Гравитационные основания

Наиболее распространенным видом чисто гравитационных платформ являются железобетонные сооружения или стальные основания балластируемые большим весом. Железобетонные платформы могут представлять собой монокон, сооружение с колоннами или сооружение с почти вертикальными стенками. Стальные сооружения, как правило, имеют большое количество балластных цистерн для принятия воды или утяжеленного состава. Общей чертой является наличие объемных полостей для принятия балласта, что обеспечивает большую прижимную силу. Гравитационные основания устанавливаются в районах, где существует ледовая обстановка.

Рисунок 5 – Стальное основание на опорном мате

Рисунок 6 – Стальное основание

Рисунок 7 – Железобетонное основание

Эстакады. Стационарные платформы со сквозным опорным блоком

Наиболее интересными с точки зрения освоения ресурсов Черного и Азовского морей являются эстакады и стационарные платформы со сквозным основанием.

Рассматриваемые сооружения объединяет прежде всего проницаемость для волн и течений их несущих конструкций, поддерживающих палубу с верхним строением. Основным конструктивным элементом этих сооружений являются стальные трубы. Кроме того, эстакады и подавляющее большинство опорных платформ имеют свайные основания, которые обеспечивают всему сооружению устойчивость на морском дне.

Эстакады. Эстакады представляют собой протяженные сооружения, обеспечивающие непрерывную надводную связь буровых площадок с берегом. Буровые вышки и другое технологическое оборудование, характерное для нефтегазопромыслов, размещаются на приэстакадных площадках. Ширина проезжей части эстакад (обычно 3, 5 м) допускает одностороннее движение автотранспорта, поэтому помимо буровых площадок вдоль эстакад устраивают разъездные площадки. По функциональному признаку эстакады подобны дамбам с уширениями для буровых площадок, но возводятся они на сравнительно больших глубинах - порядка 6-15м в отдельных случаях на акваториях глубиной 20 м и более.

Основным несущим элементом эстакады являются сваи – обычно металлические трубы диаметром 0, 3-0, 5 м. Значительно реже используются железобетонные призматические сваи или сваи-оболочки. Опорный элемент эстакады состоит из двух наклонно забитых свай, соединенных ригелем на отметке, превышающей гребень расчетной волны. Сваи соединяются также раскосами для придания конструкции большей жесткости. Поверх ригелей опорных элементов укладываются мостовые конструкции из прокатных профилей.

По мере увеличения глубины моря на участке строительства эстакады возрастают трудности монтажа плоских опорных блоков из-за недостаточной жесткости их в направлении оси сооружений. Поэтому на глубинах порядка 20 м применяются пространственные опорные блоки из двух пар наклонно забиваемых свай, соединенных раскосами в продольном и поперечном направлениях. При этом увеличивается шаг опор, а пролетные строения вместо балочной структуры получают форму пространственных ферм.

Первые эстакады были построены на нефтепромыслах Каспийского моря в 30-х гг. К началу 70-х гг. общая протяженность эстакад в этом районе достигла 360 км. Большое число эстакад было построено в США при освоении мелководных участков шельфа в районе Калифорнии и в Мексиканском заливе. На малых глубинах монтаж эстакад ведется пионерным способом: очередной опорный элемент устанавливают в воду с уже готового участка с помощью подъемного крана. Призматические или пирамидальные опорные блоки размещают на дне, используя крановые суда, скрепляют пролетными строениями с уже построенной частью эстакады и закрепляют на дне путем забивки свай.

Платформы на свайном основании. Это самая многочисленная группа гидротехнических сооружений на морском шельфе. Первая платформа была построена в 1936 г. на Каспийском море, в 1947 г. появилась первая платформа за рубежом - в Мексиканском заливе, на глубине 6 м. Общее число платформ, построенных во всем мире с того времени, оцениваемся по разным источникам от трех до десяти тысяч.

Только на Каспийском море число построенных платформ (их называют „стальными островами") приближается к 1000. Большая часть платформ установлена на малых глубинах, но около 2000 эксплуатируются на глубинах от 30 до 300 м. И в перспективе металлические платформы на свайном основании рассматриваются как основные сооружения, предназначенные для освоения шельфа.

