具体实施方式
本发明公开了一种专门针对厚软土层海域的海洋平台海底固定安装及施工法。
根据本发明的海洋平台是用于海上建筑、海上风机及桥梁等的局部浮力支撑海底固定海洋平台,应用水深可从3米至50米。本文中,术语“局部浮力”是指海洋平台在海上运输时是可浮的,在使用时则被固定在海底。
根据本发明的海洋平台11包括由梁板系组成的平台部分和由至少一个浮力筒21组成的支撑结构。浮力筒21包括筒壁22并且在底部形成有向下凸出的锥体,称为正锥体23。
图1a和1b分别示出了根据本发明的单浮力筒海洋平台的平面图和剖视图。其中海洋平台11的平台部分通过单一浮力筒21支撑。这种海洋平台的稳定性通过连接相邻的单一浮力筒平台而获得,例如参考图16,在各单一浮力筒平台被固定至海底之后,用现场浇铸的方式连接相邻的单一浮力筒平台,形成现场现浇连接段14。
图2a和2b分别示出了根据本发明的多浮力筒海洋平台的平面图和剖视图。其中海洋平台11通过多个浮力筒21支撑,例如三个、四个(如图所示)或更多个浮力筒。图中所见是平台用辅助浮箱支撑浮运过程中的工况。
下面将参考附图3a-16详细描述根据本发明原理的将海洋平台固定安装至软土地基海底的施工方法。
根据本发明的固定安装和施工方法首先包括将直径比浮力筒21大的钢筒101用振动装置振入海底软土层中,直至到达预设的持力层深度。这 里,钢筒可以是整体式的一根,也可以由多个钢筒段焊接而成。例如图3a示意性示出了钢筒段之间的焊接位置102。图3b是沿图3a的线A-A的钢筒的断面图,因为图示绘制比例原因,图3b未示出筒壁的壁厚。
在根据本发明的固定安装和施工方法中,钢筒的作用根据设计的不同可分为四种:(1)用作海洋平台11在固定安装至海底地基期间的自重和施工荷载的临时支撑,而海洋平台的永久支撑则依靠桩基实现;(2)用作永久支撑,支撑海洋平台11由施工至使用阶段的所有荷载;(3)用作将筒内软土置换成砂石柱(10)的临时围堰;(4)用作将筒内物料改造成有足够承载能力的改造支柱9的临时围堰,前提是筒内物料能适合改造,例如筒内物料是砂质类土层。
本文将按照钢筒101的不同作用依次分别描述四种根据本发明的将海洋平台固定安装至软土地基海底的施工方法。
一、钢筒用作临时支撑的施工法
制备钢筒101(图3a),包括:在钢筒101内在预先计算得到的将制备海底混凝土床107(图6a)的位置附近焊接数层托架103,每个托架层包含沿圆周分布的多个托架103(图3c)。设置托架103的目的在于在随后的步骤中安置用于支撑浮力筒21的钢环104(图5)。由于钢筒101插深长度会有误差,所以需要焊接多于一层的托架103以包容误差。
用振动装置将钢筒101振入105海底软土层4中(图3a),直至到达预设的持力层5(图4a)深度。所述钢筒101达至此深度时,土层产生的表面摩擦力能有效地支撑海洋平台11施工时的自重和施工荷载。
当钢筒101***至上述深度(图4a)时,将筒内软土挖走6(图4b),同时也将钢筒101外顶部软土也挖走,形成一坡度。在钢筒101内回填一层砂石垫层7(图4c),在钢筒101外侧回填一层防冲刷用的砾石层。
现场决定在哪一层托架103上支撑钢环104,然后将该层托架上方的托架103割除,再将钢环104放至该层托架(即余下的最高层托架103)上,参见图5。其中,钢环104及钢托架103的强度要能抵御海洋平台11自重及施工荷载。优选地,钢环104的内径是浮力筒21的内径加上一误差值,钢环104的外径应是钢筒101的内径减小一误差值。
采用水下导管在钢筒101内砂石垫层7上灌注水下混凝土床107(图6a),使其厚度足以构造反锥体108。
调整水下反锥体模具106的平面位置与垂直度(图6a)。本文中,所述水下反锥体模具106可以是带有底部正锥体23的浮力筒21或以它的外形仿造的模具。
