液壓打樁錘系統分析與工程應用

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)

液壓打樁錘系統分析與工程應用

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、節能、環保的樁體貫入施工機械，隨著我國現代化建設的不斷發展，液壓錘的應用范圍越來越廣泛。分析了液壓打樁錘的發展概況，闡述了液壓打樁錘的工作原理，系統地對液壓錘工作原理、油路和液壓系統等進行了分析和研究，并對工程上應用廣泛的典型液壓錘的組成和工作原理進行分析，借鑒學習和消化吸收國外的先進技術，為國內液壓錘的發展提供技術儲備。

液壓；打樁錘；振動錘；沖擊錘

0 引 言

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

加快打樁錘的自主化、國產化進程，并將其應用于工程行業，首要任務就是整合目前的技術資源和施工經驗，投入研發的人力和資金，進行打樁錘技術的國產自主化研究和系統的整體配套設計。鑒于目前我國打樁錘設計的技術水平與發展現狀，為縮小與世界領先打樁錘技術的差距，打破國外的技術壟斷，實現自主化、國產化，滿足工程項目的作業需求，本文綜合研究了液壓打樁錘的發展概況、工作原理、發展趨勢及工程應用，為自主研發先進的液壓錘奠定技術基礎，提供技術儲備。

1 液壓打樁錘發展概況

液壓打樁錘技術興起于20世紀中期，到了20世紀60年代，該技術已成為工程機械的重要核心技術。經過半個世紀的發展，國外液壓打樁錘技術突飛猛進，其中以荷蘭、日本、德國、英國等國家發展最為迅猛，美國及歐洲其他國家也先后研究并開發了自己的液壓打樁錘。目前，液壓打樁錘廣泛應用于建筑施工、海洋工程、橋梁建設等領域，經過近些年的發展，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廠家，但通過工程應用表明，其打擊能量低，技術水平相對落后[2]。表1為德國MENCK系列大中型液壓打樁錘的基本參數。

表1 MENCK大中型液壓打樁錘

我國從20世紀80年代開始在工程建設項目中應用打樁錘，但采用的液壓打樁錘均從國外進口，我國也沒有操作、維修專業人員。進入20世紀90年代后，我國的一些大學和科研機構開始研究液壓打樁錘工作系統和操作原理，如吉林工業大學、太原重型機械學院等。但由于國外液壓打樁錘技術的壟斷，我國在大型化液壓打樁錘領域仍處于分析、研究和探索階段，在液壓打樁錘國產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工程的沉拔樁施工設備。它用于各類鋼樁和混凝土預制樁的沉拔作業。配套相應的樁架后，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量好、貫入力強、使用方便、成本低等特點，在各個工程領域中得到廣泛應用。

液壓振動錘可根據工作原理、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： 通過液壓油驅動偏心塊產生高速旋轉，從而產生高頻的振動。液壓油通過錘體內部的油泵產生高壓，再根據控制系統的調控，驅動偏心塊的旋轉速率，從而達到調節振動頻率的目的。

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，使錘體內部實現高頻的高、低壓變化，從而使錘體產生振動。

2.2 液壓沖擊錘

液壓沖擊錘是依靠內部錘芯沖擊砧鐵，將沖擊力傳遞給樁體，實現樁體貫入的機具設備。液壓沖擊錘的能耗低、污染少、效率高、施工適應性好。該方式的液壓錘結構簡單，模塊化清晰，便于各模塊的維護和檢修。液壓沖擊打樁錘在海洋工程應用和大型化方面取得了很大的進展，以德國的MENCK系列和荷蘭的IHC系列為代表，其液壓沖擊錘已經序列化、多樣化。在我國工程建設中已廣泛應用液壓沖擊錘，例如海洋平臺的安裝作業，但其理論研究和工業制作水平卻處于起步階段，因此，研究和開發液壓沖擊錘并促進其產業化，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立，便于維護保養。液壓錘本體則包括錘驅動裝置和打擊力傳遞裝置兩部分[4]。其基本結構如圖2所示。

圖2 液壓沖擊錘系統示意圖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，增加錘體內部錘芯的勢能，再將液壓壓力和錘芯勢能轉化為沖擊能，沖擊砧鐵，實現鋼樁的間歇性貫入。

