海上打捞工程中的吊船生根岩土问题分析

田春和

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.天津水运工程勘察设计院 天津市水运工程 测绘技术重点实验室，天津 300456)

海上救助打捞是国家应急保障体系的重要组成部分，是国家应对海上重大突发事件的中坚力量。据统计，过去十几年间，海上救助打捞共挽救人命3万多条，使1 600多艘中外籍船舶转危为安，使100多艘沉入海底的中外籍船舶重见天日，直接挽回财产总价值约740亿元[1]。

海上打捞技术正在向大吨位、大水深、信息化、智能化的方向发展，技术发展与创新日新月异，逐渐形成了多种学科、多个团队、多样手段协同作业的综合性工程。在海上打捞工程作业中，海洋勘测手段可以提供海洋工程测量、海洋岩土勘察、海洋环境调查等方面的技术支撑，其中，海洋工程测量、海洋环境调查技术受益于水声学技术和传感器技术的迅猛发展，技术方法已很成熟，应用较为广泛，而海洋岩土勘察是一门理论性与试验性很强的技术，由于海上打捞工程中岩土问题的特殊性，当前尚未有完备的理论体系和解决方案[2]。

本文从海上打捞工程的工艺分析出发，论述了打捞工程中存在的岩土工程问题，着重分析了利用吊船扳正沉船时的生根方式和适用条件，以及生根力的岩土力学计算与评价方法。

1 海上打捞工程工艺

建国以来，我国海上打捞工程从小到大、从弱到强、从浅水到深水、经历了多个阶段的发展，取得了丰硕的成果。打捞工艺也从驳船抬撬、绞车拖绞、浮筒打捞等原始工艺，发展为吊船打捞、整体打捞、多吊船打捞浮筒辅助等成熟的工艺方法。

目前，各打捞部门和单位普遍装备有大型浮吊船，我国全回转自航浮吊船的单吊起重量已达7 500 t(蓝鲸号)。海上沉船打捞流程包括沉船扳正、沉船起浮、浮后处理三个步骤[3]。沉船扳正方法有“侧浮移浅”水面扳正法、浮筒扳正法、驳船或吊船扳正法等，其中，吊船扳正法在打捞扳正大吨位大横倾沉船时，应用尤广。具体方法为，将吊船布置在沉船一侧，以通过沉船船底的扳正钢缆与沉船系结固定，吊船另一侧以桩式锚、重力锚、吸力锚等方式系固生根，扳正时通过绞收吊船上的扳正钢缆，将沉船扳正。

在吊船打捞工艺过程中，“吊船生根”与“船底穿钢缆”两个步骤(图1)牵涉到结构体与岩土的直接接触，需要运用到岩土工程手段进行勘察与分析，方能解决。此外，在沉船出泥过程中，还受到船底吸附力和船侧壅土阻力的作用，其力与力矩的大小对扳正拉力设计有着重要影响，也需以岩土工程手段进行分析与计算。简言之，海上打捞工程中的岩土工程问题主要发生在沉船扳正环节，体现在吊船生根、船底穿钢缆、吸附力、壅土阻力等方面。

1-a 吊船扳正时的生根问题示意1-b 扳正时船底穿钢缆、底土的吸附力与壅土阻力示意图1 沉船打捞扳正过程中的岩土工程问题图示Fig.1 Diagram of geotechnical engineering problems in the process of wreckedship righting

2 吊船生根过程中的岩土工程问题

在吊船扳正沉船的过程中，需要克服沉船自重、沉船与土壤的剪切阻力、吸附力、壅土阻力等，仅靠单吊起重拉力难以完成，需要以多根扳正钢缆同时绞拉的方式实现，吊船的自稳性也无法提供扳正钢缆所需的反力，还需在吊船另一侧生根来提供。选择何种生根方式、生根点能够提供多大反力，对于扳正设计至关重要，目前，在海上大吨位打捞工程中采用的生根方式主要有桩式锚、重力锚、吸力锚三种，其生根力都是通过与岩土之间的力学接触来产生，生根力的评价问题是典型的岩土工程问题。

