摘要：随着风电技术的快速发展，海上风电已成为世界可再生能源发展的关注焦点。近年来，我国海上风电事业发展迅速，海上新增风电装机容量不断增加，海上风电桩呈现出超长、超大、超重、高精度施工的特点。目前海上风电桩施工的主要设备是冲击锤和振动桩锤。冲击锤是传统的海上风电打桩设备，其主要问题有打击效率低，发热散热、施工安全、质量控制等。振动桩锤其沉桩原理为土质“液化”，减小阻力。只要满足必要的振幅、必要的激振力、必要的重量和冲量、必要的功率即可沉桩。目前主要面临的问题有启动困难、共振危害、制造困难、运输困难。为此，上海振中公司研制出了超大型免共振振动冲击桩锤用于海上风电大型桩基础的施工。

 

 

1. 研制超大型振动冲击桩锤的必要性

1.1 海上风电桩的特点

近年来，我国海上风电事业发展迅速，海上新增风电装机容量不断增加，海上风电桩呈现出超长、超大、超重及高精度的特点。目前，海上风电桩最重已达1500余吨，施工垂直度要求千分之三以内。

1.2 目前用于海上风电桩施工的主要设备及特点分析

1.2.1 冲击锤

冲击锤是海上风电桩基础施工最先使用的设备，有柴油锤和液压锤。由于散热问题无法解决，大型柴油锤的发展受得了制约。近年来大型液压锤已经成为海上风电桩基础施工的主要设备。传统认为冲击锤打击效率高，可达30%以上，但是随着风电桩越来越大型化，液压锤的打击效率要低于传统认知的30%。

打击效率η指桩在冲击锤打击后获得的能量E与冲击锤打击时的能量E0的比值，

即                  （1）

日本建筑学会根据动量定理得出的打击效率公式

      （2）    

式中m为冲击锤锤芯的质量，M为桩的质量。

可知，欲达到30%的打击效率，桩的质量不能超过锤芯质量的3倍，理想状态是1.5-2.5倍。目前，海上风电桩的质量不断增加，液压冲击锤的质量也不断增加，但是桩的质量远超过了冲击锤质量的3倍。假设大型冲击锤的锤芯质量为100吨，大型桩的重量为900吨，那么冲击锤的打击效率仅为10%。

施工时，我们可以通过不断增大打击能量来完成沉桩施工。但是在不断增大打击能量的过程中，由于打击效率低，能量散发很大，带来的发热散热问题相当严重,不但使桩的质量、寿命受到影响，还会使冲击锤本身的使用寿命降低，故障频繁。

1.2.2 振动桩锤

近年来，振动桩锤也成为海上风电桩施工的主力军。振动桩锤产生振动的原理是振动桩锤工作时两轴（或双数多轴）上对称布置的偏心体在同步齿轮的带动下相对反向旋转，每成对的两轴上偏心体产生的离心力相合成，则水平方向的离心力相互抵消、垂直方向的离心力相互叠加，成为一个按正弦函数规律变化的激振力（图1、图2所示）。

 

 

 

 

 

 

 

 

图1 振动桩锤原理图

Fig.1  Diagram of pile hammer

 

 

 

 

图2激振力正弦函数规律变化图

Fig.2  Diagram of sine of exciting force

当振动桩锤和桩连接在一起进行沉桩时，激振力使桩产生和激振频率一致的振动，桩振动时桩侧面土壤的摩擦阻力和桩端部阻力将迅速降低，在振动桩锤和桩的总重力大于土壤对桩端部阻力的情况下，桩便开始下沉。

需要特别说明的是：

(1) 桩是在重力的作用下下沉的，激振力作用下的振动只是降低土对桩的阻力（包括侧面摩擦阻力和端面阻力）。

(2) 振动和冲击没有严格的区分，振动中有冲击，冲击中有振动。振动桩锤在激振力作用下的上下振动等效于带动冲击锤锤芯的活塞在油缸里上下往复运动（图3所示）。

 

图3 振动桩锤等效于冲击锤图示

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

且当振动桩锤的频率较高时，振动特性体现显著；当振动桩锤的频率较低时，其振动特性减弱而冲击特性增强了。大型振动桩锤，偏心矩大，转速低，不仅有振动特性，冲击的特性也特别明显，因此低频大偏心矩的大型振动桩锤也称为振动冲击锤。振动冲击锤的沉桩原理不同于冲击锤通过打击力使桩下沉，它是通过上下振动使土质“液化”，阻力减小，在重力的作用下完成沉桩施工的。

