自升式平臺碼頭升降試驗安全性分析

于衛紅,卓佐泳,吳春美,賈 濤,宮經海

1.太重（天津）濱海重型機械有限公司技術中心,天津 300457

2.國家管網集團天津天然氣管道有限責任公司,天津 300457

自升式平臺的樁腿樁靴可以插入海底，具有作業穩定性高、對環境條件不敏感、海上有效作業窗口期較長等優點。隨著海上油氣開發及海上風電的不斷發展，自升式平臺作為海上油氣及海上風電開發的重要裝備得到了廣泛應用[1]。

自升式平臺主要由主船體、樁腿樁靴及升降系統等組成，其中升降系統是自升式平臺最關鍵的部分，直接決定著自升式平臺的使用性能。在自升式平臺處于或接近完工狀態時需進行升降試驗，升降試驗的主要目的是檢驗自升式平臺已安裝好的升降系統（升降裝置和升降基礎）的操作性能和樁腿結構的尺寸公差控制精度、安裝狀態等，以保證平臺的操作安全可靠。通過試驗驗證系統安裝正確、安全裝置可以正常使用、系統功能正常。

升降試驗是自升式平臺最重要的大型試驗之一，面臨試驗載荷多變、環境條件復雜、海床地質條件未全部可知、人員操作影響等諸多不確定性因素，即面臨的試驗風險非常高。為保證升降試驗的順利完成，必須對潛在的危險因素進行分析研究，提出可靠的安全應對措施，以確保升降試驗的順利進行。

1 升降試驗程序

根據實際作業中存在的正常升降、帶載升降、預壓載等工況，升降試驗主要分為四個階段。

1.1 階段1--最大預壓載試驗

自升式平臺在海上完成插樁升船后，要進行預壓操作。此階段可檢驗平臺的最大預壓載能力，根據平臺壓載能力可采用單樁預壓或多樁預壓方案。試驗時平臺氣隙要大于最大潮高，對平臺進行壓載直至樁靴的支反力達到平臺作業及自存時的最大支反力。保持靜止觀察，確保地基穩定沒有下陷，完成最大預壓載試驗。

1.2 階段2--壓載升降試驗

此階段可檢驗在一定的壓載狀態下升降系統的提升能力。最大預壓載試驗完成后，泄放部分壓載水，重新配載至每個升降齒輪的負荷達到齒輪設定的壓載升降能力。平臺從適當的氣隙狀態將船體向上提升約齒輪旋轉一周的高度，保持該負荷約15 min，再下降相同的高度。

1.3 階段3--正常升降試驗

此階段可檢驗正常工作狀態升降系統的工作能力，平臺壓載到每個升降齒輪的負荷達到齒輪設定的正常升降能力。平臺從適當的氣隙狀態向上提升至平臺最大氣隙，完成正常升降試驗。

1.4 階段4--全程升降試驗

正常升降試驗完成后，泄放壓載水，調整壓載至升降小齒輪達到預定設計能力，船體的重心應位于三個樁腿的形心，保證所有小齒輪受力均勻。準備進行全程升降試驗，將主船體升至樁腿最高處合攏焊縫以上，然后下降到約0.5 m的氣隙，完成全程升降試驗。全程升降試驗在升到最高處時仍要保證樁腿有一定的余高，便于某樁腿突發下陷時對船體進行調平。

2 升降試驗安全性分析要點

從目前平臺在升降試驗中發生的事故來看，試驗過程中可能存在以下風險。

（1）升降運動及振動或地基承載力不足導致某條樁腿突然下沉，造成平臺大幅傾斜（穿刺）。

（2）地層承載力不均勻，各樁腿的入泥深度相差太大，升降同步性較差。

（3）樁腳入泥過深，導致拔樁異常困難。

上述風險都離不開預壓荷載、對地比壓、地基承載力及插拔樁能力等的確定，如何準確計算上述因素、真實模擬作業現場的實際環境條件是降低試驗風險的重要手段。

2.1 預壓荷載

自升式平臺在開始作業狀態之前應將主船體升離海面并保持與水面較近距離，然后進行預壓載操作。預壓載的目的是保證平臺能夠抵御極限惡劣的環境條件，避免造成平臺的傾覆和損壞。

預壓荷載的準確計算對平臺的安全非常重要，結果偏小會導致入泥深度不足引起樁腿的附加貫入，增加平臺傾覆或損壞風險；結果偏大又會導致地基風險增加或入泥過深，拔樁風險增加。預壓荷載的計算方法有直接疊加法、準靜態法、動力分析法等[2]，本文采用準靜態法和動力分析法相結合的方法確定預壓荷載，能充分考慮垂向及橫向荷載、平臺側向位移產生的附加彎矩及環境荷載產生的動力放大效應等。

2.2 地基承載力

對于自升式平臺插樁時的地基承載力，主要是考慮其樁端阻力[3]。碼頭預定平臺插樁處地基承載力計算將依據SY/T 6707—2016《海洋井場調查規范》推薦的承載力公式[4]，即：

