2026, Vol. 48
国内打桩船主要结构形式分为变幅式和旋转式2种形式，本文主要以新一代国产首艘110 m架高旋转式打桩船“三航桩22”的沉桩工艺进行阐述。结合该船研发功能，实现狭窄水域、老码头改造、跳桩施工等复杂环境下有效沉桩施工技术研究[1]。
通过对变幅式与旋转式不同类型打桩船的沉桩工艺进行分析，总结旋转式打桩船在复杂海况下的沉桩工艺流程，分析作业优势，全面论证该船舶的适应性[2]。
1 沉桩工艺介绍 1.1 打桩船沉桩施工流程变幅式打桩船与旋转式打桩船在沉桩施工流程主要包括前期准备、设备就位与抛锚定位、桩体吊运与立桩、精准定位与调整、沉桩作业、停锤与移船等环节。单从施工工艺2种类型的船舶区别不大，但是在实际沉桩过程中，在分部流程操作过程中，仍存在各种工况适应性上的差异[3]，如表1和表2所示。
|
表 1 旋转式打桩船与变幅式打桩船对比表 Tab.1 Comparison between rotary pile driver ship and variable-amplitude pile driver ship |
110 m架高旋转式打桩船采用八点对称锚泊定位系统，配置AC-14大抓力锚，质量9.675 t，共8台，其中船首设4台锚绞车，船尾设4台锚绞车。通过在0°、45°、90°、135°、180°范围内按同向风浪流载荷进行定位能力分析（见表3和表4），该船在作业水深30 m，有义波高1.2 m，风速17.1 m/s，流速2.5 m/s条件下，抛8点锚泊定位进行作业，可满足360°范围内定位要求。该船的船锚泊工况使用三维势流挠射/辐射的源汇分布法和悬链线法进行耐波性运动响应分析和锚泊分析的水动力计算。
|
|
表 2 八锚定位的各参数 Tab.2 Parameters of eight anchor positioning |
|
|
表 3 锚泊作业分析（I） Tab.3 Anchor and mooring operations analysis (I) |
|
|
表 4 锚泊作业分析（II） Tab.4 Anchor and mooring operations analysis (II) |
使用HydroStar软件对锚泊工况进行耐波性运动响应预报。图1为该船的二阶波浪载荷响应曲线，纵向FX、横向FY以及艏摇MZ二阶波浪载荷。
|
图 1 二阶力响应 Fig. 1 Second-order force response |
综述数据分析，旋转式打桩船在作业水深30 m，有义波高1.2 m，风速17.1 m/s，流速2.5 m/s条件下，抛8点锚泊定位进行作业，选型可满足360°范围内定位要求。若实际锚泊，钢丝绳受力不均，可收放钢丝绳长度，以调节受力[4]。
1.3 旋转式打桩船耐波性分析旋转式打桩船作业工况耐波性运动预报使用三维势流挠射/辐射的源汇分布法进行耐波性运动响应分析。应用HYDROSTAR软件计算本船的耐波性运动响应。
打桩要求精度较高，所以对直桩120 t前后工况均进行了耐波性分析；起重作业工况，起重后的作业工况排水量增大，重心变高，耐波性较起吊前作业工况会往有利方向发展，所以方案阶段仅对起吊前工况进行耐波性分析。工况说明如表5所示。
|
|
表 5 分析工况说明 Tab.5 Analysis of operating conditions |
1）计算波浪频率：共40个，从0.05～2间隔为0.05；
2）计算浪向：共13个，0°～180°，间隔为15°。
1.3.2 作业工况运动的短期预报结果|
|
表 6 直桩120 t前工况，各波浪条件下运动响应 Tab.6 Motion response of straight pile under 120 t preload and various wave conditions |
|
|
表 8 吊重800 t前工况，各波浪条件下运动响应 Tab.8 Motion response under various wave conditions before 800 t lifting load |
1）直桩120 t前工况的自摇固有周期：横摇11.490 s，纵摇7.995 s，垂荡7.776 s；
2）直桩120 t后工况的自摇固有周期：横摇12.291 s，纵摇7.786 s，垂荡8.300 s；
|
|
表 7 直桩120 t后工况，各波浪条件下运动响应 Tab.7 Motion response of straight pile under 120 t load at various wave conditions |
3）吊重800 t前工况的自摇固有周期：横摇9.897 s，纵摇7.538 s，垂荡7.729 s。
