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，我國海上風(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、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)備是沖擊錘和振動樁錘。沖擊錘是傳統(tǒng)的海上風(fēng)電打樁設(shè)備，其主要問題有打擊效率低，發(fā)熱散熱、施工安全、質(zhì)量控制等。振動樁錘其沉樁原理為土質(zhì)“液化”，減小阻力。只要滿足必要的振幅、必要的激振力、必要的重量和沖量、必要的功率即可沉樁。目前主要面臨的問題有啟動困難、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. 研制超大型振動沖擊樁錘的必要性

1.1 海上風(fēng)電樁的特點(diǎn)

近年來，我國海上風(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、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內(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。由于散熱問題無法解決，大型柴油錘的發(fā)展受得了制約。近年來大型液壓錘已經(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與沖擊錘打擊時的能量E0的比值，

即 （1）

日本建筑學(xué)會根據(jù)動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，我們可以通過不斷增大打擊能量來完成沉樁施工。但是在不斷增大打擊能量的過程中，由于打擊效率低，能量散發(fā)很大，帶來的發(fā)熱散熱問題相當(dāng)嚴(yán)重,不但使樁的質(zhì)量、壽命受到影響，還會使沖擊錘本身的使用壽命降低，故障頻繁。

1.2.2 振動樁錘

近年來，振動樁錘也成為海上風(fēng)電樁施工的主力軍。振動樁錘產(chǎn)生振動的原理是振動樁錘工作時兩軸（或雙數(shù)多軸）上對稱布置的偏心體在同步齒輪的帶動下相對反向旋轉(zhuǎn)，每成對的兩軸上偏心體產(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)振動樁錘和樁連接在一起進(jìn)行沉樁時，激振力使樁產(chǎn)生和激振頻率一致的振動，樁振動時樁側(cè)面土壤的摩擦阻力和樁端部阻力將迅速降低，在振動樁錘和樁的總重力大于土壤對樁端部阻力的情況下，樁便開始下沉。

需要特別說明的是：

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

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

圖3 振動樁錘等效于沖擊錘圖示

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

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

振動樁錘振動沉樁需滿足以下的條件：

（1）實(shí)際振幅A>臨界振幅A0。

實(shí)際振幅為 （3）

式中，K--振動樁錘偏心矩（kgm），m--參與振動的質(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>樁的動側(cè)阻力f側(cè)阻。

激振力為 （5）

式中，k--振動樁錘偏心矩（kgm）,--振動角速度（s-1）。

（3）樁和錘總重量G>樁的動端阻力f端阻。

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

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

1. 超大型免共振振動樁錘的研制

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

1.1 大型振動沖擊樁錘的免共振技術(shù)

2.1.1共振及危害

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

由于振動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)低于振動樁錘正常的振動頻率。一般振動樁錘在啟動或停機(jī)過程都要經(jīng)過“共振”頻率區(qū)域，所以在啟動、停機(jī)過程都有“共振”現(xiàn)象出現(xiàn)。

再需要特別說明的是：振動樁錘的“共振”是指設(shè)備機(jī)械的“共振”，它是危害。有人理解為樁、土的共振是錯的。但是，在某一土質(zhì)條件下，確實(shí)存在一個最佳的振動沉樁頻率和一個最佳的振動拔樁頻率。采用這個最佳頻率振動沉樁或拔樁，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)時的強(qiáng)烈振動的特征是不一樣的。所以，這種最佳頻率下的振動可稱為“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)簡介：大型振動沖擊樁錘的免共振技術(shù)的核心就是偏心矩?zé)o級可調(diào)技術(shù)。在平時非工作狀態(tài)下，振動樁錘轉(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；啟動時，通過液壓調(diào)整機(jī)構(gòu)，使偏心軸上的活動偏心體相對固定偏心體轉(zhuǎn)動180°，此狀態(tài)偏心矩為零，實(shí)現(xiàn)偏心矩“最大→0”無級連續(xù)控制；反之，通過液壓調(diào)整機(jī)構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)“0→最大”無級連續(xù)調(diào)控。圖4所示為免共振振動樁錘偏心矩調(diào)節(jié)技術(shù)示意圖。