Со времени постройки первых платформ резко возросли возможности ведения монтажных работ на различных глубинах в открытом море, изменились задачи, решаемые на шельфе, и, как результат, видоизменились конструктивные формы платформ. По мере увеличения глубин моря, на которых устанавливаются платформы, изменяются пропорции, структура опорных блоков и способы их возведения.

Однако все эти изменения не проявляются в форме каких-то качественных скачков, связанных с определенными значениями глубин или другими факторами, поэтому разделение платформ на какие-либо группы носит условный характер.

Платформы на нескольких опорных блоках возводят в основном на глубинах до 100 м. Первые платформы, строившиеся в 50-х гг. на глубинах до 30 м, состояли из четырех-шести призматических или пирамидальных блоков прямоугольной в плане формы с общим верхним строением. Такие конструкции применяются и поныне на глубинах до 40 м. В зависимости от глубины моря блоки получают размеры в плане от 8x16 до 20 х 20 м. Жилые помещения устраивают, как правило, на отдельном опорном блоке, отнесенном от платформы из соображений пожаробезопасности на 30-50 м и соединенном с нею переходным мостиком. Транспортировка и монтаж блоков осуществляются с помощью крановых судов. При глубинах, больших 40 м, устойчивость незакрепленных призматических блоков во время монтажа оказывается недостаточной. Поэтому блокам придают выраженную пирамидальную форму, а общее их число уменьшают до двух. По мере увеличения глубины и уменьшения при этом числа блоков возрастают габариты и массы отдельных опорных блоков. Так, при глубинах моря 60-80 м масса одного блока составляет 1, 2-2, 0 тыс. т, а при глубинах 100-120 м достигает 4 тыс. т.

Платформы с опорным моноблоком. Платформы с опорным моноблоком на свайном основании возводятся во всем диапазоне глубин моря, на которых эксплуатируются стационарные платформы, т. е. от нескольких метров до 300 м и более) Начиная с глубины порядка 100 м конструкции с двумя или большим числом опорных блоков почти не применяются. Варианты опорных моноблоков показаны на рисунке 9. С выходом на большие глубины моря изменились и функции опорного блока и свайного основания. В эстакадах и многоблочных платформах основную роль играют сваи - они непосредственно воспринимают нагрузки от верхнего строения и несут горизонтальные нагрузки от волн, течения и льда. Опорные блоки в таких конструкциях лишь придают жесткость всей пространственной системе. У глубоководных платформ на моноблоке сваи и пространственная ферма работают совместно Принимаются меры по жесткому соединению опорного блока со сваями (цементация межтрубного пространства, соединение сваркой), и в результате нагрузки от верхнего строения воспринимаются и сваями, и опорным блоком. В платформах поздней постройки сваи имеют завершение в нижней части блока, а стойки блока передают часть нагрузки непосредственно на грунт.

Опорные блоки изготовляют на берегу полностью или из нескольких секций (ярусов). Транспортируют их либо на специальных баржах, либо на плаву. В период монтажа (до закрепления сваями) моноблок, поставленный на дно, обладает большей устойчивостью, чем отдельные блоки многоблочной опорной конструкции.

Опорный моноблок глубоководной платформы состоит из панелей - боковых плоских ферм - и соединяющих их диафрагм – плоских ферм, придающих жесткость всей пространственной конструкции. Основным элементом панелей и всего опорного блока являются стойки - металлические трубы диаметром 1, 2-3, 0 м (в отдельных случаях до 10 м), со стенками толщиной 15-50 мм. Общее число стоек в блоке может быть различным - от 4 до 15. По высоте блока стойки могут иметь неодинаковый диаметр, и разные стойки одного блока могут отличаться по диаметру. Для придания плавучести опорному блоку стойки одной из панелей делают значительно большими по диаметру, чем все остальные. Раскосы панелей и диафрагмы выполняют из трубчатых элементов меньших диаметров, чем стойки. С увеличением диаметра стоек резко возрастают трудности обеспечения устойчивости формы оболочек, которые подвергаются значительному внешнему гидростатическому давлению. Насколько сложно обеспечить жесткость конструкции, показывает рисунке 11, на котором изображены фрагментарно диафрагмы, переборки и ребра жесткости внутри стойки, имеющей диаметр 8 м.

Увеличение диаметра стоек с целью достижения необходимой плавучести опорного блока ведет к значительному росту металлоемкости сооружения. Поэтому в конструкциях высоких опорных блоков приходится прибегать к ступенчатому изменению диаметра и толщины труб, составляющих стойки.

