楊鵬 易欠 陳世海

摘 要：隨著海洋工程的發(fā)展，特別是海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，自升式平臺的使用越來越廣泛。自升式平臺工作時(shí)是靠其樁腿支撐站立在海底的，樁腿的入泥深度受海底泥質(zhì)的影響較大，因此每次站樁前都需要對海底泥質(zhì)進(jìn)行計(jì)算和分析以確保插樁的安全性。由于對海底泥質(zhì)的取樣分析成本較高，很多自升式平臺在插樁前省略了底質(zhì)分析過程，出現(xiàn)樁腿入泥較深，通過沖樁系統(tǒng)設(shè)備無法破壞靴底吸附力的情況。針對此種問題，本文介紹了一種使用非開挖設(shè)備的外沖樁技術(shù)來破壞自升式平臺靴底吸附力，為以后遇到的類似問題提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：非開挖;救助;自升式平臺

中圖分類號：U656.6? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）04-0136-04

1概述

海上自升式平臺自1954年問世以來[1]，主要應(yīng)用在海上油氣開采中，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，鉆井平臺在工作水深、抗風(fēng)暴能力和操縱能力上取得了巨大進(jìn)步，成為油氣開采最常使用的平臺。近年來隨著世界各界對清潔能源的重視，海上風(fēng)電市場得到了大力開發(fā)，先進(jìn)的自升式風(fēng)電安裝平臺也成為當(dāng)前近海大型施工作業(yè)的主要裝備。典型的自升式平臺由一個(gè)漂浮的三角形或矩形平臺組成，該平臺支撐在三個(gè)或四個(gè)獨(dú)立的樁腿上，其上均勻分布艙面和設(shè)備的自重。通過齒輪齒條傳動系統(tǒng)或液壓油缸升樁系統(tǒng)操作樁腿順艙面上下移動，并將自身的船體升到水面以上[2]。這種平臺在工作時(shí)由于主船體在海面以上，所以不受波浪和水流的影響，沒有橫搖、縱搖和垂蕩的問題，主船體只受風(fēng)的影響，所以能適應(yīng)比較惡劣的海況。然而自升式平臺在使用過程中相對浮式平臺也存在著較大的風(fēng)險(xiǎn)和隱患[3-4]，如插樁過程中的穿刺風(fēng)險(xiǎn)，“踩腳印”滑移風(fēng)險(xiǎn)和樁腿入泥較深，無法拔樁的風(fēng)險(xiǎn)。針對無法拔樁的問題，通常情況下是通過可能長達(dá)數(shù)周的持續(xù)沖樁來破壞樁靴底部的海土結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重的時(shí)候出現(xiàn)沖樁孔堵塞還需要挖泥船來輔助挖泥，更嚴(yán)重的時(shí)候只能通過切割樁腿來救助船體。以上這些方法耗時(shí)且成本巨大，業(yè)界急需更為經(jīng)濟(jì)有效的拔樁救助方法。

非開挖水平定向鉆進(jìn)技術(shù)是將石油工業(yè)的定向鉆進(jìn)技術(shù)和傳統(tǒng)的管線施工方法相結(jié)合在20世紀(jì)80年代中后期發(fā)展起來的一項(xiàng)管道施工新技術(shù)，因其能在一定范圍內(nèi)控制鉆進(jìn)方向，具有鉆進(jìn)長度長（大于1000米），鉆進(jìn)深度深（大于50米）等優(yōu)點(diǎn)，在穿越河流、湖泊以及鬧市區(qū)、古跡保護(hù)區(qū)等不允許或不能開挖條件下的煤氣、電力等管線的鋪設(shè)受到廣泛的應(yīng)用[6]。早在2008年“奧圣65”輪打撈中，上海打撈局即將非開挖技術(shù)引用到沉船打撈攻船千斤的作業(yè)中，以往一周才能穿引一根千斤，使用非開挖設(shè)備后4小時(shí)能穿引一根千斤，施工效率得到了? 大大提高。隨后在歷次沉船打撈中，非開挖技術(shù)在千斤穿引方面得到了廣泛的使用。

