海上打撈工程中的吊船生根巖土問題分析

田春和

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設計院 天津市水運工程 測繪技術重點實驗室，天津 300456)

海上救助打撈是國家應急保障體系的重要組成部分，是國家應對海上重大突發事件的中堅力量。據統計，過去十幾年間，海上救助打撈共挽救人命3萬多條，使1 600多艘中外籍船舶轉危為安，使100多艘沉入海底的中外籍船舶重見天日，直接挽回財產總價值約740億元[1]。

海上打撈技術正在向大噸位、大水深、信息化、智能化的方向發展，技術發展與創新日新月異，逐漸形成了多種學科、多個團隊、多樣手段協同作業的綜合性工程。在海上打撈工程作業中，海洋勘測手段可以提供海洋工程測量、海洋巖土勘察、海洋環境調查等方面的技術支撐，其中，海洋工程測量、海洋環境調查技術受益于水聲學技術和傳感器技術的迅猛發展，技術方法已很成熟，應用較為廣泛，而海洋巖土勘察是一門理論性與試驗性很強的技術，由于海上打撈工程中巖土問題的特殊性，當前尚未有完備的理論體系和解決方案[2]。

本文從海上打撈工程的工藝分析出發，論述了打撈工程中存在的巖土工程問題，著重分析了利用吊船扳正沉船時的生根方式和適用條件，以及生根力的巖土力學計算與評價方法。

1 海上打撈工程工藝

建國以來，我國海上打撈工程從小到大、從弱到強、從淺水到深水、經歷了多個階段的發展，取得了豐碩的成果。打撈工藝也從駁船抬撬、絞車拖絞、浮筒打撈等原始工藝，發展為吊船打撈、整體打撈、多吊船打撈浮筒輔助等成熟的工藝方法。

目前，各打撈部門和單位普遍裝備有大型浮吊船，我國全回轉自航浮吊船的單吊起重量已達7 500 t(藍鯨號)。海上沉船打撈流程包括沉船扳正、沉船起浮、浮后處理三個步驟[3]。沉船扳正方法有“側浮移淺”水面扳正法、浮筒扳正法、駁船或吊船扳正法等，其中，吊船扳正法在打撈扳正大噸位大橫傾沉船時，應用尤廣。具體方法為，將吊船布置在沉船一側，以通過沉船船底的扳正鋼纜與沉船系結固定，吊船另一側以樁式錨、重力錨、吸力錨等方式系固生根，扳正時通過絞收吊船上的扳正鋼纜，將沉船扳正。

在吊船打撈工藝過程中，“吊船生根”與“船底穿鋼纜”兩個步驟(圖1)牽涉到結構體與巖土的直接接觸，需要運用到巖土工程手段進行勘察與分析，方能解決。此外，在沉船出泥過程中，還受到船底吸附力和船側壅土阻力的作用，其力與力矩的大小對扳正拉力設計有著重要影響，也需以巖土工程手段進行分析與計算。簡言之，海上打撈工程中的巖土工程問題主要發生在沉船扳正環節，體現在吊船生根、船底穿鋼纜、吸附力、壅土阻力等方面。

1-a 吊船扳正時的生根問題示意1-b 扳正時船底穿鋼纜、底土的吸附力與壅土阻力示意圖1 沉船打撈扳正過程中的巖土工程問題圖示Fig.1 Diagram of geotechnical engineering problems in the process of wreckedship righting

2 吊船生根過程中的巖土工程問題

在吊船扳正沉船的過程中，需要克服沉船自重、沉船與土壤的剪切阻力、吸附力、壅土阻力等，僅靠單吊起重拉力難以完成，需要以多根扳正鋼纜同時絞拉的方式實現，吊船的自穩性也無法提供扳正鋼纜所需的反力，還需在吊船另一側生根來提供。選擇何種生根方式、生根點能夠提供多大反力，對于扳正設計至關重要，目前，在海上大噸位打撈工程中采用的生根方式主要有樁式錨、重力錨、吸力錨三種，其生根力都是通過與巖土之間的力學接觸來產生，生根力的評價問題是典型的巖土工程問題。