桩式锚、重力锚和吸力锚作为最为常用的生根方式，其理论基础和应用经验来源于海上建筑工程。其中，桩式锚是对海上钢桩基础的直接借用，海上钢桩是海洋石油平台、风机塔架采用最多的基础形式，因此，桩式锚的应用与发展与海上桩基础是同理同源的，其应用研究一直是海洋岩土工程的热点；重力锚的本质是人工设计的锚固重块，它依靠自重下锚底与土之间的摩擦力来提供反力，早在1982年就出现了重力锚的设计计算方法，近年来以其适应范围广、安装简单的优点，在海洋再生能源等领域获得了广泛应用；吸力锚基础的本质是负压桶形基础，随着1992年成功用于北海油田张力腿平台，作为海洋新型基础形式一下子成为了研究热点，经过大量的模型试验和理论研究，证明它非常适用于软黏土地基条件，并且具有便于安装和可重复使用等优点，但是，目前对于负压桶形基础的计算仍然没有规范可依，对于桶土相互作用问题的研究也不够深入。

以下根据生根方式的不同分别进行讨论。

2.1 桩式锚作为生根点时的岩土工程数值计算

桩基础是海洋工程中最常见的基础形式，石油工业中的海洋平台桩基础几乎都采用钢桩，钢桩应用于海洋环境，具有运输方便、接桩容易、桩身质量易保证、打入施工方法成熟、可重复利用等优点[4]。在“1101”沉船打捞项目中，烟台打捞局成功将14根钢桩打入泥下作为生根桩式锚使用，取得了良好的效果。

海洋工程中应用钢桩最多的是海洋石油平台。当前，海洋石油平台设计与建造方面国际通用的规范是美国石油学会发布的API RP2A-WSD规范[5]，它是美国多年来在墨西哥湾和西海岸海域开发海上油田的经验技术总结，于1992年由中国海洋石油总公司等同采用，在我国海洋石油事业发展中起到了重大的作用。

当海上打捞工程以打入钢桩作为生根桩式锚使用时，需要了解其单桩极限抗压承载力、单桩极限抗拔力、不同深度土的抗力与水平变位的关系(P-Y曲线)、打桩过程中土的动阻力，等。在国内《建筑桩基技术规范》[6]等规范中，桩基岩土参数如极限端阻力qsik、极限侧阻力psik、水平抗力的比例系数m等都是与土性及状态有关的一组经验数值范围，是通过收集建筑、水电、港口、石化等行业的大量静载试桩资料统计出来的，与土的抗剪强度指标之间的关系不明确。而在API RP2A-WSD规范中，单位桩端承载力q、单位桩侧摩阻力f、极限水平抗力pu等，都是与土的抗剪强度指标有明确关系的参数，当通过勘察获得了土的抗剪强度指标时，这些参数可以直接计算得出。

现按照API RP 2A-WSD规范的推荐方法，将生根桩式锚单桩极限承载力的计算方法进行简要介绍。单桩极限承载力Qd按下式计算

Qd=Qf+Qp=f·As+q·Ap

(1)

式中：Qf为桩侧摩阻力，kN；Qp为桩端总承载力，kN；f为单位桩侧摩阻力，kPa；As为桩侧表面积，m2；q为单位桩端承载力，kPa；Ap为桩端总面积，m2。

对于不排水粘性土，沿桩长度上任一点的单位桩侧摩阻力f，按下式计算

f=a·c

(2)

式中：c为计算点土体的不排水抗剪强度；a为无量纲系数，与计算点土体的不排水抗剪强度及有效上覆压力有关，约束条件为a≤1.0

对于无粘性土，f按下式计算

(3)

式中：K为侧向土压力系数，开口桩取0.8，闭口或有土塞的桩取1.0；p0为计算点土体的有效上覆压力，kPa；δ为桩土摩擦角(°)，与土的内摩擦角相关，一般比土的内摩擦角小5°。

假如桩端支承在粘性土中，单位桩端承载力q由下式计算

q=9c

(4)

假如桩端支承在无粘性土中，q由下式计算

q=p0·Nq

(5)

式中：p0为桩尖的有效上覆压力，kPa；Nq为无量纲承载力系数。

由以上公式可见，粘性土和无粘性土两种土的计算方法是不同的，在粘性土中单桩极限承载力主要与不排水抗剪强度有关，在无粘性土中，主要与桩土摩擦角有关。另外，公式(2)、(4)写入在《岩土工程勘察规范》条文说明10.6.5中，可见其影响之大及应用之广。