針對某自升式平臺無法拔樁的救助項(xiàng)目，結(jié)合拔樁的特點(diǎn)和沉船打撈中攻船千斤的經(jīng)驗(yàn)[8]，非開挖技術(shù)被引入到平臺拔樁救助上，根據(jù)實(shí)際施工情況，該技術(shù)在平臺輔助拔樁上效果顯著，經(jīng)濟(jì)性較好，可作為以后自升式平臺解決類似問題的參考方法。

2工作原理

2.1 樁靴受力

樁靴上拔的總阻力主要是由于樁靴底部吸附力、樁靴側(cè)面摩擦力、樁靴上部覆土的重力和樁靴土體的剪切破壞力組成，對于入泥深度較淺的樁腿，底部吸附力在所有受力中起主導(dǎo)作用[2][5-9]。以某遇險(xiǎn)平臺為例，其所處水深15米，樁靴入泥7米，樁腿自重900t，最終樁重、靴面覆土和摩擦力的總和在1000t-1100t之間，而單吸附力超過3000t。因此，只要破壞了靴底的吸附力，拔樁所需的力就會大大降低。為此，自升式平臺針對設(shè)置有沖樁系統(tǒng)，然而在實(shí)際使用中，經(jīng)常出現(xiàn)靴底的沖樁口被板結(jié)的淤泥堵塞的情況。有時(shí)甚至常用的設(shè)計(jì)為5MPa的高壓水也無法沖通，為此不得不采用挖泥甚至割樁腿等成本巨大的作業(yè)來解救平臺。

2.2 定向鉆機(jī)工作原理

如圖4所示為常用的非開挖定向鉆設(shè)備，其工作原理為由液壓系統(tǒng)提供的壓力通過鉆桿作用在鉆頭上，當(dāng)推進(jìn)力大于土壤作用在鉆頭和鉆桿表面的阻力時(shí)，便可以擠壓土壤形成孔洞。為減小鉆桿受到的阻力，冷卻孔底鉆具，攜帶鉆屑排到泥面，在鉆進(jìn)過程中，鉆進(jìn)泥漿由鉆桿頂部的泥漿孔噴出[10-13]。鉆桿為直柱形，連接部位在頭尾部，為螺紋連接。 如圖5所示為非開挖定向鉆鉆頭最前面的鉆桿采用帶有斜面的非對稱式鉆頭，當(dāng)鉆頭勻速回轉(zhuǎn)時(shí)，由于鉆頭所受土層壓力方向沿圓周均勻變化，因此軌跡基本為直向鉆進(jìn);當(dāng)鉆桿只給進(jìn)步回轉(zhuǎn)時(shí)，鉆頭斜面受土層壓力較大，軌跡通常為順鉆頭斜面方向，從而達(dá)到改變軌跡的效果（見圖6）。

3 定向鉆破壞樁底吸附力外沖樁救助方案

當(dāng)使用平臺系統(tǒng)沖樁設(shè)備無法有效破壞樁靴底部的吸附力，則需要考慮采用其他形式從外部破壞樁靴底部的吸附力。非開挖定向鉆破壞吸附力的工作原理為通過定向鉆對著從樁靴靴底穿引一根鋼絲，收緊鋼絲使鋼絲貼近靴底，橫向拉動鋼絲分割靴底與淤泥，通過引入空氣管在靴底外部進(jìn)行沖樁。

該方法的具體施工過程如下：

（1）兩艘?guī)в薪g車的工作船分別在遇險(xiǎn)平臺兩側(cè)就位，工作船1正對平臺的一側(cè)布置一臺非開挖定向鉆設(shè)備。定向鉆頂桿出口處布置一根導(dǎo)向鋼管，鋼管一段固定在舷側(cè)，一段在海底，鋼管由吊機(jī)和牽引鋼絲固定。

（2）設(shè)備就位后，定向鉆根據(jù)設(shè)計(jì)的軌跡進(jìn)行頂管頂進(jìn)作業(yè)，鉆頭通過靴底后拐彎向向頂進(jìn)直至頂桿在兩樁靴間出泥面。

（3）隨后使用空壓機(jī)對頂管內(nèi)部充氣，高壓氣在鉆頭出溢出，在水面冒出氣泡。潛水員入水，根據(jù)氣泡的位置找到頂管出泥位置，并將其由工作船2上牽引的小鋼絲與頂管端部用連接。

