軟土地基筒基試采平臺的適用性分析

邵文靜

（中國石油大港油田灘海開發公司, 天津300280）

大港灘海油田控制儲量升級評價，利用試采平臺對評價井進行試采，獲取必須的開發參數，準確分析油藏產能和生產規律，為開發方案的編制提供可靠依據．試采平臺需要配套相應的油氣采集、油氣處理、儲存、集輸、放空燃燒等工藝系統和相應的工程配套設施[1-4]．可移動試采平臺試采周期可根據實際需要確定，可以避開惡劣天氣進行原油拉運，可實現連續生產．

目前，大港灘海沒有適用的可移動試采平臺，需探索一種適用于軟土地基，具備一定的儲存功能，滿足試采、注水、油氣處理，靠船等需要的可移動試采平臺．筒型基礎結構是一種適用于軟土地基的新型港口與海岸工程結構型式,具有運輸和安裝方便、施工速度快、可重復使用等優點,尤其適合于邊際油氣田的開發[5-8]．本文提出了將筒型基礎結構應用于試采平臺的想法，探討了其可行性．

1 已建箱筒型基礎結構工程分析

1.1 箱筒型基礎結構概述

箱筒型基礎結構是一種不需要進行軟基處理的基礎結構，可利用周邊軟土的粘聚力和摩擦阻力來保證結構的抗滑和抗傾穩定性，利用插入埋深來提高基底的承載力和整體穩定性，可預制且可重復利用，廣泛應用于港口和海岸工程，以及灘海人工島油氣田開發．依靠沉入地基中的筒型基礎維持整體結構的穩定性，可重復利用、縮短施工時間、節省投資，具有廣泛的應用前景．每組箱筒型基礎結構由四個下面無底上面有頂板、且在頂板上設有可開關通孔的圓柱筒呈矩形排列，相鄰圓筒體間用豎向連接板連接而成．箱筒型基礎結構平面圖如圖1所示．

箱筒型基礎結構應用于軟土地基，設計時主要考慮結構的地基承載力和穩定性演算．對于箱筒型基礎結構的基底地基極限豎向承載力，可用《港口工程地基規范》中關于剛性埋深基礎的極限豎向承載力計算方法進行計算，并確定地基的允許承載力；箱筒型基礎結構的基底應力按直線分布考慮，基底應力的值按重力式碼頭的基底應力計算方法進行計算，具體參照《重力式碼頭設計與施工規范》；結構的抗滑穩定性計算結合《防波堤設計與施工規范》和《重力式碼頭設計與施工規范》中的相關要求進行；對于結構的圓弧滑動穩定性驗算，利用《港口工程地基規范》中的簡單條分法進行計算．

圖1 箱筒型基礎結構Fig.1 Box type cylinder infrastructure

箱筒型基礎結構件可以用鋼板制作，也可用鋼筋混凝土澆注．箱筒型基礎結構件在陸地預制好后被移于水中，向倒扣放置的筒體中充氣，將筒型基礎結構件氣浮漂運到安裝現場，定位后抽出筒體中的氣體，使筒體底部著于泥面，然后通過筒頂通孔抽出筒體中的氣體和水，利用真空壓力和筒內外水壓力差將筒體插入到土中后，封好通孔．

大港灘海油田將鋼箱筒作為人工島圍埝、防波堤以及棧橋的基礎結構，已經進行了多次成功的嘗試，如埕海1-1人工島南側箱筒型基礎圍埝及應急停靠點、埕海2-2人工島西南側的箱筒型基礎應急停靠點、埕海2-2進海路中箱筒型基礎棧橋．

1.2 埕海1-1人工島船舶應急停靠點及防波堤

埕海1-1人工島船舶應急停靠點設置于人工島南側，共采用 8組鋼箱筒基礎結構，南側圍埝長163.5 m，船舶停靠點面層頂高程＋3.5 m，頂面18.2 m寬的面層，前沿海底泥面高程為－2.8 m，后側擋浪墻頂高程＋6.5 m．

埕海 1-1人工島東側防波堤兼作消防取水結構，長 47.4 m，上部砼大圓筒頂高程＋5.6 m．防波堤結構的鋼箱筒基礎部分與南側圍埝結構的箱筒型基礎部分相同，上部為現澆的混凝土蓋板，板厚0.5 m．防波堤結構斷面如圖2所示．

箱筒型基礎結構由四個上部帶頂蓋板、下部開口的鋼質基礎圓筒體成矩形排列，通過頂板和基礎筒體間的側板剛性連接而成．基礎圓筒直徑9.0 m，高8.5 m，上部3m壁厚12 mm，下部5.5 m壁厚 10 mm，筒壁內外均設有豎向肋板；頂板為下側帶肋梁的平板，板厚 10 mm；相鄰兩個基礎圓筒間的最小間距 3.0 m，通過兩側帶肋梁的鋼板連接．每組鋼圓筒上所形成的基礎結構長和寬均為22.8 m，相鄰組鋼箱筒結構的安放間距為1.5 m，在該間距內插入混凝土擋板進行連接．工程完工后如圖3所示．

