，具体涉及一种带桩芯钢管的潮流发电灌注桩及其施工方法。

背景技术：

海水在天体引力的作用下产生周期性的运动，在水平方向上的流动称之为潮流。潮流存在于整个海洋中，开阔大洋的潮流流速很小，但在陆地和海底地形等因素的影响下，在近岸海域，特别是海峡、海底水道之间存在较强的潮流。

海上开发潮流能的方法多以潮流能发电机组和支撑载体相结合为主，支撑载体有漂浮式和固定式两种。漂浮式载体由锚泊系统固定于海床，这种方式易于维护、移动和回收，适合于海底地形复杂，适应水深较大的环境。然而我国海上风电场和潮流电场建设海域均在水深不超过30m的近海区域，因此，支撑载体多为固定式，固定式又可细分为坐底式和桩基式。坐底式载体多采用重力方式固定，需要重块或压载，对于复杂地貌还需要进行海底平整等施工，工程耗费大，而且潮流发电机组不便于检修和回收。对于桩基式载体，将桩基础打入海底固定，相对稳定，潮流能发电机组固定于由桩基和上部构件组合而成的总成平台上，拆卸方便，便于设备维护，适于较浅(小于30m)水域。

然而，对于桩基基础，在潮流较强的海域，桩基在波浪和潮流的周期性作用下，会承受较大的剪力和弯矩，因此对桩基结构的受力性能提出了较高的要求。目前，国外70％的海上风机基础均采用单桩基础，单桩基础由一个钢管桩沉入海底，钢管桩直径通常在4～6m之间，即为大直径桩基础，然而，对于桩数较多的大型潮流能发电工程，采用大直径桩基础除了会大大增加工程成本，还会占用较大面积的过流区域，影响潮流流速、流向分布，降低潮流有效过水截面，工程建设的效益明显降低。

申请号为201310540280.0的中国专利提出了一种提高灌注桩承载力的方法及灌注桩加强结构，该专利技术是在现有灌注桩上钻一组轴向的加强孔，加强孔钻入基岩层1m，然后将一组钢管放入加强孔内，钢管底部封闭，并在距管底5m长度范围内间隔500mm对开一组直径为10mm的压浆孔，通过钢管对灌注桩底部进行二次灌浆。该技术理论上可以提高灌注桩承载力，但是由于钻孔行程较长，对打孔机的要求较高，而且在钻孔过程中对桩本身的强度均有一定的影响，灌注桩承载力并无较大提升。

因此，对于潮流发电机组的工作环境，提出一种能承受较大的、周期性的波浪和潮流荷载、最大化利用水流过水截面的灌注桩是急需解决的问题。

技术实现要素：

为了解决现有常规直径灌注桩无法承受大流速潮流所产生的荷载，大直径灌注桩又占用过多的潮流有效过水断面，从而影响潮流能利用，同时大直径灌注桩工程造价过高的问题，本发明提供了一种带桩芯钢管的潮流发电灌注桩及其施工方法。

所述潮流发电灌注桩包括连接套管、外套筒、桩芯钢管、钢筋笼以及封顶钢板，所述连接套管一端嵌入海底基岩层岩面内，另一端伸入外套筒内，所述钢筋笼设置于外套筒内且通过连接套管从外套筒顶部一直延伸至灌注桩桩底，钢筋笼内部设置有所述的桩芯钢管；所述灌注桩从桩底经连接套管直至外套筒顶部通长灌注混凝土并与钢筋笼固结成一体后由所述封顶钢板在外套筒顶端焊接封盖，所述灌注桩桩底至海底基岩层岩面以下6m处。