振动桩锤振动沉桩需满足以下的条件：

（1）实际振幅A>临界振幅A_0。

实际振幅为    （3）

式中，K--振动桩锤偏心矩（kgm），m--参与振动的质量（kg）。

临界振幅(mm)。     （4）

式中，N--是土的标贯击数。

（2）激振力F>桩的动侧阻力f_侧阻。

激振力为           （5）

式中，k--振动桩锤偏心矩（kgm）,--振动角速度（s^-1）。

（3）桩和锤总重量G>桩的动端阻力f_端阻。

（4）实际消耗总功率P_实<振动桩锤电机额定功率P_额的1.5倍。

目前，大型的振动冲击桩锤在制造和使用中也存在着启动困难、共振危害、制造困难和运输困难等问题。

1. 超大型免共振振动桩锤的研制

上海振中公司致力于超大型振动冲击桩锤的研制，其主要技术有大型振动冲击桩锤的免共振技术和大型免共振冲击桩锤的联动技术。

1.1 大型振动冲击桩锤的免共振技术

2.1.1共振及危害

振动桩锤的振动频率就是偏心轴转动频率，改变偏心轴转动频率，相应的也就是改变振动桩锤的振动频率，但任何物体、设备均有本身的固有频率。在振动桩锤的振动频率接近或等于振动桩锤、桩等振动系统的固有频率时，会使振动桩锤出现强烈的振动，这现象叫“共振”。发生“共振”时，振动的振幅往往达到正常振幅的15倍以上。“共振”出现既对设备产生破坏，又对施工安全产生影响，是一种危害。

由于振动桩锤及桩组成的系统，其固有频率往往是很低的，通常是几赫兹，远低于振动桩锤正常的振动频率。一般振动桩锤在启动或停机过程都要经过“共振”频率区域，所以在启动、停机过程都有“共振”现象出现。

再需要特别说明的是：振动桩锤的“共振”是指设备机械的“共振”，它是危害。有人理解为桩、土的共振是错的。但是，在某一土质条件下，确实存在一个最佳的振动沉桩频率和一个最佳的振动拔桩频率。采用这个最佳频率振动沉桩或拔桩，不仅沉拔得快、功率消耗小，而且地表振感也小。这跟“共振”出现时的强烈振动的特征是不一样的。所以，这种最佳频率下的振动可称为“谐振”。注意的是，不同的土质，其“谐振”频率也是不一样的。

2.1.2 免共振技术及意义

免共振技术简介：大型振动冲击桩锤的免共振技术的核心就是偏心矩无级可调技术。在平时非工作状态下，振动桩锤转轴上的偏心块在重力作用下都处于垂直向下的位置上，此状态偏心矩最大；启动时，通过液压调整机构，使偏心轴上的活动偏心体相对固定偏心体转动180°，此状态偏心矩为零，实现偏心矩“最大→0”无级连续控制；反之，通过液压调整机构也可实现“0→最大”无级连续调控。图4所示为免共振振动桩锤偏心矩调节技术示意图。

免共振振动桩锤通过偏心矩的无级调节技术实现零偏心矩启动、零偏心矩停机，避免了由于“共振”产生的激烈振动带来的强烈振动、噪声的环保问题和对设备产生破坏带来的安全隐患；同时实现零偏心矩启动，即空载启动，解决了普通电动振动桩锤带偏心矩启动、即带负载启动需大容量电源的问题，节能效果明显；振幅可从“0-最大”或“最大-0”无级可调，可适应土质变化，沉桩效率、效果好。上海振中公司用于海上风电桩施工的大型免共振振动冲击桩锤有EP800、EP1100、EP1600的三款型号锤。其主要技术参数如下表1所示。

表1 大型振动冲击锤主要技术参数表

Table1. Main technical parameters of large vibratory impact hammer

 

免共振振动冲击桩锤的振动和冲击特性在表1中的振动冲量这一参数体现尤为直观。如EP1600免共振振动冲击锤的最大振动冲量为88000kg.m/s，这相当于锤、夹具和桩的重量为20吨时，从高为1m处自由落下冲击的冲击冲量；也相当于锤、夹具和桩的重量为200吨时，从高为1cm处自由落下冲击的冲击冲量。

用大型免共振振动冲击桩锤振动沉桩，由于锤桩的总重有几百吨，振动的振幅只有几毫米，真正实现重锤轻打；又由于不存在锤与桩的撞击，而是锤和桩作为整体直接振动冲击于土，使土的颗粒结构破坏、土质“液化”，土阻力减小，在重力作用下实现桩的下沉。所以通过振动沉桩，往往具有效率高、效果好及成桩质量好等的优点。

