多功能地質(zhì)勘察平臺(tái)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)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(tái) 264004)

多功能地質(zhì)勘察平臺(tái)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)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(tái) 264004)

本文結(jié)合小型簡(jiǎn)易式平臺(tái)、“探海1號(hào)”大陸架科學(xué)鉆探平臺(tái)等設(shè)計(jì)建造應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)多功能地質(zhì)勘察平臺(tái)模塊化連接、升降模塊以及樁靴等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及應(yīng)用，創(chuàng)新設(shè)計(jì)解決了平臺(tái)建造場(chǎng)地限制、運(yùn)輸、方便安裝等問(wèn)題，提高了平臺(tái)升降、遷移的效率，以適應(yīng)短周期、需頻繁移動(dòng)平臺(tái)的海上工程勘察項(xiàng)目。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用效果良好。

多功能地質(zhì)勘察平臺(tái)；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(tái)的選擇，選擇平臺(tái)要根據(jù)工程需要、環(huán)境條件、安全和經(jīng)濟(jì)等因素。海上風(fēng)電基礎(chǔ)勘察，鉆探施工孔淺，一個(gè)樁基需在不同位置鉆探多個(gè)勘察孔，所以平臺(tái)需頻繁移動(dòng)。為了滿(mǎn)足平臺(tái)長(zhǎng)途運(yùn)輸、適應(yīng)施工周期短、需頻繁移動(dòng)孔位的需求以及建造場(chǎng)地限制、輕量化、運(yùn)輸安裝方便節(jié)約等需求，我院結(jié)合前期小型平臺(tái)、“探海1號(hào)”大陸架科學(xué)鉆探平臺(tái)等設(shè)計(jì)建造應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，參考自升式石油鉆井平臺(tái)(自升式平臺(tái)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(yīng)用)，對(duì)多功能地質(zhì)勘察平臺(tái)模塊連接方式、樁靴等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，成功解決了平臺(tái)移動(dòng)靈活，組裝運(yùn)輸便捷的問(wèn)題。

由我院自主研發(fā)設(shè)計(jì)并建造的多功能地質(zhì)勘察平臺(tái)于2016年順利交付，并應(yīng)用于福建福清海壇海峽海上風(fēng)電工程。

1 概況

多功能地質(zhì)勘察平臺(tái)主要由2部分組成，分別為甲板和樁體。甲板總長(zhǎng)15 m，型寬15 m，型深1 m，總面積225 m2，由5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊通過(guò)連接機(jī)構(gòu)連接為一個(gè)整體。樁體主要由電控液壓系統(tǒng)、移動(dòng)梁、升降模塊、樁腿(樁靴)等4部分組成，4個(gè)部分互相配合完成平臺(tái)升降。多功能地質(zhì)勘察平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 多功能地質(zhì)勘察平臺(tái)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(tái)甲板總面積225 m2，將整個(gè)甲板拆分為5個(gè)模塊，每個(gè)模塊總長(zhǎng)15 m，型寬3 m，模塊與模塊之間通過(guò)連接機(jī)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(guò)連接機(jī)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(duì)生產(chǎn)加工環(huán)境要求較低，一般中小型加工車(chē)間就可完成，更重要的是標(biāo)準(zhǔn)模塊化的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了陸路運(yùn)輸，方便快捷，大大降低了運(yùn)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(shè)計(jì)

