宋寶杰， 王魯朝， 欒東平， 孫曉玉

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264004)

多功能地質(zhì)勘察平臺關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設計與應用

宋寶杰， 王魯朝， 欒東平， 孫曉玉

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264004)

本文結(jié)合小型簡易式平臺、“探海1號”大陸架科學鉆探平臺等設計建造應用的經(jīng)驗，對多功能地質(zhì)勘察平臺模塊化連接、升降模塊以及樁靴等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行設計及應用，創(chuàng)新設計解決了平臺建造場地限制、運輸、方便安裝等問題，提高了平臺升降、遷移的效率，以適應短周期、需頻繁移動平臺的海上工程勘察項目。通過實際應用效果良好。

多功能地質(zhì)勘察平臺；模塊化；模塊連接；升降模塊；樁靴；海上鉆探

0 引言

海上鉆探施工首先面臨鉆井平臺的選擇，選擇平臺要根據(jù)工程需要、環(huán)境條件、安全和經(jīng)濟等因素。海上風電基礎(chǔ)勘察，鉆探施工孔淺，一個樁基需在不同位置鉆探多個勘察孔，所以平臺需頻繁移動。為了滿足平臺長途運輸、適應施工周期短、需頻繁移動孔位的需求以及建造場地限制、輕量化、運輸安裝方便節(jié)約等需求，我院結(jié)合前期小型平臺、“探海1號”大陸架科學鉆探平臺等設計建造應用經(jīng)驗，參考自升式石油鉆井平臺(自升式平臺可適用于不同海底土壤條件和較大的水深范圍，移位靈活方便，便于建造，因而得到廣泛的應用)，對多功能地質(zhì)勘察平臺模塊連接方式、樁靴等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行了設計，成功解決了平臺移動靈活，組裝運輸便捷的問題。

由我院自主研發(fā)設計并建造的多功能地質(zhì)勘察平臺于2016年順利交付，并應用于福建福清海壇海峽海上風電工程。

1 概況

多功能地質(zhì)勘察平臺主要由2部分組成，分別為甲板和樁體。甲板總長15 m，型寬15 m，型深1 m，總面積225 m2，由5個標準模塊通過連接機構(gòu)連接為一個整體。樁體主要由電控液壓系統(tǒng)、移動梁、升降模塊、樁腿(樁靴)等4部分組成，4個部分互相配合完成平臺升降。多功能地質(zhì)勘察平臺主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 多功能地質(zhì)勘察平臺主要技術(shù)參數(shù)

2 模塊連接方式

2.1 模塊連接方式概述

多功能地質(zhì)勘察平臺甲板總面積225 m2，將整個甲板拆分為5個模塊，每個模塊總長15 m，型寬3 m，模塊與模塊之間通過連接機構(gòu)，橫向水平兩端齊平連接為一整體。升降模塊采取外掛的形式通過連接機構(gòu)與甲板連接在一起(如圖1所示)。模塊化的結(jié)構(gòu)不但易于生產(chǎn)加工，而且對生產(chǎn)加工環(huán)境要求較低，一般中小型加工車間就可完成，更重要的是標準模塊化的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了陸路運輸，方便快捷，大大降低了運輸成本。