樁式錨、重力錨和吸力錨作為最為常用的生根方式，其理論基礎和應用經驗來源于海上建筑工程。其中，樁式錨是對海上鋼樁基礎的直接借用，海上鋼樁是海洋石油平臺、風機塔架采用最多的基礎形式，因此，樁式錨的應用與發展與海上樁基礎是同理同源的，其應用研究一直是海洋巖土工程的熱點；重力錨的本質是人工設計的錨固重塊，它依靠自重下錨底與土之間的摩擦力來提供反力，早在1982年就出現了重力錨的設計計算方法，近年來以其適應范圍廣、安裝簡單的優點，在海洋再生能源等領域獲得了廣泛應用；吸力錨基礎的本質是負壓桶形基礎，隨著1992年成功用于北海油田張力腿平臺，作為海洋新型基礎形式一下子成為了研究熱點，經過大量的模型試驗和理論研究，證明它非常適用于軟黏土地基條件，并且具有便于安裝和可重復使用等優點，但是，目前對于負壓桶形基礎的計算仍然沒有規范可依，對于桶土相互作用問題的研究也不夠深入。

以下根據生根方式的不同分別進行討論。

2.1 樁式錨作為生根點時的巖土工程數值計算

樁基礎是海洋工程中最常見的基礎形式，石油工業中的海洋平臺樁基礎幾乎都采用鋼樁，鋼樁應用于海洋環境，具有運輸方便、接樁容易、樁身質量易保證、打入施工方法成熟、可重復利用等優點[4]。在“1101”沉船打撈項目中，煙臺打撈局成功將14根鋼樁打入泥下作為生根樁式錨使用，取得了良好的效果。

海洋工程中應用鋼樁最多的是海洋石油平臺。當前，海洋石油平臺設計與建造方面國際通用的規范是美國石油學會發布的API RP2A-WSD規范[5]，它是美國多年來在墨西哥灣和西海岸海域開發海上油田的經驗技術總結，于1992年由中國海洋石油總公司等同采用，在我國海洋石油事業發展中起到了重大的作用。

當海上打撈工程以打入鋼樁作為生根樁式錨使用時，需要了解其單樁極限抗壓承載力、單樁極限抗拔力、不同深度土的抗力與水平變位的關系(P-Y曲線)、打樁過程中土的動阻力，等。在國內《建筑樁基技術規范》[6]等規范中，樁基巖土參數如極限端阻力qsik、極限側阻力psik、水平抗力的比例系數m等都是與土性及狀態有關的一組經驗數值范圍，是通過收集建筑、水電、港口、石化等行業的大量靜載試樁資料統計出來的，與土的抗剪強度指標之間的關系不明確。而在API RP2A-WSD規范中，單位樁端承載力q、單位樁側摩阻力f、極限水平抗力pu等，都是與土的抗剪強度指標有明確關系的參數，當通過勘察獲得了土的抗剪強度指標時，這些參數可以直接計算得出。

現按照API RP 2A-WSD規范的推薦方法，將生根樁式錨單樁極限承載力的計算方法進行簡要介紹。單樁極限承載力Qd按下式計算

Qd=Qf+Qp=f·As+q·Ap

(1)

式中：Qf為樁側摩阻力，kN；Qp為樁端總承載力，kN；f為單位樁側摩阻力，kPa；As為樁側表面積，m2；q為單位樁端承載力，kPa；Ap為樁端總面積，m2。

對于不排水粘性土，沿樁長度上任一點的單位樁側摩阻力f，按下式計算

f=a·c

(2)

式中：c為計算點土體的不排水抗剪強度；a為無量綱系數，與計算點土體的不排水抗剪強度及有效上覆壓力有關，約束條件為a≤1.0

對于無粘性土，f按下式計算

(3)

式中：K為側向土壓力系數，開口樁取0.8，閉口或有土塞的樁取1.0；p0為計算點土體的有效上覆壓力，kPa；δ為樁土摩擦角(°)，與土的內摩擦角相關，一般比土的內摩擦角小5°。

假如樁端支承在粘性土中，單位樁端承載力q由下式計算

q=9c

(4)

假如樁端支承在無粘性土中，q由下式計算

q=p0·Nq

(5)

式中：p0為樁尖的有效上覆壓力，kPa；Nq為無量綱承載力系數。

由以上公式可見，粘性土和無粘性土兩種土的計算方法是不同的，在粘性土中單樁極限承載力主要與不排水抗剪強度有關，在無粘性土中，主要與樁土摩擦角有關。另外，公式(2)、(4)寫入在《巖土工程勘察規范》條文說明10.6.5中，可見其影響之大及應用之廣。

