在海上风电深海施工中的应用研究Application of IHC-S1800 Hydraulic Pile Hammer in Offshore Wind Power Construction in Deep Sea
李斌
（中国电建集团港航建设有限公司，天津 300457）
摘要：本文以明阳阳江青洲四海上风电场项目为例，介绍了IHC-S1800 液压打桩锤的性能特点及
施工工艺，阐述了其在施工中的应用，工程实施效果良好，运行安全稳定，为海上风电同类工程实
施提供借鉴意义。
关键词：IHC-S1800；液压打桩锤；施工工艺；性能特点；工艺流程
中图分类号：TV52 文献标识码：A
0 引 言
阳江海域面积1.23万平方公里，海（岛）岸线总长458.6公里，占广东海岸线的十分之一，海平面80米高度处的年平均风速可达6.5～8.0秒/米，是我国海上风能资源富集区，为此市政府提出加快广东省海上风电整体规划进程，改善广东省能源供应结构，推动国家早日实现“双碳”目标的工作要求。明阳阳江青洲四海上风电场工程位于阳江市阳西县沙扒镇附近海域，场址涉海面积约73.69km2，泥面高程-45～-48m，中心离岸距离约75km。项目规划装机容量为500MW，拟布置44台风力发电机组，其中单机容量为11MW风电机组25台，单机容量为12MW风电机组18台，单机容量为16.6MW风电机组1台。本标段为25台11MW风机基础及风电机组安装。近年来，国内桩工机械行业陆续展开液压锤的研究和开发工作，但大吨位、高性能的液压锤还不多，无法满足日益增长的海上风电工程需求。为此，国内海上风电桩基础施工中较多地采用了国外液压锤[1]。本文主要介绍了IHC-S1800液压打桩锤的性能特点及施工工艺。
1 IHC-S1800液压打桩锤工作原理和主要参数特性
1.1 IHC-S1800 液压打桩锤工作原理
在静止时，压力阀和回流阀都处于打开状态，使来自于动力站的已过滤液压油通过锤和液压软管连续循环。补充阀作为止回阀，使来自于回流管的液压油在压力阀和回流阀处于关闭状态的很短时间内（在击打后，以及当锤芯配重处于顶端位置时）返回到气缸。
当锤起动时，回流阀关闭，而压力阀保持打开状态。活塞下的油会举升锤芯配重。在举升行程完成时，压力阀关闭，回流阀打开。锤芯配重现在被其自身质量和顶盖中的气压向下推，顶盖中的气压还作用于活塞顶部。在下行行程结束时，回流阀关闭，压力阀打开，完成当前循环，并开始一
个新的循环。
图1 锤体结构断面
表1 IHC-S1800 液压打桩锤主要参数
根据能量守恒定律也可归纳为如下转换关系和特点： 液压能→活塞势能+压缩气体→动能=桩下沉吸收的能量+活塞运动摩阻力[2]。
1.2 IHC-S1800 液压打桩锤主要参数(见表1、图1）
1.3 IHC-S1800 液压打桩锤特性
本液压锤是通用型电子控制液压冲击式钢桩用打桩锤，可配有用于在指定区域中进行打桩作业的转换套件，符合海上打桩的极其严格的要求。
其特性有：①可水下打桩，打桩时不损失能量；②控制和读取每此打击的能量，实现整个打桩作业的控制；③自动过载保护；④构造简单，易于操作和维护；⑤可靠性高；
⑥构造简单，易于操作和维护；⑦与其净重相比击打能量较高；⑧长时间作业后性能不降低；⑨不需要硬木或合成套管填料对锤进行保护；⑩当安装有导套时，液压锤可以自由放在钢桩事宜，能够在与地面的夹角为90°至45°的角度范围内打斜桩，而击打能量仅稍稍降低[3]。
2 钢管桩施工工艺
2.1 施工工艺流程2.2 工程桩主要参数信息
四桩导管架基础钢管桩直径2.8～3.3m，桩长最长91.4m，单桩最重314.814t。
2.3 钢管桩起吊翻身
工程桩的翻身起吊在运输船上进行，采用起桩器配合主作业船副钩进行工程桩的翻身起吊，副钩起重负荷满足工程桩翻身起吊要求。
