摘要：隨著風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展，海上風(fēng)電已成為世界可再生能源發(fā)展的關(guān)注焦點(diǎn)。近年來(lái)，我國(guó)海上風(fēng)電事業(yè)發(fā)展迅速，海上新增風(fēng)電裝機(jī)容量不斷增加，海上風(fēng)電樁呈現(xiàn)出超長(zhǎng)、超大、超重、高精度施工的特點(diǎn)。目前海上風(fēng)電樁施工的主要設(shè)備是沖擊錘和振動(dòng)樁錘。沖擊錘是傳統(tǒng)的海上風(fēng)電打樁設(shè)備，其主要問(wèn)題有打擊效率低，發(fā)熱散熱、施工安全、質(zhì)量控制等。振動(dòng)樁錘其沉樁原理為土質(zhì)“液化”，減小阻力。只要滿(mǎn)足必要的振幅、必要的激振力、必要的重量和沖量、必要的功率即可沉樁。目前主要面臨的問(wèn)題有啟動(dòng)困難、共振危害、制造困難、運(yùn)輸困難。為此，上海振中公司研制出了超大型免共振振動(dòng)沖擊樁錘用于海上風(fēng)電大型樁基礎(chǔ)的施工。

1. 研制超大型振動(dòng)沖擊樁錘的必要性

1.1 海上風(fēng)電樁的特點(diǎn)

近年來(lái)，我國(guó)海上風(fēng)電事業(yè)發(fā)展迅速，海上新增風(fēng)電裝機(jī)容量不斷增加，海上風(fēng)電樁呈現(xiàn)出超長(zhǎng)、超大、超重及高精度的特點(diǎn)。目前，海上風(fēng)電樁最重已達(dá)1500余噸，施工垂直度要求千分之三以?xún)?nèi)。

1.2 目前用于海上風(fēng)電樁施工的主要設(shè)備及特點(diǎn)分析

1.2.1 沖擊錘

沖擊錘是海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)施工最先使用的設(shè)備，有柴油錘和液壓錘。由于散熱問(wèn)題無(wú)法解決，大型柴油錘的發(fā)展受得了制約。近年來(lái)大型液壓錘已經(jīng)成為海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)施工的主要設(shè)備。傳統(tǒng)認(rèn)為沖擊錘打擊效率高，可達(dá)30%以上，但是隨著風(fēng)電樁越來(lái)越大型化，液壓錘的打擊效率要低于傳統(tǒng)認(rèn)知的30%。

打擊效率η指樁在沖擊錘打擊后獲得的能量E與沖擊錘打擊時(shí)的能量E0的比值，

即 （1）

日本建筑學(xué)會(huì)根據(jù)動(dòng)量定理得出的打擊效率公式

（2）

式中m為沖擊錘錘芯的質(zhì)量，M為樁的質(zhì)量。

可知，欲達(dá)到30%的打擊效率，樁的質(zhì)量不能超過(guò)錘芯質(zhì)量的3倍，理想狀態(tài)是1.5-2.5倍。目前，海上風(fēng)電樁的質(zhì)量不斷增加，液壓沖擊錘的質(zhì)量也不斷增加，但是樁的質(zhì)量遠(yuǎn)超過(guò)了沖擊錘質(zhì)量的3倍。假設(shè)大型沖擊錘的錘芯質(zhì)量為100噸，大型樁的重量為900噸，那么沖擊錘的打擊效率僅為10%。

施工時(shí)，我們可以通過(guò)不斷增大打擊能量來(lái)完成沉樁施工。但是在不斷增大打擊能量的過(guò)程中，由于打擊效率低，能量散發(fā)很大，帶來(lái)的發(fā)熱散熱問(wèn)題相當(dāng)嚴(yán)重,不但使樁的質(zhì)量、壽命受到影響，還會(huì)使沖擊錘本身的使用壽命降低，故障頻繁。

1.2.2 振動(dòng)樁錘

近年來(lái)，振動(dòng)樁錘也成為海上風(fēng)電樁施工的主力軍。振動(dòng)樁錘產(chǎn)生振動(dòng)的原理是振動(dòng)樁錘工作時(shí)兩軸（或雙數(shù)多軸）上對(duì)稱(chēng)布置的偏心體在同步齒輪的帶動(dòng)下相對(duì)反向旋轉(zhuǎn)，每成對(duì)的兩軸上偏心體產(chǎn)生的離心力相合成，則水平方向的離心力相互抵消、垂直方向的離心力相互疊加，成為一個(gè)按正弦函數(shù)規(guī)律變化的激振力（圖1、圖2所示）。

