丁全智，邱成國，孫 福

(太重（天津）濱海技術(shù)中心海工所，天津 300457)

液壓打樁錘在海洋工程中的應(yīng)用

丁全智，邱成國，孫 福

(太重（天津）濱海技術(shù)中心海工所，天津 300457)

主要介紹了當(dāng)今國內(nèi)外液壓打樁錘的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TZ系列液壓打樁錘的工作原理及其創(chuàng)新點(diǎn)，并分別從作業(yè)范圍、效率、錘體特征、節(jié)能環(huán)保性等方面對液壓打樁錘與柴油錘進(jìn)行對比分析，同時(shí)指出液壓打樁錘在海洋結(jié)構(gòu)物、海上風(fēng)電基礎(chǔ)安裝等海洋工程中的應(yīng)用前景。

液壓打樁錘；柴油錘；海洋工程

1 引 言

根據(jù)Frost Sullivan發(fā)布的《全球風(fēng)能行業(yè)研究報(bào)告》顯示，截至2011年12月，歐盟成員國已完成的、正建的、項(xiàng)目獲批的及正在編制計(jì)劃中的海上風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘靠梢詽M足歐盟1.3億戶家庭的用電需求，相當(dāng)于歐洲總發(fā)電量的13.1%。2011年3月，美國能源部發(fā)布了《國家海上風(fēng)電戰(zhàn)略：創(chuàng)建美國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)》，計(jì)劃到2030年海上風(fēng)電容量將至5400萬kW。根據(jù)Pike Research研究報(bào)告，全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量預(yù)計(jì)會(huì)從2011年的410萬kW增加到2017年的7010萬kW。

中國是全球最大的風(fēng)電市場，海上風(fēng)電處于起步階段，極具開發(fā)潛力，到2020年海上風(fēng)電裝機(jī)容量超過3200萬kW。按5MW單機(jī)容量計(jì)算，到2020年，中國至少需要6400臺(tái)風(fēng)機(jī)。風(fēng)電機(jī)組向大型化發(fā)展，這對風(fēng)電基礎(chǔ)安裝提出了更高的要求，迫切需要能量傳遞率高、調(diào)控方便準(zhǔn)確、噪音低、污染小的大型化打樁設(shè)施，因此液壓打樁錘也就應(yīng)運(yùn)而生。

2 液壓打樁錘大型化發(fā)展

液壓打樁錘重量輕，效率高，操作平穩(wěn)，能在水下打樁。國際上主流的液壓打樁錘供應(yīng)商為荷蘭IHC和德國MENCK，只有這兩家公司可設(shè)計(jì)制造性能優(yōu)良的液壓打樁設(shè)備。英國BSP公司、日本車輛公司、芬蘭永騰公司也是液壓打樁錘的主要生產(chǎn)廠家，但經(jīng)過多年工程驗(yàn)證其打擊能量低，技術(shù)水平相對落后。就國內(nèi)而言，目前還沒有一套真正意義上的大中型液壓打樁錘投入使用。表1為MENCK大中型液壓打樁錘的基本參數(shù)。

表1 MENCK大中型液壓打樁錘

目前世界上已有較多地區(qū)使用液壓錘，國內(nèi)幾家公司為提升總承包能力，相繼從國外進(jìn)口大中型液壓打樁錘。中海油安裝公司由于打大型樁需要，先后購置MHU1200和MHU1900液壓打樁錘；中交三航局為鞏固海上風(fēng)電業(yè)務(wù)也從IHC購置S-1200和S-1800液壓打樁錘，國內(nèi)施工單位購置大中型液壓打樁錘如表2。

表2 國內(nèi)施工單位購置的大中型液壓打樁錘

3 液壓打樁錘

3.1 液壓打樁錘的組成

在國產(chǎn)液壓打樁錘的研制方面，筆者公司研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TZ系列液壓打樁錘。在繼承了壓縮氮?dú)怆p作用液壓錘的基礎(chǔ)上，TZ系列液壓打樁錘增加了空氣蓄能器及抽真空室，打樁錘時(shí)有4個(gè)力驅(qū)使。相比較IHC、MENCK的雙作用打樁錘，具有一定先進(jìn)性，且最大加速度、打擊效率和最大打擊功都有所提高。圖1為液壓打樁錘的系統(tǒng)總成。

