自升式平台特殊工况插桩作业风险分析

王明亮

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

自升式海洋平台是一种广泛应用在海洋石油开发、风电安装、海洋牧场等领域的一种平台，平台在就位时，将桩腿插入地基，通过地基提供平台作业支撑力，完成作业后，将桩腿拔出，平台移位。在平台插桩之前，需要进行地质勘探，根据平台自身情况和地勘资料选择持力层，否则容易形成穿刺，造成平台失稳和倾覆。

随着工程用平台种类增加，插桩地基情况日趋复杂化，对平台插桩作业的风险分析难度加大，本文以某一不带桩靴的圆筒式桩腿自升式平台为例，选择一种特殊岩石基础插桩工况，对插桩作业风险进行分析，为工程施工提供理论建议，为类似工况风险分析提供参考。

1 平台简介

平台主要参数见表1，平台模型图见图1。

表1 平台主要参数

图1 平台模型图

2 地基情况简介

经过基础开挖、插桩位置炸礁后，形成一个桩腿内侧距离1:0.75、坡肩安全距离为4米的平台，此时桩腿直接插在岩石表面，插桩位置示意图见图2。

图2 插桩位置示意图

对于这种插桩工况，插桩位置两侧均为爆破之后的岩石边坡，岩体边坡由中风化白云岩构成，岩体基本性质如下：

灰色，隐晶质结构，中厚层状构造，节理裂隙较发育，岩体破碎～较完整，岩芯呈短柱状，块状，岩质坚硬，局部见有溶蚀现象。按岩体完整程度中风化白云岩属较破碎岩体；按岩石坚硬程度分类，中风化白云岩为较硬岩；岩体基本质量等级为Ⅳ级。分析的重点在于抛石船桩腿插桩深度和岩质边坡稳定性评估。

3 桩腿插入深度分析及水平抗力计算

3.1 桩腿插入深度分析

桩腿的插入深度取决于插桩力强度与岩石地基承载力的对比，因此，对于桩腿的插桩力强度和岩石地基承载力分别进行分析。

3.1.1 桩腿插桩力强度

桩腿为圆柱形，底部无桩靴，内部分布有“兴”字兴刚性分隔板，见图3。

图3 桩腿底部

经过计算可知：

桩腿端部净截面：A=0.812m2，桩腿全截面面积：A= 6.158m2。

按照桩端净截面计算的最大插桩力强度为：

2200*9.81/0.812=26.58MPa；

按照全截面计算的最大插桩力强度为：

2200*9.81/6.158=3.50MPa；

在 1200 吨插桩力的作用下：

按照桩端净截面计算的最大插桩力强度为：

1200*9.81/0.812=14.50MPa；

按照全截面计算的最大插桩力强度为：

1200*9.81/6.158=1.91MPa。

3.1.2 岩石地基承载力

岩石地基承载力计算公式如下:

fa=ψrfrk

其中：ψr为岩石地基承载力折减系数，frk为岩石饱和单轴抗压强度，根据地勘报告，对于中风化白云岩，单轴抗压强度为frk= 34.21MPa ，岩体完整性等级为较破碎～较完整。

（1）对于较破碎岩体，ψr取 0.1～0.2，则岩石地基承载力为：3.42～6.84MPa,上述最小值略小于桩腿全截面受力的插桩力强度3.50MPa，但因为岩石地基承载力包含3倍的安全系数，所以插桩状态下，岩体可以承担桩腿全截面插桩力，但不足以承担桩腿净截面插桩力强度。

（2）对于较完整岩体，ψr取0.2～0.5，则岩石地基承载力为：6.84～17.11Mpa，上述最小值大于桩腿全截面受力的插桩力强度 3.50MPa；但不足以承担桩腿净截面插桩力强度。由此可见，抛石船桩腿最多插入岩体1.5米，达到桩腿全截面受力状态；上述岩石地基承载力是基于岩体完整性等级的设计值，而抛石船桩腿插桩面积较小，可能存在插桩位置局部岩体完整性较好，使得岩石地基承载力大于桩腿净截面插桩力强度的情况。

3.1.3 小结

由此可见，在中风化白云岩层上，桩腿端部净截面作用于岩层表面时，桩腿插桩力强度可能大于岩石地基承载力；当桩腿全截面受力时，插桩力强度小于岩体承载能力；即在中风化白云岩层上，桩腿最多插入1.5米。

3.2 桩腿水平抗力计算

按照最不利情况，桩腿停留在中风化白云岩表面；此时桩腿的水平抗力完全由摩擦力提供。根据相关规范，岩体边坡内摩擦角折减系数 0.85～0.80，按照不利取0.80，则岩体边坡内摩擦角取32.2°，则桩腿的摩擦系数为：