圖1 振動(dòng)樁錘原理圖

Fig.1 Diagram of pile hammer

圖2激振力正弦函數(shù)規(guī)律變化圖

Fig.2 Diagram of sine of exciting force

當(dāng)振動(dòng)樁錘和樁連接在一起進(jìn)行沉樁時(shí)，激振力使樁產(chǎn)生和激振頻率一致的振動(dòng)，樁振動(dòng)時(shí)樁側(cè)面土壤的摩擦阻力和樁端部阻力將迅速降低，在振動(dòng)樁錘和樁的總重力大于土壤對(duì)樁端部阻力的情況下，樁便開(kāi)始下沉。

需要特別說(shuō)明的是：

(1) 樁是在重力的作用下下沉的，激振力作用下的振動(dòng)只是降低土對(duì)樁的阻力（包括側(cè)面摩擦阻力和端面阻力）。

(2) 振動(dòng)和沖擊沒(méi)有嚴(yán)格的區(qū)分，振動(dòng)中有沖擊，沖擊中有振動(dòng)。振動(dòng)樁錘在激振力作用下的上下振動(dòng)等效于帶動(dòng)沖擊錘錘芯的活塞在油缸里上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)（圖3所示）。

圖3 振動(dòng)樁錘等效于沖擊錘圖示

Fig. 3 vibratory pile hammer is equivalent to impact hammer diagram

且當(dāng)振動(dòng)樁錘的頻率較高時(shí)，振動(dòng)特性體現(xiàn)顯著；當(dāng)振動(dòng)樁錘的頻率較低時(shí)，其振動(dòng)特性減弱而沖擊特性增強(qiáng)了。大型振動(dòng)樁錘，偏心矩大，轉(zhuǎn)速低，不僅有振動(dòng)特性，沖擊的特性也特別明顯，因此低頻大偏心矩的大型振動(dòng)樁錘也稱(chēng)為振動(dòng)沖擊錘。振動(dòng)沖擊錘的沉樁原理不同于沖擊錘通過(guò)打擊力使樁下沉，它是通過(guò)上下振動(dòng)使土質(zhì)“液化”，阻力減小，在重力的作用下完成沉樁施工的。

振動(dòng)樁錘振動(dòng)沉樁需滿(mǎn)足以下的條件：

（1）實(shí)際振幅A>臨界振幅A0。

實(shí)際振幅為 （3）

式中，K--振動(dòng)樁錘偏心矩（kgm），m--參與振動(dòng)的質(zhì)量（kg）。

臨界振幅(mm)。 （4）

式中，N--是土的標(biāo)貫擊數(shù)。

（2）激振力F>樁的動(dòng)側(cè)阻力f側(cè)阻。

激振力為 （5）

式中，k--振動(dòng)樁錘偏心矩（kgm）,--振動(dòng)角速度（s-1）。

（3）樁和錘總重量G>樁的動(dòng)端阻力f端阻。

（4）實(shí)際消耗總功率P實(shí)<振動(dòng)樁錘電機(jī)額定功率P額的1.5倍。

目前，大型的振動(dòng)沖擊樁錘在制造和使用中也存在著啟動(dòng)困難、共振危害、制造困難和運(yùn)輸困難等問(wèn)題。

1. 超大型免共振振動(dòng)樁錘的研制

上海振中公司致力于超大型振動(dòng)沖擊樁錘的研制，其主要技術(shù)有大型振動(dòng)沖擊樁錘的免共振技術(shù)和大型免共振沖擊樁錘的聯(lián)動(dòng)技術(shù)。

1.1 大型振動(dòng)沖擊樁錘的免共振技術(shù)

