旧桩坑对自升式平台插桩稳定性的影响及对策

安有杰

摘 要：本文详细分析了旧桩坑对自升式平台插桩稳定性的影响因素，总结了防范二次插桩滑移风险的措施，最后对作业流程提出建议。主要因素为桩坑几何形状、桩靴尺寸形态、偏心距、桩坑土体特性和平台结构。措施具体包括规避桩坑、整修桩坑、改进桩靴和调整平台重心等手段，其目的多是减小桩坑和周边土体之间地基承载力的差异，减小滑移载荷。平台重复就位作业流程与初次就位有所不同，需要更详细的勘察分析和复杂的安装。

关键词：旧桩坑;自升式平台;插桩;滑移

0 前言

近年来，随着海上开发活动的增加，自升式钻井平台在同一或相近位置进行二次甚至多次作业的情况越来越普遍。以渤海某井位为例，从2009年11月初次就位至2019年12月，十年内就有5个平台在该井位周边进行作业。平台拔桩后会在海床上遗留直径达十几米的凹坑，也称作“脚印”，坑内回填的是高扰动土，周边为原始土或轻扰动土，这就导致海床地基承载力出现明显不均。二次插桩时，土体强度的差异会造成桩靴底部阻力与桩轴不重合，产生水平向的偏心力[1]，这两种力作用下，桩靴可能滑向旧桩坑，严重影响平台稳定性，这种现象称为“踩脚印”或“二次插桩”。

踩脚印问题是平台重复就位面临的主要难题之一，轻则导致平台就位精度不足，重则引起平台结构变形甚至倾覆，处理不当就会造成严重的工程事故和重大经济损失。旧桩坑对插桩稳定性的影响，本质上是非均匀地基上的基础承载力问题。由于涉及水--土--结构之间高度非线性过程，传统承载力计算方法不能合理地解决该问题。而且国内外相关研究较少，过程机理尚不十分明确[2]。本文结合工程实践和总结己有研究，详细分析旧桩坑对二次插桩稳定性的影响因素，讨论应对滑移风险措施，对作业流程提出建议。

1 影响因素分析

自升式平台重新就位对旧桩坑的响应复杂，桩靴滑向桩坑的趋势由水平力和桩靴对桩腿与船体的连接处的力矩大小来衡量。影响二次插桩稳定性的因素为桩坑几何形状、桩靴尺寸形态、偏心距、桩坑土体特性和平台结构等，下面详细分析各因子及其影响。

1.1 桩坑几何形状

桩坑形态对于桩靴所受水平力和弯矩等滑移载荷有较大影响，一般来说，滑移载荷随桩坑坡度、深度和直径的增加而增大。桩坑几何参数与原状土特性、桩靴形态尺寸、插桩深度和土体回填程度有关，在同等条件下，直径和深度随土体强度的降低而增大。

桩坑尺寸现场测量的公开数据很少，唯一能查到的是欧洲北海某深水平台在硬黏土上留下的脚印，桩靴直径18.18m，深度5m[1]。通过对比渤海某浅海平台作业前后水深，本文得出直径11.5m的桩靴在粉土地基上，可形成直径约12.4m，深度在2.0-4.0m内的桩坑。再结合室内试验结果[2]，桩坑直径一般在1.0D-2.0D（桩靴直径D），深度约为0.1D-0.3D。此外，桩靴在拔插过程中，会导致桩坑边缘海床隆起，影响范围约2D。

1.2 桩靴尺寸形态

二次插桩的桩靴尺寸形态通常与原桩靴不同。一般来说，桩靴直径相对旧桩坑尺寸越小，受影响就越大。目前应用最多的是传统纺锤形桩靴，这种桩靴要求海床平缓、土体均匀，其底面坡度对滑移载荷有较大影响，易发生滑移。

1.3 偏心距

偏心距是指发生滑移荷载的桩坑中心和桩靴中心之间的距离。二次插桩时，其对滑移载荷的影响十分明显，载荷随偏心距的增加先增大后减小，因此存在一个最不利距离，多出现在0.5D-1.0D之间，超过1.3D-1.5D时桩坑的影响就比较小了。在垂向上，出现最大滑移载荷的深度通常要低于桩坑深度。

1.4 脚印土体特性

桩坑内土体的强度在水平和垂直向都变得不均，插桩较深的桩坑土体强度分布更加不规律。由于土体抗剪强度不连续，会致使桩靴向桩坑滑移，说明海床土体强度不均是二次插桩失稳的主导因素。