圖1 模塊組合連接示意圖

2.2 模塊連接方式優(yōu)化設計

模塊連接形式選擇取決于其作用、安全、作業(yè)、建造及維修費用及可能的美觀需求，其它諸如業(yè)主的要求、設計師的傾向或已形成的慣例都可能影響結(jié)構(gòu)型式的選擇。模塊連接方式參考“探海1號”大陸架科學鉆探平臺，分為模塊上部連接和模塊下部連接，模塊上部連接采取銷軸橫向連接，模塊下部采取垂直銷軸與軸套配合連接。但是通過“探海1號”大陸架科學鉆探平臺的應用，模塊下部連接由于承重塊的存在(見圖2)，造成模塊底面不平。帶來的不利因素首先是不利于長途運輸，因為下連接承重塊的存在，模塊與運輸車輛之間的接觸面積減少，長途運輸中容易造成滑脫，存在安全隱患；其次導致平臺下水期間兩種預設下水方案氣囊下水失效(將橡膠氣囊放于平臺甲板底部，氣泵將氣囊充滿空氣，由平臺重力帶動整個平臺在氣囊的支撐下實現(xiàn)移動并下水，但是由于下連接承重塊的存在會導致氣囊破損。)和預設軌道利用滾筒的滾動下水難度加大(由于下連接承重塊的存在，滾筒的滾動滿足不了連續(xù)性，需滾筒滾動相鄰兩個承重塊之間的間距后再移動滾筒，重復調(diào)整滾筒，直至平臺下水。)，平臺下水困難。為此我們對模塊下部連接進行了優(yōu)化設計(參見圖3)，將下連接承重塊進行隱藏設計，使承重塊與甲板模塊的內(nèi)部框架實現(xiàn)有效集成，很好地解決了承重塊外露所帶來的不利因素。并且由于下連接承重塊的隱藏設計使下連接軸套一側(cè)變短形成缺口，此缺口在甲板模塊組裝時作為定位孔(見圖4)，起定位作用，平臺組裝更加高效便捷。

圖2 “探海1號”模塊下部連接示意圖

圖3 多功能地質(zhì)勘察平臺模塊下部連接示意圖

圖4 下連接軸套(定位孔)實景圖

3 升降模塊的設計

升降模塊作為樁體的核心部位，其上集成了油缸、油管、平衡閥等液壓元件及相關(guān)部件，為平臺的升降提供動力。

升降模塊上的主油缸通過銷軸與移動梁連接，使其成為一個整體。主油缸采取倒置形式，升平臺時主油缸伸出，帶動移動梁順樁腿上移，油缸回收時即平臺上升。此上升方式，不需要固樁架，升降模塊與平臺甲板實現(xiàn)相鄰連接，既節(jié)省了平臺甲板的使用面積又增加了樁腿間的跨度，提高了平臺的穩(wěn)定性(參見圖5)。

1—移動梁；2—上插銷橫梁；3—上插銷油缸；4—主油缸；5—備用插銷孔；6—下插銷橫梁；7—下插銷油缸；8—模塊上連接件；9—升降模塊；10—模塊下連接件

圖5升降模塊、移動梁組合示意圖

起升原理：升降模塊通過模塊上連接件、模塊下連接件與平臺甲板連接固定，上下插銷油缸處于伸出狀態(tài)即上下插銷處于打開狀態(tài)，主油缸處于收回狀態(tài)。通過電控液壓系統(tǒng)輸出“主油缸伸出”指令，此時移動梁由主油缸推動上移，主油缸伸出1 m(主油缸行程為0～1 m，樁腿上的插銷孔間距為1 m，首次起升平臺時根據(jù)樁腿上的插銷孔位置不同，主油缸伸出0～1 m，進行初次起升定位。)到達指定位置，上插銷油缸執(zhí)行收回動作，同時帶動上插銷橫梁將上插銷插入插銷孔(上插銷經(jīng)過升降模塊插銷孔插入樁腿插銷孔)，動作執(zhí)行完畢，收回主油缸(此時上插銷受力，平臺重力通過上插銷傳遞給樁腿，樁腿處于承重狀態(tài))，行程1 m(初次起升0～1 m)，到達指定位置后，下插銷油缸執(zhí)行收回動作，同時帶動下插銷橫梁將下插銷插入插銷孔。點動指令開關(guān)伸出主油缸使下插銷受力，上插銷泄力(此時下插銷受力，平臺重力通過下插銷傳遞給樁腿，樁腿依然處于承重狀態(tài))。繼續(xù)通過電控液壓系統(tǒng)發(fā)出指令，伸出上插銷油缸帶動上插銷橫梁拔出上插銷，再次伸出主油缸使移動梁上移，重復以上操作執(zhí)行升平臺動作。