沖擊力傳遞裝置由緩沖墊、砧鐵、樁套筒等構成。液壓沖擊打樁錘的錘芯在沖擊砧鐵時，為提高設備壽命，避免金屬直接沖擊，在錘芯和砧鐵之間會設置緩沖墊。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。也可根據錘芯下落的高度或打樁間隔的時間進行打樁設定。

3 液壓錘的發展趨勢

3.1 液壓振動錘

液壓振動錘從技術上看，有如下幾個發展方向[5]。

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

(2) 采用隔音降噪技術，減少動力站在打樁過程中的噪音污染。

(3) 優化控制單元，實現集成化、智能化控制?？筛鶕煌寥赖刭|參數，優化調節打樁振動頻率。

在產品開發過程中，應注意幾方面關鍵技術： (1)無極變矩功能及自動控制系統研發；(2)節能降噪減震技術的研究；(3)高頻、大功率振動錘的可靠性及動力機構穩定性研究；(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、輕量化及水下作業的方向發展。世界上越來越多的工程項目在施工過程中應用液壓沖擊錘。我國許多公司也相繼引進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務也從IHC購置S-1200和S-1800液壓打樁錘[6]。國內工程公司購置的大中型液壓打樁錘如表2所示。

表2 國內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用

從第一臺液壓打樁錘進入中國以來，幾十年中液壓打樁錘為中國企業承接海洋施工工程做出了巨大貢獻，例如港珠澳大橋、海洋石油平臺建設、海洋單點建設、風電場建設等項目。液壓打樁錘主要應用于跨海橋梁、海洋石油平臺、海洋風能發電領域，如圖3所示。在各個領域中，海洋結構不斷向深水區和大型化發展，同時，對打樁錘也提出了大型化、可靠性及深水作業的要求。隨著海洋油氣的不斷發展，海洋風電的不斷開發，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)及海洋結構物中的應用(右)Fig.3 Application of pile hammer in bridge (left) and platform construction (right)

例如，錦州25-1南CEPF導管架應用了MHU-1200S打樁錘，文昌19-1N/8-3E項目WHPB導管架應用了MHU-1200打樁錘，沙特KCROP項目CLP導管架應用了IHC-500打樁錘，等等。在打樁過程中，還要時刻監測打樁狀態，根據沙特-阿美海洋施工標準SAES-Q-004第6.4.2節[7]，在打樁過程中，連續5段入泥30cm的錘擊數超過300錘或1段入泥30cm的錘擊數超過800錘的情況，即為拒錘，應停止打樁錘的作業。

5 結 語

雖然液壓打樁錘在我國工程領域應用廣泛，但我國還沒有實現液壓打樁錘的國產化。目前的液壓錘應用主要是依靠國外進口。隨著海洋資源的大力開發，進軍深海的步伐日益加快，我國對液壓打樁錘的數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，對打樁錘進行了綜合評價，并從應用領域展望打樁錘的發展趨勢，消化吸收國外的先進技術，為國內液壓錘的發展提供技術儲備，助力液壓打樁錘的自主化進程。

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Dong Fu-qing, Ma Xin-jun, Tian Yang. Hydraulic hammer： ideal marine engineering machinery [J]. Petroleum & Equipment, 2011(4)： 91.

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Ding Quan-zhi, Qiu Cheng-guo, Sun Fu. Application of hydraulic pile hammer in oceanographic technology [J]. Construction Mechanization, 2015,36(11)： 31.

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[4] 李望東,文琳.荷蘭IHC-S280液壓錘的使用與性能[J].水運工程,2004(5)： 84.

Li Wang-dong, Wen Lin. Application and performance of IHC-S280 liquid hammer manufactured by Netherlands [J]. Port & Waterway Engineering, 2004(5)： 84.

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[7] Saudi Aramco. Saudi Aramco Engineering Standard SAES-Q-004.Installation specification for piles of offshore structures [S]. 2010.

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米水深油田生產裝備TLP自主研發”(工信部聯裝【2014】503號)

劉浩(1989—)，男，工程師，主要從事海洋油氣開發結構物安裝方面的研究。