按照本文1.1中所述的相應規范對工程結構設計進行穩定性驗算均滿足設計要求．

圖2 埕海1-1人工島防波堤結構Fig.2 Chenghai 1-1 Artificial Island breakwater structure

圖3 埕海1-1人工島南側圍埝及防波堤Fig.3 Chenghai south 1-1 artificial island reclamation dam and breakwater

1.3 埕海2-2人工島箱筒型基礎應急停靠點

埕海2-2人工島的西南角位置建造一小型船舶應急停靠點，該船舶應急停靠點結構與埕海1-1人工島的相同，應用箱筒型基礎結構和空心方塊結構建造，采用了 2組鋼箱筒基礎結構．南北長46.3 m，東西寬22.8 m，頂面高程+3.5 m，在其西北側墻上預埋管線上岸構件，南側和西南側墻供船舶停靠．工程完工后如圖4所示．

碼頭穩定性計算時分為兩個斷面：第一分段與圍埝鄰接，背后有回填土要考慮主動土壓力，但不考慮波浪力；第二分段突出海面，無回填土故只考慮波浪作用力．通過結構的抗滑穩定性、抗傾穩定性、地基承載能力驗算，結果均滿足設計要求．地基沉降量 S＝0.323 m，地基整體穩定性驗算滿足要求．

圖4 埕海2-2人工島船舶應急停靠點Fig.4 Chenghai 2-2 artificial island ship emergency stop

1.4 埕海2-2進海路箱筒型基礎棧橋

埕海2-2進海路3 828 m處設置長158 m的箱筒型基礎結構棧橋，橋面寬7 m．共采用8組鋼箱筒基礎結構，每組箱筒型基礎結構由四個直徑 8.0 m，高 8.5 m，帶頂板的焊接鋼質圓筒呈矩形連接而成；圓筒間的橫向(垂直于路軸線)連接間距為1.0 m，縱向(平行于路軸線)連接間距為2.0 m，每組箱筒型基礎結構的平面外觀尺度為17.0 m×18.0 m．圓筒鋼頂板上部為0.5 m厚現澆鋼筋混凝土封板，每個筒中心設鋼護筒混凝土棧橋柱，橫向相鄰兩個柱頂現澆鋼筋混凝土橫梁；四個鋼圓筒為一組，鋼圓筒之間由兩道鋼箱梁連接；橫梁兩端為鋼板包裹的三角形防冰錐；路面板、管溝板和電纜溝板三種橋面梁均為預制構件．箱筒型基礎棧橋結構斷面如圖5所示，完工后如圖6所示．

按照本文1.1中所述的相應規范對棧橋工程結構設計進行穩定性驗算．工況一設計高水位時結構驗算，抗滑系數 k1=3.61，抗傾系數k2=8.56，地基承載力系數 k3=2.09；工況二冬季高水位時，流冰作用在棧橋結構橫梁上結構驗算，抗滑系數 k1=2.14，抗傾系數k2=4.08，地基承載力系數 k3=1.70；工況三設計低水位時結構驗算，抗滑系數 k1=2.20，抗傾系數 k2=5.26，地基承載力系數 k3=1.57．由以上數據表明，在三種工況荷載組合下，箱筒型基礎棧橋結構的抗傾、抗滑、地基承載力穩定性均得到滿足．

圖5 箱筒型基礎棧橋結構Fig.5 Cases of bucket foundation pier structure

圖6 箱筒型基礎棧橋Fig. 3 Box type foundation of the loading bridge

在工程實施中，箱筒型基礎結構陸上預制；氣浮拖運時，結構中間成過水斷面，并且將拖帶點設在前筒上，在筒內加設傳力鋼纜，這樣水阻力減少，拖運速度提高，結構基本上不變形；下沉時，加載與抽負壓相結合最終達到設計要求．

埕海1-1人工島工程于2006年完工，埕海2-2橋島工程于 2010年 11月完工，工程投運以來，經歷了多次風暴潮襲擊，特別是 2009 ― 2010年冬季遭遇 30年一遇的特大冰情，結構安全穩定，各項指標均滿足規范設計要求．由此，鋼箱筒基礎技術在大港灘海工程建設中已經具有很好的應用效果，值得推廣．

2 筒型基礎試采平臺應用可行性探討

2.1 筒型基礎試采平臺適用性分析

采用筒型基礎建造試采平臺,具有以下優勢：

（1）地質適應能力：大港灘海地區表層淤泥較厚，土壤抗水平承載力較差，筒型基礎更適合大港灘淺海軟土工程地質條件，采用淺基礎形式即可獲得足夠承載能力，容易下沉安裝和起升移位．

（2）安全穩定性：筒型基礎結構形式對荷載及變形適應性強，可充分利用周邊軟土的粘聚力和摩擦阻力來保證結構的抗滑和抗傾性，利用插入埋深來提高基底的承載力和整體穩定性．結構底部軟粘土的吸附力可以降低波浪力作用下結構底部的地基應力，增強結構的穩定性．