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(fèi)用及可能的美觀(guān)需求，其它諸如業(yè)主的要求、設(shè)計(jì)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(hào)”大陸架科學(xué)鉆探平臺(tái)，分為模塊上部連接和模塊下部連接，模塊上部連接采取銷(xiāo)軸橫向連接，模塊下部采取垂直銷(xiāo)軸與軸套配合連接。但是通過(guò)“探海1號(hào)”大陸架科學(xué)鉆探平臺(tái)的應(yīng)用，模塊下部連接由于承重塊的存在(見(jiàn)圖2)，造成模塊底面不平。帶來(lái)的不利因素首先是不利于長(zhǎng)途運(yùn)輸，因?yàn)橄逻B接承重塊的存在，模塊與運(yùn)輸車(chē)輛之間的接觸面積減少，長(zhǎng)途運(yùn)輸中容易造成滑脫，存在安全隱患；其次導(dǎo)致平臺(tái)下水期間兩種預(yù)設(shè)下水方案氣囊下水失效(將橡膠氣囊放于平臺(tái)甲板底部，氣泵將氣囊充滿(mǎn)空氣，由平臺(tái)重力帶動(dòng)整個(gè)平臺(tái)在氣囊的支撐下實(shí)現(xiàn)移動(dòng)并下水，但是由于下連接承重塊的存在會(huì)導(dǎo)致氣囊破損。)和預(yù)設(shè)軌道利用滾筒的滾動(dòng)下水難度加大(由于下連接承重塊的存在，滾筒的滾動(dòng)滿(mǎn)足不了連續(xù)性，需滾筒滾動(dòng)相鄰兩個(gè)承重塊之間的間距后再移動(dòng)滾筒，重復(fù)調(diào)整滾筒，直至平臺(tái)下水。)，平臺(tái)下水困難。為此我們對(duì)模塊下部連接進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)(參見(jiàn)圖3)，將下連接承重塊進(jìn)行隱藏設(shè)計(jì)，使承重塊與甲板模塊的內(nèi)部框架實(shí)現(xiàn)有效集成，很好地解決了承重塊外露所帶來(lái)的不利因素。并且由于下連接承重塊的隱藏設(shè)計(jì)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(shí)作為定位孔(見(jiàn)圖4)，起定位作用，平臺(tái)組裝更加高效便捷。

圖2 “探海1號(hào)”模塊下部連接示意圖

圖3 多功能地質(zhì)勘察平臺(tái)模塊下部連接示意圖

圖4 下連接軸套(定位孔)實(shí)景圖

3 升降模塊的設(shè)計(jì)

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(tái)的升降提供動(dòng)力。

升降模塊上的主油缸通過(guò)銷(xiāo)軸與移動(dòng)梁連接，使其成為一個(gè)整體。主油缸采取倒置形式，升平臺(tái)時(shí)主油缸伸出，帶動(dòng)移動(dòng)梁順樁腿上移，油缸回收時(shí)即平臺(tái)上升。此上升方式，不需要固樁架，升降模塊與平臺(tái)甲板實(shí)現(xiàn)相鄰連接，既節(jié)省了平臺(tái)甲板的使用面積又增加了樁腿間的跨度，提高了平臺(tái)的穩(wěn)定性(參見(jiàn)圖5)。

1—移動(dòng)梁；2—上插銷(xiāo)橫梁；3—上插銷(xiāo)油缸；4—主油缸；5—備用插銷(xiāo)孔；6—下插銷(xiāo)橫梁；7—下插銷(xiāo)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(dòng)梁組合示意圖

起升原理：升降模塊通過(guò)模塊上連接件、模塊下連接件與平臺(tái)甲板連接固定，上下插銷(xiāo)油缸處于伸出狀態(tài)即上下插銷(xiāo)處于打開(kāi)狀態(tài)，主油缸處于收回狀態(tài)。通過(guò)電控液壓系統(tǒng)輸出“主油缸伸出”指令，此時(shí)移動(dòng)梁由主油缸推動(dòng)上移，主油缸伸出1 m(主油缸行程為0～1 m，樁腿上的插銷(xiāo)孔間距為1 m，首次起升平臺(tái)時(shí)根據(jù)樁腿上的插銷(xiāo)孔位置不同，主油缸伸出0～1 m，進(jìn)行初次起升定位。)到達(dá)指定位置，上插銷(xiāo)油缸執(zhí)行收回動(dòng)作，同時(shí)帶動(dòng)上插銷(xiāo)橫梁將上插銷(xiāo)插入插銷(xiāo)孔(上插銷(xiāo)經(jīng)過(guò)升降模塊插銷(xiāo)孔插入樁腿插銷(xiāo)孔)，動(dòng)作執(zhí)行完畢，收回主油缸(此時(shí)上插銷(xiāo)受力，平臺(tái)重力通過(guò)上插銷(xiāo)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(dá)指定位置后，下插銷(xiāo)油缸執(zhí)行收回動(dòng)作，同時(shí)帶動(dòng)下插銷(xiāo)橫梁將下插銷(xiāo)插入插銷(xiāo)孔。點(diǎn)動(dòng)指令開(kāi)關(guān)伸出主油缸使下插銷(xiāo)受力，上插銷(xiāo)泄力(此時(shí)下插銷(xiāo)受力，平臺(tái)重力通過(guò)下插銷(xiāo)傳遞給樁腿，樁腿依然處于承重狀態(tài))。繼續(xù)通過(guò)電控液壓系統(tǒng)發(fā)出指令，伸出上插銷(xiāo)油缸帶動(dòng)上插銷(xiāo)橫梁拔出上插銷(xiāo)，再次伸出主油缸使移動(dòng)梁上移，重復(fù)以上操作執(zhí)行升平臺(tái)動(dòng)作。

