液壓打樁錘系統(tǒng)分析與工程應(yīng)用

劉 浩， 王浩宇， 黃山田， 原慶東， 魏佳廣， 李懷亮

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518067；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

液壓打樁錘系統(tǒng)分析與工程應(yīng)用

劉 浩1， 王浩宇2， 黃山田2， 原慶東1， 魏佳廣2， 李懷亮2

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518067；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

液壓錘是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的樁體貫入施工機(jī)械，隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展，液壓錘的應(yīng)用范圍越來越廣泛。分析了液壓打樁錘的發(fā)展概況，闡述了液壓打樁錘的工作原理，系統(tǒng)地對液壓錘工作原理、油路和液壓系統(tǒng)等進(jìn)行了分析和研究，并對工程上應(yīng)用廣泛的典型液壓錘的組成和工作原理進(jìn)行分析，借鑒學(xué)習(xí)和消化吸收國外的先進(jìn)技術(shù)，為國內(nèi)液壓錘的發(fā)展提供技術(shù)儲備。

液壓；打樁錘；振動錘；沖擊錘

0 引 言

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，打樁錘作為工程機(jī)械的主要施工機(jī)具，在施工作業(yè)中，尤其是海洋工程作業(yè)中，已成為必不可少、無法用人力替代的現(xiàn)代機(jī)械化設(shè)備。液壓錘的發(fā)展和應(yīng)用前景廣闊，在我國有很大的市場，并且需求量呈逐年上升的趨勢。但由于我國工程設(shè)備研制起點(diǎn)低、起步晚，自主化進(jìn)程相對落后，造成目前工業(yè)需求基本依靠國外設(shè)備引進(jìn)的形式。究其原因，主要是對液壓錘缺乏研究，指導(dǎo)實驗和生產(chǎn)的相關(guān)理論依據(jù)匱乏，從而使打樁錘國產(chǎn)化的進(jìn)程遲滯不前，存在各種問題[1]。

加快打樁錘的自主化、國產(chǎn)化進(jìn)程，并將其應(yīng)用于工程行業(yè)，首要任務(wù)就是整合目前的技術(shù)資源和施工經(jīng)驗，投入研發(fā)的人力和資金，進(jìn)行打樁錘技術(shù)的國產(chǎn)自主化研究和系統(tǒng)的整體配套設(shè)計。鑒于目前我國打樁錘設(shè)計的技術(shù)水平與發(fā)展現(xiàn)狀，為縮小與世界領(lǐng)先打樁錘技術(shù)的差距，打破國外的技術(shù)壟斷，實現(xiàn)自主化、國產(chǎn)化，滿足工程項目的作業(yè)需求，本文綜合研究了液壓打樁錘的發(fā)展概況、工作原理、發(fā)展趨勢及工程應(yīng)用，為自主研發(fā)先進(jìn)的液壓錘奠定技術(shù)基礎(chǔ)，提供技術(shù)儲備。

1 液壓打樁錘發(fā)展概況

液壓打樁錘技術(shù)興起于20世紀(jì)中期，到了20世紀(jì)60年代，該技術(shù)已成為工程機(jī)械的重要核心技術(shù)。經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，國外液壓打樁錘技術(shù)突飛猛進(jìn)，其中以荷蘭、日本、德國、英國等國家發(fā)展最為迅猛，美國及歐洲其他國家也先后研究并開發(fā)了自己的液壓打樁錘。目前，液壓打樁錘廣泛應(yīng)用于建筑施工、海洋工程、橋梁建設(shè)等領(lǐng)域，經(jīng)過近些年的發(fā)展，液壓打樁錘初步形成了品牌化和系列化。

針對海洋工程，目前使用最廣泛的液壓打樁錘為德國的MENCK系列和荷蘭IHC系列，型號齊全，產(chǎn)品錘擊能量跨度覆蓋廣，性能可靠。芬蘭永騰公司、英國BSP公司、日本車輛公司也是液壓打樁錘的主要生產(chǎn)廠家，但通過工程應(yīng)用表明，其打擊能量低，技術(shù)水平相對落后[2]。表1為德國MENCK系列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

我國從20世紀(jì)80年代開始在工程建設(shè)項目中應(yīng)用打樁錘，但采用的液壓打樁錘均從國外進(jìn)口，我國也沒有操作、維修專業(yè)人員。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，我國的一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)開始研究液壓打樁錘工作系統(tǒng)和操作原理，如吉林工業(yè)大學(xué)、太原重型機(jī)械學(xué)院等。但由于國外液壓打樁錘技術(shù)的壟斷，我國在大型化液壓打樁錘領(lǐng)域仍處于分析、研究和探索階段，在液壓打樁錘國產(chǎn)化的道路上仍處于研究初期。