单桩极限抗拔力的计算方法与桩的总侧摩阻力计算方法相同，API RP 2A-WSD规范提出，其应等于或小于桩的总侧摩阻力，但未给出具体的折减系数，在应用于生根桩式锚时，建议直接采用桩的总侧摩阻力值作为单桩极限抗拔力。

API RP 2A-WSD规范中，与土的水平承载能力有关的侧向土抗力与水平变位曲线(P-Y曲线)，在软粘土中根据Matlock方法计算，在硬粘土中采用Reese和Cox方法，在无粘性土中采用O Neill方法。限于篇幅，具体公式不做介绍。

在计算P-Y曲线时，由循环荷载和静荷载引起的土的破坏模式有所不同，在应用于生根桩式锚时，结合其受力特点，建议按照短期静荷载进行计算。P-Y曲线能否真实反映桩的工作性状，通过其对桩身弯矩和挠度的计算来体现，计算参数的合理选用十分关键，其中，粘性土的不排水抗剪强度、极限主应力一半时的应变值、无粘性土的内摩擦角、相对密度等取值要符合实际情况。

“1101”沉船打捞项目采用了桩式锚作为生根点，以下是其应用API RP 2A-WSD规范解决生根桩式锚岩土工程问题的实例。“1101”沉船位于渤海滦河口附近海域，岩土工程勘察揭示的土的名称及物理力学性质见表1，岩土定名采用美国ASTMD2487规范[7]。

表1 “1101”沉船位置岩土工程分层及物理力学性质指标Tab.1 Stratification of geotechnical engineering and physical mechanics property index of geotechnical engineering in the location of "1101" wrecked ship

图2 “1101”打捞工程单桩极限承载力与 抗拔力计算成果Fig.2 Calculation results of ultimate bearing capacity and uplift force of single pile in "1101" salvage project

假设桩式锚采用的是桩径为1.5 m的闭口钢桩，代入表1中的岩土分层和物理力学性质指标，应用API RP 2A-WSD规范计算得出的单桩极限抗压承载力与极限抗拔力见图2，P-Y曲线计算结果见图3。可以看出，无粘性土中计算得到的单桩极限承载力远大于粘性土，对于低液限粉土，建议以桩土摩擦角代入计算，忽略其粘聚力的影响。

桩式锚打入过程是一个动态的过程，土要受到打桩锤的振动影响，土的动阻力并不等同于静态抗压承载力，而应对抗压承载力中的侧摩阻力部分进行一定程度的折减。在粘性土中，受土的触变性影响，建议折减50%，在无粘性土中建议折减50%～100%。土的动阻力主要用于进行桩的可打入性分析，预测可能的锤击数。

2.2 重力锚作为生根点时的岩土工程数值计算

重力锚作为大型船舶或平台保持稳定所需的锚固物，出现较早，应用最广[8]。如图4所示，为“世越号”沉船打捞过程中使用的重力锚，重力锚一般由锚体、吊环及横向稳定装置组成，结构本身具有一定的水底稳定性，可防止发生较大的横向侧移。重力锚通常埋设在自海底面向下挖好的基坑内，埋设完毕后，填平重力锚与坑壁之间的缝隙，并进行一定的夯压。有条件时，还可在锚体上方覆盖一定厚度的土体。

3-a p-y曲线(海底面,0 m深度,1 500 mm桩径)3-b p-y曲线(第1层层底,1.6 m深度,1 500 mm桩径)

3-c p-y曲线(第2层层顶,1.6 m深度,1 500 mm桩径)3-d p-y曲线(第2层层底,6.1 m深度,1 500 mm桩径)图3 “1101”打捞工程P-Y曲线计算结果(部分深度)Fig.3 Calculation results of P-Y curve for "1101" salvage project

图4 “世越号”沉船打捞过程中使用的重力锚Fig.4 Gravity anchor used in "Shi Yue No." wreck salvage图5 重力锚抗拉力计算力系平衡示意图Fig.5 Schematic diagram of force system in equilibrium for calculation of tensile force of gravity anchor

