淺水域管樁施工關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用

于德忠

江蘇地質(zhì)基樁工程公司 江蘇 鎮(zhèn)江 212000

1 引言

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)，其優(yōu)點是較少受地域限制，光伏系統(tǒng)具有安全可靠、無噪聲、低污染，無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電、供電及建設(shè)周期短的優(yōu)點，對環(huán)境無不良影響，是理想的清潔能源。其中“漁光互補”發(fā)電是通過在水面上方架設(shè)光伏組件發(fā)電，下面水體進行水產(chǎn)養(yǎng)殖，實現(xiàn)“一地兩用”、實現(xiàn)漁、電、環(huán)保三豐收，有效防止大氣污染?！皾O光互補”發(fā)電充分利用空間，節(jié)約土地資源，又能利用光伏電站調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境，還能優(yōu)化地區(qū)能源結(jié)構(gòu)，改善環(huán)境，并可提高單位魚塘產(chǎn)量，增產(chǎn)增收，在水產(chǎn)養(yǎng)殖和光伏產(chǎn)業(yè)上實現(xiàn)領(lǐng)域共享，促成社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益的多贏.

“漁光互補”發(fā)電項目的選址一般在海濱灘涂、內(nèi)陸湖泊、田間淺塘等淺水區(qū)域。架設(shè)光伏組件的支柱主要采用預(yù)制混凝土管樁，單個項目均需打入成千上萬根成排成列的管樁，管樁施工由專業(yè)基礎(chǔ)施工隊伍承擔(dān)，由于架設(shè)光伏組件周期可控，項目建設(shè)周期的長短主要取決于管樁施工。經(jīng)調(diào)查，目前水上管樁施工主要采用先排水筑路或配備打樁船舶的方法，前者用履帶式振動打樁機進行施工，存在施工成本高、工效低的問題；后者因打樁船舶吃水深，存在在淺水域不適用的情況，因此均有不足之處，難以滿足施工需要和市場發(fā)展需求[1]。

2 淺水域管樁施工技術(shù)現(xiàn)狀調(diào)查

我國是擁有自主品牌的光伏產(chǎn)業(yè)大國強國，技術(shù)成熟。水上樁基完成后，光伏組件架設(shè)只需搭設(shè)一個小型安裝平臺便可，操作簡便快捷、架設(shè)周期短。相比之下，光伏組件的載體——動輒幾萬根的水上預(yù)制混凝土管樁的施工，便成了“漁光互補”項目周期中的關(guān)鍵工作。淺水域管樁的常見施工方法如下：

（1）圍堰排水法：轉(zhuǎn)化為熟悉的方便的陸上施工后，其施工技術(shù)比較成熟，管樁的施工質(zhì)量基本能夠得到保證，但在施工措施方面比較繁瑣，如需要打圍堰、排水、清淤/回填土方、修筑施工便道、作業(yè)完畢后再引水回流，且不適用于河床淤泥層過厚的情況。施工費不經(jīng)濟且耗時長。

優(yōu)點：轉(zhuǎn)化為陸上施工后施工直觀；樁位控制準(zhǔn)確；挖機自行鋪路行走、打插管樁，施工簡便。

缺點：需圍堰排水、插鋼管樁、架設(shè)槽鋼、鋪道板作為管樁運輸便道及挖機行走便道，項目措施費支出高；由于挖機需要自行插鋼管、鋪道板，打樁效率比較低下；振動安插管樁時垂直度偏差控制效果不理想。

（2）采用打樁船進行水上打樁：優(yōu)點是方便快捷、前期準(zhǔn)備時間短；缺點是市面上的打樁船在施工技術(shù)方面存在不足之處，如船的移位存在反復(fù)走位對中的問題、管樁施工存在依靠船艏小駁船人工進行管樁定位和固位的問題，這無疑也增加了測量內(nèi)業(yè)的工作量。以上結(jié)果就是打樁船水上管樁施工工效低，不利于利益的最大化，水上管樁施工技術(shù)方面亟待改進和提高，而且打樁船吃水深度深，淺水域如水深不夠或遇淺灘則無法行走就位，存在適用性問題。

優(yōu)點：打樁船隨租隨用，前期準(zhǔn)備時間短。

缺點：需要支付一筆較高的租賃費；打樁船定位慢，管樁樁位、垂直度不易控制，施工工效低；打樁船吃水深度深，局部無法就位的淺灘需提前清淤。

對比得知采用水上作業(yè)的方法相對理想，但仍存在三大點不足：①打樁船吃水深，適用性不強；②打樁船移位、定位慢，工效低；③依靠船艏小駁船人工進行管樁定位和固位，效率低效果差。該方法基本能夠滿足管樁施工質(zhì)量要求，但存在前面所述的移位、定位、固位種種技術(shù)問題，且施工工效低[2]。