單樁極限抗拔力的計算方法與樁的總側摩阻力計算方法相同，API RP 2A-WSD規范提出，其應等于或小于樁的總側摩阻力，但未給出具體的折減系數，在應用于生根樁式錨時，建議直接采用樁的總側摩阻力值作為單樁極限抗拔力。

API RP 2A-WSD規范中，與土的水平承載能力有關的側向土抗力與水平變位曲線(P-Y曲線)，在軟粘土中根據Matlock方法計算，在硬粘土中采用Reese和Cox方法，在無粘性土中采用O Neill方法。限于篇幅，具體公式不做介紹。

在計算P-Y曲線時，由循環荷載和靜荷載引起的土的破壞模式有所不同，在應用于生根樁式錨時，結合其受力特點，建議按照短期靜荷載進行計算。P-Y曲線能否真實反映樁的工作性狀，通過其對樁身彎矩和撓度的計算來體現，計算參數的合理選用十分關鍵，其中，粘性土的不排水抗剪強度、極限主應力一半時的應變值、無粘性土的內摩擦角、相對密度等取值要符合實際情況。

“1101”沉船打撈項目采用了樁式錨作為生根點，以下是其應用API RP 2A-WSD規范解決生根樁式錨巖土工程問題的實例?！?101”沉船位于渤海灤河口附近海域，巖土工程勘察揭示的土的名稱及物理力學性質見表1，巖土定名采用美國ASTMD2487規范[7]。

表1 “1101”沉船位置巖土工程分層及物理力學性質指標Tab.1 Stratification of geotechnical engineering and physical mechanics property index of geotechnical engineering in the location of "1101" wrecked ship

圖2 “1101”打撈工程單樁極限承載力與 抗拔力計算成果Fig.2 Calculation results of ultimate bearing capacity and uplift force of single pile in "1101" salvage project

假設樁式錨采用的是樁徑為1.5 m的閉口鋼樁，代入表1中的巖土分層和物理力學性質指標，應用API RP 2A-WSD規范計算得出的單樁極限抗壓承載力與極限抗拔力見圖2，P-Y曲線計算結果見圖3?？梢钥闯?，無粘性土中計算得到的單樁極限承載力遠大于粘性土，對于低液限粉土，建議以樁土摩擦角代入計算，忽略其粘聚力的影響。

樁式錨打入過程是一個動態的過程，土要受到打樁錘的振動影響，土的動阻力并不等同于靜態抗壓承載力，而應對抗壓承載力中的側摩阻力部分進行一定程度的折減。在粘性土中，受土的觸變性影響，建議折減50%，在無粘性土中建議折減50%～100%。土的動阻力主要用于進行樁的可打入性分析，預測可能的錘擊數。

2.2 重力錨作為生根點時的巖土工程數值計算

重力錨作為大型船舶或平臺保持穩定所需的錨固物，出現較早，應用最廣[8]。如圖4所示，為“世越號”沉船打撈過程中使用的重力錨，重力錨一般由錨體、吊環及橫向穩定裝置組成，結構本身具有一定的水底穩定性，可防止發生較大的橫向側移。重力錨通常埋設在自海底面向下挖好的基坑內，埋設完畢后，填平重力錨與坑壁之間的縫隙，并進行一定的夯壓。有條件時，還可在錨體上方覆蓋一定厚度的土體。

3-a p-y曲線(海底面,0 m深度,1 500 mm樁徑)3-b p-y曲線(第1層層底,1.6 m深度,1 500 mm樁徑)

3-c p-y曲線(第2層層頂,1.6 m深度,1 500 mm樁徑)3-d p-y曲線(第2層層底,6.1 m深度,1 500 mm樁徑)圖3 “1101”打撈工程P-Y曲線計算結果(部分深度)Fig.3 Calculation results of P-Y curve for "1101" salvage project

圖4 “世越號”沉船打撈過程中使用的重力錨Fig.4 Gravity anchor used in "Shi Yue No." wreck salvage圖5 重力錨抗拉力計算力系平衡示意圖Fig.5 Schematic diagram of force system in equilibrium for calculation of tensile force of gravity anchor