如图5所示，重力锚埋设后能够提供的抗力主要由三部分组成：自身重力、基底摩擦力、基坑边的被动土压力。设重力锚受力缆与水平面夹角为α，重力锚基础宽度为B，根据力系平衡原理，重力锚抗拉力计算如下

垂直方向上，重力锚能够提供的抗拉力需满足以下关系

Tsinα≤G+γh

(6)

水平方向上，重力锚能够提供的抗拉力需满足以下关系

Tcosα+Ea≤Ep+f

(7)

f=μ(G+γh-Tsinα)

(8)

以设计拉力标准值分别代入公式(6)、公式(7)，可校核重力锚抗拉力是否满足条件，其中，主动土压力、被动土压力可采用朗肯土压力理论进行计算(土力学)。另外，设计拉力标准值还需满足受力钢缆允许抗拉强度的条件。

2.3 吸力锚作为生根点时的岩土工程数值计算

吸力锚的原理是将陆域制作好的钢桶运输至海上场址，在设计位置就位后抽出钢桶内的空气和水，使桶体内外产生一定的压力差，利用压力差将桶体贯入到海床以下一定深度。吸力锚的抗拔承载力主要由吸附力提供[9-12]。

将钢筒陆上制作后漂浮拖航至风场，就位后抽出筒体中的气体和水，利用筒体内外压力差将筒体插入海床一定深度。吸力锚适用于地质条件为砂性土或软粘土的各种水深条件风场。其优点在于：节省钢用量，减少制造费用；采用负压施工海上安装速度快，便于在海上恶劣天气的间隙施工；便于运输和安装；吸力式基础插入深度浅，只须对海床浅部地质条件进行勘察，而且风电场寿命终止时，可以简单方便的拔出，进行二次利用。

(1)水平承载力分析。

吸力锚在工作当中，由于缆绳和水平面存在夹角，因此，其不仅受到上拔力，还受到水平作用力和由此产生的弯矩。吸力锚在不同的水平外力和弯矩组合作用下，会形成不同的破坏面，也就是说，吸力锚受到的外荷载不同，其破坏模式也会有所不同。

吸力锚桶体在承受水平力时，主动区桶体外侧产生的抗力较小，被动区产生的土抗力较大，即抵抗桶体变位的土体抗力主要来自被动区土体。随着外荷载的逐渐增加，主动区上部土体抗力由零逐渐变为负值，下部土体抗力逐渐增大，而被动区上部土体抗力逐渐增大，下部土体抗力有减小的趋势。这说明在水平外力及弯矩的作用下，其主要运动形式是转动，从总体分布来看，被动区的土体抗力分布呈抛物线型，主、被动区土压力合并简化后，计算示意图如下。

图6 吸力锚水平承载力计算简化示意图Fig.6 Schematic diagram of horizontal bearing capacity calculation of suction anchor

图6中，S为吸力锚顶部F力作用处至泥面的距离；a为泥面至旋转中心矩；L为泥面至桶底距离；P(z)为被动土压力分布；Ts为桶底剪应力；Ms为锚侧面极限摩阻力及基底极限抗力产生的弯矩。

由图可知，桶底底部的剪切力Ts可表示为

Ts=πD2cu/4

(9)

桶体侧面正向极限土抗力分布P(z)可表示为

P(z)=3cu+γ′z+Jcuz/D

(10)

式中：γ′为土的有效重度，kN/m3；z为泥面下深度，m；cu为土的不排水抗剪强度，kPa；D为桶体直径，m；J为试验常数，取0.25～0.5。

桶体在这些力的作用下将围绕轴线上的O点旋转，O的位置由力矩平衡条件求得

(11)

由上式求出a后，依据水平力平衡条件得到吸力锚的水平锚固能力F

(12)

(2)沉贯阻力分析。

吸力锚桶形基础着底后的沉贯分为两个阶段，自重沉贯阶段和负压沉贯阶段。自重沉贯阶段指吸力锚靠自重使下缘嵌入土中，负压沉贯阶段是指在形成锚桶内水体的封闭状态后，借助设置在顶端锚盖上的潜水泵向外抽水，并使同一时间内抽出的水量超过自底部渗入的水量，造成锚桶内部压力降低。当锚桶内外压差作用在锚盖上的压力超过海底土对锚的阻力时，锚桶即可不断被压入土中，直至锚盖与海底接触时，沉锚终止。

