非開(kāi)挖技術(shù)在自升式平臺(tái)救助中的應(yīng)用

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(tái)的使用越來(lái)越廣泛。自升式平臺(tái)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(duì)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(duì)海底泥質(zhì)的取樣分析成本較高，很多自升式平臺(tái)在插樁前省略了底質(zhì)分析過(guò)程，出現(xiàn)樁腿入泥較深，通過(guò)沖樁系統(tǒng)設(shè)備無(wú)法破壞靴底吸附力的情況。針對(duì)此種問(wèn)題，本文介紹了一種使用非開(kāi)挖設(shè)備的外沖樁技術(shù)來(lái)破壞自升式平臺(tái)靴底吸附力，為以后遇到的類(lèi)似問(wèn)題提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：非開(kāi)挖;救助;自升式平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：U656.6? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）04-0136-04

1概述

海上自升式平臺(tái)自1954年問(wèn)世以來(lái)[1]，主要應(yīng)用在海上油氣開(kāi)采中，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，鉆井平臺(tái)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(kāi)采最常使用的平臺(tái)。近年來(lái)隨著世界各界對(duì)清潔能源的重視，海上風(fēng)電市場(chǎng)得到了大力開(kāi)發(fā)，先進(jìn)的自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)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(tái)由一個(gè)漂浮的三角形或矩形平臺(tái)組成，該平臺(tái)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(guò)齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)或液壓油缸升樁系統(tǒng)操作樁腿順艙面上下移動(dòng)，并將自身的船體升到水面以上[2]。這種平臺(tái)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(méi)有橫搖、縱搖和垂蕩的問(wèn)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(tái)在使用過(guò)程中相對(duì)浮式平臺(tái)也存在著較大的風(fēng)險(xiǎn)和隱患[3-4]，如插樁過(guò)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(wú)法拔樁的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)無(wú)法拔樁的問(wèn)題，通常情況下是通過(guò)可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)周的持續(xù)沖樁來(lái)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(lái)輔助挖泥，更嚴(yán)重的時(shí)候只能通過(guò)切割樁腿來(lái)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(kāi)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(xiàn)施工方法相結(jié)合在20世紀(jì)80年代中后期發(fā)展起來(lái)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(zhǎng)度長(zhǎng)（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(kāi)挖條件下的煤氣、電力等管線(xiàn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)挖技術(shù)在千斤穿引方面得到了廣泛的使用。

針對(duì)某自升式平臺(tái)無(wú)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(kāi)挖技術(shù)被引入到平臺(tái)拔樁救助上，根據(jù)實(shí)際施工情況，該技術(shù)在平臺(tái)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(tái)解決類(lèi)似問(wèn)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(duì)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(tái)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(guò)3000t。因此，只要破壞了靴底的吸附力，拔樁所需的力就會(huì)大大降低。為此，自升式平臺(tái)針對(duì)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(wú)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(lái)解救平臺(tái)。

2.2 定向鉆機(jī)工作原理

如圖4所示為常用的非開(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)挖定向鉆鉆頭最前面的鉆桿采用帶有斜面的非對(duì)稱(chēng)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(jiàn)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(tái)系統(tǒng)沖樁設(shè)備無(wú)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(kāi)挖定向鉆破壞吸附力的工作原理為通過(guò)定向鉆對(duì)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(dòng)鋼絲分割靴底與淤泥，通過(guò)引入空氣管在靴底外部進(jìn)行沖樁。

該方法的具體施工過(guò)程如下：

（1）兩艘?guī)в薪g車(chē)的工作船分別在遇險(xiǎn)平臺(tái)兩側(cè)就位，工作船1正對(duì)平臺(tái)的一側(cè)布置一臺(tái)非開(kāi)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(guò)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(duì)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(kāi)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(dòng)船位，拉動(dòng)鋼絲，使鋼絲沿著靴底在與鋼絲垂直的水平方向上移動(dòng)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(tái)遇險(xiǎn)，使用常規(guī)方法無(wú)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(lái)。

工作船及各設(shè)備就位后，非開(kāi)挖定向鉆開(kāi)始攻穿作業(yè)，經(jīng)過(guò)一番嘗試后，定向鉆成功將頂管從平臺(tái)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(guò)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(yǔ)

在國(guó)內(nèi)，自升式平臺(tái)的使用越來(lái)越多，由于自升式平臺(tái)自身的特點(diǎn)，在使用過(guò)程中總會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題。針對(duì)拔樁困難，本文提出了一種相對(duì)可靠、有效的破壞靴底吸附力的方法。相對(duì)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(duì)于遇到拔樁困難的自升式平臺(tái)，該方案可以作為一個(gè)參考。

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