2.1.1共振及危害

振動(dòng)樁錘的振動(dòng)頻率就是偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，改變偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，相應(yīng)的也就是改變振動(dòng)樁錘的振動(dòng)頻率，但任何物體、設(shè)備均有本身的固有頻率。在振動(dòng)樁錘的振動(dòng)頻率接近或等于振動(dòng)樁錘、樁等振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，會(huì)使振動(dòng)樁錘出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)，這現(xiàn)象叫“共振”。發(fā)生“共振”時(shí)，振動(dòng)的振幅往往達(dá)到正常振幅的15倍以上?！肮舱瘛背霈F(xiàn)既對(duì)設(shè)備產(chǎn)生破壞，又對(duì)施工安全產(chǎn)生影響，是一種危害。

由于振動(dòng)樁錘及樁組成的系統(tǒng)，其固有頻率往往是很低的，通常是幾赫茲，遠(yuǎn)低于振動(dòng)樁錘正常的振動(dòng)頻率。一般振動(dòng)樁錘在啟動(dòng)或停機(jī)過(guò)程都要經(jīng)過(guò)“共振”頻率區(qū)域，所以在啟動(dòng)、停機(jī)過(guò)程都有“共振”現(xiàn)象出現(xiàn)。

再需要特別說(shuō)明的是：振動(dòng)樁錘的“共振”是指設(shè)備機(jī)械的“共振”，它是危害。有人理解為樁、土的共振是錯(cuò)的。但是，在某一土質(zhì)條件下，確實(shí)存在一個(gè)最佳的振動(dòng)沉樁頻率和一個(gè)最佳的振動(dòng)拔樁頻率。采用這個(gè)最佳頻率振動(dòng)沉樁或拔樁，不僅沉拔得快、功率消耗小，而且地表振感也小。這跟“共振”出現(xiàn)時(shí)的強(qiáng)烈振動(dòng)的特征是不一樣的。所以，這種最佳頻率下的振動(dòng)可稱(chēng)為“諧振”。注意的是，不同的土質(zhì)，其“諧振”頻率也是不一樣的。

2.1.2 免共振技術(shù)及意義

免共振技術(shù)簡(jiǎn)介：大型振動(dòng)沖擊樁錘的免共振技術(shù)的核心就是偏心矩?zé)o級(jí)可調(diào)技術(shù)。在平時(shí)非工作狀態(tài)下，振動(dòng)樁錘轉(zhuǎn)軸上的偏心塊在重力作用下都處于垂直向下的位置上，此狀態(tài)偏心矩最大；啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)液壓調(diào)整機(jī)構(gòu)，使偏心軸上的活動(dòng)偏心體相對(duì)固定偏心體轉(zhuǎn)動(dòng)180°，此狀態(tài)偏心矩為零，實(shí)現(xiàn)偏心矩“最大→0”無(wú)級(jí)連續(xù)控制；反之，通過(guò)液壓調(diào)整機(jī)構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)“0→最大”無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)控。圖4所示為免共振振動(dòng)樁錘偏心矩調(diào)節(jié)技術(shù)示意圖。

免共振振動(dòng)樁錘通過(guò)偏心矩的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)零偏心矩啟動(dòng)、零偏心矩停機(jī)，避免了由于“共振”產(chǎn)生的激烈振動(dòng)帶來(lái)的強(qiáng)烈振動(dòng)、噪聲的環(huán)保問(wèn)題和對(duì)設(shè)備產(chǎn)生破壞帶來(lái)的安全隱患；同時(shí)實(shí)現(xiàn)零偏心矩啟動(dòng)，即空載啟動(dòng)，解決了普通電動(dòng)振動(dòng)樁錘帶偏心矩啟動(dòng)、即帶負(fù)載啟動(dòng)需大容量電源的問(wèn)題，節(jié)能效果明顯；振幅可從“0-最大”或“最大-0”無(wú)級(jí)可調(diào)，可適應(yīng)土質(zhì)變化，沉樁效率、效果好。上海振中公司用于海上風(fēng)電樁施工的大型免共振振動(dòng)沖擊樁錘有EP800、EP1100、EP1600的三款型號(hào)錘。其主要技術(shù)參數(shù)如下表1所示。

表1 大型振動(dòng)沖擊錘主要技術(shù)參數(shù)表

Table1. Main technical parameters of large vibratory impact hammer

免共振振動(dòng)沖擊樁錘的振動(dòng)和沖擊特性在表1中的振動(dòng)沖量這一參數(shù)體現(xiàn)尤為直觀(guān)。如EP1600免共振振動(dòng)沖擊錘的最大振動(dòng)沖量為88000kg.m/s，這相當(dāng)于錘、夾具和樁的重量為20噸時(shí)，從高為1m處自由落下沖擊的沖擊沖量；也相當(dāng)于錘、夾具和樁的重量為200噸時(shí)，從高為1cm處自由落下沖擊的沖擊沖量。