如圖5所示，重力錨埋設后能夠提供的抗力主要由三部分組成：自身重力、基底摩擦力、基坑邊的被動土壓力。設重力錨受力纜與水平面夾角為α，重力錨基礎寬度為B，根據力系平衡原理，重力錨抗拉力計算如下

垂直方向上，重力錨能夠提供的抗拉力需滿足以下關系

Tsinα≤G+γh

(6)

水平方向上，重力錨能夠提供的抗拉力需滿足以下關系

Tcosα+Ea≤Ep+f

(7)

f=μ(G+γh-Tsinα)

(8)

以設計拉力標準值分別代入公式(6)、公式(7)，可校核重力錨抗拉力是否滿足條件，其中，主動土壓力、被動土壓力可采用朗肯土壓力理論進行計算(土力學)。另外，設計拉力標準值還需滿足受力鋼纜允許抗拉強度的條件。

2.3 吸力錨作為生根點時的巖土工程數值計算

吸力錨的原理是將陸域制作好的鋼桶運輸至海上場址，在設計位置就位后抽出鋼桶內的空氣和水，使桶體內外產生一定的壓力差，利用壓力差將桶體貫入到海床以下一定深度。吸力錨的抗拔承載力主要由吸附力提供[9-12]。

將鋼筒陸上制作后漂浮拖航至風場，就位后抽出筒體中的氣體和水，利用筒體內外壓力差將筒體插入海床一定深度。吸力錨適用于地質條件為砂性土或軟粘土的各種水深條件風場。其優點在于：節省鋼用量，減少制造費用；采用負壓施工海上安裝速度快，便于在海上惡劣天氣的間隙施工；便于運輸和安裝；吸力式基礎插入深度淺，只須對海床淺部地質條件進行勘察，而且風電場壽命終止時，可以簡單方便的拔出，進行二次利用。

(1)水平承載力分析。

吸力錨在工作當中，由于纜繩和水平面存在夾角，因此，其不僅受到上拔力，還受到水平作用力和由此產生的彎矩。吸力錨在不同的水平外力和彎矩組合作用下，會形成不同的破壞面，也就是說，吸力錨受到的外荷載不同，其破壞模式也會有所不同。

吸力錨桶體在承受水平力時，主動區桶體外側產生的抗力較小，被動區產生的土抗力較大，即抵抗桶體變位的土體抗力主要來自被動區土體。隨著外荷載的逐漸增加，主動區上部土體抗力由零逐漸變為負值，下部土體抗力逐漸增大，而被動區上部土體抗力逐漸增大，下部土體抗力有減小的趨勢。這說明在水平外力及彎矩的作用下，其主要運動形式是轉動，從總體分布來看，被動區的土體抗力分布呈拋物線型，主、被動區土壓力合并簡化后，計算示意圖如下。

圖6 吸力錨水平承載力計算簡化示意圖Fig.6 Schematic diagram of horizontal bearing capacity calculation of suction anchor

圖6中，S為吸力錨頂部F力作用處至泥面的距離；a為泥面至旋轉中心矩；L為泥面至桶底距離；P(z)為被動土壓力分布；Ts為桶底剪應力；Ms為錨側面極限摩阻力及基底極限抗力產生的彎矩。

由圖可知，桶底底部的剪切力Ts可表示為

Ts=πD2cu/4

(9)

桶體側面正向極限土抗力分布P(z)可表示為

P(z)=3cu+γ′z+Jcuz/D

(10)

式中：γ′為土的有效重度，kN/m3；z為泥面下深度，m；cu為土的不排水抗剪強度，kPa；D為桶體直徑，m；J為試驗常數，取0.25～0.5。

桶體在這些力的作用下將圍繞軸線上的O點旋轉，O的位置由力矩平衡條件求得

(11)

由上式求出a后，依據水平力平衡條件得到吸力錨的水平錨固能力F

(12)

(2)沉貫阻力分析。

吸力錨桶形基礎著底后的沉貫分為兩個階段，自重沉貫階段和負壓沉貫階段。自重沉貫階段指吸力錨靠自重使下緣嵌入土中，負壓沉貫階段是指在形成錨桶內水體的封閉狀態后，借助設置在頂端錨蓋上的潛水泵向外抽水，并使同一時間內抽出的水量超過自底部滲入的水量，造成錨桶內部壓力降低。當錨桶內外壓差作用在錨蓋上的壓力超過海底土對錨的阻力時，錨桶即可不斷被壓入土中，直至錨蓋與海底接觸時，沉錨終止。