2 液壓打樁錘的工作原理

目前，世界上應(yīng)用的液壓打樁錘主要分為沖擊式打樁錘和振動式打樁錘兩大類。

2.1 液壓振動錘

液壓振動錘是一種適合各種基礎(chǔ)工程的沉拔樁施工設(shè)備。它用于各類鋼樁和混凝土預(yù)制樁的沉拔作業(yè)。配套相應(yīng)的樁架后，也可用于混凝土灌注樁、砂樁、石灰樁等各種類型的地基處理[3]。由于液壓振動錘具有沉樁質(zhì)量好、貫入力強(qiáng)、使用方便、成本低等特點(diǎn)，在各個工程領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

液壓振動錘可根據(jù)工作原理、頻率和振幅分類，具體如圖1所示。

圖1 液壓振動錘分類Fig.1 Classification of hydraulic vibration hammer

在工程上，常用的液壓振動錘有液壓偏心式振動錘和電液-液壓缸式振動錘。

液壓偏心式振動錘的核心工作原理是： 通過液壓油驅(qū)動偏心塊產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生高頻的振動。液壓油通過錘體內(nèi)部的油泵產(chǎn)生高壓，再根據(jù)控制系統(tǒng)的調(diào)控，驅(qū)動偏心塊的旋轉(zhuǎn)速率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)振動頻率的目的。

電液-液壓缸式振動錘的核心工作原理是： 通過高壓油路的快速、頻繁換向，使錘體內(nèi)部實現(xiàn)高頻的高、低壓變化，從而使錘體產(chǎn)生振動。

2.2 液壓沖擊錘

液壓沖擊錘是依靠內(nèi)部錘芯沖擊砧鐵，將沖擊力傳遞給樁體，實現(xiàn)樁體貫入的機(jī)具設(shè)備。液壓沖擊錘的能耗低、污染少、效率高、施工適應(yīng)性好。該方式的液壓錘結(jié)構(gòu)簡單，模塊化清晰，便于各模塊的維護(hù)和檢修。液壓沖擊打樁錘在海洋工程應(yīng)用和大型化方面取得了很大的進(jìn)展，以德國的MENCK系列和荷蘭的IHC系列為代表，其液壓沖擊錘已經(jīng)序列化、多樣化。在我國工程建設(shè)中已廣泛應(yīng)用液壓沖擊錘，例如海洋平臺的安裝作業(yè)，但其理論研究和工業(yè)制作水平卻處于起步階段，因此，研究和開發(fā)液壓沖擊錘并促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化，具有廣闊的市場和重要的意義。

液壓沖擊錘主要由三大模塊組成，分別是錘體、沖擊錘動力站和控制室。各模塊之間通過液壓管線和控制線路連接，各模塊之間彼此相對獨(dú)立，便于維護(hù)保養(yǎng)。液壓錘本體則包括錘驅(qū)動裝置和打擊力傳遞裝置兩部分[4]。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 液壓沖擊錘系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of hydraulic hammer system

樁錘本體由錘芯、液壓缸、液壓控制閥等部分組成。其工作原理為： 通過油路系統(tǒng)，增加錘體內(nèi)部錘芯的勢能，再將液壓壓力和錘芯勢能轉(zhuǎn)化為沖擊能，沖擊砧鐵，實現(xiàn)鋼樁的間歇性貫入。

沖擊力傳遞裝置由緩沖墊、砧鐵、樁套筒等構(gòu)成。液壓沖擊打樁錘的錘芯在沖擊砧鐵時，為提高設(shè)備壽命，避免金屬直接沖擊，在錘芯和砧鐵之間會設(shè)置緩沖墊。樁套筒一方面可以對打樁錘起到限位作用，確保樁錘在沖擊時，錘體在樁的正上方，另一方面對打擊部位實現(xiàn)了包裹，有效地降低了噪音。

液壓打樁錘的動力源集中在動力站中，通過液壓為打樁錘提供錘擊動力。液壓回路通過液壓管線連接，主要由液壓泵、卸載閥、換向閥、執(zhí)行元件等組成。

液壓打樁錘的控制中樞包括操縱盤和電子控制裝置，通常分配在控制室，采用繼電器進(jìn)行控制。典型的控制方式有手動打樁和自動打樁方式。也可根據(jù)錘芯下落的高度或打樁間隔的時間進(jìn)行打樁設(shè)定。

3 液壓錘的發(fā)展趨勢

3.1 液壓振動錘

液壓振動錘從技術(shù)上看，有如下幾個發(fā)展方向[5]。

(1) 頻率提升，向高頻、超高頻方向發(fā)展。振動錘振動頻率的提升，可以快速地使地基介質(zhì)碎化，使樁基貫入，提升打樁效率。

(2) 采用隔音降噪技術(shù)，減少動力站在打樁過程中的噪音污染。

(3) 優(yōu)化控制單元，實現(xiàn)集成化、智能化控制?？筛鶕?jù)不同土壤地質(zhì)參數(shù)，優(yōu)化調(diào)節(jié)打樁振動頻率。