（4）非開挖設(shè)備回收頂管，將小鋼絲拉回至工作船1上。兩艘工作船抽拉鋼絲，小鋼絲更換大鋼絲，收緊鋼絲使鋼絲與靴底貼緊。

（5）移動船位，拉動鋼絲，使鋼絲沿著靴底在與鋼絲垂直的水平方向上移動一定的距離，破壞靴底與泥之間的吸附力。

（6）順著鋼絲下放一根充氣管，將充氣管的端部拉進(jìn)靴底。充氣管就位后，連接大流量空壓機(jī)進(jìn)行沖樁，進(jìn)一步破壞靴底的吸附力。

4實(shí)際案例

2020年某自升式工作平臺遇險(xiǎn)，使用常規(guī)方法無法完成拔樁作業(yè)。根據(jù)沉船打撈的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，上海打撈局創(chuàng)新地將水平定向鉆引入到破壞樁靴底部吸附力的作業(yè)中來。

工作船及各設(shè)備就位后，非開挖定向鉆開始攻穿作業(yè)，經(jīng)過一番嘗試后，定向鉆成功將頂管從平臺兩樁靴間頂出，隨后進(jìn)行充氣，海面出現(xiàn)氣泡。潛水員根據(jù)預(yù)算布置在兩樁腿間導(dǎo)向鋼絲和氣泡的聲音很快就找到頂管鉆頭位置，成功將另一艘工程船上的鋼絲與頂管連接。經(jīng)過近十小時(shí)的鋼絲更換、橫向抽拉和氣管牽引，十幾個(gè)小時(shí)的外沖樁，靴底的吸附力完全破壞，樁腿可以順利拔出。

5結(jié)語

在國內(nèi)，自升式平臺的使用越來越多，由于自升式平臺自身的特點(diǎn)，在使用過程中總會遇到各種各樣的問題。針對拔樁困難，本文提出了一種相對可靠、有效的破壞靴底吸附力的方法。相對于傳統(tǒng)挖泥成本高、工作量大、風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)，實(shí)踐證明該方案安全可靠。對于遇到拔樁困難的自升式平臺，該方案可以作為一個(gè)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳宏，李春祥.自升式鉆井平臺的發(fā)展綜述[J].中國海洋平臺，2007（06）：1-6.

[2]張浦陽.海上自升式鉆井平臺插/拔樁機(jī)理及新型樁靴靜/動承載力研究[D].天津大學(xué)，2009.

[3]柳立峰.自升式淺海作業(yè)平臺風(fēng)險(xiǎn)淺析[J].中國化工貿(mào)易，2014（3）：62+67.

[4]徐文祥.自升式平臺在黏土中插樁風(fēng)險(xiǎn)的研究[D]，湖南大學(xué)，2019.

[5]任憲剛，李春第，楊紅敏.海洋自升式鉆井平臺樁靴研究[J]石油礦場機(jī)械，2009（12）：18-22.

[6]王樂，李康康.自升式風(fēng)電平臺沖樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].船舶，2019（2）：114-120.

[7]崔偉，成穎媛.自升式平臺拔樁問題分析[J].船海工程，2015（11）：156-158.

[8]蔡勝利，張福，馮利杰，杜淵，趙建幫.自升式鉆井平臺沖樁系統(tǒng)技術(shù)分析及優(yōu)化方案[J].石油礦場機(jī)械，2012（10）：64-68.

[9]許猛.自升式平臺拔樁淺析[J].化工管理，2015（3）：131-131.

[10]候樹剛，陳靜.非開挖技術(shù)的發(fā)展研究[J].科技進(jìn)步與對策，2003（1）：232-233.

[11]王朝建，花蓉.GBS-40型非開挖鋪管鉆機(jī)的研制與應(yīng)用 [J].探礦工程：巖土鉆掘工程，2009（1）：334-337.

[12]張偉，周緒強(qiáng)，婁睿.非開挖水平定向鉆機(jī)在沉船打撈中的應(yīng)用[J].科技和產(chǎn)業(yè)，2013（7）：136-139+158.

[13]薛尚文，焦志鑫，洪嘯虎，黃鎳.水平定向鉆機(jī)作業(yè)原理概述[J].機(jī)械制造與自動化，2013（2）：20-21.