（3）施工技術：筒型基礎試采平臺可氣浮拖運至試采井位，下沉、起升均采用負壓自安裝技術，不需要打樁設備，海上施工工作量小，整體安裝調試時間短，便于實現重復移位．

（4）功能需求：筒型基礎試采平臺滿足短期試采要求，能夠負壓下沉和正壓起升，節省海上施工費用，可移動重復使用，并且結構安裝到位后，變形小．

（5）建設投資：筒型基礎試采平臺建設投資較小，可移動重復利用，經濟性上有明顯優勢．

2.2 平臺下沉、起升分析

筒型基礎平臺負壓下沉和正壓起升是筒型基礎平臺節省海上施工費用，實現可重復使用的重要技術環節．依據筒型基礎在其他工程中的施工經驗，其下沉、起升方法可選擇：

（1）下沉方法：

①水深≥筒高時，通過抽水實現筒型基礎試采平臺負壓下沉；

②水深＜筒高時，先通過抽氣下沉，當抽氣口出水后改用抽水下沉；

③下沉負壓控制范圍：－0.02～－0.04 MPa；

④下沉速度：20～30 mm/min．

（2）起升方法：

①水深≥筒高時，通過注水加壓，在發生管涌前，改為注氣加壓，并控制好氣壓，減小注氣量，充分利用浮力，實現平穩起升．

②水深＜筒高時，通過注水加壓起升，當筒頂露出水面后，再注氣加壓，并控制好氣壓，充分利用浮力，實現完全起升．

③平臺起升速度：50～80 mm/min．（3）平臺下沉起升應注意的問題：

①拖航前由潛水員在平臺就位點進行海底掃視，確定海底平坦、無障礙，確保平臺下沉時無障礙．

②配備足夠的備用設備，以備平臺下沉、起升過程中的設備損壞．

③對試驗平臺下沉（起升）狀態進行實時監控，監控參數包括四個筒的入泥深度、筒內水面高度、壓力、甲板上的傾斜度等．平臺下沉起升過程中傾角控制在±1°以內，整體下沉速度 20～30 mm/min．

④平臺出現不均勻下沉（起升）時，及時調節各筒內的壓力，使平臺均勻下沉．（4）筒基平臺實時監測及控制

通過理論計算得到，在拖航過程中應根據平臺傾斜情況及拖航工況，可以對筒內氣體進行調整（抽氣/充氣）或者施加助重對吃水高度進行調整，可以很大程度上提高平臺穩性，以滿足在惡劣海況下的拖航要求．除干舷高度外，在實際拖航過程中穩性還與平臺的拖航速度、拖纜點的位置等因素有關．

2.3 平臺拖航分析

筒型基礎平臺可以采用干拖和濕拖兩種方法：

2.3 .1濕拖方案

筒型基礎平臺可實現海上濕拖，拖航時采用 1艘主拖輪、1艘副拖輪，在拖航過程中應根據平臺傾斜情況及拖航工況，控制平臺的拖航速度，及時對筒內氣體進行調整（抽氣/充氣）或者施加助重對吃水高度進行調整，提高平臺穩性，以滿足在惡劣海況下的拖航要求．拖航示意如圖 7所示：

圖7 筒型基礎平臺拖航示意Fig.7 The towing of bucket foundation platform

（1）拖點位置與系纜方式：拖點的位置選在桶體頂部，系纜方式以雙筒系纜后合為一根的總纜，如圖8所示：

圖8 筒型基礎平臺拖點位置與系纜方式Fig. 8 The bucket foundation platform towing point position and cable

（2）拖航啟動、停泊：為了保持平臺的穩定性，平臺由靜止達到最后穩定拖航的加速度 a≤0.08 m/s2；平臺停泊時，采用后方拖輪協助平臺減速停泊．

（3）濕拖應注意的問題

①平臺拖航時選擇較好海況條件（風速＜4級，浪高＜2 m），保證拖航安全．

②拖航時采用1艘主拖輪、1艘付拖輪，拖航速度3～4節，可考慮增設兩個傍拖，增強平臺拖航穩性．

③拖航過程中實時監測筒內氣壓，一旦發現氣壓減小，及時補氣．

④如遇潮位小于平臺吃水深度，平臺可臨時負壓下沉，待潮位上漲后再起升拖航到預定位置．2.3.2干拖方案

當建造場地距離試采井位較遠時，筒基平臺宜采用干拖方案，可在于建造場地通過浮吊將平臺吊裝于駁船上，干拖至試采井位，再通過浮吊將平臺吊入水中，采用負壓就位下沉．

3 結語

筒基試采平臺的筒型基礎結構與軟土地基巧妙地結合成整體，將軟土地基也納入到結構體系中共同抵抗波浪力和和維持結構的穩定性，更好地適應于軟土地基，具有自浮拖航和負壓下沉的特性．相對于傳統的導管架平臺來說，筒基試采平臺具有縮減工程量、節省投資以及可重復使用等優點．在具體應用時，還需要針對工程位置處的環境條件、作業要求以及功能要求，確定平臺總體結構型式、主體尺度等，依據平臺總重量和荷載分布，對筒型基礎結構的穩定性開展進一步論證分析．

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