桶形基础的沉贯阻力，由桶壁与土的摩擦阻力和桶端阻力组成。目前较常用的有SIPM经验公式[13]，公式为

(13)

式中：D为桶体直径；kf为相对桶壁摩擦力的经验系数；f为探触测得的局部摩擦力；h为沉贯深度；kp为相对桶端阻力的经验系数；qch为指定点的平均触探锥尖阻力；t为桶端厚度。土体参数最好采用原位静力触探测得。

在应用实践中发现，实际的沉贯阻力要比计算值小很多，计算结果偏于保守的原因可能在于以下3点：①沉贯时由于砂土中的渗流影响，内侧摩阻力与筒端阻力大大减小；②在粘土中，通过涂抹减阻剂，减小了桶内壁摩擦阻力；③负压沉贯阶段，桶基端部和外壁阻力，因为负压造成的渗流和孔隙压力降低的原因而明显减小。对于不同的土质、负压、直径、沉贯速度和深度，负压对阻力减小的影响存在较大差距。

基于以上因素，通过对SIPM经验公式改进，出现了一种加权综合估算公式，如下

(14)

式中：qc(z)为CPT试验贯入阻力；De为桶形基础外径；Di为桶形基础内径；kfe为桶外壁摩擦力相对经验系数；kfi为桶内壁摩擦力相对经验系数；kfz为负压对桶壁摩擦力的影响系数；kp为负压对桶端阻力的影响系数；z为海底下桶壁各处深度；h为桶壁插入深度。

图7 “夏长轮”沉船打捞过程中使用的吸力锚Fig.7 Suction anchor used in "Trans Summer" wreck salvage

以试验方法确定上式中的kfe、kfi、kfz、kpz等参数比较困难，最常用的方法是采用有限元计算来确定它们的取值范围。参考DNV挪威船级社规范2008的建议及已有的工程实践，kfe=0.3～0.6，kfi=0.0～0.3，kfz=0.6～1.0，kpz=0.6～1.0，kp=0.001～0.002。改进后的加权综合估算公式具有一定的灵活性，可以通过选用适当的系数值，来满足不同的土质和工程实际需要。

在“夏长轮”打捞工程中，采用的吸力锚设计为圆筒型结构，底部开放顶部密封(图7)。根据设计要求，吸力锚受水平方向300 t拉力。依照吸力锚的受力特点，在筒侧面布置系缆点。由于锚体为薄壁筒结构，为增加吸力锚抗侧向拉力能力，防止筒体发生大变形及局部屈曲破坏，沿筒体直径方向设置强肋板。在锚顶部设置泵接口及人孔，以便贯入施工。

按照公式(14)对“夏长轮”打捞吸力锚进行了贯入阻力校核计算，结果显示，能够满足300 t拉力的生根需求。在实际打捞作业中，生根力也完全符合实际。

表2 三种生根方式的适用土质条件比较Tab.2 Comparison of suitable soil conditions for three rooting patterns

2.4 生根方式的适用范围

根据生根方式的结构特点、工作原理、工程地质特征等，通过总结现已完成的较大型打捞工程项目，分别对桩式锚、重力锚和吸力锚的适用土质条件进行对比研究。

表2可为大部分打捞工程生根方式的选择提供指导与参考。可以预见的是，随着打捞工程技术的不断发展，重力锚的使用将逐渐减少，吸力锚和桩式锚的使用将迎来大发展，而且其适用范围会进一步加大。

3 结束语

在打捞工程中，桩式锚、重力锚和吸力锚基本上可以满足所有海区的应用需求，其生根力的计算从本质上讲属于岩土工程问题，桩式锚可借鉴海洋工程桩基础承载力的计算方法获得设计生根力，重力锚的生根力可通过静力平衡计算得出，而吸力锚的计算目前虽有公式可参考，但未形成权威可信的规范，仍有待于研究的深入。在实际应用时，针对浅部分布有粉土、砂土、可塑粘性土等中等强度土使用桩式锚；针对浅层土质坚硬、风化岩、基岩浅埋使用重力锚；针对软粘土、粉土、砂土使用吸力锚。选取合适的生根方式，方能收到理想的效果。