在水下混凝土床107凝固前,下沉水下反锥体模具106使其坐落于水下混凝土床107上,令水下混凝土床107完全包围反锥体模具106的正锥体部分;以及保持反锥体模具106的位置及垂直度,直至水下混凝土床107完全凝固,(图6b)。
上升反锥体模具106将其移走,反锥体108形成,并且将高于水下混凝土床107反锥体的钢筒割除109(图6c)。若上升有困难,可通过反锥体模具106底部预埋的管道向两锥体间的缝隙压水使两者分开,或先在反锥体模具106的表面上涂一层去除混凝土黏附力的涂层,例如模板油类。
利用辅助浮箱31浮运海洋平台11至安装现场,将浮力筒21底部正锥体23对准水下混凝土床反锥体108(图7)。
下沉海洋平台11,即使浮力筒21的位置有误差,浮力筒21仍得以自然地落于反锥体108中,直到浮力筒21底部的正锥体23完全陷入海床2上的反锥体108(图8),并且利用所述浮力筒21内置压力管向锥体间缝隙压桨填充。
此时,海洋平台11的载荷经由浮力筒21的壁底传至水下混凝土床107,由混凝土床107传至钢环104,由钢环104再传至托架103,然后由托架103传至钢筒101,钢筒101通过作用在筒壁上的软土层摩擦力支撑,而正反锥体结构的耦合提供对水平荷载的抗力。
将桩机15置于海洋平台11的平台部分上浮力筒21的位置,向浮力筒21底部钻桩,包括斜桩42和垂直桩41(图9)。
桩基安装完成后,向浮力筒21底部构建一层止水混凝土44,继而抽干浮力筒21内的积水,由操作人员下至筒底割除多余的桩长并处理桩头48,使桩头能与桩承台钢筋联接,另外使钢筋接驳至筒壁22预埋的套管,绑扎承台钢筋,下承台混凝土形成固结基础50(图10)。
优选地,如图11所示,浮力筒21底部只钻垂直桩41,大型斜桩42可以从海洋平台11的平台部分直接向海底打插,而承台51就浇筑在海洋 平台11的平台部分内。这种斜桩42布置对抵抗巨大的水平推力有帮助,例如用于码头等建筑物。
另外,优选地,在浮力筒21底部钻孔桩时,为避免底部正锥体23被钻破而引发海水涌入浮力筒21内阻碍施工,可考虑在浮力筒21底部正锥体23上每一桩基位置处都预埋钢套管,所述钢套管从所述浮力筒21底部正锥体23沿桩基的走线延伸至高出海平面的平台部分上,钢套管相隔一段距离设一临时支架支撑于浮力筒壁。钻孔桩安装时的钢护筒沿钢套管放下,钻头钻穿筒底正锥体23。这样,海水入侵时被钢套管阻隔,只能进入套管不能进入筒内。在完成桩基安装后,只需在套管与护筒之间压桨,便可将漏水的地方封死,筒底仍是干的工作环境。这样,操作人员下至筒底进行割除多余的套管长、护筒长和桩长、处理桩头48、绑扎承台钢筋、下混凝土浇筑承台(50)等操作都能在干的环境下工作。
在本实施例方式中,钢筒101用于在施工过程中在浮力筒21的预定位置处临时支撑海洋平台和钻桩设备的重量,施工完成后,海洋平台11服务期间的全部载荷由桩基承载。
二、钢筒用作永久支撑的施工法
制备钢筒101,包括:在预先计算得到的将制备海底混凝土床107的位置附近焊接数层托架103,每个托架层包含沿圆周分布的多个托架103。设置托架103的目的在于在随后的步骤中安置用于支撑浮力筒21的钢环104。由于钢筒101插深长度会有误差,所以需要焊接多于一层的托架103以包容误差。
利用振动装置将钢筒101振入105软土层4至预设的持力层5深度,此深度以其陷入段土层与钢筒101表面摩擦力的容许强度等于或大于所述浮力筒21由安装至使用全过程中的荷载为准,即,所述钢筒101达至此深度时,软土层4作用于钢筒101的表面摩擦力能有效地支撑海洋平台11施工时至使用期的荷载。
当钢筒101***深至预定深度时,挖走6筒内表面的软土,同时挖走钢筒101外顶部软土,形成一坡度。在钢筒101内回填一层砂石垫层7,在钢筒101外侧回填一层防冲刷用的石砾层。