2.2大型免共振振动冲击桩锤联动技术

海上风电基础桩呈现出：（1）超大化。桩直径超2m，甚至达5m、8m以上。（2）超深化。桩基础的持力层往往超过50m深，甚至达100m深。（3）超重化。由于这种超大、超深桩的壁厚达40~80mm，整根桩的重量往往在几百吨以上，甚至达1000吨以上。为能用振动桩锤有足够的振幅和激振力沉下超大型桩，这就需要非常大的振动桩锤，其功率要几兆瓦以上，外形大小尺寸也达数米、数十米。要制造出这么大的振动桩锤，无论从工厂加工能力还是从诸如专用电机、轴承等配套采购，其难度大是可以想象到的。然而即使在工厂能制造出这么超大型的振动桩锤来，可由于超高、超宽、超重也无法运输到施工场地。为解决这些矛盾及困难，通常采用振动桩锤多锤联动技术进行施工。

多锤联动就是通过联动技术使相同规格型号的多台振动桩锤成为一个超大振动系统，这就要求多台振动桩锤在振动时具有高度的同步性。为了避免超大型振动系统在启动、停机时的“共振”出现对施工设备、特别是对大型起重机（起重船）会造成很大的伤害并对施工安全留下隐患。上海振中公司采用了相同规格型号的多台偏心矩可调的大型免共振振动桩锤进行联动。多台偏心矩可调大型免共振振动桩锤联动技术主要是转动同步技术和偏心矩（振幅）调整同步技术。转动同步是将各锤偏心转轴通过联轴器联接，确保各锤在工作时振动相位相同（如图5所示）。偏心矩（振幅）调整同步是通过安装在各锤调整机构里的传感器，利用传感技术保证了各调整机构在调整偏心矩动作时的同步性（如图6所示）。

 

 

 

 

 

 

在海上风电桩基础施工方面，由于受空间位置所限，多锤的联动按平行方向布置。

下面是几个海上风电桩用大型免共振振动冲击桩锤施工的案例：

案例1，如东中广核风电项目辅助桩直径2000mm，桩长50m，桩质量55t。桩入土35m,桩端土质粉砂层,标贯击数N>35。振动桩锤EP800，平均打桩时间20分钟, 平均拔桩时间30分钟。

案例2，南日岛龙源风电项目嵌岩桩直径1000mm，桩长30m，桩质量50t。桩入土20m，桩端风化岩层，标贯击数N>80。振动桩锤EP800，平均打桩时间40分钟,平均拔桩时间20分钟。

 

 

案例3，广东南鹏岛风电项目辅助桩直径2000mm，桩长65m，桩质量95t。桩入土28m，桩端土质细砂层，标贯击数N>40。振动桩锤EP1100，平均打桩时间20分钟，平均拔桩时间30分钟。

  

 

桩入土30m，桩端土质粉砂层，标贯击数N>30。振动桩锤EP1100，平均打桩时间25分钟,平均拔桩时间35分钟。

 

案例5，江苏如东风电升压站工程桩直径2000mm，桩长67m，桩质量90t。桩入土35m，桩端土质粉砂层，标贯击数N>50。双锤联动式振动桩锤EP1300L，平均打桩时间15分钟,平均拔桩时间20分钟。

 

 

案例6，如东中水电项目工程桩直径1700mm，桩长50m，桩质量49t。桩入土42m，桩端土质粉砂层，标贯击数N>45。双锤联动式振动桩锤EP1300L，平均打桩时间30分钟。

 

 

综合以上案例，大型免共振振动冲击桩锤和通过多锤联动而成的超大型免共振振动冲击桩锤，具有超强大的功率、激振力和打击冲量，并且结构紧凑、使用可靠， 特别适用于海上风力发电等大型项目的桩基础施工，且具有高质、环保、高效、安全、经济的特点，是海上风力发电等大型项目桩基础施工的重要选项。

 

 

参考文献：

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[2].日本建调株式会社.钢管桩振动下沉计算[M].日本

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[6].王欣丽. EP180新型振动桩锤[J]. 建筑机械, 1997

[7].曹荣夏.上海振中EP400免共振调幅电振动桩锤[J]. 建筑机械,2014

[8].王卫东.岩土工程施工技术与装备新进展——第二届全国岩土工程施工技术与装备创新论坛论文集[M].北京:中国建筑工业出版社,2018

 

 

曹荣夏：第一作者（联系人）

单位：上海振中建机科技有限公司

研究方向：桩工机械研究、制造及应用

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