坑内土体强度与原状土、插拔桩扰动和拔桩后固结程度有关。强烈扰动在距插桩中心线0.75D范围内，1.5D之外的土体基本不受影响，两者之间为轻扰动。拔桩后坑内土体强度随时间逐渐恢复，初次插桩1-2年内，土体强度与刚拔桩时差异较小;随时间增加，土体强度接近原状土甚至更硬。总之，两次就位间隔较长时，二次插桩同首次的区别主要由桩坑几何特性引起;间隔较短时，受桩坑土体强度变化的影响更大。

1.5 平台结构特性

目前，平台结构特性对二次插桩稳定性的影响尚不明确[2]。自升式平台作为船体和桩腿的组合体共同作业，除桩坑引起的承载力差异，桩腿还受到平台约束。若桩腿与平台完全固定，则桩靴倾向于垂直插入;若桩腿铰接于平台，则桩靴更倾向于滑入桩坑。若不考虑平台系统特性，可能会低估单条桩腿的滑移幅度。

2 滑移风险处理

2.1 防范措施

鉴于老脚印带来的危害，需要在作业过程中予以防范处理。基于对插桩稳定性影响因素的认识，从设计到现场作业，总结各阶段的有效措施。

在设计阶段，要尽可能规避旧桩坑的影响，建议二次插桩桩靴边缘距桩坑边缘不低于一倍的桩靴直径，对软土地基，可能需要更大的距离，这也是现行规范的要求。若受现场条件限制，无法规避时，尽可能采用与先前完全相同的平台在相同地点作业，或者尽量减少可能发生滑移的桩腿数量。

在施工阶段，针对不同影响因素，分别采取整修桩坑、改进桩靴和调整平台重心等处理措施。整修桩坑可使地基平整，减小桩靴所受水平力和弯矩，包括直接充填和踩平桩坑。直接填平需要选用与周边土体工程性质相近的材料，否则不但不能减小地基差异，还可能增加风险。踩平桩坑是指在接近旧桩坑相对安全的距离处，通过一定深度的预压载、横向拖动平台和长时间冲桩等手段，强迫周边土体进入桩坑。传统倒锥形桩靴易发生滑移，改变桩靴结构，可有效增加插桩稳定性。比如桶形基础与海床接触后，筒壁方便插入土体，能提高水平荷载承受能力。在桩靴上预留孔洞，亦可有效减小水平力。

预压载前，保持桩靴接触床面，不断调整平台重心，使桩腿一定程度升降摆动，可改变旧桩坑周边地形和土体性质，消除扭矩，降低滑移风险;压载过程中，则通过不断调整平台的水平度，减小平台与桩腿的倾角，使桩腿能尽可能垂直入泥，避免载荷过大而造成机械损坏。

2.2 施工建议

平台就位前，会对施工区域进行地质物探调查。只有掌握充分海床状况，作业才有保障。常用调查规范不能满足存在桩坑的情况，需要加密测量，才能为预判滑移风险、桩坑处理和施工过程等提供基础数据。

平台到达预定井位后，就位作业前，应仔细分析设计方案可能存在的滑移趋势，桩靴入泥位置距最终就位位置应保持一定余量。在插桩过程中，应优先安装无滑移或风险小的桩腿，以增加系统刚性抑制可能的滑移，再对老脚印附近的桩腿进行插桩。对于风险大的井位插桩，桩腿每入泥约半米时，应暂时停止放桩，静载观察一段时间，确保不出现大的滑移现象，直至插桩完毕。进行压载作业时，建议适当增加压载观测时间，使底部持力层充分压实，经过一定时间的满压载，方可升平台作业。

3 结语

综上所述，旧桩坑会给平台重复就位带来安全隱患，桩坑对二次插桩稳定性的影响主要取决于桩坑几何形状、桩靴尺寸形态、偏心距、桩坑土体特性和平台结构等，每个参数都不同程度地影响滑移载荷。但踩脚印问题的核心是非均匀地基上的基础承载力问题，采取的处理措施多是减小旧桩坑和周边土体之间承载力的差异。二次插桩作业流程也与初次有所不同，需要更详细地勘察分析计算和复杂的安装。但目前对踩脚印失稳机理的认识仍处在定性阶段，还需要大量的现场测量和大比例室内模型试验，才能定量化旧桩坑的影响，更准确地指导实践。

参考文献：

[1] Kong V W.Jack-Up Reinstallation near Existing Footprints[D].Perth，Australia： University of Western Australia，2012.

[2]汪纤.自升式平台桩靴踩脚印失稳机理有限元分析[D].大连：大连理工大学，2016.