进一步地，所述钢筋笼包括环形的焊接支撑架、箍筋和单排主钢筋，所述单排主钢筋沿环向布置于焊接支撑架外侧，单排主钢筋外侧沿纵向捆绑有所述的箍筋。

进一步地，所述焊接支撑架采用hpb300热轧钢筋，相邻焊接支撑架的纵向间距为5m～8m。

进一步地，所述箍筋采用hpb300热轧钢筋，相邻箍筋的纵向间距为150mm～200mm，桩底至海底基岩层岩面以上1倍桩径范围内箍筋间距加密为100mm。

进一步地，所述单排主钢筋采用hrb400及以上级别的热轧钢筋。

进一步地，所述外套筒下端3m范围内设置有两圈止水橡胶，其厚度为外套筒内径与连接套管外径之差，所述止水橡胶采用p型橡胶垫圈通过螺丝固定于连接套管上。

进一步地，所述连接套管顶端、桩芯钢管顶端与辅助钢管底端均设置有连接扣，通过连接扣进行施放期间的连接与断开。

进一步地，所述连接套管采用q345及以上型号的钢管，管长为l1+3.5m，其嵌入海底基岩层岩面以下0.5m，伸入外套筒内3m；所述外套筒采用q345及以上型号的钢管，l1为外套筒底端至海底基岩层岩面之间沿外套筒轴线方向的最大距离，通常l1可取1.5～3.0m。

进一步地，所述封顶钢板包括两块肋板和上顶板，所述肋板焊接于上顶板下，且两块肋板交叉垂直焊接。

进一步地，所述连接套管与海底基岩层岩面之间的空隙四周设置有模袋混凝土，用于封堵接触空隙，防止后期灌浆时漏浆。

上述潮流发电灌注桩的施工方法，包括如下步骤：

(1)利用施工船舶定位总成平台，并通过高程控制使总成平台上的所有外套筒底部距海底基岩层岩面间距为1.5m～3m，定位过程中确保总成平台顶部平面基本水平；

(2)根据设计要求在总成平台上选择一定数量且布设合理的外套筒，并在其内安放定位钢管桩，定位钢管桩与外套筒间通过高度可微调的定位销连接，所有定位钢管桩安放结束后，通过调节定位销高度，使总成平台顶部平面满足设计的水平要求；

(3)将内套管插入外套筒中，使内套管底端与海底基岩层岩面接触，通过冲击锤进行一次成孔，边成孔边下沉内套管，内套管长度要求满足一次成孔结束后内套管顶端略高于外套筒顶端，以便于一次成孔过程中内套管的下沉和二次成孔结束后内套管的拔出；

(4)通过冲击锤进行二次成孔，此阶段成孔过程不再下沉内套管，二次成孔深度距海底基岩层岩面以下6m，待二次成孔结束后将内套管取出；

(5)放置连接套管，放置前使连接套管顶部与上部同直径的辅助钢管底部通过连接扣相连，在外套筒内利用打桩锤将辅助钢管和连接套管一同打入海底基岩面以下不少于0.5m；连接套管就位后，通过旋转连接扣拔出上部辅助钢管，进而在连接套管与海底基岩层岩面之间的空隙四周抛置模袋混凝土进行封堵；

(6)对嵌岩桩基孔进行清渣，并放置预制钢筋笼，进而将浇注砼的导管插入嵌岩桩基孔中进行桩芯混凝土一次浇注，浇注顶标高高于连接套管顶部高程1～2m，浇注深度为l1+(10～11)m，其中岩面以下6m，岩面以上l1+(4～5)m，浇注的混凝土需添加缓凝剂以延长初凝时间；

(7)将桩芯钢管与同直径的辅助钢管通过连接扣相连，在一次浇注混凝土尚未初凝之前，利用打桩锤将桩芯钢管打入桩芯混凝土中，使桩芯钢管底端距离嵌岩桩基孔底部不超过0.5m，桩芯钢管长度为l1+(9.5～10.5)m，释放后桩芯钢管顶部高程不高于一次浇注混凝土表面，最后旋转断开连接扣，拔出上部辅助钢管；

(8)桩芯钢管安装完成后，进行二次桩芯混凝土浇注，浇注至桩基设计标高，通过在一次浇注混凝土中添加缓凝剂并严格控制两次混凝土浇注的时间间隔，使得两次浇注的混凝土不存在分界面，确保灌注桩整体性能，浇注结束后，将封顶钢板与外套筒顶部焊接。