现场决定在哪一层托架103上支撑钢环104,然后该托架层上方的托 架103割除,再放下钢环104至该该托架层(即至余下的最高层托架103上)。所述钢环104及钢托架103的强度要能抵御海洋平台11施工及全服务期施加的荷载
采用水下导管在钢筒101内砂石垫层7上灌注水下混凝土床107,使其厚度足以构造反锥体108。
调整水下反锥体模具106的平面位置与垂直度,在水下混凝土床107凝固前,下沉水下反锥体模具106使其坐落于水下混凝土床107上,令水下混凝土床107完全包围反锥体模具106的正锥体部分,保持模具106的位置及垂直度,直至水下混凝土床107完全凝固;上升模具106,反锥体108形成,将高于水下混凝土床107反锥体的钢筒割除109。若上升有困难,可通过模具106底部预埋的管道向两锥体间的缝隙压水使两者分开,或先在模具106表面涂一层去除混凝土黏附力的涂层,例如模板油类。
浮运海洋平台11至安装现场,将浮力筒21底部正锥体23对准水下混凝土床反锥体108,下沉平台11,即使浮力筒21的位置有误差,浮力筒21仍得以自然地落于反锥体108中,直到浮力筒21底部的正锥体23完全陷入海床2上的反锥体108,并且利用所述浮力筒21内置压力管向锥体间缝隙压桨填充。
此时,海洋平台11的载荷经由浮力筒21的壁底传至水下混凝土床107,由混凝土床107传至钢环104,由钢环104传至托架103,然后由托架103传至钢筒101,钢筒101由软土层4与钢筒101之间的表面摩擦力支撑,而正反锥体108的耦合提供对水平荷载的抗力。参考图12。
在本实施例方式中,钢筒101用于在浮力筒的预定位置处支撑海洋平台11由安装至投入服务整个过程中的全部载荷。所以钢筒101、钢环104、托架103等钢物料的设计年限需要与海洋平台11相同或更长,并且要作防腐处理,预留锈蚀量,以保证设计寿命满足要求。
三、钢筒用作置换筒内软土层的临时围堰的施工法
利用振动装置把钢筒101振入105海床软土层4中(图13a-b)直至预定的软土开挖深度加一富余深度,所述预定的软土开挖深度是指到达重力地基的持力层5深度。当钢筒101插至该深度时(图13b),从顶部开始挖走6钢筒101内的软土至预设深度,同时挖走钢筒101外的软土顶层, 形成一坡度。
在筒内回填具有足够承载力的砂石层,形成深至持力层5的砂石柱10(图13c)。在筒外则回填一层防冲刷用的砾石层。
采用水下导管在筒内砂石层顶部灌注一水下混凝土床107,厚度足以构造反锥体108。
调整水下反锥体模具106的平面位置与垂直度,在水下混凝土107凝固前,下沉水下反锥体模具106使其坐落于水下混凝土床107上,至水下混凝土107完全包围反锥体模具106的正锥体部分;保持模具106的位置及垂直度,直至水下混凝土107完全凝固;上升模具106,反锥体108形成,将高于水下混凝土床107反锥体108的钢筒割除109(图13d)。若上升有困难,可通过模具106底部预埋的管道向两锥体间缝隙压水使两者分开,或先在模具106表面涂一层去除混凝土黏附力的涂层,例如模板油类。
浮运海洋平台11至安装现场,将浮力筒21底部的正锥体23对准水下混凝土床反锥体108,下沉平台11,浮力筒21即使位置有误差,亦可以自然地落于反锥体108中,令浮力筒底部的正锥体23完全陷入海床2上的反锥体108。藉预埋在浮力筒21底部正锥体23中的压桨管向两锥体间的空隙压水泥沙桨,使两锥体合而为一。
此时,海洋平台11的载荷经由浮力筒21的壁底传至水下混凝土床107,由混凝土床107传至其覆盖的砂石柱10再传至持力层5。另外,正反锥体的耦合提供对水平荷载的抗力。参考图14。
在本实施例方式中,钢筒101在浮力筒21的预定位置作为开挖钢筒101内软土的围堰元件。