桶形基礎的沉貫阻力，由桶壁與土的摩擦阻力和桶端阻力組成。目前較常用的有SIPM經驗公式[13]，公式為

(13)

式中：D為桶體直徑；kf為相對桶壁摩擦力的經驗系數；f為探觸測得的局部摩擦力；h為沉貫深度；kp為相對桶端阻力的經驗系數；qch為指定點的平均觸探錐尖阻力；t為桶端厚度。土體參數最好采用原位靜力觸探測得。

在應用實踐中發現，實際的沉貫阻力要比計算值小很多，計算結果偏于保守的原因可能在于以下3點：①沉貫時由于砂土中的滲流影響，內側摩阻力與筒端阻力大大減??；②在粘土中，通過涂抹減阻劑，減小了桶內壁摩擦阻力；③負壓沉貫階段，桶基端部和外壁阻力，因為負壓造成的滲流和孔隙壓力降低的原因而明顯減小。對于不同的土質、負壓、直徑、沉貫速度和深度，負壓對阻力減小的影響存在較大差距。

基于以上因素，通過對SIPM經驗公式改進，出現了一種加權綜合估算公式，如下

(14)

式中：qc(z)為CPT試驗貫入阻力；De為桶形基礎外徑；Di為桶形基礎內徑；kfe為桶外壁摩擦力相對經驗系數；kfi為桶內壁摩擦力相對經驗系數；kfz為負壓對桶壁摩擦力的影響系數；kp為負壓對桶端阻力的影響系數；z為海底下桶壁各處深度；h為桶壁插入深度。

圖7 “夏長輪”沉船打撈過程中使用的吸力錨Fig.7 Suction anchor used in "Trans Summer" wreck salvage

以試驗方法確定上式中的kfe、kfi、kfz、kpz等參數比較困難，最常用的方法是采用有限元計算來確定它們的取值范圍。參考DNV挪威船級社規范2008的建議及已有的工程實踐，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。改進后的加權綜合估算公式具有一定的靈活性，可以通過選用適當的系數值，來滿足不同的土質和工程實際需要。

在“夏長輪”打撈工程中，采用的吸力錨設計為圓筒型結構，底部開放頂部密封(圖7)。根據設計要求，吸力錨受水平方向300 t拉力。依照吸力錨的受力特點，在筒側面布置系纜點。由于錨體為薄壁筒結構，為增加吸力錨抗側向拉力能力，防止筒體發生大變形及局部屈曲破壞，沿筒體直徑方向設置強肋板。在錨頂部設置泵接口及人孔，以便貫入施工。

按照公式(14)對“夏長輪”打撈吸力錨進行了貫入阻力校核計算，結果顯示，能夠滿足300 t拉力的生根需求。在實際打撈作業中，生根力也完全符合實際。

表2 三種生根方式的適用土質條件比較Tab.2 Comparison of suitable soil conditions for three rooting patterns

2.4 生根方式的適用范圍

根據生根方式的結構特點、工作原理、工程地質特征等，通過總結現已完成的較大型打撈工程項目，分別對樁式錨、重力錨和吸力錨的適用土質條件進行對比研究。

表2可為大部分打撈工程生根方式的選擇提供指導與參考?？梢灶A見的是，隨著打撈工程技術的不斷發展，重力錨的使用將逐漸減少，吸力錨和樁式錨的使用將迎來大發展，而且其適用范圍會進一步加大。

3 結束語

在打撈工程中，樁式錨、重力錨和吸力錨基本上可以滿足所有海區的應用需求，其生根力的計算從本質上講屬于巖土工程問題，樁式錨可借鑒海洋工程樁基礎承載力的計算方法獲得設計生根力，重力錨的生根力可通過靜力平衡計算得出，而吸力錨的計算目前雖有公式可參考，但未形成權威可信的規范，仍有待于研究的深入。在實際應用時，針對淺部分布有粉土、砂土、可塑粘性土等中等強度土使用樁式錨；針對淺層土質堅硬、風化巖、基巖淺埋使用重力錨；針對軟粘土、粉土、砂土使用吸力錨。選取合適的生根方式，方能收到理想的效果。