本发明灌注桩具有直径小、抗弯抗剪能力强以及施工工序简便的优点。一次浇筑过程中，在灌注桩与海底基岩层界面打入长度为l1+(9.5～10.5)m嵌入海底基岩层以下不小于5.5m的桩芯钢管。相比于普通灌注桩，本发明所述的灌注桩，在受到波浪、潮流等往复荷载作用下，尤其在极端天气时，桩芯钢管与钢筋笼能共同发挥其较强的抗弯、抗剪能力，比普通灌注桩抗弯抗剪能力强。灌注桩内部增设桩芯钢管，一方面其抗弯能力可得到大幅度提升，桩芯钢管纵向构造相当于直径与桩芯钢管壁厚等同且无限加密布置的主筋，从而可有效减小灌注桩尺寸，还可有效减少钢筋笼中轴向主钢筋的数量，使原本密集布置的钢筋束用间距较大的单排主钢筋代替，从而使混凝土浇注成型质量得到大幅度提升；另一方面其抗剪能力可得到大幅度提升，桩芯钢管环向构造相当于直径与桩芯钢管壁厚等同且无限加密布置的箍筋、从而大幅度提升灌注桩抗剪能力，拟补现有灌注桩抗剪能力不足的缺陷。在施工工序方面，只在普通灌注桩施工工序中增加了“嵌入桩芯钢管”一道工序，简便快捷，不打乱灌注桩整个工序流程。桩芯钢管仅布设在灌注桩受弯受剪最大区段，桩基结构整体优化，也节约了造价。故本发明灌注桩桩基直径相对较小、性能优、工程造价相对较低，特别适用于潮流、波浪等环境条件下、承受较大水平荷载的潮流发电桩基础等近海区域工程基础，灵活性高，具有较好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明潮流发电灌注桩的结构示意图。

图2为本发明潮流发电灌注桩的止水橡胶结构示意图。

图3为本发明潮流发电灌注桩的封顶钢板结构示意图。

图4为本发明潮流发电灌注桩的钢筋笼局部结构示意图。

图5为本发明潮流发电灌注桩的连接扣局部结构示意图。

图6(a)～图6(g)依次为本发明潮流发电灌注桩的施工流程结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其施工工序过程进行详细说明。

如图1所示，本发明带桩芯钢管的潮流发电灌注桩1包括连接套管3、外套筒8、钢筋笼7、封顶钢板9和桩芯钢管2，外套筒8与总成平台外框架连接成一体，外套筒8内部设置有钢筋笼7，外套筒8顶部与封顶钢板9焊接连接，外套筒8下部与连接套管3通过止水橡胶6搭接，连接套管3嵌入于海底基岩层4中，灌注桩1从嵌固底面至外套筒8顶部通长浇筑，与钢筋笼7固结成一体，钢筋笼7内部设置有桩芯钢管2；海底基岩层4与连接套管3之间设置有模袋混凝土5，封堵接触空隙，防止后期灌浆时漏浆。

如图4所示，钢筋笼7包括焊接支撑架701、箍筋702和单排主钢筋703，单排主钢筋703内侧设置有焊接支撑架701，单排主钢筋703外侧环绕设置有箍筋702。

桩芯钢管2为q345及以上型号的钢管，总长为l1+9.5～10.5m，l1为外套筒8底端至基岩层岩面之间沿外套筒轴线方向的最大距离，嵌入海底基岩层4岩面以下6m；焊接支撑架701为hpb300热轧钢筋，焊接支撑架间距5m～8m；箍筋702为hpb300热轧钢筋，箍筋702间距为150mm～200mm，桩底至岩面以上1倍桩径范围内箍筋间距加密为100mm。

外套筒8下端3m范围内设置有两圈止水橡胶6，厚度为外套筒8内径与连接套管3外径之差。止水橡胶6包括p型橡胶垫圈601和螺丝602，如图2所示，p型橡胶垫圈601通过螺丝602固定于连接套管3上。

连接套管3顶端、桩芯钢管2顶端与辅助钢管10底端之间连接设置有连接扣14，如图5所示。

连接套管3为q345或以上型号钢管，管长l1+3.5m，其中嵌入岩面以下0.5m，伸入外套筒8下端3m；外套筒8为q345或以上型号钢管，外套筒8底高于岩面l1m，外套筒8顶端与封顶钢板9焊接连接。

如图3所示，封顶钢板9包括两块肋板18和上顶板19，两块肋板18交叉垂直焊接，肋板18与上顶板19之间采用双面坡口焊接，上顶板19与外套筒8顶部采用单面破口焊接。

