非开挖技术在自升式平台救助中的应用

杨鹏 易欠 陈世海

摘 要：随着海洋工程的发展，特别是海上风电产业的发展，自升式平台的使用越来越广泛。自升式平台工作时是靠其桩腿支撑站立在海底的，桩腿的入泥深度受海底泥质的影响较大，因此每次站桩前都需要对海底泥质进行计算和分析以确保插桩的安全性。由于对海底泥质的取样分析成本较高，很多自升式平台在插桩前省略了底质分析过程，出现桩腿入泥较深，通过冲桩系统设备无法破坏靴底吸附力的情况。针对此种问题，本文介绍了一种使用非开挖设备的外冲桩技术来破坏自升式平台靴底吸附力，为以后遇到的类似问题提供有益的参考。

关键词：非开挖;救助;自升式平台

中图分类号：U656.6           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）04-0136-04

1概述

海上自升式平台自1954年问世以来[1]，主要应用在海上油气开采中，经过半个世纪的发展，钻井平台在工作水深、抗风暴能力和操纵能力上取得了巨大进步，成为油气开采最常使用的平台。近年来随着世界各界对清洁能源的重视，海上风电市场得到了大力开发，先进的自升式风电安装平台也成为当前近海大型施工作业的主要装备。典型的自升式平台由一个漂浮的三角形或矩形平台组成，该平台支撑在三个或四个独立的桩腿上，其上均匀分布舱面和设备的自重。通过齿轮齿条传动系统或液压油缸升桩系统操作桩腿顺舱面上下移动，并将自身的船体升到水面以上[2]。这种平台在工作时由于主船体在海面以上，所以不受波浪和水流的影响，没有横摇、纵摇和垂荡的问题，主船体只受风的影响，所以能适应比较恶劣的海况。然而自升式平台在使用过程中相对浮式平台也存在着较大的风险和隐患[3-4]，如插桩过程中的穿刺风险，“踩脚印”滑移风险和桩腿入泥较深，无法拔桩的风险。针对无法拔桩的问题，通常情况下是通过可能长达数周的持续冲桩来破坏桩靴底部的海土结构，严重的时候出现冲桩孔堵塞还需要挖泥船来辅助挖泥，更严重的时候只能通过切割桩腿来救助船体。以上这些方法耗时且成本巨大，业界急需更为经济有效的拔桩救助方法。

非开挖水平定向钻进技术是将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法相结合在20世纪80年代中后期发展起来的一项管道施工新技术，因其能在一定范围内控制钻进方向，具有钻进长度长（大于1000米），钻进深度深（大于50米）等优点，在穿越河流、湖泊以及闹市区、古迹保护区等不允许或不能开挖条件下的煤气、电力等管线的铺设受到广泛的应用[6]。早在2008年“奥圣65”轮打捞中，上海打捞局即将非开挖技术引用到沉船打捞攻船千斤的作业中，以往一周才能穿引一根千斤，使用非开挖设备后4小时能穿引一根千斤，施工效率得到了  大大提高。随后在历次沉船打捞中，非开挖技术在千斤穿引方面得到了广泛的使用。

针对某自升式平台无法拔桩的救助项目，结合拔桩的特点和沉船打捞中攻船千斤的经验[8]，非开挖技术被引入到平台拔桩救助上，根据实际施工情况，该技术在平台辅助拔桩上效果显著，经济性较好，可作为以后自升式平台解决类似问题的参考方法。

2工作原理

2.1 桩靴受力

桩靴上拔的总阻力主要是由于桩靴底部吸附力、桩靴侧面摩擦力、桩靴上部覆土的重力和桩靴土体的剪切破坏力组成，对于入泥深度较浅的桩腿，底部吸附力在所有受力中起主导作用[2][5-9]。以某遇险平台为例，其所处水深15米，桩靴入泥7米，桩腿自重900t，最终桩重、靴面覆土和摩擦力的总和在1000t-1100t之间，而单吸附力超过3000t。因此，只要破坏了靴底的吸附力，拔桩所需的力就会大大降低。为此，自升式平台针对设置有冲桩系统，然而在实际使用中，经常出现靴底的冲桩口被板结的淤泥堵塞的情况。有时甚至常用的设计为5MPa的高压水也无法冲通，为此不得不采用挖泥甚至割桩腿等成本巨大的作业来解救平台。

