浅水域管桩施工关键技术创新及应用

2023-12-01于德忠

城市建设理论研究（电子版） 2023年31期

于德忠

江苏地质基桩工程公司江苏镇江 212000

1 引言

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能转化为电能的一种技术，其优点是较少受地域限制，光伏系统具有安全可靠、无噪声、低污染，无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电、供电及建设周期短的优点，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。其中“渔光互补”发电是通过在水面上方架设光伏组件发电，下面水体进行水产养殖，实现“一地两用”、实现渔、电、环保三丰收，有效防止大气污染。“渔光互补”发电充分利用空间，节约土地资源，又能利用光伏电站调节养殖环境，还能优化地区能源结构，改善环境，并可提高单位鱼塘产量，增产增收，在水产养殖和光伏产业上实现领域共享，促成社会效益、环境效益和经济效益的多赢.

“渔光互补”发电项目的选址一般在海滨滩涂、内陆湖泊、田间浅塘等浅水区域。架设光伏组件的支柱主要采用预制混凝土管桩，单个项目均需打入成千上万根成排成列的管桩，管桩施工由专业基础施工队伍承担，由于架设光伏组件周期可控，项目建设周期的长短主要取决于管桩施工。经调查，目前水上管桩施工主要采用先排水筑路或配备打桩船舶的方法，前者用履带式振动打桩机进行施工，存在施工成本高、工效低的问题；后者因打桩船舶吃水深，存在在浅水域不适用的情况，因此均有不足之处，难以满足施工需要和市场发展需求[1]。

2 浅水域管桩施工技术现状调查

我国是拥有自主品牌的光伏产业大国强国，技术成熟。水上桩基完成后，光伏组件架设只需搭设一个小型安装平台便可，操作简便快捷、架设周期短。相比之下，光伏组件的载体——动辄几万根的水上预制混凝土管桩的施工，便成了“渔光互补”项目周期中的关键工作。浅水域管桩的常见施工方法如下：

（1）围堰排水法：转化为熟悉的方便的陆上施工后，其施工技术比较成熟，管桩的施工质量基本能够得到保证，但在施工措施方面比较繁琐，如需要打围堰、排水、清淤/回填土方、修筑施工便道、作业完毕后再引水回流，且不适用于河床淤泥层过厚的情况。施工费不经济且耗时长。

优点：转化为陆上施工后施工直观；桩位控制准确；挖机自行铺路行走、打插管桩，施工简便。

缺点：需围堰排水、插钢管桩、架设槽钢、铺道板作为管桩运输便道及挖机行走便道，项目措施费支出高；由于挖机需要自行插钢管、铺道板，打桩效率比较低下；振动安插管桩时垂直度偏差控制效果不理想。

（2）采用打桩船进行水上打桩：优点是方便快捷、前期准备时间短；缺点是市面上的打桩船在施工技术方面存在不足之处，如船的移位存在反复走位对中的问题、管桩施工存在依靠船艏小驳船人工进行管桩定位和固位的问题，这无疑也增加了测量内业的工作量。以上结果就是打桩船水上管桩施工工效低，不利于利益的最大化，水上管桩施工技术方面亟待改进和提高，而且打桩船吃水深度深，浅水域如水深不够或遇浅滩则无法行走就位，存在适用性问题。

优点：打桩船随租随用，前期准备时间短。

缺点：需要支付一笔较高的租赁费；打桩船定位慢，管桩桩位、垂直度不易控制，施工工效低；打桩船吃水深度深，局部无法就位的浅滩需提前清淤。

对比得知采用水上作业的方法相对理想，但仍存在三大点不足：①打桩船吃水深，适用性不强；②打桩船移位、定位慢，工效低；③依靠船艏小驳船人工进行管桩定位和固位，效率低效果差。该方法基本能够满足管桩施工质量要求，但存在前面所述的移位、定位、固位种种技术问题，且施工工效低[2]。

3 水上打桩施工平台现状调查

通过调查研究发现，在水上管桩施工技术中部分涉及了大型打桩船的研制、改造技术，应用在离岸一二十公里管桩施工定位的GPS（RTK）测量技术，大型船舶液压系统抱桩改造技术，而大型船只在浅水域难以施展，GPS（RTK）测量技术在区域范围相对有限的内陆河湖荡湿地不能突出其测量优势，没有推广价值。因此，国内研究均未提及浅水域管桩施工中的关键技术，如适用于浅水域管桩施工平台的改造研制技术，作业平台快速移位技术，管桩定位、固位等技术，不能提供实质上的系统的研究经验和意见，仅为浅水域管桩施工技术的研究提供了参考意见，只具有参考价值。

