淺水域管樁施工關鍵技術創新及應用

于德忠

江蘇地質基樁工程公司 江蘇 鎮江 212000

1 引言

光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能轉化為電能的一種技術，其優點是較少受地域限制，光伏系統具有安全可靠、無噪聲、低污染，無需消耗燃料和架設輸電線路即可就地發電、供電及建設周期短的優點，對環境無不良影響，是理想的清潔能源。其中“漁光互補”發電是通過在水面上方架設光伏組件發電，下面水體進行水產養殖，實現“一地兩用”、實現漁、電、環保三豐收，有效防止大氣污染。“漁光互補”發電充分利用空間，節約土地資源，又能利用光伏電站調節養殖環境，還能優化地區能源結構，改善環境，并可提高單位魚塘產量，增產增收，在水產養殖和光伏產業上實現領域共享，促成社會效益、環境效益和經濟效益的多贏.

“漁光互補”發電項目的選址一般在海濱灘涂、內陸湖泊、田間淺塘等淺水區域。架設光伏組件的支柱主要采用預制混凝土管樁，單個項目均需打入成千上萬根成排成列的管樁，管樁施工由專業基礎施工隊伍承擔，由于架設光伏組件周期可控，項目建設周期的長短主要取決于管樁施工。經調查，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展需求[1]。

2 淺水域管樁施工技術現狀調查

我國是擁有自主品牌的光伏產業大國強國，技術成熟。水上樁基完成后，光伏組件架設只需搭設一個小型安裝平臺便可，操作簡便快捷、架設周期短。相比之下，光伏組件的載體——動輒幾萬根的水上預制混凝土管樁的施工，便成了“漁光互補”項目周期中的關鍵工作。淺水域管樁的常見施工方法如下：

（1）圍堰排水法：轉化為熟悉的方便的陸上施工后，其施工技術比較成熟，管樁的施工質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。施工費不經濟且耗時長。

優點：轉化為陸上施工后施工直觀；樁位控制準確；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：優點是方便快捷、前期準備時間短；缺點是市面上的打樁船在施工技術方面存在不足之處，如船的移位存在反復走位對中的問題、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業的工作量。以上結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。

優點：打樁船隨租隨用，前期準備時間短。

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量要求，但存在前面所述的移位、定位、固位種種技術問題，且施工工效低[2]。

3 水上打樁施工平臺現狀調查

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

我國是全球光伏產業龍頭，“漁光互補”為我國針對能源改革提出的模式，為了提高淺水域預制管樁施工效率、降低施工成本、提高施工質量，針對淺水域管樁施工所需的作業平臺的技術研究是關鍵。

4 淺水域管樁關鍵施工技術要點分析

通過對目前國內水上預制管樁施工技術及施工工藝的分析，針對其在水上管樁施工關鍵技術上的短板，適宜淺水域施工的水上作業平臺和快速定位是其研究創新要點：

在淺水域管樁施工行之有效的、符合實用、經濟、安全的標準的打樁作業平臺。主要研究內容：打樁作業平臺的選型、規格、尺寸、大樣、吃水深度及穩定性的研究、淺水域管樁施工錘頭、樁架、電源及各配套設施；

打樁作業平臺快速高效的移位找位技術。主要研究內容：測量方法、定位系統（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。主要研究內容：管樁定位、固位系統[3]。

5 研究創新方案及應用

5.1 打樁作業平臺的選型、大樣、吃水深度及穩定性的研究及應用

打樁作業平臺是水上打樁的基礎，其選型與大樣的研究自然是首當其沖的。選型及大樣的研究方向是：安全、經濟、實用。

5.1.1 打樁作業平臺的選型

通過前期的調查，打樁船有價格高和吃水深的缺陷，擬采用12000×3000×750鐵質浮箱作為作業平臺。

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

5.1.2 作業平臺大樣

現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平臺，浮箱用型鋼焊接聯結成排，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，還能提供作業面，摒棄了在船艏作業的小駁船，提高了作業效率。

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，其吃水深度應控制在0.5m以內。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應該能夠達到。主要設備配件重量清單：機錘總重4.2t；卷揚機1.4t；20kW發電機0.8t；浮箱2.99t/個。總重量12.38t，依據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 穩定性

船舶在停泊或航行中，會受到外力作用而發生傾斜，其穩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，在船舶的設計中通常還會采取降低重心的方法加強船舶的穩定性。穩定性需作靜態和動態兩方面的考慮。

①作業平臺靜態穩定性設計

考慮到作業平臺的設計原則為簡單實用，施工地點一般為河湖蕩濕地，沒有大風大浪，水上作業條件較為理想，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。