1.3.3 耐波性分析结论旋转式打桩作业前后，有义波高0.8 m，波浪周期5.0～8.0 s，纵摇横摇均在1°以内，窗口期较大，且打桩精度较高，耐波性较好。
旋转式打桩在起重作业，有义波高1.2 m，波浪周期在6.5 s以内，纵摇横摇均在1°以内，耐波性较好。
1.4 旋转式打桩船运桩及定位优势特点打桩船通常由拖轮拖到施工地点附近，根据打桩船上GPS 定位系统显示的数据进行粗定位。但旋转式打桩船船不同于变幅式打桩，在取桩工况下，变幅式打桩船必须采用移船锚机开展取桩，与运桩驳成“T”字形，两船中心线互相垂直状态，确保吊装作业能够保证垂直起吊；而旋转式打桩船在不同海况作业环境下，可采用抛锚船进行抛锚及定位桩2种定位装置有机结合，提高船舶稳定性[5]，配套运桩驳可靠泊在船舶侧面，桩架随起重机回转的方式，实现360°回转快速取桩作业，无需频繁移船，即可完成多角度、多方向沉桩，减少移船作业时间，作业功效更高，尤其适合斜桩、扭角桩等复杂工况；同时通过旋转调整桩架方向，可主动适应水流方向，减少水流对桩身垂直度的影响，抗流能力更强，如图2所示。
|
图 2 旋转式打桩船作业工况下与运桩驳的相对位置 Fig. 2 Relative position of the rotating pile driving ship to the pile carrier in operation |
吊装时，桩架旋转到运桩驳一侧，用4点吊起吊，进龙口采用桩头2点吊。吊桩时考虑到桩驳平衡，吊桩顺序为对称起吊。起吊时，主吊钩吊挂靠近桩顶的前2吊点，副吊钩吊其余2个吊点，主副吊钩同步上升，平稳起吊，使钢管桩脱离运桩驳船。桩吊起后，旋转到船首部，准备立桩。
1.6 旋转式打桩船竖桩工艺主吊钩上升，副吊钩下降，使钢管桩由水平姿态逐渐 转成竖直姿态，同时将桩架立直，桩入抱桩器，合拢抱桩器，提升主吊钩，使桩顶套进替打后逐个解去副吊钩[6]。
2 总体设计中的关键技术难题与解决方案 2.1 旋转式打桩船沉桩定位技术在操纵室通过观察GPS定位系统显示的桩架倾斜角度调整桩架倾斜度，使桩身斜率符合设计要求；再根据预先输入的单桩平面扭角（方位角）、平面坐标，依据船上专用的GPS定位系统显示的图形和数据，通过旋转桩架和变幅桩架的方法，使桩到达设计位置。
桩自沉稳桩，同时监测桩位的变化，若桩位变化超过 允许的误差范围，应立即停止桩的下沉，将桩拔起，查明 原因，重新定位。稳桩后压锤，待桩不再下沉后，查看桩位是否符合要求，若桩位变化超过允许的误差范围，立即停止桩的下 沉，将桩拔起，查明原因，重新定位。桩在压锤稳定后，松开抱桩器，启动液压锤，沉桩。锤击沉桩时，桩锤、替打、桩身应保持在同一轴线上，避免产生偏心锤击。在沉桩过程中，如出现贯入度异常、桩身突然下降、过大倾斜、移位等现象，立即停止沉桩，及时查明原因，采取如减小锤击能量、调整船舱压载水使桩架垂直等有效措施，必要时将桩拔起，重新定位。
2.2 旋转式打桩船锤击沉桩技术结合已应用的台州联岛工程项目，该项目主要以钢管桩沉桩为主，沉桩要求以标高控制为主，贯入度校核。停锤标准见表9，沉桩结束后，电脑自动记录并打印出沉桩结果。
|
|
表 9 沉桩标准 Tab.9 Pile driving standards |
整个墩沉桩结束后，应及时用GPS流动站对钢管桩平面偏位、桩顶高程等复测，并及时报验。由于钢管桩均为斜桩，沉桩后悬臂端较长，并受水流、风浪、潮流的影响，因此，沉桩完成后应及时进行夹桩施工，通过在桩顶设置型钢，将每个墩钢管桩焊接成整体。
2.3 复杂地质环境下，旋转式打桩船的适应性 2.3.1 老码头改造工程在老码头改造工程中，打桩作业面临的困难主要存在以下几点：
1）原有结构干扰
旧桩与基础障碍：老码头下方可能存在大量旧桩、混凝土基础等，这些障碍物会阻碍新桩的顺利打入，甚至导致桩身损坏或打桩失败。
作业空间受限：原有结构的存在可能严重限制打桩设备的作业空间，使得设备难以接近打桩位置，增加了施工难度和风险。
2）地质条件复杂多变
土层多样性：老码头所在区域可能包含软土、硬岩、砂层、淤泥等多种土层，不同土层的物理力学性质差异显著，对打桩作业提出了极高的技术要求。
地质不确定性：地质条件的不确定性可能导致打桩过程中出现桩身偏斜、桩头损坏、打桩阻力突变等意外情况，影响施工质量和安全。
3）施工环境复杂
周边环境敏感：老码头通常位于城市或港口区域，周边可能存在大量建筑物、管线、交通要道等敏感设施，施工过程中的噪声、振动等可能对这些设施造成影响。
施工限制多：由于施工环境的复杂性，打桩作业可能受到时间、空间、环保等多方面的限制，增加了施工难度和成本。
4）技术要求高
打桩精度要求：老码头改造工程对打桩的精度要求极高，需要确保新桩的打入深度、垂直度、承载力等满足设计要求。
实时监测与调整：打桩过程中需要进行实时监测和调整，以确保施工质量和安全。这要求施工人员具备丰富的经验和专业技能。