我国是全球光伏产业龙头，“渔光互补”为我国针对能源改革提出的模式，为了提高浅水域预制管桩施工效率、降低施工成本、提高施工质量，针对浅水域管桩施工所需的作业平台的技术研究是关键。

4 浅水域管桩关键施工技术要点分析

通过对目前国内水上预制管桩施工技术及施工工艺的分析，针对其在水上管桩施工关键技术上的短板，适宜浅水域施工的水上作业平台和快速定位是其研究创新要点：

在浅水域管桩施工行之有效的、符合实用、经济、安全的标准的打桩作业平台。主要研究内容：打桩作业平台的选型、规格、尺寸、大样、吃水深度及稳定性的研究、浅水域管桩施工锤头、桩架、电源及各配套设施；

打桩作业平台快速高效的移位找位技术。主要研究内容：测量方法、定位系统（定位平台、行程控制）；

控制管桩桩位偏差及垂直度偏差的定位、固位系统。主要研究内容：管桩定位、固位系统[3]。

5 研究创新方案及应用

5.1 打桩作业平台的选型、大样、吃水深度及稳定性的研究及应用

打桩作业平台是水上打桩的基础，其选型与大样的研究自然是首当其冲的。选型及大样的研究方向是：安全、经济、实用。

5.1.1 打桩作业平台的选型

通过前期的调查，打桩船有价格高和吃水深的缺陷，拟采用12000×3000×750铁质浮箱作为作业平台。

铁质浮箱作为打桩作业平台有三大优点：①价格低廉；②易加工；③因其呈长方体形态，可以在较小吃水深度的状态下获得较大的浮力，较小吃水深度是在浅水区域自由行走的前提，较大的浮力是后期承受机械设备、锤头等荷载的保证。

5.1.2 作业平台大样

现行市面上的锤击管桩打桩船均将桩锤、桩架安置于船艏，少部分用于水上打桩的驳船改造也是将锤头、桩架安置于船艏。这样在桩定位时，操作工人改乘小驳船牵丝拉线地去调整定位，因为惯性船在水上不能实时静止，存在前后左右反复移动船只的情况，这大大降低了施工效率。针对该问题，我们拟用选用两个浮箱作为打桩作业平台，浮箱用型钢焊接联结成排，中间留缝600mm作为打插管桩使用，此方法则可以将桩锤桩架置于平台中央，还能提供作业面，摒弃了在船艏作业的小驳船，提高了作业效率。

5.1.3 吃水深度

为了使平台能够在浅水域自由行走、无障碍施工，其吃水深度应控制在0.5m以内。采用锤击法减少荷载及浮箱能提供较大浮力的方案，吃水深度的控制目标应该能够达到。主要设备配件重量清单：机锤总重4.2t；卷扬机1.4t；20kW发电机0.8t；浮箱2.99t/个。总重量12.38t，依据阿基米德原理可知初步理论吃水深度为0.17m，施工时平台上安装、安放了其他配件和杂物，最终吃水深度在30cm，因此浅水域无障碍施工得到了保障。

5.1.4 稳定性

船舶在停泊或航行中，会受到外力作用而发生倾斜，其稳定性是由船舶的重心、浮心、漂心、船体形状以及减摇装置等决定的，在船舶的设计中通常还会采取降低重心的方法加强船舶的稳定性。稳定性需作静态和动态两方面的考虑。

①作业平台静态稳定性设计

考虑到作业平台的设计原则为简单实用，施工地点一般为河湖荡湿地，没有大风大浪，水上作业条件较为理想，其漂心、船体形状以及减摇装置不予考虑，只需要从平台的重心、浮心并尽量使重心下放这三个方面考虑。

浮箱呈规则的长方体，忽略附体体积系数，理论浮心高度为0.15m。为了保证作业平台重心位置合理，需合理规划各机械设备、配件的布置,桩架及桩锤位于平台中央，重心与浮心在水线面上的距离近，使平台前后平衡减小纵倾。经过合理规划其他配件的布置，横倾与纵倾可减少到最小。发电机及其他较重的设备均对称安置于浮箱内部，可以降低作业平台整体重心。发电机拟安置于一侧浮箱内，可以降低作业平台整体重心，为了确保作业平台的左右平衡减小横倾，拟于另一侧浮箱内注水；为了进一步调整浮态，拟于平台的四个边角即浮箱的两端作压载仓处理，可以通过加、排水的方法进行浮态调整，直至平台处于正浮状态[4]。