浮箱呈規則的長方體，忽略附體體積系數，理論浮心高度為0.15m。為了保證作業平臺重心位置合理，需合理規劃各機械設備、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。經過合理規劃其他配件的布置，橫傾與縱傾可減少到最小。發電機及其他較重的設備均對稱安置于浮箱內部，可以降低作業平臺整體重心。發電機擬安置于一側浮箱內，可以降低作業平臺整體重心，為了確保作業平臺的左右平衡減小橫傾，擬于另一側浮箱內注水；為了進一步調整浮態，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調整，直至平臺處于正浮狀態[4]。

②作業平臺動態穩定性設計

打樁作業平臺在施工過程中，伴隨著錘頭的往復運動，平臺發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。為防止平臺作業時搖晃，擬通過增加地錨設施來輔助穩定平臺，從而保證在動態作業中的平臺也能夠保持穩固、平衡。

5.2 施工錘頭、樁架、電源及各配套設施的研究及應用

為了盡量減少打樁作業平臺的負荷，必須考慮機械設備的荷載，而錘擊法施工有重量輕的優勢，所以成樁設備擬棄用靜壓機而選用柴油錘。“漁光”項目的預制管樁設計豎向承載力及水平力要求小，一般入土不深。根據同類型工程施工經驗，“漁光”項目的預制管樁多為PC300-70AB型管樁，樁入土層2～5m，設計豎向承載力及水平力要求小。根據項目地質報告反映的土層力學性質指標以及樁基施工經驗，采用DD25型導桿式柴油錘可滿足施工需要。

5.3 測量、定位系統研究及應用

水上不同于陸上管樁施工，測放樁位可以釘小木樁來標識樁位，水上打樁需于打樁作業平臺上設計定位系統輔助測量作業。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移動船只的情況，效率相當低。

通過以往項目調查發現漁光項目的管樁布置均為田字格型，如果能依據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，在樁架上設置一個棱鏡，棱鏡制作成有轉軸和限位的。當測量放線時將棱鏡轉到樁位中心，測量完畢下放地錨，固定好作業平臺后將棱鏡轉至原位以便管樁起吊作業。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置成整數（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。管樁的樁頂標高控制可由棱鏡反推，一舉兩得。

①引入定位平臺

根據借助前一根樁來輔助定位的思路，擬再開發一種打樁平臺（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。定位平臺的基本設想可以參考前述打樁作業平臺，但為了克服定位時反復移動船只的缺點，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。通過行走機制可以前后緩慢移動平臺，縱向定位；通過液壓油缸系統可以左右緩慢移動平臺，橫向定位。這樣，解決了反復找位的惡疾，定位效率大幅提高。

②增加行程控制系統

漁光項目的管樁布置一般均為方格網型，本工程除了預留行走通道外管樁行距和株距均為5m。如果能依據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，打樁作業平臺就可以根據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。一根樁施工完畢后，操作工人通過行程開關可以快速地將作業平臺移到下一根管樁作業的位置，接下來再通過儀器精確調整一下就可以了。為了更快捷的移位，可以在行程上根據樁的間距設置好的限位。這樣在第一根樁施工完畢后，操作工人通過抱箍系統及行程開關依據第一根施工完畢的管樁可以快速地將作業平臺移到下一根管樁作業的5m距離位置，接下來調整一下平臺相對于軸線的左右擺幅，再通過儀器精確調整一下就可以了。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，定位平臺分區域為每一個打樁作業平臺先行施打一根定位樁，打樁平臺再行流水作業，生產效率大大提高。

5.4 固位系統研究及應用

在陸上進行管樁對位時，由機頭操作工人進行人工穩樁、扶正，即先將管樁輕立于地面上的樁中心，利用土體的阻力調整管樁，直至達到定位和垂直度的控制標準。這一方法在水上不存在可操作性，也就說應該增加固位系統。而項目新研制的作業平臺與現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，然后只需要在作業平臺上設計一個卡位或抱箍系統。起吊喂樁時，為了方便安插管樁，抱箍內徑應較管樁外徑大10mm。卡位及抱箍制作時，由測量員先行測放好位置，確保卡位、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，安插擋板或上緊抱箍，這樣就能解決固位問題[5]。

6 結語

針對淺水區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鍵技術進行研究，找到了淺水域打樁船舶不適用、管樁施工工效低、質量差的解決辦法，以達到提高施工效率、保證施工質量、降低施工成本的目的，創造出了良好的經濟效益和社會效益。

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

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

（3）管樁固位、定位技術，保證所施管樁的樁位偏差及垂直度偏差能夠滿足規范規定和設計要求，達到優質的標準。