4 樁靴

由于不同的海洋環(huán)境和工程需要，海上平臺的類型很多。按運動方式分主要有固定式、半固定式、漂浮式等。按照適用范圍、功能，這幾種類型平臺又分別適用于不同海域和施工領(lǐng)域。為適應海底地貌和土質(zhì)的不同情況，固定式的平臺樁腿下端部可設計成插樁型、箱型、沉墊型。樁腿下端部結(jié)構(gòu)設計成單獨帶樁腿箱，亦稱樁靴(Footing)。

4.1 樁靴的作用

樁靴一般說可兼顧軟硬地基的要求，對較硬的海底，樁靴設計成具有較小的支承面，甚至略帶錐形；對較軟的海底，樁靴的平面形狀有圓形、方形、多邊形等。其作用有2個：一是為了保護樁腿；二是增大樁腿下端面面積，增加承載力，避免在強大的基礎(chǔ)荷載下破壞持力層而發(fā)生沉降。而多功能地質(zhì)勘察平臺樁腿下端部設計的樁靴還有一個作用就是，便于平臺固定、拔樁，最終達到快速移動孔位的目的。

4.2 樁靴結(jié)構(gòu)設計

大多數(shù)的工作載荷和環(huán)境載荷都分布在結(jié)構(gòu)上，并且通過加強板或外殼傳入結(jié)構(gòu)內(nèi)。上部工作平臺的巨大載荷作用到樁靴上，樁靴底部端面會牢牢地與土層“粘合”在一起，拔出時需要克服土層強大的吸附力，不僅耗時費力，而且拔樁時樁靴的損壞率往往非常高，甚至不能順利拔樁，需要與樁腿切割分離，造成資源浪費。

此次為多功能地質(zhì)勘察平臺設計建造的樁靴由下支撐臺、上壓板框及若干個活動下支撐板組成，結(jié)構(gòu)獨特、容易拆裝(參見圖6)。樁靴的下支撐臺及上壓板框都采用了無底面框架式的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點及作用是：下支撐臺采用漏斗狀倒梯形臺無底面框架結(jié)構(gòu)，使用時其底部與土層為斜插入狀，有利于減小土層的吸附力，減輕拆卸負載；而上壓板框也采用無底面框架式結(jié)構(gòu)，在進行拔樁上移過程中，壓在上壓板框上部表面的土層或水通過框架空隙直接下壓到活動下支撐板上，使活動下支撐板向下傾斜變形，更好更快地完成拔樁過程。

樁靴工作原理：樁靴安裝使用時，活動下支撐板會向上貼緊上壓板框，使整個樁靴底部呈平底狀，底部的下支撐臺及活動下支撐板切入土層中，承受來自上部工作平臺的巨大荷載，在上壓板框的作用下，活動下支撐板平展開與土層牢牢附和，從而固定樁身。施工完成后需要拔樁移動平臺挪動孔位，在向上拔起樁腿時，由于樁腿是通過樁靴上的樁腿連接總成與接管、下支撐臺、上壓板框固定連接的，當樁腿帶著樁靴一同向上拔出時，由于土層的強大吸附力，土層會粘著平底狀的活動下支撐板迫使其暫時的“延時”上移，而由于活動下支撐板與下支撐臺是活動連接的，因此此時活動下支撐板會脫離上壓板框而向下傾斜變形，如圖7所示活動下支撐板處于傾斜打開狀態(tài)，傾斜狀態(tài)下的活動下支撐板的四周形成一定的空間間隙，周圍的水或空氣會涌入該空間內(nèi)，降低土層對活動下支撐板表面的強大吸附力，減輕樁靴的負載，從而使整個樁靴能夠順利地拔出。

1—樁腿連接總成；2—接管；3—下支撐臺；4—上壓板框；5—活動下支撐板；6—立板

圖6樁靴結(jié)構(gòu)示意圖

此樁靴結(jié)構(gòu)設計，改變了樁靴都是“平底”、“錐形底”的傳統(tǒng)技術(shù)觀念，確保了拔樁成功率，拔樁效率提高，樁靴的損壞率大大降低，能夠節(jié)約大量寶貴資源。