3 水上打樁施工平臺現(xiàn)狀調(diào)查

通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在水上管樁施工技術(shù)中部分涉及了大型打樁船的研制、改造技術(shù)，應(yīng)用在離岸一二十公里管樁施工定位的GPS（RTK）測量技術(shù)，大型船舶液壓系統(tǒng)抱樁改造技術(shù)，而大型船只在淺水域難以施展，GPS（RTK）測量技術(shù)在區(qū)域范圍相對有限的內(nèi)陸河湖蕩濕地不能突出其測量優(yōu)勢，沒有推廣價值。因此，國內(nèi)研究均未提及淺水域管樁施工中的關(guān)鍵技術(shù)，如適用于淺水域管樁施工平臺的改造研制技術(shù)，作業(yè)平臺快速移位技術(shù)，管樁定位、固位等技術(shù)，不能提供實質(zhì)上的系統(tǒng)的研究經(jīng)驗和意見，僅為淺水域管樁施工技術(shù)的研究提供了參考意見，只具有參考價值。

我國是全球光伏產(chǎn)業(yè)龍頭，“漁光互補”為我國針對能源改革提出的模式，為了提高淺水域預(yù)制管樁施工效率、降低施工成本、提高施工質(zhì)量，針對淺水域管樁施工所需的作業(yè)平臺的技術(shù)研究是關(guān)鍵。

4 淺水域管樁關(guān)鍵施工技術(shù)要點分析

通過對目前國內(nèi)水上預(yù)制管樁施工技術(shù)及施工工藝的分析，針對其在水上管樁施工關(guān)鍵技術(shù)上的短板，適宜淺水域施工的水上作業(yè)平臺和快速定位是其研究創(chuàng)新要點：

在淺水域管樁施工行之有效的、符合實用、經(jīng)濟、安全的標(biāo)準(zhǔn)的打樁作業(yè)平臺。主要研究內(nèi)容：打樁作業(yè)平臺的選型、規(guī)格、尺寸、大樣、吃水深度及穩(wěn)定性的研究、淺水域管樁施工錘頭、樁架、電源及各配套設(shè)施；

打樁作業(yè)平臺快速高效的移位找位技術(shù)。主要研究內(nèi)容：測量方法、定位系統(tǒng)（定位平臺、行程控制）；

控制管樁樁位偏差及垂直度偏差的定位、固位系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容：管樁定位、固位系統(tǒng)[3]。

5 研究創(chuàng)新方案及應(yīng)用

5.1 打樁作業(yè)平臺的選型、大樣、吃水深度及穩(wěn)定性的研究及應(yīng)用

打樁作業(yè)平臺是水上打樁的基礎(chǔ)，其選型與大樣的研究自然是首當(dāng)其沖的。選型及大樣的研究方向是：安全、經(jīng)濟、實用。

5.1.1 打樁作業(yè)平臺的選型

通過前期的調(diào)查，打樁船有價格高和吃水深的缺陷，擬采用12000×3000×750鐵質(zhì)浮箱作為作業(yè)平臺。

鐵質(zhì)浮箱作為打樁作業(yè)平臺有三大優(yōu)點：①價格低廉；②易加工；③因其呈長方體形態(tài)，可以在較小吃水深度的狀態(tài)下獲得較大的浮力，較小吃水深度是在淺水區(qū)域自由行走的前提，較大的浮力是后期承受機械設(shè)備、錘頭等荷載的保證。

5.1.2 作業(yè)平臺大樣

現(xiàn)行市面上的錘擊管樁打樁船均將樁錘、樁架安置于船艏，少部分用于水上打樁的駁船改造也是將錘頭、樁架安置于船艏。這樣在樁定位時，操作工人改乘小駁船牽絲拉線地去調(diào)整定位，因為慣性船在水上不能實時靜止，存在前后左右反復(fù)移動船只的情況，這大大降低了施工效率。針對該問題，我們擬用選用兩個浮箱作為打樁作業(yè)平臺，浮箱用型鋼焊接聯(lián)結(jié)成排，中間留縫600mm作為打插管樁使用，此方法則可以將樁錘樁架置于平臺中央，還能提供作業(yè)面，摒棄了在船艏作業(yè)的小駁船，提高了作業(yè)效率。