4 樁靴

由于不同的海洋環(huán)境和工程需要，海上平臺(tái)的類(lèi)型很多。按運(yùn)動(dòng)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(lèi)型平臺(tái)又分別適用于不同海域和施工領(lǐng)域。為適應(yīng)海底地貌和土質(zhì)的不同情況，固定式的平臺(tái)樁腿下端部可設(shè)計(jì)成插樁型、箱型、沉墊型。樁腿下端部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成單獨(dú)帶樁腿箱，亦稱(chēng)樁靴(Footing)。

4.1 樁靴的作用

樁靴一般說(shuō)可兼顧軟硬地基的要求，對(duì)較硬的海底，樁靴設(shè)計(jì)成具有較小的支承面，甚至略帶錐形；對(duì)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(gè)：一是為了保護(hù)樁腿；二是增大樁腿下端面面積，增加承載力，避免在強(qiáng)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(tái)樁腿下端部設(shè)計(jì)的樁靴還有一個(gè)作用就是，便于平臺(tái)固定、拔樁，最終達(dá)到快速移動(dòng)孔位的目的。

4.2 樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(guò)加強(qiáng)板或外殼傳入結(jié)構(gòu)內(nèi)。上部工作平臺(tái)的巨大載荷作用到樁靴上，樁靴底部端面會(huì)牢牢地與土層“粘合”在一起，拔出時(shí)需要克服土層強(qiáng)大的吸附力，不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且拔樁時(shí)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(fèi)。

此次為多功能地質(zhì)勘察平臺(tái)設(shè)計(jì)建造的樁靴由下支撐臺(tái)、上壓板框及若干個(gè)活動(dòng)下支撐板組成，結(jié)構(gòu)獨(dú)特、容易拆裝(參見(jiàn)圖6)。樁靴的下支撐臺(tái)及上壓板框都采用了無(wú)底面框架式的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)及作用是：下支撐臺(tái)采用漏斗狀倒梯形臺(tái)無(wú)底面框架結(jié)構(gòu)，使用時(shí)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(fù)載；而上壓板框也采用無(wú)底面框架式結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行拔樁上移過(guò)程中，壓在上壓板框上部表面的土層或水通過(guò)框架空隙直接下壓到活動(dòng)下支撐板上，使活動(dòng)下支撐板向下傾斜變形，更好更快地完成拔樁過(guò)程。