四、钢筒用作改造筒内物料的承载力的临时围堰的施工法
用振动装置将钢筒101振入105软土层4至预设的持力层5深度,该深度以海床的设计持力层5为目标,再加一富余深度(图15a-b)。
当钢筒101插至预定深度时(图15b),将筒内表面最弱的一层软土挖走6,同时也将钢筒101外的相同软土层也挖走,形成一坡度。在筒内回填一层砂石垫层7(图15c),在筒外侧回填一层防冲刷用的石砾层。
采用至少一根压浆管8***浮力筒21内,向筒内物料灌桨,形成一 密实支柱9,支承于持力层5上(图15c)。灌浆应从钢筒101底部持力层5开始,逐渐向上灌注该密实支柱9。
采用水下导管在筒内顶部灌注一水下混凝土床107,厚度足够造反锥体108。
调整水下反锥体模具106的平面位置与垂直度,在水下混凝土107凝固前,下沉水下反锥体模具106坐于水下混凝土床107上,令水下混凝土107完全包围反锥体模具106的正锥体部分;保持模具106的位置及垂直度,直至水下混凝土107完全凝固;上升模具106,反锥体108形成,将高于水下混凝土床107反锥体108的钢筒割除109(图15d)。若上升有困难,可通过模具106底部预埋的管道向两锥体间缝隙压水使两者分开,或先在模具106面涂一层去除混凝土黏附力的涂层,例如模板油类。
浮运海洋平台11至安装现场,将浮力筒21底部正锥体23对准水下混凝土床反锥体108,下沉海洋平台11,浮力筒21即使位置有误差,亦可以自然地落于反锥体108中,令浮力筒底部的正锥体23完全陷入海床2上的反锥体108。
至此,荷载的传递途径是浮力筒21底部正锥体23将荷载传至水下混凝土床107,混凝土床107将荷载传至被其覆盖的经过处理且具有足够承载力的密实支柱9。正反锥体结构的耦合则提供对水平荷载的抗力。应用此方法时,钢筒101内的软土层4应是可合适改造的,一般以砂质土为目标。参考图16。
在第二至第四实施方式中,因为不使用桩基,只靠浮力筒底部的正锥体与海底混凝土床反锥体耦合来承载荷载,所以可以在所述海洋平台服务期满时或任何提早退役的情况下,先将所述平台上部建筑拆除,然后利用辅助浮箱托起所述海洋平台,浮运回收。再根据需求在原址安装新的平台。也就是说,海洋平台是可更换的。
下面为针对同一海洋平台,相同安装地点的不同计算示例。
示例一
一平台50m×50m,由4个8.8m直径的浮力筒支撑,共重8,500ton,平台预计支撑的建筑荷载及活载等共12,000ton。以嵌岩桩支承,安装地点水深8米,地质资料见表一:
表一:安装地点地质标贯击数(SPT N-Value)
深度(m) |
岩土名称 |
实测贯入量(cm) |
平均实测击数(N) |
5-10.75 |
淤泥 |
30 |
1 |
12.30-22.70 |
粉质粘土 |
30 |
10 |
26.10-30.2 |
粉砂 |
30 |
49 |
32.4-36.65 |
粉质粘土 |
30 |
17 |
38.6-51.25 |
细-中砂 |
30 |
58 |
53.05-58 |
砾砂 |
10 |
150 |
由表一可知,海床5m内为淤泥,不能承受平台安装时的自重。采用钢筒作临时支撑,在忽略表面淤泥的情况下,10m直径的钢筒容许承载力计算如下:
土层与钢板之间的容许摩擦力采用公式:fs=1.0N(kPa)
其中,N为标贯击数。
钢筒,直径10m;全长2+8+(51.25-5)+3=59.25m,其中2m高出水面,8m浸在水中,其余49m嵌在海床中;承载力为11738ton,其中平台自重8,500ton,由上述可知钢筒可承载3238ton施工荷载,应该足够。
钢环尺寸设置为外经:10-0.2=9.8m,内径:7.8+0.2=8.0m。
安装及施工方法参考“钢筒用作临时支撑的施工法”部分实施。