5 工程應用

多功能地質(zhì)勘察平臺于2016年10月完成建造工作，通過陸路運輸至福建福清距離項目海域較近的碼頭進行組裝下水，并于2017年4月份完成福建福清海壇海峽海上風電工程第一批次2個風電樁基6個鉆孔的鉆探取樣工作。施工期間由于施工目標海域大風天氣非常頻繁，適合施工的天氣窗口期非常短，而平臺完成一次升降移動孔位僅需4 h，為海上鉆探施工爭取了寶貴的時間。平臺經(jīng)過前期論證及理論、建模計算，各項參數(shù)均滿足要求。平臺設計最大作業(yè)水深20 m，升降系統(tǒng)最大總提升力1800 kN，甲板最大載荷100 t(最大可變甲板載荷30 t)，作業(yè)工況風速6級，風暴自存風速8級。而實際施工期間目標海域最大水深17 m，其余每一項功能參數(shù)都得到極限驗證，并且平臺各項功能保持安全有效。圖8為多功能地質(zhì)勘察平臺施工現(xiàn)場圖。

圖8 多功能地質(zhì)勘察平臺施工現(xiàn)場圖

6 結(jié)語

通過平臺的實際應用，幾處關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設計得到了有效驗證，該設計對平臺功能、實用性的提升起到了較為理想的效果。

隨著海洋強國戰(zhàn)略的深入推進，海上風電、海底隧道等大型海上工程建設項目陸續(xù)啟動，多功能地質(zhì)勘察平臺是大型海上工程建設項目前期勘察施工的有效載體，市場前景廣闊。本文結(jié)合多功能地質(zhì)勘察平臺的實際建造，從設計和應用等環(huán)節(jié)入手，重點對平臺的幾處關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設計進行了探討，為今后海上中小型地質(zhì)勘察、工勘施工平臺設計建造應用奠定了較好的基礎(chǔ)，為推進海上工程建設、淺海地質(zhì)資源勘查等項目的開展提供了可靠的手段。

[1] 陳師遜,宋世杰.中國東部海區(qū)科學鉆探施工技術(shù)探討[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014,41(12):1-5.

[2] 陳建民,婁敏,王天霖.海洋石油平臺設計[M].北京:石油工業(yè)出版社，2012:76-319.

[3] 聶武,孫麗萍,李治彬，等.海洋工程鋼結(jié)構(gòu)設計[M].黑龍江哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2007:11-38.

[4] 宋寶杰，欒東平，楊芳,等.“探海1號”大陸架科學鉆探平臺的設計與應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2016,43(9)9-13.

[5] 陳師遜,楊芳.海上工程平臺的設計與應用分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2014,41(4)46-50.

[6] 楊永祥,尹群,謝祚水.船舶與海洋平臺結(jié)構(gòu)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2013:139-139.

[7] 欒東平，張英傳,宋寶杰，等.淺?？碧狡脚_的液壓升降機構(gòu)：中國，ZL201520109167.1[P].2015-08-19.

[8] 張英傳,宋寶杰，欒東平,等.淺海自升式勘探平臺：中國，ZL201520108965.2[P].2015-08-05.

DesignandApplicationoftheKeyStructuresofMulti-functionGeologicalSurveyPlatform

/SONGBao-jie,WANGLu-zhao,LUANDong-ping,SUNXiao-yu

(No.3 Exploring Institution of Geo-Mineral Resources, Shandong Province, Yantai Shandong 264004, China)

According to the experience in the design and construction application of small simple platform and “Sea-1” continental scientific drilling platform, the key structures of modular connection, lifting module and the pile shoe are designed for the multi-function geological survey platform in application. By the innovative design, the platform construction site limitation, transportation and convenient installation are solved and the efficiency of platform lifting and transportation are improved to adapt to the offshore engineering investigation project with short period and frequent relocation. Good application effects are

.

multi-function geological survey platform; modularization; modular connection; lifting module; pile shoe; offshore drilling

2017-05-10；

2017-09-22

宋寶杰，男，漢族，1985年生，機械設計專業(yè)，從事鉆探裝備工具等的研發(fā)制造等相關(guān)工作，山東省煙臺市萊山區(qū)萊山工業(yè)園捷愛斯路10號，sbj@sddksd.com。

P634

B

1672-7428(2017)11-0046-04