TZ系列液壓打樁錘由錘體、液壓動(dòng)力站和電氣控制系統(tǒng)單元等幾個(gè)部分組成，其中錘體由儲(chǔ)氣艙、配油艙、錘筒上錘芯、下錘芯、替打、樁套筒、提升油缸、蓄能器等組成；液壓動(dòng)力站由集裝箱、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、供油泵組、分動(dòng)箱、液壓油箱、液壓控制集成塊、冷卻循環(huán)裝置和管路附件等組成；控制系統(tǒng)單元由空壓機(jī)、控制室、控制系統(tǒng)電氣單元、撬底座等組成；臍帶由進(jìn)油管、回油管、控制電纜、空氣補(bǔ)償管、鋼絲繩等組成。

圖1 液壓打樁錘系統(tǒng)總成

液壓打樁錘工作原理為：根據(jù)用戶設(shè)置好的打樁能量，控制系統(tǒng)計(jì)算出錘芯所需要提升的高度，并通過控制錘體上液壓閥的通斷和通斷時(shí)間長短來使上錘芯和提升油缸一起向上移動(dòng)到該提升高度并下落，最終上錘芯以一定的速度捶擊下錘芯，從而使下錘芯以設(shè)定能量將樁體向地下貫入。提升油缸上裝有位移傳感器，以控制和監(jiān)測上錘芯的提升高度。

3.2 液壓打樁錘與柴油錘的性能對比

液壓打樁錘與柴油打樁錘的施工適用范圍如表3所示。柴油打樁錘與液壓打樁錘工作效率損失比較如表4所示。通過對比列表說明：液壓打樁錘和柴油打樁錘不只在適用范圍方面存在差異，而且在工作效率方面也有著顯著的差異。液壓打樁錘同柴油錘比較具有以下優(yōu)點(diǎn)。

表3 液壓打樁錘與柴油打樁錘的施工適用范圍

表4 柴油打樁錘與液壓打樁錘工作效率損失比較

1）可根據(jù)土質(zhì)情況及樁材質(zhì)的強(qiáng)度，合理選擇沖擊力，以保證沖擊能量的發(fā)揮而不損壞樁身，施工時(shí)可省去樁墊。

2）在打樁過程中，同時(shí)可獲得下打沖擊力和貫入度指標(biāo)，因而可有效地確定樁是否已進(jìn)入預(yù)定的土層上，并能直觀地知道樁的允許承載力。

3）液壓錘特別適應(yīng)打斜樁作業(yè)及水下樁基施工，液壓錘不存在軟土起動(dòng)困難的問題，而且能適應(yīng)各種氣候下的施工作業(yè)。

4）液壓打樁錘的公害較小，基本無污染綠色環(huán)保，噪音低，能適應(yīng)城市樁基礎(chǔ)的施工作業(yè)。

5）液壓打樁錘系統(tǒng)性能，安全、可靠性高，堅(jiān)固耐用，可抗拒惡劣的海上環(huán)境，相比柴油錘具有，防爆、工作可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

4 液壓打樁錘在海洋工程中的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用于海上結(jié)構(gòu)物安裝施工

導(dǎo)管架是海洋石油平臺(tái)中傳遞載荷的主要部件，其主體是鋼制桁架結(jié)構(gòu)，是海洋石油平臺(tái)的固定基礎(chǔ)。導(dǎo)管架的主要作用是為平臺(tái)的海上施工提供條件，打完樁以后，樁和圓管之間的環(huán)向內(nèi)用水泥漿固結(jié)，把各單樁連成一個(gè)整體，詳見圖2。隨著南海的開發(fā)，更多的鉆井平臺(tái)將被應(yīng)用，這就意味著液壓打樁錘擁有廣闊的市場前景。

