灘海陸采油田進(jìn)海路工程的特點(diǎn)與應(yīng)用前景

徐喜林

（勝利油田勝利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東東營(yíng) 257026）

0 引言

勝利淺 （灘）海油田位于黃河三角洲東北部渤海淺海海域，為介于陸地灘涂與深水海域之間的淺海區(qū)，平均水深0.5～5.0 m，與勝利陸地油田相鄰。水深不足10 m的淺 （灘）海油田按照常規(guī)經(jīng)濟(jì)觀念屬于邊際性油田，既不能直接采用“灘涂圍地”的灘涂開發(fā)模式，也難以建造深海區(qū)的 “海洋平臺(tái)”進(jìn)行開發(fā)。近二十年來，勝利淺（灘）海油田結(jié)合渤海淺 （灘）海域的具體條件，創(chuàng)新地采用了 “灘海陸采平臺(tái) （人工島）和進(jìn)海路相結(jié)合的變海上為陸地”的油氣開采模式，其灘海陸采平臺(tái) （人工島）可提供與陸地相似的鉆井采油等生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，進(jìn)海路可將灘海陸采平臺(tái) （人工島）與陸岸油田連接起來，不僅減少了孤立海上開采的風(fēng)險(xiǎn)，方便了淺 （灘）海油田的建設(shè)，而且可有效地保護(hù)海洋環(huán)境，縮短開發(fā)周期，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。

隨著淺 （灘）海油田開發(fā)的迅速進(jìn)展，對(duì)進(jìn)海路工程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究和開發(fā)應(yīng)用亦愈來愈受到各相關(guān)建設(shè)單位、工程設(shè)計(jì)科研單位和施工單位的重視，2005-2007年，勝利油田勘察設(shè)計(jì)院與相關(guān)科研單位在優(yōu)化進(jìn)海路的結(jié)構(gòu)型式，提高進(jìn)海路的安全性、適應(yīng)性、耐久性以及合理減少進(jìn)海路的工程造價(jià)方面取得了突破性進(jìn)展。

1 灘海陸采油田進(jìn)海路結(jié)構(gòu)型式與技術(shù)特點(diǎn)

1.1 灘海陸采油田進(jìn)海路結(jié)構(gòu)型式

灘海陸采油田進(jìn)海路經(jīng)歷了由勘探階段進(jìn)海路結(jié)構(gòu)到開發(fā)階段進(jìn)海路結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程。較早期勘探階段的進(jìn)海路通常是拋石路堤以及板樁組合裝配式路堤結(jié)構(gòu)，路堤上不設(shè)輸油管道，路堤兩側(cè)的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低。后期開發(fā)階段的進(jìn)海路，根據(jù)開發(fā)規(guī)模的需要，或在勘探階段進(jìn)海路的基礎(chǔ)上加固、加高而成，或在規(guī)劃的路線上進(jìn)行新建，路堤上敷設(shè)油、水管道及電力電纜，路堤兩側(cè)的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較高。為降低工程造價(jià)，進(jìn)海路路面一般設(shè)計(jì)成單車道、漫水路的方式，設(shè)計(jì)高潮位時(shí)允許海水越浪。

目前淺 （灘）海陸采油田進(jìn)海路的結(jié)構(gòu)型式主要分實(shí)體式結(jié)構(gòu)和透空式結(jié)構(gòu)兩大類。實(shí)體式結(jié)構(gòu)有實(shí)體拋石路堤結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土板樁組合裝配式路堤結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁 （以下簡(jiǎn)稱PHC管樁）與板樁組合式路堤結(jié)構(gòu)等；透空式結(jié)構(gòu)有透空式箱涵進(jìn)海路結(jié)構(gòu)、透空式圓筒進(jìn)海路結(jié)構(gòu)、棧橋式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)等。

1.2 實(shí)體拋石路堤進(jìn)海路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1 實(shí)體拋石路堤進(jìn)海路結(jié)構(gòu)斷面示意

實(shí)體拋石路堤進(jìn)海路結(jié)構(gòu)一般適用于0.5～2.0m水深。路堤主要由拋石形成，石塊強(qiáng)度不低于30 MPa，邊坡護(hù)面塊石單塊質(zhì)量不低于100 kg；水深1.0～2.0 m時(shí)迎強(qiáng)風(fēng)浪側(cè)的路堤邊坡增設(shè)混凝土扭工體，見圖1。勝利淺 （灘）海油田的KD4、KD111進(jìn)海路采用了這種結(jié)構(gòu)。實(shí)體式拋石路堤進(jìn)海路結(jié)構(gòu)的主要筑路材料是拋石，對(duì)石材豐富地區(qū)可就地取材，施工簡(jiǎn)單、工程投資較低。但實(shí)體式結(jié)構(gòu)改變了海水潮流條件，而且水深越深海水動(dòng)力作用越強(qiáng)，對(duì)拋石體主體結(jié)構(gòu)的沖擊及海底路基的沖刷破壞就愈加嚴(yán)重，故作為柔性松散體的實(shí)體拋石路堤進(jìn)海路結(jié)構(gòu)不適宜海水水深較深 （水深大于2.0 m）的區(qū)域。