式中：Q為地基極限承載力，kN；A為樁靴的最大承載面積，m2；γ1為由樁靴排出土的平均有效重度，kN/m3；V為樁腳排出土的體積，m3；其中qn的計算方法如下：

（1）對于不排水的黏性土質。

式中：Su為樁靴最大截面以下B/2深度內的平均不排水抗剪強度，kN/m2；B為樁靴的當量直徑，m；D為樁靴最大入泥深度，m。

（2）對于排水粒狀土質。

式中：γ為樁靴以下B/2深度范圍內土的平均有效重度，kN/m3；Nr、Nq為排水粒狀土的無量綱承載力系數，據內摩擦角而定；P0為樁靴端部位置的有效上覆土壓力，kN/m2；qmax為qn的限制值。

2.3 穿刺分析

當一硬黏土層或粒狀土層之下潛伏著一層軟黏土層時，上下之間承載力的不同可能會存在樁腳穿刺危險。對于這種類型的土質剖面必須進行穿刺分析，通常以合適的穿刺相對安全系數來評價穿刺發生的可能性[5]。

穿刺相對安全系數：Fs=樁靴所處硬土層的最大極限承載力/單樁最大預壓荷載。當Fs≥1.5時，此位置是可以適應自升式平臺插樁的；當Fs＜1.5時，只要在軟下臥層中計算出的最小安全系數Fs′≥1.2，此位置適合自升式平臺插樁。其中Fs′=樁靴所處深度以下軟下臥層的最小極限承載力/單樁最大預壓荷載。

2.4 拔樁能力評估

自升式平臺的拔樁是依靠平臺本身過量吃水而產生的上浮力起拔，當平臺產生的上浮力F大于總抗拔力R時平臺才能夠拔起，反之，平臺則拔不起。平臺拔樁時單樁的抗拔力R主要由以下幾方面力組成。

（1）樁腳箱上覆土體的重量P1。

式中：r為插樁深度以上各層土體的浮容重，kN/m3；H為插樁深度以上各層土體的厚度，m；B為樁靴最大截面等效圓直徑，m。

（2）樁腳箱側面與周圍土體間的摩阻力F1。

式中：L為樁腳箱側面高度，m；C為樁腳箱側面高度內土體的內聚力，kPa。

（3）插樁深度以上各土層土體破壞所需要的剪切力：

式中：C為插樁深度以上各土層內聚力，kPa。

3 安全性分析結果

本文以某一自升式平臺為研究對象，從預壓荷載、對地比壓、地基承載力、插樁深度、穿刺風險、拔樁能力等方面對其碼頭升降試驗的安全性進行了系統的分析研究。

3.1 總體參數

平臺船體近似為三角形箱型結構，平臺首尾設有3個三角形桁架式樁腿，樁腿下端帶有樁靴。懸臂梁坐落在平臺尾部主甲板上，安裝在縱向主龍骨艙壁頂部，生活區呈“V”字形布置于平臺首部，前端布設了直升機飛機坪，如圖1所示。平臺總體技術參數見表1。

圖1 自升式平臺立面

表1 自升式平臺總體技術參數

預壓荷載的確定應充分考慮風暴自存工況和正常作業工況，選取最危險工況來計算預壓荷載，見表2。

表2 自升式平臺最危險工況參數

3.2 預壓荷載及對地比壓

計算預壓荷載時，僅為核算預壓荷載及樁靴對地壓力等，而非校核主船體結構強度，因此可以合理簡化主船體結構[6]。本文將甲板、底板、舷側板等等效為梁單元，單元特性應能等效反映艙壁、甲板、底板等的剛度，主船體等效梁通常位于型深高度一半位置。分析時充分考慮了以下荷載：第一，自重、可變荷載；第二，風、浪、流荷載；第三，動力放大效應（DAF）；第四，P-Delta效應等荷載，各荷載的計算可參考船級社相關規范[7-8]。為準確模擬樁腿剛度，精確計算P-Delta效應等荷載，樁腿采用詳細模型，并依據SNAME規范選取合理的拖曳力系數[9]；為準確模擬樁腿與船體間的相互作用，樁架導向處采用限制一個平動自由度的約束，在鎖緊裝置處采用限制一個平動和一個轉動自由度的約束，有限元計算模型如圖2所示。經有限元分析計算，該自升式平臺環境荷載、樁靴反力、對地比壓等結果見表3。

圖2 自升式平臺預壓荷載計算模型

表3 荷載、樁靴反力及預壓荷載結果

本平臺升降試驗預壓荷載為147 925 kN，因升降試驗時甲板可變荷載較小，壓載艙全部壓滿時樁靴對地比壓約為39.4 t/m2，壓載艙容量無法滿足升降試驗預壓荷載要求，將采取單樁壓載的方式進行最大預壓載試驗。圖3給出了不同荷載引起的樁靴支反力，可以看出DAF、P-Delta、風和浪流荷載引起的樁靴反力約占總樁靴反力的30%左右，在評估預壓荷載及樁靴對地比壓時應重視DAF、P-Delta、風和浪流等荷載的影響。