2.2 定向钻机工作原理

如图4所示为常用的非开挖定向钻设备，其工作原理为由液压系统提供的压力通过钻杆作用在钻头上，当推进力大于土壤作用在钻头和钻杆表面的阻力时，便可以挤压土壤形成孔洞。为减小钻杆受到的阻力，冷却孔底钻具，携带钻屑排到泥面，在钻进过程中，钻进泥浆由钻杆顶部的泥浆孔喷出[10-13]。钻杆为直柱形，连接部位在头尾部，为螺纹连接。 如图5所示为非开挖定向钻钻头最前面的钻杆采用带有斜面的非对称式钻头，当钻头匀速回转时，由于钻头所受土层压力方向沿圆周均匀变化，因此轨迹基本为直向钻进;当钻杆只给进步回转时，钻头斜面受土层压力较大，轨迹通常为顺钻头斜面方向，从而达到改变轨迹的效果（见图6）。

3 定向钻破坏桩底吸附力外冲桩救助方案

当使用平台系统冲桩设备无法有效破坏桩靴底部的吸附力，则需要考虑采用其他形式从外部破坏桩靴底部的吸附力。非开挖定向钻破坏吸附力的工作原理为通过定向钻对着从桩靴靴底穿引一根钢丝，收紧钢丝使钢丝贴近靴底，横向拉动钢丝分割靴底与淤泥，通过引入空气管在靴底外部进行冲桩。

该方法的具体施工过程如下：

（1）两艘带有绞车的工作船分别在遇险平台两侧就位，工作船1正对平台的一侧布置一台非开挖定向钻设备。定向钻顶杆出口处布置一根导向钢管，钢管一段固定在舷侧，一段在海底，钢管由吊机和牵引钢丝固定。

（2）设备就位后，定向钻根据设计的轨迹进行顶管顶进作业，钻頭通过靴底后拐弯向向顶进直至顶杆在两桩靴间出泥面。

（3）随后使用空压机对顶管内部充气，高压气在钻头出溢出，在水面冒出气泡。潜水员入水，根据气泡的位置找到顶管出泥位置，并将其由工作船2上牵引的小钢丝与顶管端部用连接。

（4）非开挖设备回收顶管，将小钢丝拉回至工作船1上。两艘工作船抽拉钢丝，小钢丝更换大钢丝，收紧钢丝使钢丝与靴底贴紧。

（5）移动船位，拉动钢丝，使钢丝沿着靴底在与钢丝垂直的水平方向上移动一定的距离，破坏靴底与泥之间的吸附力。

（6）顺着钢丝下放一根充气管，将充气管的端部拉进靴底。充气管就位后，连接大流量空压机进行冲桩，进一步破坏靴底的吸附力。

4实际案例

2020年某自升式工作平台遇险，使用常规方法无法完成拔桩作业。根据沉船打捞的相关经验，上海打捞局创新地将水平定向钻引入到破坏桩靴底部吸附力的作业中来。

工作船及各设备就位后，非开挖定向钻开始攻穿作业，经过一番尝试后，定向钻成功将顶管从平台两桩靴间顶出，随后进行充气，海面出现气泡。潜水员根据预算布置在两桩腿间导向钢丝和气泡的声音很快就找到顶管钻头位置，成功将另一艘工程船上的钢丝与顶管连接。经过近十小时的钢丝更换、横向抽拉和气管牵引，十几个小时的外冲桩，靴底的吸附力完全破壞，桩腿可以顺利拔出。

5结语

在国内，自升式平台的使用越来越多，由于自升式平台自身的特点，在使用过程中总会遇到各种各样的问题。针对拔桩困难，本文提出了一种相对可靠、有效的破坏靴底吸附力的方法。相对于传统挖泥成本高、工作量大、风险高的特点，实践证明该方案安全可靠。对于遇到拔桩困难的自升式平台，该方案可以作为一个参考。

参考文献：

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