1.3 鋼筋混凝土板樁組合裝配式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鋼筋混凝土板樁組合裝配式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)適用于1.0～3.0 m水深。進(jìn)海路主體構(gòu)架是由鋼筋混凝土板樁組合形成的裝配式薄壁無底開口沉箱，在沉箱內(nèi)拋石填芯形成路堤[1]（見圖2）。

圖2 鋼筋混凝土板樁組合裝配式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)斷面示意

上世紀(jì)九十年代勝利淺 （灘）海油田勘探階段臨探路應(yīng)用了此種結(jié)構(gòu)，隨后逐步完善，其設(shè)計(jì)理念和施工工藝亦愈趨成熟。該進(jìn)海路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是其混凝土板樁組合構(gòu)件質(zhì)量較小，可于陸岸批量預(yù)制、海上現(xiàn)場(chǎng)裝配，施工進(jìn)度快。但由小型構(gòu)件的相互鎖定形成的裝配式薄壁無底沉箱畢竟不同于整體沉箱，裝配式沉箱與海底土基的錨固主要靠一定間距的豎向鋼筋混凝土板樁承擔(dān)，而豎向鋼筋混凝土板樁的入土深度亦不可能太大，盡管有橫向定位連接梁與側(cè)向擋板的鎖定，但此種連鎖機(jī)構(gòu)一旦發(fā)生單個(gè)構(gòu)件的失穩(wěn)必將影響整體結(jié)構(gòu)的安全，故將此種結(jié)構(gòu)的勘探階段進(jìn)海路轉(zhuǎn)為開發(fā)階段進(jìn)海路時(shí)，均要進(jìn)行加固、加高達(dá)標(biāo)設(shè)計(jì)，路堤兩側(cè)增設(shè)一定數(shù)量的拋石邊坡和扭工體加強(qiáng)防護(hù)。勝利淺（灘）海油田KD22、KD301和KD292等進(jìn)海路采用了這種結(jié)構(gòu)。

1.4 PHC管樁與板樁組合式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

PHC管樁與板樁組合式路堤結(jié)構(gòu)適用于2.0～4.0 m水深。與鋼筋混凝土板樁組合裝配式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)不同的是，它采用PHC管樁代替豎向鋼筋混凝土板樁作為路堤構(gòu)架的主要支撐，管樁縱向之間設(shè)預(yù)制擋板作為輔助承重措施，管樁頂部設(shè)縱、橫連接梁，管樁、預(yù)制擋板和連接梁組合形成沉箱，沉箱內(nèi)拋石填芯形成路堤，最后現(xiàn)澆混凝土路面[2]。PHC管樁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)高 （C80以上），管樁入土深度深 （8～12 m），增強(qiáng)了裝配式沉箱結(jié)構(gòu)與地基的錨固強(qiáng)度和穩(wěn)定性，提高了路堤抵御海流的沖刷能力[3]。但是由于管樁樁身較長(zhǎng)，對(duì)管樁的定位、施打施工準(zhǔn)備和施工機(jī)具要求較高。PHC管樁與板樁組合式路堤結(jié)構(gòu)在勝利淺 （灘）海油田早期開發(fā)中應(yīng)用于孤東海堤的保灘促淤丁壩及潛堤工程[4]，此后應(yīng)用于勝利淺 （灘）海油田KD12進(jìn)海路的水深較深路段，取得了較好的效果。