樁靴工作原理：樁靴安裝使用時(shí)，活動(dòng)下支撐板會(huì)向上貼緊上壓板框，使整個(gè)樁靴底部呈平底狀，底部的下支撐臺(tái)及活動(dòng)下支撐板切入土層中，承受來(lái)自上部工作平臺(tái)的巨大荷載，在上壓板框的作用下，活動(dòng)下支撐板平展開(kāi)與土層牢牢附和，從而固定樁身。施工完成后需要拔樁移動(dòng)平臺(tái)挪動(dòng)孔位，在向上拔起樁腿時(shí)，由于樁腿是通過(guò)樁靴上的樁腿連接總成與接管、下支撐臺(tái)、上壓板框固定連接的，當(dāng)樁腿帶著樁靴一同向上拔出時(shí)，由于土層的強(qiáng)大吸附力，土層會(huì)粘著平底狀的活動(dòng)下支撐板迫使其暫時(shí)的“延時(shí)”上移，而由于活動(dòng)下支撐板與下支撐臺(tái)是活動(dòng)連接的，因此此時(shí)活動(dòng)下支撐板會(huì)脫離上壓板框而向下傾斜變形，如圖7所示活動(dòng)下支撐板處于傾斜打開(kāi)狀態(tài)，傾斜狀態(tài)下的活動(dòng)下支撐板的四周形成一定的空間間隙，周?chē)乃蚩諝鈺?huì)涌入該空間內(nèi)，降低土層對(duì)活動(dòng)下支撐板表面的強(qiáng)大吸附力，減輕樁靴的負(fù)載，從而使整個(gè)樁靴能夠順利地拔出。

1—樁腿連接總成；2—接管；3—下支撐臺(tái)；4—上壓板框；5—活動(dòng)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(shè)計(jì)，改變了樁靴都是“平底”、“錐形底”的傳統(tǒng)技術(shù)觀(guān)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(yīng)用

多功能地質(zhì)勘察平臺(tái)于2016年10月完成建造工作，通過(guò)陸路運(yùn)輸至福建福清距離項(xiàng)目海域較近的碼頭進(jìn)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(fēng)電工程第一批次2個(gè)風(fēng)電樁基6個(gè)鉆孔的鉆探取樣工作。施工期間由于施工目標(biāo)海域大風(fēng)天氣非常頻繁，適合施工的天氣窗口期非常短，而平臺(tái)完成一次升降移動(dòng)孔位僅需4 h，為海上鉆探施工爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間。平臺(tái)經(jīng)過(guò)前期論證及理論、建模計(jì)算，各項(xiàng)參數(shù)均滿(mǎn)足要求。平臺(tái)設(shè)計(jì)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(fēng)速6級(jí)，風(fēng)暴自存風(fēng)速8級(jí)。而實(shí)際施工期間目標(biāo)海域最大水深17 m，其余每一項(xiàng)功能參數(shù)都得到極限驗(yàn)證，并且平臺(tái)各項(xiàng)功能保持安全有效。圖8為多功能地質(zhì)勘察平臺(tái)施工現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖8 多功能地質(zhì)勘察平臺(tái)施工現(xiàn)場(chǎng)圖

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用，幾處關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)得到了有效驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)對(duì)平臺(tái)功能、實(shí)用性的提升起到了較為理想的效果。

隨著海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，海上風(fēng)電、海底隧道等大型海上工程建設(shè)項(xiàng)目陸續(xù)啟動(dòng)，多功能地質(zhì)勘察平臺(tái)是大型海上工程建設(shè)項(xiàng)目前期勘察施工的有效載體，市場(chǎng)前景廣闊。本文結(jié)合多功能地質(zhì)勘察平臺(tái)的實(shí)際建造，從設(shè)計(jì)和應(yīng)用等環(huán)節(jié)入手，重點(diǎn)對(duì)平臺(tái)的幾處關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，為今后海上中小型地質(zhì)勘察、工勘施工平臺(tái)設(shè)計(jì)建造應(yīng)用奠定了較好的基礎(chǔ)，為推進(jìn)海上工程建設(shè)、淺海地質(zhì)資源勘查等項(xiàng)目的開(kāi)展提供了可靠的手段。

[1] 陳師遜,宋世杰.中國(guó)東部海區(qū)科學(xué)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(tái)設(shè)計(jì)[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(shè)計(jì)[M].黑龍江哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007:11-38.

[4] 宋寶杰，欒東平，楊芳,等.“探海1號(hào)”大陸架科學(xué)鉆探平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)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(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)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(tái)結(jié)構(gòu)[M].北京:國(guó)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_(tái)的液壓升降機(jī)構(gòu)：中國(guó)，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(tái)：中國(guó)，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(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)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(tái)市萊山區(qū)萊山工業(yè)園捷愛(ài)斯路10號(hào)，sbj@sddksd.com。

P634

B

1672-7428(2017)11-0046-04