圖2 液壓打樁錘在導(dǎo)管架安裝中打樁

中海油在2002年從國外引進(jìn)了五套適用于不同樁徑的系列液壓打樁錘，該系列液壓打樁錘能安全運(yùn)行的年限是10年，近兩年中海油應(yīng)該會(huì)需要更換其擁有的液壓打樁錘（根據(jù)《海洋石油工程股份有限公司招股說明書》－2013年預(yù)測的）。而國內(nèi)海洋石油施工企業(yè)紛紛涉足海洋工程，國內(nèi)三大石油公司中，除了中海油海洋工程公司此類裝備配備較全外，其他施工企業(yè)幾乎為空白，尤其是在開辟海外市場方面，裝備的需求是迫在眉睫。

4.2 應(yīng)用于海港及跨海大橋樁基工程施工

跨海大橋及海港工程日益趨向深水和大型化發(fā)展，基樁的斷面逐步增大。0.7m×0.7m鋼筋砼方樁，直徑1.2～1.4m砼管樁和直徑1.2～2.5m的鋼管樁已被采用，預(yù)計(jì)今后基樁單樁垂向極限承載力15000～20000kN，甚至20000kN以上。另外為滿足彈性長樁的設(shè)計(jì)要求，需要穿越標(biāo)貫值較大的土層，使之達(dá)到較大的入土深度。假設(shè)這樣大斷面大直徑高承載力的長樁，仍沿用目前擁有的大型柴油錘恐怕難以勝任，因此應(yīng)根據(jù)海港工程的需要，選備更加大型、環(huán)保、高效的液壓打樁錘，詳見圖3。

4.3 應(yīng)用于海上風(fēng)電場的樁基施工

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)重量大、建造位置高，整個(gè)上部結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載大，對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的要求除了豎直方向所受的向下壓力外，還存在著很大的水平力和抗拔力。為了海上施工方便，現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)行的風(fēng)電場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有單樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、導(dǎo)管架群樁基礎(chǔ)和零星裝備四種形式，除重力式基礎(chǔ)外，其他三種方式均需要用到液壓打樁錘。海上有豐富的風(fēng)能資源和廣闊平坦的區(qū)域，使得近海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為近年來研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。我國近海風(fēng)能資源預(yù)計(jì)可達(dá)7.5億kW，是陸上風(fēng)能資源3倍，海上風(fēng)力發(fā)電場將成為未來發(fā)展的重點(diǎn)。

海上風(fēng)電安裝主要將液壓打樁錘配備在裝運(yùn)海上風(fēng)電機(jī)組的自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)和風(fēng)電安裝船上，平臺(tái)到達(dá)目的地后進(jìn)行打樁施工作業(yè)，具體原理如圖4。

圖3 液壓打樁錘應(yīng)用于跨海大橋施工

圖4 液壓打樁錘應(yīng)用于海上風(fēng)電安裝

5 結(jié) 語

目前，國內(nèi)還沒有一套技術(shù)成熟的液壓打樁錘投入使用。21世紀(jì)是海洋資源大力開發(fā)的世紀(jì)。隨著海洋油氣資源的不斷開發(fā)，國內(nèi)對大中型液壓打樁錘的需求不斷增長，同時(shí)對海洋工程裝備也提出更高的要求，迫切需要我們開發(fā)一種能適應(yīng)海洋惡劣環(huán)境且性能可靠的液壓打樁錘，以滿足海洋工程發(fā)展的需要。

[1] 王啟茂，王江天．液壓打樁錘在海港樁基工程中的應(yīng)用[J]．中國港灣建設(shè)，2003，(6)：8-11．

[2] 唐園博，吳亞東，爾洪川，等．IHC液壓打樁錘與Menck液壓打樁錘的研究分析[J]．建筑界，2013，(6)：141-142．

（編輯 賈澤輝）

Application of hydraulic pile hammer in oceanographic technology

DING Quan-zhi, QIU Cheng-guo, SUN Fu

TU67

B

1001-1366(2015)11-0031-04

2015-09－29