2.4 钢管桩插桩
钢管桩插桩顺序采用对角插桩的方式。根据起重船及稳桩平台的相对位置，计算出吊机插桩时的旋转角度及变幅位置。吊机旋转、变幅至插桩位置正上方，缓慢松钩，利用平台导向杯口，使钢管桩顺利进入桩套管内。吊机缓慢松钩，直至钩头不带力。插桩过程中，吊机需注意钩头吨位变化。钢管桩顺利插入、完成自沉后，松开起桩器夹具，移除起桩器。
钢管桩完成插桩待自沉结束后，起吊液压冲击锤进行沉桩。沉桩时打击能量宜由小到大，待桩入土一定深度且桩身稳定后再适当加大打桩能量；遇上软弱土层时，打击能量适当降低；遇上较硬的土层时，在设备安全性、桩基安全性得到保证的前提下按较高功率进行打桩。一根桩原则上应一次打入，中途不得人为停锤，确需停锤，亦应尽量缩短停锤时间。
根据钢管桩最终沉桩标高及水下稳桩平台桩套筒高度验算可得，最终停锤时，钢管桩桩顶须进入平台桩套筒内。
现场预备内插式送桩器，吊机副钩挂冲击锤，小钩挂送桩器，
同时起吊。先将送桩器有效插入钢管桩内，吊机向外变幅，
将冲击锤套入已安装好的送桩器顶。压桩，至副钩钩头不带
力，冲击锤顶卸扣呈水平状态，启动冲击锤，开始沉桩。
图2 钢管桩施工工艺流程图图3 首次冲击锤沉桩示意图
IHC-S1800液压打桩锤
沉桩至水面时，再调换45米长送桩器，重新将冲击锤套入已安装好的送桩器顶，压桩，至副钩钩头不带力，冲击锤顶卸扣呈水平角状态，启动冲击锤，开始沉桩。若一次沉桩过程中，连续锤击5阵，平均每阵大于125击/0.25m 时或者锤击1阵大于250击/0.25m，即认为沉桩困难，需停锤进行处理。当停锤超过1小时，500击/0.25m，即认为沉桩困难，需停锤进行处理。具体流程如图3：
（1）液压冲击锤吊装、安装及试打
主施工船主钩吊装液压冲击锤，液压冲击锤起吊后回转吊机臂架并调整臂幅，使冲击锤安装至钢管桩顶
部，压锤自沉，自沉过程中做好钢管桩垂直度监控措施。同时，试打前对液压锤吊装状态进行检查，确保其重量完全由桩支撑，吊锤钢丝绳处于自由状态，禁止液压锤重量吊挂于钢丝绳上进行打桩操作。
检查完毕后，液压锤开始用最低能量施打，手动单击打桩，密切注意桩贯入的深度与速率，待桩下降稳定和锤芯下落稳定后才能再次按打桩按钮，禁止在桩下降过程中及液压锤芯下落过程中按打桩按钮，谨防溜桩。在软土层中打桩时，除非桩显著下沉（锤芯低于传感器，否则桩锤的操作不会停止。在此情况下，建议使击打能量较低一些。当在很厚且极软的土层（“厚含水层”）中打桩时，如果桩和锤“陷入”，建议停止打桩作业一段时间。当桩基沉入深度超过自沉深度以下7.5m 后，沉桩将保持连续直到达到收锤标准。
（2）液压冲击锤正式沉桩
逐步提高单击的能量，待桩的贯入度稳定后，设置到自动控制打模式，开始连续打桩。
注：防止因锤击能量过大产生溜桩情况发生，应经常检查桩的贯入情况、桩体倾斜度等，并作好沉桩记录、锤击数、沉桩开始时间等。当钢管桩桩端达到设计标高时，可收锤完成沉桩。结合整个沉桩过程及收锤时的打
桩数据（锤击能量及贯入度）、打桩分析、工程地质资料、高应变动测等成果，初步判断是否存在沉桩异常情况。
3 预防溜桩的主要措施
根据同类项目的施工经验，沉桩过程中，当硬土层下存在软弱土层，上部土层动态侧摩阻力不足以承载上部荷载时，有会发生“溜桩”风险，针对本项目地质情况，采用下列预防溜桩的措施：
在正式沉桩前，对已经掌握地勘资料进行必要性分析，认真研究各个风机机位地勘报告，利用GRL WEAP 软件进行打桩计算，对可能出现“溜桩”的机位提前进行预警，当钢管桩沉到接近软弱土层顶部时，根据动态侧摩阻力计算结果相应调低液压锤打击能量，必要时采用单击锤击的方法进行沉桩。