②作业平台动态稳定性设计

打桩作业平台在施工过程中，伴随着锤头的往复运动，平台发生摇晃是不可避免的。摇晃会造成桩的垂直度偏差，落锤有倾斜偏心时还容易造成桩头破坏。为防止平台作业时摇晃，拟通过增加地锚设施来辅助稳定平台，从而保证在动态作业中的平台也能够保持稳固、平衡。

5.2 施工锤头、桩架、电源及各配套设施的研究及应用

为了尽量减少打桩作业平台的负荷，必须考虑机械设备的荷载，而锤击法施工有重量轻的优势，所以成桩设备拟弃用静压机而选用柴油锤。“渔光”项目的预制管桩设计竖向承载力及水平力要求小，一般入土不深。根据同类型工程施工经验，“渔光”项目的预制管桩多为PC300-70AB型管桩，桩入土层2～5m，设计竖向承载力及水平力要求小。根据项目地质报告反映的土层力学性质指标以及桩基施工经验，采用DD25型导杆式柴油锤可满足施工需要。

5.3 测量、定位系统研究及应用

水上不同于陆上管桩施工，测放桩位可以钉小木桩来标识桩位，水上打桩需于打桩作业平台上设计定位系统辅助测量作业。相对于陆上定位，水上定位另一个不同点是——因为惯性船在水上不能实时静止，定位时存在前后左右反复移动船只的情况，效率相当低。

通过以往项目调查发现渔光项目的管桩布置均为田字格型，如果能依据第一根施工完毕的桩进行一个快速的、基本的找位，那将大大提高定位效率。为了提高测量效率，在桩架上设置一个棱镜，棱镜制作成有转轴和限位的。当测量放线时将棱镜转到桩位中心，测量完毕下放地锚，固定好作业平台后将棱镜转至原位以便管桩起吊作业。棱镜安装时需由测量员校正好位置，确保其与卡位中心、抱箍中心在同一条竖直线上。棱镜距平台表面高度设置成整数（本工程为3m），在利用全站仪测放桩位时直接测量好棱镜的高程。管桩的桩顶标高控制可由棱镜反推，一举两得。

①引入定位平台

根据借助前一根桩来辅助定位的思路，拟再开发一种打桩平台（暂称为定位平台），专门进行第一根桩（暂称为定位桩）的施打，定位平台也可以施打其余桩。定位平台的基本设想可以参考前述打桩作业平台，但为了克服定位时反复移动船只的缺点，需要作出一些改进。比如，可以增加行走机制和液压油缸系统。通过行走机制可以前后缓慢移动平台，纵向定位；通过液压油缸系统可以左右缓慢移动平台，横向定位。这样，解决了反复找位的恶疾，定位效率大幅提高。

②增加行程控制系统

渔光项目的管桩布置一般均为方格网型，本工程除了预留行走通道外管桩行距和株距均为5m。如果能依据第一根施工完毕的桩进行一个快速的、基本的找位，那将大大提高定位效率。有了定位平台有了第一根桩，打桩作业平台就可以根据第一根桩进行快速找位了。

通过初步研究拟增加一个行程控制系统。一根桩施工完毕后，操作工人通过行程开关可以快速地将作业平台移到下一根管桩作业的位置，接下来再通过仪器精确调整一下就可以了。为了更快捷的移位，可以在行程上根据桩的间距设置好的限位。这样在第一根桩施工完毕后，操作工人通过抱箍系统及行程开关依据第一根施工完毕的管桩可以快速地将作业平台移到下一根管桩作业的5m距离位置，接下来调整一下平台相对于轴线的左右摆幅，再通过仪器精确调整一下就可以了。此举大大提高了平台移位的效率，施工工效得到提升明显。

至此，定位平台分区域为每一个打桩作业平台先行施打一根定位桩，打桩平台再行流水作业，生产效率大大提高。

5.4 固位系统研究及应用

在陆上进行管桩对位时，由机头操作工人进行人工稳桩、扶正，即先将管桩轻立于地面上的桩中心，利用土体的阻力调整管桩，直至达到定位和垂直度的控制标准。这一方法在水上不存在可操作性，也就说应该增加固位系统。而项目新研制的作业平台与现行市面上的打桩船将桩锤安置于船艏的方式不同，因为桩架几乎设在平台中间，这无形中给操作工人提供了等同于陆上的落脚点，然后只需要在作业平台上设计一个卡位或抱箍系统。起吊喂桩时，为了方便安插管桩，抱箍内径应较管桩外径大10mm。卡位及抱箍制作时，由测量员先行测放好位置，确保卡位、抱箍的中心线重合。操作工人辅助将桩安置于卡口或抱箍内，安插挡板或上紧抱箍，这样就能解决固位问题[5]。