免共振振動樁錘通過偏心矩的無級調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)零偏心矩啟動、零偏心矩停機(jī)，避免了由于“共振”產(chǎn)生的激烈振動帶來的強(qiáng)烈振動、噪聲的環(huán)保問題和對設(shè)備產(chǎn)生破壞帶來的安全隱患；同時實(shí)現(xiàn)零偏心矩啟動，即空載啟動，解決了普通電動振動樁錘帶偏心矩啟動、即帶負(fù)載啟動需大容量電源的問題，節(jié)能效果明顯；振幅可從“0-最大”或“最大-0”無級可調(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沖擊樁錘有EP800、EP1100、EP1600的三款型號錘。其主要技術(shù)參數(shù)如下表1所示。

表1 大型振動沖擊錘主要技術(shù)參數(shù)表

Table1. Main technical parameters of large vibratory impact hammer

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

用大型免共振振動沖擊樁錘振動沉樁，由于錘樁的總重有幾百噸，振動的振幅只有幾毫米，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。所以通過振動沉樁，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大型免共振振動沖擊樁錘聯(lián)動技術(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噸以上，甚至達(dá)1000噸以上。為能用振動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樁錘，無論從工廠加工能力還是從諸如專用電機(jī)、軸承等配套采購，其難度大是可以想象到的。然而即使在工廠能制造出這么超大型的振動樁錘來，可由于超高、超寬、超重也無法運(yùn)輸?shù)绞┕龅?。為解決這些矛盾及困難，通常采用振動樁錘多錘聯(lián)動技術(shù)進(jìn)行施工。

多錘聯(lián)動就是通過聯(lián)動技術(shù)使相同規(guī)格型號的多臺振動樁錘成為一個超大振動系統(tǒng)，這就要求多臺振動樁錘在振動時具有高度的同步性。為了避免超大型振動系統(tǒng)在啟動、停機(jī)時的“共振”出現(xiàn)對施工設(shè)備、特別是對大型起重機(jī)（起重船）會造成很大的傷害并對施工安全留下隱患。上海振中公司采用了相同規(guī)格型號的多臺偏心矩可調(diào)的大型免共振振動樁錘進(jìn)行聯(lián)動。多臺偏心矩可調(diào)大型免共振振動樁錘聯(lián)動技術(shù)主要是轉(zhuǎn)動同步技術(shù)和偏心矩（振幅）調(diào)整同步技術(shù)。轉(zhuǎn)動同步是將各錘偏心轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器聯(lián)接，確保各錘在工作時振動相位相同（如圖5所示）。偏心矩（振幅）調(diào)整同步是通過安裝在各錘調(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)整偏心矩動作時的同步性（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)動按平行方向布置。

下面是幾個海上風(fēng)電樁用大型免共振振動沖擊樁錘施工的案例：

案例1，如東中廣核風(fēng)電項目輔助樁直徑2000mm，樁長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。振動樁錘EP800，平均打樁時間20分鐘, 平均拔樁時間30分鐘。

案例2，南日島龍源風(fēng)電項目嵌巖樁直徑1000mm，樁長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。振動樁錘EP800，平均打樁時間40分鐘,平均拔樁時間20分鐘。

案例3，廣東南鵬島風(fēng)電項目輔助樁直徑2000mm，樁長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。振動樁錘EP1100，平均打樁時間20分鐘，平均拔樁時間30分鐘。

樁入土30m，樁端土質(zhì)粉砂層，標(biāo)貫擊數(shù)N>30。振動樁錘EP1100，平均打樁時間25分鐘,平均拔樁時間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)動式振動樁錘EP1300L，平均打樁時間15分鐘,平均拔樁時間20分鐘。

案例6，如東中水電項目工程樁直徑1700mm，樁長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)動式振動樁錘EP1300L，平均打樁時間30分鐘。

綜合以上案例，大型免共振振動沖擊樁錘和通過多錘聯(lián)動而成的超大型免共振振動沖擊樁錘，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)電等大型項目樁基礎(chǔ)施工的重要選項。

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曹榮夏：第一作者（聯(lián)系人）

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