舊樁坑對自升式平臺插樁穩定性的影響及對策

安有杰

摘 要：本文詳細分析了舊樁坑對自升式平臺插樁穩定性的影響因素，總結了防范二次插樁滑移風險的措施，最后對作業流程提出建議。主要因素為樁坑幾何形狀、樁靴尺寸形態、偏心距、樁坑土體特性和平臺結構。措施具體包括規避樁坑、整修樁坑、改進樁靴和調整平臺重心等手段，其目的多是減小樁坑和周邊土體之間地基承載力的差異，減小滑移載荷。平臺重復就位作業流程與初次就位有所不同，需要更詳細的勘察分析和復雜的安裝。

關鍵詞：舊樁坑;自升式平臺;插樁;滑移

0 前言

近年來，隨著海上開發活動的增加，自升式鉆井平臺在同一或相近位置進行二次甚至多次作業的情況越來越普遍。以渤海某井位為例，從2009年11月初次就位至2019年12月，十年內就有5個平臺在該井位周邊進行作業。平臺拔樁后會在海床上遺留直徑達十幾米的凹坑，也稱作“腳印”，坑內回填的是高擾動土，周邊為原始土或輕擾動土，這就導致海床地基承載力出現明顯不均。二次插樁時，土體強度的差異會造成樁靴底部阻力與樁軸不重合，產生水平向的偏心力[1]，這兩種力作用下，樁靴可能滑向舊樁坑，嚴重影響平臺穩定性，這種現象稱為“踩腳印”或“二次插樁”。

踩腳印問題是平臺重復就位面臨的主要難題之一，輕則導致平臺就位精度不足，重則引起平臺結構變形甚至傾覆，處理不當就會造成嚴重的工程事故和重大經濟損失。舊樁坑對插樁穩定性的影響，本質上是非均勻地基上的基礎承載力問題。由于涉及水--土--結構之間高度非線性過程，傳統承載力計算方法不能合理地解決該問題。而且國內外相關研究較少，過程機理尚不十分明確[2]。本文結合工程實踐和總結己有研究，詳細分析舊樁坑對二次插樁穩定性的影響因素，討論應對滑移風險措施，對作業流程提出建議。

1 影響因素分析

自升式平臺重新就位對舊樁坑的響應復雜，樁靴滑向樁坑的趨勢由水平力和樁靴對樁腿與船體的連接處的力矩大小來衡量。影響二次插樁穩定性的因素為樁坑幾何形狀、樁靴尺寸形態、偏心距、樁坑土體特性和平臺結構等，下面詳細分析各因子及其影響。

1.1 樁坑幾何形狀

樁坑形態對于樁靴所受水平力和彎矩等滑移載荷有較大影響，一般來說，滑移載荷隨樁坑坡度、深度和直徑的增加而增大。樁坑幾何參數與原狀土特性、樁靴形態尺寸、插樁深度和土體回填程度有關，在同等條件下，直徑和深度隨土體強度的降低而增大。

樁坑尺寸現場測量的公開數據很少，唯一能查到的是歐洲北海某深水平臺在硬黏土上留下的腳印，樁靴直徑18.18m，深度5m[1]。通過對比渤海某淺海平臺作業前后水深，本文得出直徑11.5m的樁靴在粉土地基上，可形成直徑約12.4m，深度在2.0-4.0m內的樁坑。再結合室內試驗結果[2]，樁坑直徑一般在1.0D-2.0D（樁靴直徑D），深度約為0.1D-0.3D。此外，樁靴在拔插過程中，會導致樁坑邊緣海床隆起，影響范圍約2D。

1.2 樁靴尺寸形態

二次插樁的樁靴尺寸形態通常與原樁靴不同。一般來說，樁靴直徑相對舊樁坑尺寸越小，受影響就越大。目前應用最多的是傳統紡錘形樁靴，這種樁靴要求海床平緩、土體均勻，其底面坡度對滑移載荷有較大影響，易發生滑移。

1.3 偏心距

偏心距是指發生滑移荷載的樁坑中心和樁靴中心之間的距離。二次插樁時，其對滑移載荷的影響十分明顯，載荷隨偏心距的增加先增大后減小，因此存在一個最不利距離，多出現在0.5D-1.0D之間，超過1.3D-1.5D時樁坑的影響就比較小了。在垂向上，出現最大滑移載荷的深度通常要低于樁坑深度。

1.4 腳印土體特性

樁坑內土體的強度在水平和垂直向都變得不均，插樁較深的樁坑土體強度分布更加不規律。由于土體抗剪強度不連續，會致使樁靴向樁坑滑移，說明海床土體強度不均是二次插樁失穩的主導因素。