典型错位图如图3所示。
|
图 3 典型锚位图 Fig. 3 Typical anchor position diagram |
采用旋转式打桩船的优势有以下几点：
1）适应复杂地质条件
先进设备与控制系统：旋转式打桩船通常配备有先进的打桩设备和控制系统，能够根据不同地质条件自动调整打桩参数和打桩方式，实现高效、准确的打桩。
多土层适应能力：通过调整打桩锤的冲击力、频率等参数，旋转式打桩船可以在软土、硬岩等不同土层中实现稳定、可靠的打桩作业。
2）克服原有结构限制
大作业半径与灵活性：旋转式打桩船具有较大的作业半径和灵活性，可以在老码头原有的结构限制下进行打桩作业。通过旋转和移动打桩船的位置，可以避开旧桩、基础等障碍物，确保新桩的顺利打入。
精准定位能力：旋转式打桩船通常配备有高精度的定位系统，能够实现新桩的精准定位，减少因定位不准确而导致的施工问题。
3）减少对周边环境的影响
低噪声与低振动：旋转式打桩船在作业过程中产生的噪声和振动相对较小，可以减少对周边建筑物、管线等的影响。
环保施工措施：通过合理的施工安排和监测措施，如设置隔声屏障、控制施工时间等，可以进一步降低施工对周边环境的影响。
4）提高施工效率和质量
高效打桩能力：旋转式打桩船具有高效的打桩能力，可以大大缩短施工周期，提高施工效率。
高质量施工保障：先进的打桩设备和控制系统可以确保打桩的准确性和垂直度，提高施工质量。同时，实时监测和调整功能可以及时发现并纠正打桩过程中的偏差和问题，确保施工安全和质量。
5）操作灵活
易于操作的控制界面：旋转式打桩船通常具有易于操作的控制界面和人性化的设计，使得操作人员可以更加方便、快捷地进行打桩作业。
位置调整与角度变换灵活：打桩船的移动和旋转功能使得施工过程中的位置调整和角度变换变得更加容易和灵活，适应不同施工场景的需求。
2.3.2 在狭窄水域或港池内打桩工程在狭窄区域或港池内打桩时，旋转式打桩船能够轻松避开原有结构、障碍物等，确保新桩的顺利打入；同时，结合定位桩的使用，可以进一步稳定打桩船的位置，提高打桩的准确性。
3 结 语该旋转式打桩船在复杂工况下更具备沉桩优势，施工功效提高40%，经济效益显著；同时较变幅式打桩船的在沉桩海况上拓展30%，各项差异化优势与可量化性能指标有显著优势；同时从设备、工艺、管理三维度提出改进路径，为工程实践提供清晰的技术升级方向。面对复杂的海域及航通条件受限工况下，旋转式打桩船沉桩工艺的研究与实际工程应用取得的各项数据验证，必将影响国产旋转式打桩船后续建造技术及沉桩工艺的技术革新，未来还可超过动力学位优化、结构纬度升级、液压系统故障防控等方向进一步提升设备性能推动旋转式打桩航向更高智化、环保化、经济化方向发展。
| [1] |
王海波. 旋转式打桩船设计与应用[M]. 北京: 海洋出版社, 2021.
|
| [2] |
孙立, 吴刚. 旋转式打桩船施工效率提升策略[C]//中国船舶工业行业协会. 船舶工程技术进展研讨会论文集. 南京: 东南大学出版社, 2021.
|
| [3] |
李明, 张伟, 王强. 旋转式打桩船动力系统优化研究[J]. 舰船科学技术, 2023, 45(6): 45-50. LI M, ZHANG W, WANG Q. Research on the optimization of the power system for rotary pile driving vessels[J]. Ship Science and Technology, 2023, 45(6): 45-50. |
| [4] |
陈磊, 赵阳, 刘洋. 旋转式打桩船桩架结构强度分析[J]. 中国造船, 2022, 63(2): 78-85. CHEN L, ZHAO Y, LIU Y. Strength analysis of the pile frame structure of rotary pile driving vessels[J]. China Shipbuilding, 2022, 63(2): 78-85. |
| [5] |
周志远. 旋转式打桩船自动化控制系统研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2020.
|
| [6] |
黄涛, 马超. 旋转式打桩船液压系统故障诊断[J]. 船舶工程, 2023, 45(4): 67-72. HUANG T, MA C. Fault diagnosis of the hydraulic system in rotary pile driving vessels[J]. Ship Engineering, 2023, 45(4): 67-72. |