在產(chǎn)品開發(fā)過程中，應(yīng)注意幾方面關(guān)鍵技術(shù)： (1)無極變矩功能及自動控制系統(tǒng)研發(fā)；(2)節(jié)能降噪減震技術(shù)的研究；(3)高頻、大功率振動錘的可靠性及動力機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性研究；(4) 土壤特性分析研究。

3.2 液壓沖擊錘

目前的液壓沖擊錘正朝大型化、高效化、輕量化及水下作業(yè)的方向發(fā)展。世界上越來越多的工程項目在施工過程中應(yīng)用液壓沖擊錘。我國許多公司也相繼引進(jìn)了一些大中型的液壓沖擊打樁錘。例如，中海油安裝公司由于海上施工作業(yè)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[6]。國內(nèi)工程公司購置的大中型液壓打樁錘如表2所示。

表2 國內(nèi)施工單位購置的大中型液壓打樁錘

4 打樁錘在海洋工程的應(yīng)用

從第一臺液壓打樁錘進(jìn)入中國以來，幾十年中液壓打樁錘為中國企業(yè)承接海洋施工工程做出了巨大貢獻(xiàn)，例如港珠澳大橋、海洋石油平臺建設(shè)、海洋單點(diǎn)建設(shè)、風(fēng)電場建設(shè)等項目。液壓打樁錘主要應(yīng)用于跨海橋梁、海洋石油平臺、海洋風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域，如圖3所示。在各個領(lǐng)域中，海洋結(jié)構(gòu)不斷向深水區(qū)和大型化發(fā)展，同時，對打樁錘也提出了大型化、可靠性及深水作業(yè)的要求。隨著海洋油氣的不斷發(fā)展，海洋風(fēng)電的不斷開發(fā)，液壓打樁錘的需求在逐年遞增，對液壓打樁錘的性能、要求也不斷提高。

圖3 打樁錘在橋梁(左)及海洋結(jié)構(gòu)物中的應(yīng)用(右)Fig.3 Application of pile hammer in bridge (left) and platform construction (right)

例如，錦州25-1南CEPF導(dǎo)管架應(yīng)用了MHU-1200S打樁錘，文昌19-1N/8-3E項目WHPB導(dǎo)管架應(yīng)用了MHU-1200打樁錘，沙特KCROP項目CLP導(dǎo)管架應(yīng)用了IHC-500打樁錘，等等。在打樁過程中，還要時刻監(jiān)測打樁狀態(tài)，根據(jù)沙特-阿美海洋施工標(biāo)準(zhǔn)SAES-Q-004第6.4.2節(jié)[7]，在打樁過程中，連續(xù)5段入泥30cm的錘擊數(shù)超過300錘或1段入泥30cm的錘擊數(shù)超過800錘的情況，即為拒錘，應(yīng)停止打樁錘的作業(yè)。

5 結(jié) 語

雖然液壓打樁錘在我國工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但我國還沒有實現(xiàn)液壓打樁錘的國產(chǎn)化。目前的液壓錘應(yīng)用主要是依靠國外進(jìn)口。隨著海洋資源的大力開發(fā)，進(jìn)軍深海的步伐日益加快，我國對液壓打樁錘的數(shù)量和性能的要求也在不斷提高。

本文闡述了液壓打樁錘的發(fā)展歷史，分析了液壓打樁錘的工作原理，描述了打樁錘在海洋工程的應(yīng)用。通過對典型液壓打樁錘的分析和研究，歸納了打樁錘的主要元件，對打樁錘進(jìn)行了綜合評價，并從應(yīng)用領(lǐng)域展望打樁錘的發(fā)展趨勢，消化吸收國外的先進(jìn)技術(shù)，為國內(nèi)液壓錘的發(fā)展提供技術(shù)儲備，助力液壓打樁錘的自主化進(jìn)程。

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AnalysisandEngineeringApplicationofHydraulicPileHammerSystem

LIU Hao1， WANG Hao-yu2， HUANG Shan-tian2，YUAN Qing-dong1， WEI Jia-guang2， LI Huai-liang2

(1.CNOOCDeepwaterDevelopmentCo.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong518067,China；2.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

Hydraulic hammer is an efficient, energy saving and environmental protection pile penetration construction machine. With the continuous development of China’s modernization, the application range of hydraulic hammer is more and more extensive. We analyze the development of hydraulic pile hammer, and expound its working principle. The working principle, oil circuit and hydraulic system of hydraulic hammer are systematically analyzed and studied. The composition and working principle of typical hydraulic hammer which is applied widely in engineering are analyzed. Through learning and absorbing foreign advanced technology, the research can provide technical reserves for the development of domestic hydraulic hammer.

hydraulic pressure; pile hammer; vibration hammer; impact hammer

U443.15+6

A

2095-7297(2017)04-0245-04

2017-06-12

工信部項目“500米水深油田生產(chǎn)裝備TLP自主研發(fā)”(工信部聯(lián)裝【2014】503號)

劉浩(1989—)，男，工程師，主要從事海洋油氣開發(fā)結(jié)構(gòu)物安裝方面的研究。