用大型免共振振動(dòng)沖擊樁錘振動(dòng)沉樁，由于錘樁的總重有幾百?lài)崳駝?dòng)的振幅只有幾毫米，真正實(shí)現(xiàn)重錘輕打；又由于不存在錘與樁的撞擊，而是錘和樁作為整體直接振動(dòng)沖擊于土，使土的顆粒結(jié)構(gòu)破壞、土質(zhì)“液化”，土阻力減小，在重力作用下實(shí)現(xiàn)樁的下沉。所以通過(guò)振動(dòng)沉樁，往往具有效率高、效果好及成樁質(zhì)量好等的優(yōu)點(diǎn)。

2.2大型免共振振動(dòng)沖擊樁錘聯(lián)動(dòng)技術(shù)

海上風(fēng)電基礎(chǔ)樁呈現(xiàn)出：（1）超大化。樁直徑超2m，甚至達(dá)5m、8m以上。（2）超深化。樁基礎(chǔ)的持力層往往超過(guò)50m深，甚至達(dá)100m深。（3）超重化。由于這種超大、超深樁的壁厚達(dá)40~80mm，整根樁的重量往往在幾百?lài)嵰陨?，甚至達(dá)1000噸以上。為能用振動(dòng)樁錘有足夠的振幅和激振力沉下超大型樁，這就需要非常大的振動(dòng)樁錘，其功率要幾兆瓦以上，外形大小尺寸也達(dá)數(shù)米、數(shù)十米。要制造出這么大的振動(dòng)樁錘，無(wú)論從工廠(chǎng)加工能力還是從諸如專(zhuān)用電機(jī)、軸承等配套采購(gòu)，其難度大是可以想象到的。然而即使在工廠(chǎng)能制造出這么超大型的振動(dòng)樁錘來(lái)，可由于超高、超寬、超重也無(wú)法運(yùn)輸?shù)绞┕?chǎng)地。為解決這些矛盾及困難，通常采用振動(dòng)樁錘多錘聯(lián)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行施工。

多錘聯(lián)動(dòng)就是通過(guò)聯(lián)動(dòng)技術(shù)使相同規(guī)格型號(hào)的多臺(tái)振動(dòng)樁錘成為一個(gè)超大振動(dòng)系統(tǒng)，這就要求多臺(tái)振動(dòng)樁錘在振動(dòng)時(shí)具有高度的同步性。為了避免超大型振動(dòng)系統(tǒng)在啟動(dòng)、停機(jī)時(shí)的“共振”出現(xiàn)對(duì)施工設(shè)備、特別是對(duì)大型起重機(jī)（起重船）會(huì)造成很大的傷害并對(duì)施工安全留下隱患。上海振中公司采用了相同規(guī)格型號(hào)的多臺(tái)偏心矩可調(diào)的大型免共振振動(dòng)樁錘進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。多臺(tái)偏心矩可調(diào)大型免共振振動(dòng)樁錘聯(lián)動(dòng)技術(shù)主要是轉(zhuǎn)動(dòng)同步技術(shù)和偏心矩（振幅）調(diào)整同步技術(shù)。轉(zhuǎn)動(dòng)同步是將各錘偏心轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸器聯(lián)接，確保各錘在工作時(shí)振動(dòng)相位相同（如圖5所示）。偏心矩（振幅）調(diào)整同步是通過(guò)安裝在各錘調(diào)整機(jī)構(gòu)里的傳感器，利用傳感技術(shù)保證了各調(diào)整機(jī)構(gòu)在調(diào)整偏心矩動(dòng)作時(shí)的同步性（如圖6所示）。

在海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)施工方面，由于受空間位置所限，多錘的聯(lián)動(dòng)按平行方向布置。

下面是幾個(gè)海上風(fēng)電樁用大型免共振振動(dòng)沖擊樁錘施工的案例：

案例1，如東中廣核風(fēng)電項(xiàng)目輔助樁直徑2000mm，樁長(zhǎng)50m，樁質(zhì)量55t。樁入土35m,樁端土質(zhì)粉砂層,標(biāo)貫擊數(shù)N>35。振動(dòng)樁錘EP800，平均打樁時(shí)間20分鐘, 平均拔樁時(shí)間30分鐘。