5.1.3 吃水深度

為了使平臺能夠在淺水域自由行走、無障礙施工，其吃水深度應(yīng)控制在0.5m以內(nèi)。采用錘擊法減少荷載及浮箱能提供較大浮力的方案，吃水深度的控制目標(biāo)應(yīng)該能夠達到。主要設(shè)備配件重量清單：機錘總重4.2t；卷揚機1.4t；20kW發(fā)電機0.8t；浮箱2.99t/個?？傊亓?2.38t，依據(jù)阿基米德原理可知初步理論吃水深度為0.17m，施工時平臺上安裝、安放了其他配件和雜物，最終吃水深度在30cm，因此淺水域無障礙施工得到了保障。

5.1.4 穩(wěn)定性

船舶在停泊或航行中，會受到外力作用而發(fā)生傾斜，其穩(wěn)定性是由船舶的重心、浮心、漂心、船體形狀以及減搖裝置等決定的，在船舶的設(shè)計中通常還會采取降低重心的方法加強船舶的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性需作靜態(tài)和動態(tài)兩方面的考慮。

①作業(yè)平臺靜態(tài)穩(wěn)定性設(shè)計

考慮到作業(yè)平臺的設(shè)計原則為簡單實用，施工地點一般為河湖蕩濕地，沒有大風(fēng)大浪，水上作業(yè)條件較為理想，其漂心、船體形狀以及減搖裝置不予考慮，只需要從平臺的重心、浮心并盡量使重心下放這三個方面考慮。

浮箱呈規(guī)則的長方體，忽略附體體積系數(shù)，理論浮心高度為0.15m。為了保證作業(yè)平臺重心位置合理，需合理規(guī)劃各機械設(shè)備、配件的布置,樁架及樁錘位于平臺中央，重心與浮心在水線面上的距離近，使平臺前后平衡減小縱傾。經(jīng)過合理規(guī)劃其他配件的布置，橫傾與縱傾可減少到最小。發(fā)電機及其他較重的設(shè)備均對稱安置于浮箱內(nèi)部，可以降低作業(yè)平臺整體重心。發(fā)電機擬安置于一側(cè)浮箱內(nèi)，可以降低作業(yè)平臺整體重心，為了確保作業(yè)平臺的左右平衡減小橫傾，擬于另一側(cè)浮箱內(nèi)注水；為了進一步調(diào)整浮態(tài)，擬于平臺的四個邊角即浮箱的兩端作壓載倉處理，可以通過加、排水的方法進行浮態(tài)調(diào)整，直至平臺處于正浮狀態(tài)[4]。

②作業(yè)平臺動態(tài)穩(wěn)定性設(shè)計

打樁作業(yè)平臺在施工過程中，伴隨著錘頭的往復(fù)運動，平臺發(fā)生搖晃是不可避免的。搖晃會造成樁的垂直度偏差，落錘有傾斜偏心時還容易造成樁頭破壞。為防止平臺作業(yè)時搖晃，擬通過增加地錨設(shè)施來輔助穩(wěn)定平臺，從而保證在動態(tài)作業(yè)中的平臺也能夠保持穩(wěn)固、平衡。

5.2 施工錘頭、樁架、電源及各配套設(shè)施的研究及應(yīng)用

為了盡量減少打樁作業(yè)平臺的負(fù)荷，必須考慮機械設(shè)備的荷載，而錘擊法施工有重量輕的優(yōu)勢，所以成樁設(shè)備擬棄用靜壓機而選用柴油錘?！皾O光”項目的預(yù)制管樁設(shè)計豎向承載力及水平力要求小，一般入土不深。根據(jù)同類型工程施工經(jīng)驗，“漁光”項目的預(yù)制管樁多為PC300-70AB型管樁，樁入土層2～5m，設(shè)計豎向承載力及水平力要求小。根據(jù)項目地質(zhì)報告反映的土層力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)以及樁基施工經(jīng)驗，采用DD25型導(dǎo)桿式柴油錘可滿足施工需要。

5.3 測量、定位系統(tǒng)研究及應(yīng)用

水上不同于陸上管樁施工，測放樁位可以釘小木樁來標(biāo)識樁位，水上打樁需于打樁作業(yè)平臺上設(shè)計定位系統(tǒng)輔助測量作業(yè)。相對于陸上定位，水上定位另一個不同點是——因為慣性船在水上不能實時靜止，定位時存在前后左右反復(fù)移動船只的情況，效率相當(dāng)?shù)汀?/p>

通過以往項目調(diào)查發(fā)現(xiàn)漁光項目的管樁布置均為田字格型，如果能依據(jù)第一根施工完畢的樁進行一個快速的、基本的找位，那將大大提高定位效率。為了提高測量效率，在樁架上設(shè)置一個棱鏡，棱鏡制作成有轉(zhuǎn)軸和限位的。當(dāng)測量放線時將棱鏡轉(zhuǎn)到樁位中心，測量完畢下放地錨，固定好作業(yè)平臺后將棱鏡轉(zhuǎn)至原位以便管樁起吊作業(yè)。棱鏡安裝時需由測量員校正好位置，確保其與卡位中心、抱箍中心在同一條豎直線上。棱鏡距平臺表面高度設(shè)置成整數(shù)（本工程為3m），在利用全站儀測放樁位時直接測量好棱鏡的高程。管樁的樁頂標(biāo)高控制可由棱鏡反推，一舉兩得。

