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產(chǎn)權(quán)的TZ系列液壓打樁錘的工作原理及其創(chuàng)新點，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行對比分析，同時指出液壓打樁錘在海洋結(jié)構(gòu)物、海上風電基礎(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《全球風能行業(yè)研究報告》顯示，截至2011年12月，歐盟成員國已完成的、正建的、項目獲批的及正在編制計劃中的海上風電裝機總?cè)萘靠梢詽M足歐盟1.3億戶家庭的用電需求，相當于歐洲總發(fā)電量的13.1%。2011年3月，美國能源部發(fā)布了《國家海上風電戰(zhàn)略：創(chuàng)建美國海上風電產(chǎn)業(yè)》，計劃到2030年海上風電容量將至5400萬kW。根據(jù)Pike Research研究報告，全球海上風電裝機容量預(yù)計會從2011年的410萬kW增加到2017年的7010萬kW。

中國是全球最大的風電市場，海上風電處于起步階段，極具開發(fā)潛力，到2020年海上風電裝機容量超過3200萬kW。按5MW單機容量計算，到2020年，中國至少需要6400臺風機。風電機組向大型化發(fā)展，這對風電基礎(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)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TZ系列液壓打樁錘。在繼承了壓縮氮氣雙作用液壓錘的基礎(chǔ)上，TZ系列液壓打樁錘增加了空氣蓄能器及抽真空室，打樁錘時有4個力驅(qū)使。相比較IHC、MENCK的雙作用打樁錘，具有一定先進性，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、液壓動力站和電氣控制系統(tǒng)單元等幾個部分組成，其中錘體由儲氣艙、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；液壓動力站由集裝箱、柴油發(fā)動機、供油泵組、分動箱、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、控制室、控制系統(tǒng)電氣單元、撬底座等組成；臍帶由進油管、回油管、控制電纜、空氣補償管、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間長短來使上錘芯和提升油缸一起向上移動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。

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，施工時可省去樁墊。

2）在打樁過程中，同時可獲得下打沖擊力和貫入度指標，因而可有效地確定樁是否已進入預(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、工作可控性強等優(yōu)點。

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)，是海洋石油平臺的固定基礎(chǔ)。導(dǎo)管架的主要作用是為平臺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)，把各單樁連成一個整體，詳見圖2。隨著南海的開發(fā)，更多的鉆井平臺將被應(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行的年限是10年，近兩年中海油應(yīng)該會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)計要求，需要穿越標貫值較大的土層，使之達到較大的入土深度。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)用于海上風電場的樁基施工

海上風力發(fā)電機重量大、建造位置高，整個上部結(jié)構(gòu)所受風荷載大，對風機基礎(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)運行的風電場風機基礎(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。海上有豐富的風能資源和廣闊平坦的區(qū)域，使得近海風力發(fā)電技術(shù)成為近年來研究和應(yīng)用的熱點。我國近海風能資源預(yù)計可達7.5億kW，是陸上風能資源3倍，海上風力發(fā)電場將成為未來發(fā)展的重點。

海上風電安裝主要將液壓打樁錘配備在裝運海上風電機組的自升式風電安裝平臺和風電安裝船上，平臺到達目的地后進行打樁施工作業(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世紀是海洋資源大力開發(fā)的世紀。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