本发明潮流发电灌注桩的具体施工方法如下：

(1)如图6(a)所示，根据地勘、潮流等相关资料设计总成平台11总体结构形式及灌注桩桩径、数量、位置及桩长，总成平台11设计中涵盖外套筒8的布设，并使外套筒8与总成平台11形成整体框架结构；利用施工船舶定位总成平台11，并通过高程控制使总成平台11上的所有外套筒8底部距海底基岩顶面间距为1.5m～3m，定位过程中确保总成平台11顶部平面基本水平。

(2)根据设计要求，在总成平台11上选择一定数量且布设合理的外套筒8先期作为施工定位桩位，并在其内安放定位钢管桩，定位钢管桩与外套筒8间通过高度可微调的定位销连接，所有定位钢管桩安放结束后，通过调节定位销高度，使总成平台顶部平面满足设计的水平要求；调平后将施工定位桩位处的外套筒8和总成平台外框架11进行焊接固定。

(3)如图6(b)所示，将内套管12插入外套筒8中，使内套管12底端与海底基岩面4接触，通过冲击锤进行一次成孔，边成孔边下沉内套管12，一次成孔深度为0.5m，内套管12长度要求满足一次成孔结束后内套管12顶端略高于外套筒8顶端，以便于一次成孔过程中内套管12的下沉和二次成孔结束后内套管12的拔出。

(4)如图6(c)所示，通过冲击锤进行二次成孔，此阶段成孔过程不再下沉内套管12，二次成孔深度距海底基岩面4以下6m，待二次成孔结束后将内套管12取出。

(5)如图6(d)所示，放置连接套管3，放置前使连接套管3顶部与上部同直径的辅助钢管10底部通过连接扣14相连，在外套筒8内利用打桩锤将辅助钢管10和连接套管3一同打入海底基岩面4以下不少于0.5m；连接套管3的长度为l1+3.5m，由外套筒8底端至基岩层岩面4之间的距离l1决定，连接套管3外壁上下各设置一圈止水橡胶6，作为后期灌浆的防漏浆措施；连接套管3就位后，通过旋转连接扣14拔出上部辅助钢管10，进而在连接套管3与海底基岩面4之间的空隙四周抛置模袋混凝土5进行封堵。

(6)如图6(e)所示，对嵌岩桩基孔进行清渣，并放置预制钢筋笼7，进而将浇注砼的导管插入嵌岩桩基孔中进行桩芯混凝土一次浇注，浇注顶标高高于连接套管3顶部高程1～2m，浇注深度为l1+10～11m，其中岩面以下6m，岩面以上l1+4～5m，浇注的混凝土需添加缓凝剂以延长初凝时间。

(7)如图6(f)所示，将桩芯钢管2与同直径的辅助钢管10通过连接扣14相连，在一次浇注混凝土尚未初凝之前，利用打桩锤将桩芯钢管2打入桩芯混凝土中，使桩芯钢管2底端距离嵌岩桩底部不超过0.5m，桩芯钢管2长度为l1+9.5～10.5m，施放后桩芯钢管2顶部高程不高于一次浇注混凝土表面，最后旋转断开连接扣14，拔出上部辅助钢管10，桩芯钢管2的直径由设计条件具体确定。

(8)如图6(g)所示，桩芯钢管2安装完成后，进行二次桩芯混凝土浇注，浇注至外套筒8顶端，即桩基设计标高，通过在一次浇注混凝土中添加缓凝剂并严格控制两次混凝土浇注的时间间隔，使得两次浇注的混凝土不存在分界面，不影响灌注桩整体性能，浇注结束后，需在混凝土初凝之前尽快将封顶钢板9与外套筒8顶部焊接。

本实施例是基于我国海上潮流电场建设海域均在水深不超过30m的近海区域，给出的带桩芯钢管的潮流发电灌注桩的具体实施方式，在桩基础浇筑结束并达到设计强度之后，再将施工临时定位桩中的定位钢管桩拔出，进行同样工序的灌注桩施工，待所有桩基施工完成并达到设计强度之后，可在总成平台框架内部放置潮流发电机组。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施实例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施实例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。