坑內土體強度與原狀土、插拔樁擾動和拔樁后固結程度有關。強烈擾動在距插樁中心線0.75D范圍內，1.5D之外的土體基本不受影響，兩者之間為輕擾動。拔樁后坑內土體強度隨時間逐漸恢復，初次插樁1-2年內，土體強度與剛拔樁時差異較小;隨時間增加，土體強度接近原狀土甚至更硬。總之，兩次就位間隔較長時，二次插樁同首次的區別主要由樁坑幾何特性引起;間隔較短時，受樁坑土體強度變化的影響更大。

1.5 平臺結構特性

目前，平臺結構特性對二次插樁穩定性的影響尚不明確[2]。自升式平臺作為船體和樁腿的組合體共同作業，除樁坑引起的承載力差異，樁腿還受到平臺約束。若樁腿與平臺完全固定，則樁靴傾向于垂直插入;若樁腿鉸接于平臺，則樁靴更傾向于滑入樁坑。若不考慮平臺系統特性，可能會低估單條樁腿的滑移幅度。

2 滑移風險處理

2.1 防范措施

鑒于老腳印帶來的危害，需要在作業過程中予以防范處理。基于對插樁穩定性影響因素的認識，從設計到現場作業，總結各階段的有效措施。

在設計階段，要盡可能規避舊樁坑的影響，建議二次插樁樁靴邊緣距樁坑邊緣不低于一倍的樁靴直徑，對軟土地基，可能需要更大的距離，這也是現行規范的要求。若受現場條件限制，無法規避時，盡可能采用與先前完全相同的平臺在相同地點作業，或者盡量減少可能發生滑移的樁腿數量。

在施工階段，針對不同影響因素，分別采取整修樁坑、改進樁靴和調整平臺重心等處理措施。整修樁坑可使地基平整，減小樁靴所受水平力和彎矩，包括直接充填和踩平樁坑。直接填平需要選用與周邊土體工程性質相近的材料，否則不但不能減小地基差異，還可能增加風險。踩平樁坑是指在接近舊樁坑相對安全的距離處，通過一定深度的預壓載、橫向拖動平臺和長時間沖樁等手段，強迫周邊土體進入樁坑。傳統倒錐形樁靴易發生滑移，改變樁靴結構，可有效增加插樁穩定性。比如桶形基礎與海床接觸后，筒壁方便插入土體，能提高水平荷載承受能力。在樁靴上預留孔洞，亦可有效減小水平力。

預壓載前，保持樁靴接觸床面，不斷調整平臺重心，使樁腿一定程度升降擺動，可改變舊樁坑周邊地形和土體性質，消除扭矩，降低滑移風險;壓載過程中，則通過不斷調整平臺的水平度，減小平臺與樁腿的傾角，使樁腿能盡可能垂直入泥，避免載荷過大而造成機械損壞。

2.2 施工建議

平臺就位前，會對施工區域進行地質物探調查。只有掌握充分海床狀況，作業才有保障。常用調查規范不能滿足存在樁坑的情況，需要加密測量，才能為預判滑移風險、樁坑處理和施工過程等提供基礎數據。

平臺到達預定井位后，就位作業前，應仔細分析設計方案可能存在的滑移趨勢，樁靴入泥位置距最終就位位置應保持一定余量。在插樁過程中，應優先安裝無滑移或風險小的樁腿，以增加系統剛性抑制可能的滑移，再對老腳印附近的樁腿進行插樁。對于風險大的井位插樁，樁腿每入泥約半米時，應暫時停止放樁，靜載觀察一段時間，確保不出現大的滑移現象，直至插樁完畢。進行壓載作業時，建議適當增加壓載觀測時間，使底部持力層充分壓實，經過一定時間的滿壓載，方可升平臺作業。

3 結語

綜上所述，舊樁坑會給平臺重復就位帶來安全隱患，樁坑對二次插樁穩定性的影響主要取決于樁坑幾何形狀、樁靴尺寸形態、偏心距、樁坑土體特性和平臺結構等，每個參數都不同程度地影響滑移載荷。但踩腳印問題的核心是非均勻地基上的基礎承載力問題，采取的處理措施多是減小舊樁坑和周邊土體之間承載力的差異。二次插樁作業流程也與初次有所不同，需要更詳細地勘察分析計算和復雜的安裝。但目前對踩腳印失穩機理的認識仍處在定性階段，還需要大量的現場測量和大比例室內模型試驗，才能定量化舊樁坑的影響，更準確地指導實踐。

參考文獻：

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

[2]汪纖.自升式平臺樁靴踩腳印失穩機理有限元分析[D].大連：大連理工大學，2016.