案例2，南日島龍?jiān)达L(fēng)電項(xiàng)目嵌巖樁直徑1000mm，樁長(zhǎng)30m，樁質(zhì)量50t。樁入土20m，樁端風(fēng)化巖層，標(biāo)貫擊數(shù)N>80。振動(dòng)樁錘EP800，平均打樁時(shí)間40分鐘,平均拔樁時(shí)間20分鐘。

案例3，廣東南鵬島風(fēng)電項(xiàng)目輔助樁直徑2000mm，樁長(zhǎng)65m，樁質(zhì)量95t。樁入土28m，樁端土質(zhì)細(xì)砂層，標(biāo)貫擊數(shù)N>40。振動(dòng)樁錘EP1100，平均打樁時(shí)間20分鐘，平均拔樁時(shí)間30分鐘。

樁入土30m，樁端土質(zhì)粉砂層，標(biāo)貫擊數(shù)N>30。振動(dòng)樁錘EP1100，平均打樁時(shí)間25分鐘,平均拔樁時(shí)間35分鐘。

案例5，江蘇如東風(fēng)電升壓站工程樁直徑2000mm，樁長(zhǎng)67m，樁質(zhì)量90t。樁入土35m，樁端土質(zhì)粉砂層，標(biāo)貫擊數(shù)N>50。雙錘聯(lián)動(dòng)式振動(dòng)樁錘EP1300L，平均打樁時(shí)間15分鐘,平均拔樁時(shí)間20分鐘。

案例6，如東中水電項(xiàng)目工程樁直徑1700mm，樁長(zhǎng)50m，樁質(zhì)量49t。樁入土42m，樁端土質(zhì)粉砂層，標(biāo)貫擊數(shù)N>45。雙錘聯(lián)動(dòng)式振動(dòng)樁錘EP1300L，平均打樁時(shí)間30分鐘。

綜合以上案例，大型免共振振動(dòng)沖擊樁錘和通過(guò)多錘聯(lián)動(dòng)而成的超大型免共振振動(dòng)沖擊樁錘，具有超強(qiáng)大的功率、激振力和打擊沖量，并且結(jié)構(gòu)緊湊、使用可靠， 特別適用于海上風(fēng)力發(fā)電等大型項(xiàng)目的樁基礎(chǔ)施工，且具有高質(zhì)、環(huán)保、高效、安全、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，是海上風(fēng)力發(fā)電等大型項(xiàng)目樁基礎(chǔ)施工的重要選項(xiàng)。

參考文獻(xiàn)：

[1].日本振動(dòng)樁錘工法技術(shù)研究會(huì).振動(dòng)樁錘工法的設(shè)計(jì)施工手冊(cè)[M].日本

[2].日本建調(diào)株式會(huì)社.鋼管樁振動(dòng)下沉計(jì)算[M].日本

[3].何清華.工程機(jī)械手冊(cè).樁工機(jī)械[M].北京:清華大學(xué)出版社,2018

[4].鄧明權(quán),陶格蘭. 現(xiàn)代樁工機(jī)械[M]. 北京:人民交通出版社,2004

[5].郭傳新. 振動(dòng)樁錘原理及研制進(jìn)展[J] .建筑機(jī)械, 1998(08)

[6].王欣麗. EP180新型振動(dòng)樁錘[J]. 建筑機(jī)械, 1997

[7].曹榮夏.上海振中EP400免共振調(diào)幅電振動(dòng)樁錘[J]. 建筑機(jī)械,2014

[8].王衛(wèi)東.巖土工程施工技術(shù)與裝備新進(jìn)展——第二屆全國(guó)巖土工程施工技術(shù)與裝備創(chuàng)新論壇論文集[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2018

曹榮夏：第一作者（聯(lián)系人）

單位：上海振中建機(jī)科技有限公司

研究方向：樁工機(jī)械研究、制造及應(yīng)用

詳細(xì)通訊地址：上海市浦東新區(qū)南匯新城鎮(zhèn)江山路2518號(hào)

電話(huà)號(hào)碼:021-58286177

手機(jī):13806852460

郵箱：caorx@zz-p.com