μ=tan(32.2-5)=0.51

则桩腿水平抗力如下：

在 2200 吨插桩力作用下，2200*0.51=1122 吨 ＞150 吨；

在 1200 吨插桩力作用下，1200*0.51=612 吨 ＞150 吨；

由上述分析可见，桩腿水平抗力满足要求。

4 岩质边坡稳定性分析

抛石船桩腿作用于爆破后的岩质边坡上时，由于竖向插桩力和水平荷载的共同作用，将会对岩质边坡的稳定性造成影响，需要重点分析竖向插桩力和水平荷载共同作用下，岩质边坡的稳定性。

岩质边坡的稳定性主要受节理面控制，边坡的破坏主要是由节理面切割形成的楔形体失稳造成的。由于基槽边坡是人工爆破开挖的，爆破将会对原始岩体造成新的不利影响，如造成岩体边坡表层松动，产生新的裂隙面等。没有办法对各个具体插桩位置的边坡稳定性作出准确的判断，缺乏岩层的产状数据（走向、倾向、倾角、单层厚度等）和节理、裂隙的产状数据和结构面强度参数，因此需要根据工程经验进行多种工况的假设，并以此为基础开展分析评估，插桩作业前，需结合现场实际工况进行比对，如遇到危险状态，需要考虑变换插桩位置或进行爆破削坡处理。

4.1 基本假设

岩质边坡的破坏模式有受岩体强度控制的破坏和受结构面控制的破坏两种。相较于受岩体强度控制的破坏，受结构面控制的破坏更复杂，其边坡稳定性与结构面的抗剪强度、倾向倾角等密切相关。根据地勘报告，该地区的构造断裂十分发育，根据统计值，构造方向以北东向、北西向两组共轭方向为优势方位，但根据地勘报告的节理构造方位统计，各个方向都有分布，因此无法判定插桩区域节理构造方位。根据工程经验，进行了一系列的假设：

4.1.1 破坏模式假设

无论是受岩体强度控制的破坏，还是受结构面控制的破坏，边坡均有可能沿走向与边坡一致的结构面破坏，也可能产生三维楔体破坏，本文重点对这两种情况进行分析，基本破坏模式假定如下：

（1）破坏结构面与坡面走向一致，采用平面滑动法评估边坡稳定性；

（2）岩质边坡呈三维楔体破坏；采用三维楔体法评估边坡稳定性。

当然，根据工程经验并结合本项目相关条件，岩质边坡发生平面滑动的可能性不大，发生三维楔体破坏的可能性较高。

4.1.2 完整岩体抗剪强度

根据地勘报告，对于中风化白云岩，抗剪强度参数为：内聚力 C=4.17MPa，内摩擦角φ为40.24°；因为岩质边坡为较破碎~较完整，按不利考虑，则内摩擦角折减系数取为 0.8，内聚力折减系数取0.2；则岩质边坡岩体的设计参数为内聚力C=834kPa，内摩擦角φ为 32.19°。

4.1.3 结构面抗剪强度假设

假设结构面为硬性结构面，根据工程经验，假设了5组结构面抗剪强度数据（加上设计参数内摩擦角φ=32.19°共6组抗剪强度数据），具体数据见表2。

表2 假设5组结构面抗剪强度数据

上述假设数据基于结构面为硬质结构面，若结构面结合很差、含泥化夹层，则抗剪强度将会进一步降低，施工过程中需要避开相关位置进行插桩作业，或者开展一定的地基处理，如爆破削坡等方式保证插桩过程中的边坡稳定性。

4.1.4 破坏面假设-平面滑动法

根据岩质边坡坡面角度，选取了11组典型破坏结构面倾角展开分析，相应的结构面倾角和滑移面高度见表3。

表3 典型结构面倾角和滑移高度

4.1.5 破坏面假设-三维楔体法

岩质边坡的滑动楔体（见图4），由于结构面的倾向、倾角的不同，理论上有无数多种组合，本项目假设了三组典型组合展开分析，以研究各种不同因素对于岩质边坡稳定性的影响，寻找影响最大的关键因素，以作为抛石船施工工程中插桩位置选择的参考。