圖3 不同荷載引起的樁靴支反力

3.3 地基承載力及插樁深度

當自升式平臺在升降試驗預定的位置就位后，樁靴將緩慢插入地基中，當地基極限承載力小于樁靴壓力時，樁靴繼續向下貫入；當地基極限承載力大于或等于樁靴施加壓力時，樁靴停止貫入，穩定在地層的某一層，此時平臺樁靴貫入地基的深度為平臺的插樁深度。

為準確評估升降試驗處的地基承載力、插樁深度、穿刺風險等，依據工程地質勘察的地基參數，采用SY/T 6707—2016推薦的承載力計算公式，對自升式平臺插樁處的地基承載力進行分析，結果如圖4所示。在升降試驗最大對地比壓41.7 t/m2的作用下（不考慮下部軟弱層的影響），樁靴入泥深度約5.9～6.4 m。

圖4 插樁位置單一土層承載力曲線

3.4 穿刺風險評估

圖4中地基力曲線趨于平緩區域，說明地層較穩定，即使樁靴對地壓力增大也不會出現入泥深度的明顯增加；曲線陡峭位置說明地層較軟，當樁靴對地壓力達到其極限壓力時會出現樁腳突然下沉。

鑒于地質勘查鉆孔揭示的淺部地層10.7～11.8 m土層為粒狀土，其下臥11.8～15 m為相對軟弱的黏性土層，平臺升降試驗插樁時樁靴是否存在刺穿危險，需對上述上硬下軟的土層剖面進行刺穿計算分析。經計算，當擬建平臺單樁滿荷載插樁時，對地比壓為41.7 t/m2，10.7～11.8 m粒狀土層中最大相對刺穿安全系數FS為1.06（＜1.5），其軟下臥層最小相對安全系數FS′＜1.2，平臺插樁存在刺穿風險，穿刺后地基承載力曲線如圖5所示。一旦發生刺穿，樁靴入泥深度可能達12.1 m左右。

圖5 插樁位置穿刺分析后承載力曲線

3.5 拔樁能力評估

自升式平臺在升降試驗位置以滿荷載插樁，對地比壓達到41.7 t/m2，假設樁靴入泥形成的孔洞被排開土回填，其樁尖入泥深度達6.4 m。依據2.4節的計算方法，其單樁總抗拔力R=P1+F1+F2=13 510+1 280+8 850=23 640 kN。依據自升式平臺靜水力計算，平臺單樁每吃水1 m時可產生的上浮力（上拔力）為11 754 kN/m。因此，當平臺入泥深度在6.4 m時需平臺過量吃水2.0 m可將平臺樁腿拔起。

自升式平臺滿荷載插樁存在穿刺風險，一旦發生穿刺，平臺樁腳尖最大入泥深度達12.7 m，此時其單樁總抗拔力R=P1+F1+F2=25 730+1 160+23 960=50 850 kN，平臺需過量吃水4.4 m將平臺樁腿拔起。

平臺插樁位置水深約13.5 m，平臺空船質量約16 000 t，自身吃水約4.4 m，平臺自身吃水加上過量吃水深度小于型深且小于水深深度，此平臺可滿足穿刺前后的拔樁要求，拔樁時可采取分步平穩沖樁或清泥方式降低拔樁阻力。因此當平臺存在穿刺風險時，經分析平臺拔樁能力充足的情況下，可考慮采用主動穿刺降低風險的方法[10]，即考慮提高平臺預壓荷載以主動穿刺硬土層，從而達到穩定的承載土層。

4 結論

本文依托于自升式平臺，從預壓荷載、對地比壓、地基承載力、插樁深度、穿刺風險、拔樁能力等方面對其碼頭升降試驗的安全性進行了系統的分析研究，為后續同船型升降試驗的安全性分析提供了參考依據。

本自升式平臺碼頭升降試驗最大對地比壓41.7 t/m2，存在穿刺風險，為降低穿刺風險，對升降試驗給出以下建議。

（1）碼頭升降試驗預壓荷載及樁靴對地比壓等的估算應重視DAF、P-Delta、風和浪流等荷載的影響。

（2）選擇7～8月風小的季節，提前咨詢當地氣象局獲取氣象預告，選擇具有一周以上持續良好天氣的窗口期進行升降試驗。

（3）碼頭升降試驗要盡量避開其他平臺插樁過的位置，以防蹩壞樁腿。

（4）在插樁過程中應盡可能地保持平臺接近水面，建議保持≤1.5 m高度壓載，一是防止漲潮淹沒船體而降低壓載效應，二是一旦某條樁腿地層穿刺船體沉落水面能夠提供浮力支持。

（5）建議平臺在插樁過程中壓載水的增加應緩慢適量，并按順序采取多級壓載方式，以避免因預壓載增量過大及壓樁速度過快而導致樁腿快速下沉的風險。每次加載后注意觀察并加強監測，保持船體平衡，力保樁腿不傾。