沉桩开始时采用最小能力进行沉桩，前期单击轻打，每击一锤后，停锤进行观察，随后逐步增加能量和打击频率，并且做到能量与频率相互匹配[4]。
对不可避免发生溜桩的机位适当加大稳桩平台对桩的抱裹力，确保溜桩发生后单桩的垂直度符合设计要求。
本项目施工作业船舶上的起重机始终吊着打桩锤，使打桩锤卸扣基本呈45°，钢丝绳处于半松弛的状态，当出现溜桩时，可以防止打桩锤重量压在单桩基础上，减少溜桩产生的危害。
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图4
工程地质示意图
表2
图3 授料斗总结构图图4 授料斗局部图示图5 辅助卸料钢结构平台
制气缸3&4的行程大小，单向节流阀2可改变气路中的气流方向以控制气缸3&4的行程方向（其中图2中的砼出料斗气缸3&4与下料斗装置图4中的斜拉气缸7&9为同一组件）。控制弧形门7&8开闭的气体源可由布料机自带压缩空气的储气罐提供。详细图示见图3、图4、图5。
3 结 语
本布料机混凝土授料装置经过了细致的分析和设计，在巴基斯坦SUKI KINARI水电站工程溢洪道下游泄槽段混凝土施工实际使用后，具有拆装简易，运输便捷，操作方便，占用场地面积较小的特点，不需额外增加其它辅助施工设备，便可提高布料机混凝土输送功效，降低了施工成本，实用性强。有效解决了布料机前期施工占用场地大，需配合设备多的问题等难题，是一种安全有效简易实用的混凝土授料斗装置。
参考文献
[1] 孙宏涛.一种混凝土布料机授料斗装置实用新型专利
[P].国家知识产权局，2022.
收稿日期：2022-10-24
作者简介：闵国政，学士，工程师，主要研究方向为工程机械、设备管理。
4 液压锤沉桩施工主要数据
根据区域地质及工程钻孔资料，钻孔揭露深度范围内，本工程地层主要包括全新统海相沉积层(Q4m)、全新统海陆过渡相沉积层(Q4m+al)和晚更新统海陆交互相沉积层(Q3m+al)；陆上集控中心揭露第四系人工填土层(Q4ml)，第四系海陆交互沉积层(Q4m+al)砂土及粉质黏土，第四系残积砂质黏性土(Qel)，下伏基岩为寒武系各风化等级的花岗片麻岩，工程地质见图4。
在沉桩施工前，选取4根试验桩进行试打，得出主要数据如表2。
每根试验桩的沉桩施工过程花费约5小时，SY1、SY2平均钢管桩入泥深度为76m，SY3、SY4平均钢管桩入泥深度为71m。钢管桩平均标高-36m，根据提供的地质情况表明，已达到相应的施工技术要求。
5 结 语
随着海上风电工程助推中国实现“双碳”目标，高性能的液压打桩锤变得越来越常见，IHC-S1800液压打桩锤设计精简、安全可靠、维护保养简便，打击能量可根据地质情况、沉桩深度随时进行调整。虽然出现零件更换时，将耗费更多的时间与金钱[5]，但IHC-S1800液压打桩锤在施工使用过程中效率高，设备可靠性能好，符合本项目工期较短和较高工作强度的施工要求。
参考文献
[1] 耀保，黄姜卿，胡兴华，郭传新.国外几种典型液压锤
液压系统及性能比较[J].建筑机械化，2012，33(2)：
63.
[2 李望东，文琳.国外几种典型液压锤液压系统及性能比
较[J].水运工程，2004(5):85-66.
[3] S-1800Hydrohammer，基本型[S].
[4] 付振涛.德国蒙克MHU800S液压锤在海上风电工程
的应用[J].产业与科技论坛，2019，18(11):66. [5] 夏熹微.IHCS800液压打桩锤的研究分析及其在施工中
的应用[J].商品与质量，2016(17):266-267.
收稿日期：2022-09-13
作者简介：李斌，工程师，主要研究方向为海上风电工程项目管理及施工技术。
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