示例二
不采用桩基,采用钢筒内置换承载物料方法实施。其中,荷载由浮力筒壁底直接传至置换物料柱再传至海底的持力层。
首先根据地质资料查找持力层。强风化岩层深度58m,标贯击数>200。
以此强风化岩层深度作为钢筒振入深度,得到钢筒全长为2+8+(58-5)=63m,其中,水面上2m,水中8m,埋入海床53m。
由于埋深较大,筒内物料被挖走后,钢筒要承受***土层对钢筒生成的压力。所以钢筒应被设计为能够承受此压力。另外,钢筒最大受压区是靠近底部,钢筒可根据不同水深,配不同厚度的钢筒单元,优选地,底部较上部厚。
土层深56m,在水中重10kN/m3,土层的横向压力系数Ko=0.5,可知土层压向钢筒的最大压力是P=10×0.5×56=280kPa。
假设:底部钢筒取t=30mm厚,半径R=5m,则钢筒所受的环向压力为:
fc=(P*2*R)/t=(280*2*5)/0.03=93000kPa
即,环向压力fc为93MPa。此应力钢筒可以承受。
此外,持力层5以强风化层为基础,容许承载力(单位kPa)按式Q=5N计算,其中,Q为容许承载力,N为标贯击数。
此处,N=200;Q=5×200=1000kPa。
按照“钢筒用作置换筒内软土层的临时围堰的施工法”与“钢筒用作改造筒内物料的承载力的临时围堰的施工法”部分的方法改造筒内物料,令其能承受平台浮力筒传来的荷载,荷载最大值为:
(8500+12000)=20,500ton。
其中,筒内被置换的物料可按设计需要配置砂石混合比以达到荷载和位移的设计要求,最后检查持力层。
砂石柱面积为:3.1416×102/4=78.54m2
持力层5能提供的容许承载力=筒内物料柱载面积×Q,
总承载力为:4×1000×78.54=314,160kN=31,460ton
31,460ton>8500+12000=20500ton
由此可知,安装及施工方法可行。
社会及经济效益
海洋平台为透水建筑物,应用水深由3m至50m,范围涵盖近岸海域,对开发海洋先从近岸开始有重要意义,它可代替填海造地,提供一透水的陆基。没有填海带来的大规模生态破坏,包括彻底由填土取代红树林,湿地,彻底取代海床,绝杀近岸鱼类产卵繁殖的浅海,彻底破坏湿地红树林固碳功能。透水平台只占用少部分海床,且平台可离开湿地红树林等一定距离而建,在海洋开发与生态保育两大矛盾中取得平衡。
与浮式平台比较,本固定平台具有永久性陆基生活模式等好处。混凝土结构设计寿命超过100年,比钢结构浮台约20年寿命长得多。
浮式平台在风暴潮中摇动皆超越一般市民可承受能力,而本固定平台可按风暴潮的设计要求配置结构,令平台能如陆上建筑一样,抵御风暴潮。固定平台距海面高度可根据所处海域的有可能发生的海啸浪高而设计,或据此浪高设计逃生避难特别加强平台。
海洋平台能实现大规模工厂化、模块化、组合化、预制化,现场施工工序少、施工进度快等特点,与上部建筑多元化结合,可作城市、码头、机场、跑道、观测站、补给站、风机基础、海洋能发电基础等,用途广泛,经济及环保效益都比填海造地显著。海洋平台是开发近岸海域的当然首选。
附图标记列表
1 海平面
2 海床面
3 基岩面
4 软土层
5 持力层
6 开挖淤泥
7 砂石回填
8 压浆管
9 经改造的土层
10 置换的砂石层
11 平台
14 现场现浇连接段
15 桩机
21 浮力筒
22 浮力筒壁
23 浮力筒底部的正锥体
31 辅助浮箱/半潜式驳船
32 平台支撑结构
33 平台下沉
41 垂直桩
42 斜桩
44 止水混凝土层
48 桩头处理
50 承台(浮力筒内)
51 承台(平台上)
101 钢筒
102 钢筒单元间连接缝
103 钢托架
104 钢环
105 外加振动力
106 反锥体模具
107 水下混凝土床
108 水下混凝土床反锥体
109 钢筒切割面。