液压打桩锤系统分析与工程应用

刘 浩， 王浩宇， 黄山田， 原庆东， 魏佳广， 李怀亮

(1.中海石油深海开发有限公司，广东 深圳 518067；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

液压打桩锤系统分析与工程应用

刘 浩1， 王浩宇2， 黄山田2， 原庆东1， 魏佳广2， 李怀亮2

(1.中海石油深海开发有限公司，广东 深圳 518067；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

液压锤是一种高效、节能、环保的桩体贯入施工机械，随着我国现代化建设的不断发展，液压锤的应用范围越来越广泛。分析了液压打桩锤的发展概况，阐述了液压打桩锤的工作原理，系统地对液压锤工作原理、油路和液压系统等进行了分析和研究，并对工程上应用广泛的典型液压锤的组成和工作原理进行分析，借鉴学习和消化吸收国外的先进技术，为国内液压锤的发展提供技术储备。

液压；打桩锤；振动锤；冲击锤

0 引 言

随着我国现代化建设步伐的加快，打桩锤作为工程机械的主要施工机具，在施工作业中，尤其是海洋工程作业中，已成为必不可少、无法用人力替代的现代机械化设备。液压锤的发展和应用前景广阔，在我国有很大的市场，并且需求量呈逐年上升的趋势。但由于我国工程设备研制起点低、起步晚，自主化进程相对落后，造成目前工业需求基本依靠国外设备引进的形式。究其原因，主要是对液压锤缺乏研究，指导实验和生产的相关理论依据匮乏，从而使打桩锤国产化的进程迟滞不前，存在各种问题[1]。

加快打桩锤的自主化、国产化进程，并将其应用于工程行业，首要任务就是整合目前的技术资源和施工经验，投入研发的人力和资金，进行打桩锤技术的国产自主化研究和系统的整体配套设计。鉴于目前我国打桩锤设计的技术水平与发展现状，为缩小与世界领先打桩锤技术的差距，打破国外的技术垄断，实现自主化、国产化，满足工程项目的作业需求，本文综合研究了液压打桩锤的发展概况、工作原理、发展趋势及工程应用，为自主研发先进的液压锤奠定技术基础，提供技术储备。

1 液压打桩锤发展概况

液压打桩锤技术兴起于20世纪中期，到了20世纪60年代，该技术已成为工程机械的重要核心技术。经过半个世纪的发展，国外液压打桩锤技术突飞猛进，其中以荷兰、日本、德国、英国等国家发展最为迅猛，美国及欧洲其他国家也先后研究并开发了自己的液压打桩锤。目前，液压打桩锤广泛应用于建筑施工、海洋工程、桥梁建设等领域，经过近些年的发展，液压打桩锤初步形成了品牌化和系列化。

针对海洋工程，目前使用最广泛的液压打桩锤为德国的MENCK系列和荷兰IHC系列，型号齐全，产品锤击能量跨度覆盖广，性能可靠。芬兰永腾公司、英国BSP公司、日本车辆公司也是液压打桩锤的主要生产厂家，但通过工程应用表明，其打击能量低，技术水平相对落后[2]。表1为德国MENCK系列大中型液压打桩锤的基本参数。

表1 MENCK大中型液压打桩锤

我国从20世纪80年代开始在工程建设项目中应用打桩锤，但采用的液压打桩锤均从国外进口，我国也没有操作、维修专业人员。进入20世纪90年代后，我国的一些大学和科研机构开始研究液压打桩锤工作系统和操作原理，如吉林工业大学、太原重型机械学院等。但由于国外液压打桩锤技术的垄断，我国在大型化液压打桩锤领域仍处于分析、研究和探索阶段，在液压打桩锤国产化的道路上仍处于研究初期。

2 液压打桩锤的工作原理

目前，世界上应用的液压打桩锤主要分为冲击式打桩锤和振动式打桩锤两大类。

2.1 液压振动锤

液压振动锤是一种适合各种基础工程的沉拔桩施工设备。它用于各类钢桩和混凝土预制桩的沉拔作业。配套相应的桩架后，也可用于混凝土灌注桩、砂桩、石灰桩等各种类型的地基处理[3]。由于液压振动锤具有沉桩质量好、贯入力强、使用方便、成本低等特点，在各个工程领域中得到广泛应用。

液压振动锤可根据工作原理、频率和振幅分类，具体如图1所示。

图1 液压振动锤分类Fig.1 Classification of hydraulic vibration hammer

在工程上，常用的液压振动锤有液压偏心式振动锤和电液-液压缸式振动锤。

液压偏心式振动锤的核心工作原理是： 通过液压油驱动偏心块产生高速旋转，从而产生高频的振动。液压油通过锤体内部的油泵产生高压，再根据控制系统的调控，驱动偏心块的旋转速率，从而达到调节振动频率的目的。

电液-液压缸式振动锤的核心工作原理是： 通过高压油路的快速、频繁换向，使锤体内部实现高频的高、低压变化，从而使锤体产生振动。

2.2 液压冲击锤

液压冲击锤是依靠内部锤芯冲击砧铁，将冲击力传递给桩体，实现桩体贯入的机具设备。液压冲击锤的能耗低、污染少、效率高、施工适应性好。该方式的液压锤结构简单，模块化清晰，便于各模块的维护和检修。液压冲击打桩锤在海洋工程应用和大型化方面取得了很大的进展，以德国的MENCK系列和荷兰的IHC系列为代表，其液压冲击锤已经序列化、多样化。在我国工程建设中已广泛应用液压冲击锤，例如海洋平台的安装作业，但其理论研究和工业制作水平却处于起步阶段，因此，研究和开发液压冲击锤并促进其产业化，具有广阔的市场和重要的意义。

