成果名称：	超深水108m桩架打桩船打设超长超重钢管桩关键技术研究
登记日期：	2021-07-15
完成单位：	中国铁建港航局集团有限公司
完成人员：	金晔,程旭东,张吉海,金国亮,颜俊,林雄,李昆,夏安乐,周清,杜昆亮,陈耀金,王海波,段军,曹光辉,张清华,管春雨,史耀东,童本奇,周海波,甘锐,陈兵,李波,叶元谱
研究起止日期：	2017-07-01至2020-12-31
主要应用行业：	建筑业
高新技术领域：	新能源与节能
评价单位：	中国水运建设行业协会
评价日期：	2021-05-28
成果简介：	一、项目背景与任务来源
近年来，随着一系列跨海大桥的成功建设和国家新能源战略的不断推进，基础施工成为项目建设中最重要的一个关键环节。为了满足海洋工程的需求，需要对应用于传统水工项目的大型打桩船设备展开工艺研究，进行升级改造，突破近海超水深条件下施工超长超重钢管桩的关键技术，来解决不同施工领域中遇到的技术障碍，提升我国海上桩基施工船舶装备的技术水平。本成果结合海洋工程的需求和中国铁建港航局企业的发展需要，开展了在近海超水深条件下利用大型打桩船打设超长超重钢管桩的设备改造及性能提升工艺技术研究。
二、主要研究内容
（1）通过对打桩船GPS定位系统和差分信号传输原理的研究，制定了不需要依靠基站的打桩船近海定位系统改造方案，并经过实践验证，提升了定位精度，解决了在远海区域无基站信号时打桩船精确定位难的问题。
（2）结合近海超水深条件下的工程地质资料实例，利用打桩分析软件预测得到桩身在不同入泥深度时的承载力、锤击次数、桩身应力、贯入度和打击能量等演算数据，为钢管桩的可打性分析和打桩锤的锤型选择提供理论依据。
（3）基于拓展打桩船适用范围和提高施工便捷性的需求，通过在原抱桩器的基础上进行双抱桩器系统的设计和改造。增加一套小型分段可调式液压抱桩器，并接入原抱桩器液压系统，拓展了桩基施工覆盖范围，解决了原抱桩器在小桩径短桩施工时作业不便的问题。
（4）通过对大型打桩船桩锤替打和桩帽套筒的设计技术研究，结合两个自有风电项目中直径2.0m钢管桩的施工精度和套桩对位的便捷性要求，对原桩锤3.5m替打整体结构进行重新设计和配置改造，对新制桩帽套筒进行了有限元分析核算，成功提升了打桩作业效率，拓展了应用空间。
（5）开发了一套简单实用的四脚缓冲稳定装置，在锤顶和提锤架之间形成缓冲稳定结构，实现了提锤架稳定和减重的要求，减少了打桩冲击，应用效果良好。
（6）通过对启锤横梁的加固验算和滑轮组倍率改变，实现吊锤启锤一体化的功能，可以方便快捷的更换打桩锤，省去了换锤时重新缠绕钢丝绳的繁琐工作。
（7）通过对打桩船的锚位布置、锚抓力、船扭角与桩斜度控制及起重吊装能力等参数的采集与监测，对相关数据的关联分析，寻找到钢管桩打设的最适宜工况点，调整施工顺序与方案，研究大型打桩船快速打设超长、超重钢管群桩基础的施工工艺，达到运输、定位与打桩施工精细化、协调化的目的。
三、研究成果及创新性
（1）研发了一种双抱桩器系统，通过增加一套小型分段可调式液压抱桩器，并接入原抱桩器液压系统，实现可打桩径分段可调、使用便捷等功能需求，拓展了适用桩径范围。
（2）设计开发了一种液压锤过渡套筒、替打砧铁和桩帽套筒系统，有效增强了打桩锤对不同桩径的适应性，提高了作业效率。
（3）设计开发了一种锤顶和提锤架之间缓冲稳定的四脚装置，有效缓冲了高频高能打桩作业对提锤钢丝绳和滑轮组的冲击。
（4）通过对启锤机构的升级改造，利用启锤绞车实现吊锤功能，可以方便快捷更换打桩锤。
（5）总结形成了一套快速打设超长、超重钢管桩测风塔群桩基础的工法。
四、与国内外同类技术比较
通过本项目的研究，现已掌握108m桩架打桩船打设外海深水超长超重钢管桩施工关键技术，具备打设90m+水深桩长、200t桩重、φ3.5m桩径、±18.5°倾斜角度的钢管桩打设施工能力。并分别创造了125m长/177t重的超长、超重、大直径钢管桩沉桩记录；单日沉桩10根的最快记录；11天内完成三个位置3座测风塔共9根超长超重钢管桩打设，40天完成三座外海测风塔基础工程全部施工的最快施工记录。综合施工能力可达到国内领先、国际先进的技术水平。
五、应用情况及效益分析
5.1 经济效益分析
对外海超长超重钢管桩施工中的船机设备投入、装备配置等进行了充分挖潜，合理优化，有效提高了船舶利用率及其安全性；
对施工工艺流程进行不断总结与优化，经过优化的打桩船布锚方式和打桩形式，大幅提高了施工效率，缩短了工期，保证了工程进度；
通过对“铁建桩01”多次施工过程的总结，可以发现不仅节省了浮吊船辅助起重、钢管桩定位驳等船机设备租赁的额外费用，而且在同等条件下每月可因施工效率的提高而比其它船机组合多打设10根以上钢管桩，并且每打设一根钢管桩平均节省油耗约1t，由此每月产生的额外经济效益可达200万元以上，具有非常显著的经济效益。
5.2 环境、社会效益分析
“铁建桩01”船克服了各类不利条件的影响，在海上定位、超长超重大直径钢管桩打设施工过程中实现了行业领先的施工效率，总体作业工效明显优于其它施工方案，大幅提升了施工进度计划。
通过优化打桩船的布锚方式、船舶扭角控制和打桩工艺流程，提高了打设超长、超重、大直径钢管桩的施工效率，将外海测风塔基础工程现场施工时间（不包含钢结构预制、运输）缩短到8天左右。
本研究成果可供海上风电项目、深水跨海大桥项目等工程的设计单位和施工单位参考选用，为建设单位决策提供实用、可靠的依据。