1.5 透空式箱涵進(jìn)海路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

透空式箱涵進(jìn)海路結(jié)構(gòu)為一種新型透流結(jié)構(gòu)，源于天津大學(xué)別安社教授2005年提出的透流圓管海上路基結(jié)構(gòu)理論[5-7]，適用于水深在1.0～3.0 m的海域。2008年，國(guó)家海洋局下發(fā)了 《關(guān)于加強(qiáng)海上人工島建設(shè)用海管理的意見》 （國(guó)海管字 [2007]91號(hào)）的文件，要求在海圖水深超過1 m海域建設(shè)連陸人工島時(shí)應(yīng)當(dāng)采用島橋 （即透空式）連接方式。2009年，大港油田灘海開發(fā)公司開發(fā)了 “透流箱涵海上路基結(jié)構(gòu)件”技術(shù)，并獲得了 “環(huán)保箱涵進(jìn)海路結(jié)構(gòu)技術(shù)”國(guó)家實(shí)用新型專利。2010年，勝利油田勘察設(shè)計(jì)研究院結(jié)合青東5項(xiàng)目進(jìn)行透空式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)科研攻關(guān)，自主研制了 “齒墻式箱涵透空進(jìn)海路結(jié)構(gòu)”，并于2012年獲國(guó)家實(shí)用新型專利[8]。透空式箱涵進(jìn)海路主要由下部箱涵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和上部路面結(jié)構(gòu)組成，其路堤為透流式剛性空腔體預(yù)制箱涵結(jié)構(gòu)，可貫通進(jìn)海路兩側(cè)水域 （見圖3）。

圖3 透空式箱涵進(jìn)海路結(jié)構(gòu)斷面示意

與實(shí)體式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)相比，透空式箱涵進(jìn)海路順應(yīng)潮流能力較強(qiáng)，對(duì)流場(chǎng)、沖淤變化及海洋環(huán)境的影響較小，施工工程量亦相對(duì)較??；但是箱涵結(jié)構(gòu)對(duì)海底基礎(chǔ)處理、箱涵底板墊層的施工質(zhì)量要求較高，箱涵進(jìn)、出水兩端齒墻的入土埋置深度必須足以抵抗往返潮流的沖擊與沖刷，增加了一定的施工難度。大港埕海2-2進(jìn)海路、勝利萊州灣青東5進(jìn)海路采用了透空式箱涵進(jìn)海路結(jié)構(gòu)。

1.6 棧橋式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

棧橋式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)適用于水深大于3.0 m的淺（灘）海域。在早期的勝利淺 （灘）海油田的開發(fā)建設(shè)中，棧橋式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)方案曾被多次提及但終因考慮海上建造風(fēng)險(xiǎn)較大、投資較高未能實(shí)施。淺（灘）海油田棧橋式進(jìn)海路的建設(shè)，既不同于內(nèi)河路橋工程，也難以和高等級(jí)公路的跨海大橋規(guī)模相比。近年來，隨著淺 （灘）海油田開發(fā)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)棧橋式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究又得到廣泛的重視。

結(jié)合PHC管樁的應(yīng)用，勝利油田相關(guān)單位于2006-2007年提出了用跨徑為10～13 m的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支橋面板作為上部結(jié)構(gòu)、由PHC管樁柔性排架作為下部結(jié)構(gòu)的小跨度棧橋式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)研究[9-10]，研究結(jié)論指出：簡(jiǎn)支橋面板作為漫水棧橋上部結(jié)構(gòu)在海流及波浪力的作用下難以維持穩(wěn)定，單排或雙排的PHC管樁柔性排架作為下部結(jié)構(gòu)剛度不足，且難以抵抗寒冷冬季靜冰荷載的剪切破壞和動(dòng)冰荷載的沖擊破壞。

2008年，大港油田在埕海2-2人工島西側(cè)邊緣300 m處修建了一段15跨總長(zhǎng)度158 m的圓筒型基礎(chǔ)棧橋進(jìn)海路 （棧橋每跨長(zhǎng)10 m，兩端橋頭引道各長(zhǎng)4 m）。2009年，大港油田灘海開發(fā)公司申報(bào)的 “筒型基礎(chǔ)海上棧橋結(jié)構(gòu)件”技術(shù)獲得了國(guó)家實(shí)用新型專利[11]。這種圓筒型基礎(chǔ)棧橋進(jìn)海路結(jié)構(gòu)主要由鋼筒型基礎(chǔ)、鋼護(hù)筒混凝土橋墩柱、橋墩頂現(xiàn)澆鋼筋混凝土蓋梁、橋面板及路面結(jié)構(gòu)組成。棧橋下部構(gòu)造共設(shè)兩組鋼筒型基礎(chǔ)，每組鋼筒型基礎(chǔ)由4個(gè)直徑8 m、高8～10 m的圓柱筒呈矩形排列構(gòu)成，每個(gè)圓柱筒頂部焊接有頂板，頂板中央直立焊接一個(gè)橋墩柱，兩根橋墩柱頂端焊接或澆筑橫蓋梁，蓋梁與橋面板之間為鉸接 （見圖4）。

圖4 圓筒型基礎(chǔ)棧橋進(jìn)海路結(jié)構(gòu)斷面示意與現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)施工安裝