液压冲击锤主要由三大模块组成，分别是锤体、冲击锤动力站和控制室。各模块之间通过液压管线和控制线路连接，各模块之间彼此相对独立，便于维护保养。液压锤本体则包括锤驱动装置和打击力传递装置两部分[4]。其基本结构如图2所示。

图2 液压冲击锤系统示意图Fig.2 Schematic diagram of hydraulic hammer system

桩锤本体由锤芯、液压缸、液压控制阀等部分组成。其工作原理为： 通过油路系统，增加锤体内部锤芯的势能，再将液压压力和锤芯势能转化为冲击能，冲击砧铁，实现钢桩的间歇性贯入。

冲击力传递装置由缓冲垫、砧铁、桩套筒等构成。液压冲击打桩锤的锤芯在冲击砧铁时，为提高设备寿命，避免金属直接冲击，在锤芯和砧铁之间会设置缓冲垫。桩套筒一方面可以对打桩锤起到限位作用，确保桩锤在冲击时，锤体在桩的正上方，另一方面对打击部位实现了包裹，有效地降低了噪音。

液压打桩锤的动力源集中在动力站中，通过液压为打桩锤提供锤击动力。液压回路通过液压管线连接，主要由液压泵、卸载阀、换向阀、执行元件等组成。

液压打桩锤的控制中枢包括操纵盘和电子控制装置，通常分配在控制室，采用继电器进行控制。典型的控制方式有手动打桩和自动打桩方式。也可根据锤芯下落的高度或打桩间隔的时间进行打桩设定。

3 液压锤的发展趋势

3.1 液压振动锤

液压振动锤从技术上看，有如下几个发展方向[5]。

(1) 频率提升，向高频、超高频方向发展。振动锤振动频率的提升，可以快速地使地基介质碎化，使桩基贯入，提升打桩效率。

(2) 采用隔音降噪技术，减少动力站在打桩过程中的噪音污染。

(3) 优化控制单元，实现集成化、智能化控制。可根据不同土壤地质参数，优化调节打桩振动频率。

在产品开发过程中，应注意几方面关键技术： (1)无极变矩功能及自动控制系统研发；(2)节能降噪减震技术的研究；(3)高频、大功率振动锤的可靠性及动力机构稳定性研究；(4) 土壤特性分析研究。

3.2 液压冲击锤

目前的液压冲击锤正朝大型化、高效化、轻量化及水下作业的方向发展。世界上越来越多的工程项目在施工过程中应用液压冲击锤。我国许多公司也相继引进了一些大中型的液压冲击打桩锤。例如，中海油安装公司由于海上施工作业需要，先后购置MHU1200和MHU1900液压打桩锤；中交三航局为巩固海上风电业务也从IHC购置S-1200和S-1800液压打桩锤[6]。国内工程公司购置的大中型液压打桩锤如表2所示。

表2 国内施工单位购置的大中型液压打桩锤

4 打桩锤在海洋工程的应用

从第一台液压打桩锤进入中国以来，几十年中液压打桩锤为中国企业承接海洋施工工程做出了巨大贡献，例如港珠澳大桥、海洋石油平台建设、海洋单点建设、风电场建设等项目。液压打桩锤主要应用于跨海桥梁、海洋石油平台、海洋风能发电领域，如图3所示。在各个领域中，海洋结构不断向深水区和大型化发展，同时，对打桩锤也提出了大型化、可靠性及深水作业的要求。随着海洋油气的不断发展，海洋风电的不断开发，液压打桩锤的需求在逐年递增，对液压打桩锤的性能、要求也不断提高。

图3 打桩锤在桥梁(左)及海洋结构物中的应用(右)Fig.3 Application of pile hammer in bridge (left) and platform construction (right)

例如，锦州25-1南CEPF导管架应用了MHU-1200S打桩锤，文昌19-1N/8-3E项目WHPB导管架应用了MHU-1200打桩锤，沙特KCROP项目CLP导管架应用了IHC-500打桩锤，等等。在打桩过程中，还要时刻监测打桩状态，根据沙特-阿美海洋施工标准SAES-Q-004第6.4.2节[7]，在打桩过程中，连续5段入泥30cm的锤击数超过300锤或1段入泥30cm的锤击数超过800锤的情况，即为拒锤，应停止打桩锤的作业。

5 结 语

虽然液压打桩锤在我国工程领域应用广泛，但我国还没有实现液压打桩锤的国产化。目前的液压锤应用主要是依靠国外进口。随着海洋资源的大力开发，进军深海的步伐日益加快，我国对液压打桩锤的数量和性能的要求也在不断提高。

本文阐述了液压打桩锤的发展历史，分析了液压打桩锤的工作原理，描述了打桩锤在海洋工程的应用。通过对典型液压打桩锤的分析和研究，归纳了打桩锤的主要元件，对打桩锤进行了综合评价，并从应用领域展望打桩锤的发展趋势，消化吸收国外的先进技术，为国内液压锤的发展提供技术储备，助力液压打桩锤的自主化进程。

[1] 董付庆,马新军,田洋.液压打桩锤： 理想的海洋工程机械[J].石油与装备,2011(4)： 91.

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

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Cai Shao-ju. Motion analysis of hydraulic pile hammer [J]. Construction Machinery and Equipment, 1991(10)： 23.

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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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Lan Yu-fan. The current situation and prospects of China’s pile equipment [J]. Construction Mechanization, 2002，23(1)： 13.

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Wu Wen-feng. Pile driving with hydraulic jumper hammer and popularization of the hammer [J]. China Harbour Engineering, 2003(1)： 42.

[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

工信部项目“500米水深油田生产装备TLP自主研发”(工信部联装【2014】503号)

刘浩(1989—)，男，工程师，主要从事海洋油气开发结构物安装方面的研究。