①引入定位平臺

根據(jù)借助前一根樁來輔助定位的思路，擬再開發(fā)一種打樁平臺（暫稱為定位平臺），專門進行第一根樁（暫稱為定位樁）的施打，定位平臺也可以施打其余樁。定位平臺的基本設(shè)想可以參考前述打樁作業(yè)平臺，但為了克服定位時反復(fù)移動船只的缺點，需要作出一些改進。比如，可以增加行走機制和液壓油缸系統(tǒng)。通過行走機制可以前后緩慢移動平臺，縱向定位；通過液壓油缸系統(tǒng)可以左右緩慢移動平臺，橫向定位。這樣，解決了反復(fù)找位的惡疾，定位效率大幅提高。

②增加行程控制系統(tǒng)

漁光項目的管樁布置一般均為方格網(wǎng)型，本工程除了預(yù)留行走通道外管樁行距和株距均為5m。如果能依據(jù)第一根施工完畢的樁進行一個快速的、基本的找位，那將大大提高定位效率。有了定位平臺有了第一根樁，打樁作業(yè)平臺就可以根據(jù)第一根樁進行快速找位了。

通過初步研究擬增加一個行程控制系統(tǒng)。一根樁施工完畢后，操作工人通過行程開關(guān)可以快速地將作業(yè)平臺移到下一根管樁作業(yè)的位置，接下來再通過儀器精確調(diào)整一下就可以了。為了更快捷的移位，可以在行程上根據(jù)樁的間距設(shè)置好的限位。這樣在第一根樁施工完畢后，操作工人通過抱箍系統(tǒng)及行程開關(guān)依據(jù)第一根施工完畢的管樁可以快速地將作業(yè)平臺移到下一根管樁作業(yè)的5m距離位置，接下來調(diào)整一下平臺相對于軸線的左右擺幅，再通過儀器精確調(diào)整一下就可以了。此舉大大提高了平臺移位的效率，施工工效得到提升明顯。

至此，定位平臺分區(qū)域為每一個打樁作業(yè)平臺先行施打一根定位樁，打樁平臺再行流水作業(yè)，生產(chǎn)效率大大提高。

5.4 固位系統(tǒng)研究及應(yīng)用

在陸上進行管樁對位時，由機頭操作工人進行人工穩(wěn)樁、扶正，即先將管樁輕立于地面上的樁中心，利用土體的阻力調(diào)整管樁，直至達到定位和垂直度的控制標(biāo)準(zhǔn)。這一方法在水上不存在可操作性，也就說應(yīng)該增加固位系統(tǒng)。而項目新研制的作業(yè)平臺與現(xiàn)行市面上的打樁船將樁錘安置于船艏的方式不同，因為樁架幾乎設(shè)在平臺中間，這無形中給操作工人提供了等同于陸上的落腳點，然后只需要在作業(yè)平臺上設(shè)計一個卡位或抱箍系統(tǒng)。起吊喂樁時，為了方便安插管樁，抱箍內(nèi)徑應(yīng)較管樁外徑大10mm?？ㄎ患氨Ч恐谱鲿r，由測量員先行測放好位置，確?？ㄎ?、抱箍的中心線重合。操作工人輔助將樁安置于卡口或抱箍內(nèi)，安插擋板或上緊抱箍，這樣就能解決固位問題[5]。

6 結(jié)語

針對淺水區(qū)域管樁施工水域深度淺、管樁短小且分布較密的特點，本項目通過對淺水域管樁施工關(guān)鍵技術(shù)進行研究，找到了淺水域打樁船舶不適用、管樁施工工效低、質(zhì)量差的解決辦法，以達到提高施工效率、保證施工質(zhì)量、降低施工成本的目的，創(chuàng)造出了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

（1）在淺水域管樁施工行之有效的打樁作業(yè)平臺，可適用于最小水深0.5m的情況下進行管樁作業(yè)，達到實用、經(jīng)濟、安全的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）打樁作業(yè)平臺快速移位技術(shù)，可以進行水上快速移位找位，較傳統(tǒng)打樁船舶定位效率提高一倍以上，達到高效的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）管樁固位、定位技術(shù)，保證所施管樁的樁位偏差及垂直度偏差能夠滿足規(guī)范規(guī)定和設(shè)計要求，達到優(yōu)質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。