圓筒型基礎(chǔ)棧橋進(jìn)海路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是圓筒基礎(chǔ)所處理的海底面積大且入土深度深，抗拔能力強(qiáng)，承載力高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好；同時(shí)棧橋式進(jìn)海路具有透空式進(jìn)海路的各種優(yōu)勢(shì)，海水通透能力強(qiáng)，對(duì)流場(chǎng)變化及海洋環(huán)境影響小。但是每組由4個(gè)直徑8 m、高8～10 m的圓柱筒構(gòu)成的筒型基礎(chǔ)建造工程量較大，圓筒型基礎(chǔ)棧橋的施工工藝較為復(fù)雜，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境的防腐蝕要求較高，故圓筒型基礎(chǔ)棧橋進(jìn)海路結(jié)構(gòu)只有應(yīng)用在水深較深的淺海海域才比較經(jīng)濟(jì)。

2 兩種新型進(jìn)海路結(jié)構(gòu)模型設(shè)想

基于PHC管樁技術(shù)以及大型起重安裝設(shè)備在淺 （灘）海油田潛堤、丁壩、防波堤和進(jìn)海路結(jié)構(gòu)工程施工中應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展和日趨成熟，提出如下兩種新型進(jìn)海路結(jié)構(gòu)模型設(shè)想方案。

2.1 PHC管樁與獨(dú)立沉箱組合裝配式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)模型

在水深為1.0～3.0 m的淺 （灘）海域，目前使用較多的仍然是鋼筋混凝土板樁組合裝配無底沉箱式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)，如前所述，其主要支撐構(gòu)件豎向薄壁板樁的剛度較低且入土深度亦不可能很大，整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性較差。故此提出以PHC管樁代替豎向薄壁板樁、以整體無底開口沉箱代替組合式沉箱的結(jié)構(gòu)模型。管樁縱向間距2.5～3.0 m，橫向間距4.0～5.0 m，4根管樁位于整體沉箱的4個(gè)內(nèi)角部位，沉箱內(nèi)充填拋石形成路堤 （見圖5）。PHC管樁與豎向薄壁板樁相比不僅剛度大且入土錨固深度深，整體沉箱穩(wěn)定性好，抵御海浪及潮流的能力較強(qiáng)。

2.2 PHC管樁與獨(dú)立沉箱組合墩臺(tái)棧橋式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)模型

圖5 PHC管樁與獨(dú)立沉箱組合裝配式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)示意

在水深大于3.0 m的較深的淺 （灘）海域，一般使用棧橋式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)比較經(jīng)濟(jì)。但柔性排架棧橋的剛度較低而圓筒型基礎(chǔ)棧橋的建造工藝復(fù)雜且造價(jià)較高。故此提出PHC管樁與獨(dú)立沉箱組合墩臺(tái)棧橋式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)模型。這種棧橋結(jié)構(gòu)的單跨跨度可設(shè)計(jì)為10.0～20.0 m，下部結(jié)構(gòu)為PHC管樁與整體無底開口沉箱組合，沉箱內(nèi)澆筑片石混凝土形成海底泥面以上的大體積墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)可根據(jù)跨度要求設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力混凝土空心行車道橋面板或預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁行車道塊件。管樁樁基可設(shè)置為雙排或梅花型布置，樁基入土深度根據(jù)承載力要求可達(dá)20.0～40.0 m；泥面以上管樁高度根據(jù)棧橋橋面安裝高程確定 （見圖6）。這種大體積墩臺(tái)結(jié)構(gòu)剛度大，抵御海流沖擊及冰凍荷載破壞的能力較強(qiáng)。

3 灘海陸采油田進(jìn)海路工程應(yīng)用前景

通過分析上述幾種灘海陸采油田進(jìn)海路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及適用條件，可以預(yù)測(cè)：在水深2.0 m以內(nèi)的淺 （灘）海域，實(shí)體拋石路堤進(jìn)海路及鋼筋混凝土板樁組合裝配式進(jìn)海路將依然是采用的主要方式；在水深1.0～3.0 m的淺 （灘）海域，透空式箱涵進(jìn)海路或透空式圓涵進(jìn)海路將隨著技術(shù)的不斷完善異軍突起；在水深大于3.0 m的淺 （灘）海域，棧橋式進(jìn)海路結(jié)構(gòu)的研究開發(fā)將是主要方向。

我國(guó)淺 （灘）海區(qū)域的油氣礦藏資源豐富，作為淺 （灘）海油田海油陸采開發(fā)基礎(chǔ)性設(shè)施之一的進(jìn)海路工程，在 “十二五”乃至之后較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)必將繼續(xù)發(fā)揮重要的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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