图4 滑动楔体示意图

第一组：假定边坡倾向为180度、形成三维楔体的另外两个结构面的倾向分别为135和225，楔体高度为12.8米，结构面A和结构面B的倾角为10~60区间变化；

第二组：假定边坡倾向为180度、形成三维楔体的另外两个结构面的倾向分别为145和215，楔体高度为12.8米，结构面A和结构面B的倾角为 10~60区间变化；

第三组：假定边坡倾向为180度、形成三维楔体的另外两个结构面的倾向分别为125和235，楔体高度为12.8米，结构面A和结构面B的倾角为 10~60区间变化；

第四组：假定边坡倾向为180度、形成三维楔体的另外两个结构面的倾向分别为135和225，楔体高度为9米，结构面A和结构面B的倾角为10 ~60区间变化；

第五组：假定边坡倾向为180度、形成三维楔体的另外两个结构面的倾向分别为135和225，楔体高度为5米，结构面A和结构面B的倾角为10 ~60区间变化；

同时，根据前文叙述，分别选取6组抗剪强度数据与上述五组工况进行三维楔体滑动法组合分析。

4.2 分析结果

4.2.1 平面滑动法

采用平面滑动法对于上述 66 种工况（6组抗剪强度数据组合11种典型结构面倾角）展开分析，边坡稳定安全系数分析曲线见图5。

图5 平面滑动法边坡稳定安全系数分析曲线

由上述计算结果表格可以得知，

（1）在平面滑动破坏的条件下，岩质边坡的稳定性与结构面的抗剪强度有很大的关系，抗剪强度越低，岩质边坡计算所得稳定性系数越低，即稳定性越低；

（2）岩质边坡稳定安全系数在一定范围内随结构面倾角增大先减小后增大，结构面倾角 34 度左右边坡稳定安全系数达到最小值；

（3）边坡稳定安全系数取 1.25，可指导结构面抗剪强度大于 24,76.7kPa 时，岩质边坡稳定满足要求。

（4）如岩质边坡结构面的抗剪强度较低，相应边坡的稳定性将不满足施工安全要求。抛石船插桩作业之前，需要对插桩位置的结构面进行评估，判断结构面的倾向和抗剪强度的大小，再开展插桩作业。

4.2.2 三维楔体滑动法

选取6组抗剪强度数据与五组工况进行三维楔体滑动法组合分析，安全系数分析结果见表4。

取结构面倾向 135 度，结构面 B 倾角 225 度，不同楔体高度的边坡稳定安全系数对比，分析结果见图6.

图6 不同楔体高度的边坡稳定安全系数曲线

由上图可见，岩质边坡稳定性随楔体高度降低而降低。

4.3 小结

根据上述分析结果，可以得出下列结论：

（1） 对于平面滑动面，岩质边坡的稳定性与结构面强度密切相关，当结构面强度较低时，岩质边坡稳定性不满足要求，存在边坡滑动失稳的可能性。

（2）对于三维楔体滑动面，岩质边坡的稳定性与形成楔体的结构面倾角关系密切，当结构面倾角不大于 30 度时，且楔体高度不小于 5 米时，三维楔体稳定；当结构面倾角大于 30 度时，三维楔体的稳定性与结构面的抗剪强度、三维破坏楔体的高度、结构面倾向、倾角等因素相关。

表4 三维楔体滑动法安全系数分析表

5 风险分析

5.1 岩质边坡稳定性风险分析

（1）由于插桩位置结构面走向、倾向、倾角和抗剪强度等相关数据的缺乏，无法对于各个具体插桩位置的边坡稳定性做出评估；

（2）由于岩体本身的不均匀性、节理裂隙的存在，结构面的抗剪强度将显著小于岩体本身抗剪强度；最不利情况组合下，边坡稳定性将不满足要求；

（3）沉管隧道的基槽开挖采用爆破方式，爆破有可能会造成新增不可预计裂缝，且裂缝结构面的强度也很难预测。

6 建议采取的措施

（1）在基槽爆破完成后，插桩作业前，对爆破后边坡岩体结构的松动部分进行清除，保证插桩面平整；

（2）对于插桩位置进行详细勘察，确定爆破后插桩位置处节理和裂隙的分布，判断是否可能形成下滑楔体；

（3）如果爆破后边坡岩体结构完好，无潜在下滑楔体；或存在硬性结构面的下滑楔体，但相关参数在下列建议范围之内，可以进行插桩作业：①与边坡走向一致的平面滑动面，倾角不大于18度；②组成下滑楔体的结构面倾角不大于30度，且楔形体高度不小于5米；③不属于上述范围但现场具备条件可以单独评估结构面抗剪强度、产状详细参数的，可详细计算工况进行岩质边坡稳定性判断且边坡稳定的；

对于不属于上述范围的情况，或现场发现结构面结合很差或极差（含泥化夹层）的情况，建议更换插桩位置或采用爆破等方法削坡。

（4）沉管隧道开挖段应保证桩腿距边坡边缘至少2m净距；

（5）插桩作业必须谨慎操作，严密观察，一旦出现异常立即停止插桩。