Примером такого конструктивного подхода является буровая платформа, предназначенная для установки на глубине 395 м (рисунок 12). Сравнительно легкое верхнее строение платформы (масса его составляет 1, 5 тыс. т) поддерживается опорным блоком, имеющим в 40 раз большую массу (60 тыс. т). Кроме того, на сваи, закрепляющие блок, должно быть израсходовано 30 тыс. т. стали, на водоотделяющие колонны для куста из 24 скважин - 3 тыс. т.

Верхнее строение (модули с технологическим и энергетическим оборудованием, буровая вышка, складские и жилые помещения, вертолетная площадка) располагаются на палубе – металлическом настиле, уложенном на балках, которые* в свою очередь, опираются на каркас, передающий нагрузки на опорный блок. Модули верхнего

Рисунок 11 - Конструкция опорной колонны большого диаметра

строения устанавливаются в 2- 3яруса. Общую массу верхнего строения можно снизить, если выполнить его как единую конструкцию. При этом за счет собственной жесткости верхнего строения может быть облегчен и опорный блок. Однако для монтажных работ в этом случае необходимы краны очень большой грузоподъемности. Обычно палуба изготовляется отдельно от опорного блока и устанавливается на него уже на акватории после закрепления блока сваями. В случае, когда палуба соединяется с опорным блоком еще на берегу, затрудняется буксировка сооружения на плаву, но зато упрощаются монтажные работы в море. Палубный настил должен предотвращать загрязнение акватории буровым раствором, нефтью и другими веществами, и поэтому имеет отбортовку.

Сваи, крепящие опорный блок к грунту, представляют собой стальные трубы диаметром 0, 92 - 2, 13м и стенками толщиной 3 8 -64 мм, их забивают в донный грунт на глубину до 150м (в некоторых случаях и глубже). Основные сваи забиваются внутри стоек опорного блока, их верхнее окончание находится на уровне палубы. Сваи, погружаемые ударами по верхнему концу, имеют открытый нижний конец. Если же молот помещается внутри сваи (такое решение более эффективно, особенно при большой длине сваи), нижний конец ее заглушается. По мере погружения в грунт сваю наращивают сверху сваркой. После погружения сваи на заданную глубину часть ее, выступающую над опорным блоком, срезают. По верху сваю и стойку блока соединяют сваркой, а пространство между ними цементируют. В отдельных случаях для усиления конструкции в наиболее уязвимых местах – на уровне воздействия льда и входа в грунт - внутрь сваи погружают дополнительно одну или несколько труб и все пространство между ними цементируют.

Держащая сила свай, забитых через стойки опорного блока, может оказаться недостаточной для обеспечения устойчивости глубоководной платформы от опрокидывания. В этом случае дополнительно забивают окаймляющие сваи. Они могут быть размещены по контуру блокаили сконцентрированы около стоек. Возможно уширение нижней части опорного блока в виде решетчатого ростверкас креплением его сваями по всему контуру. Это решение особенно интересно, поскольку позволяет обойтись без основных свай (внутри стоек), а окаймляющие сваи забивать вертикально. Дополнительные (окаймляющие) сваи крепятся к опорному блоку под водой непосредственно у дна с помощью муфт - направляющих коротких обрезков труб, приваренных на нескольких уровнях к опорному блоку. После забивки свай на заданную глубину пространство между ними и муфтами заполняют цементным раствором (для этого применяют расширяющиеся цементы). Опорные стойки большого диаметра имеют заглушку понизу и опираются на грунт, передавая при этом на него часть нагрузок от опорного блока. Сваи в этом случае размещаются вокруг стоек.

В опорных блоках со ступенчато изменяющимися по диаметру стойками могут применяться только окаймляющие сваи, головы которых располагаются вблизи поверхности грунта. В частности, опорный блок должен быть закреплен с помощью 56 свай, из которых 16 забиваются через муфты, расположенные между стойками блока, а остальные 40 - группами по четыре вокруг всех девяти стоек.

Схема устройства свайного основания показана на рисунке 13. Через муфты - трубы диаметром 1, 72 м - сначала забивают на глубину 75 м „короткие" сваи (они обеспечивают устойчивость блока в начальный период монтажных работ в море). Эти сваи делают из труб диаметром 1, 52 м и стенками толщиной 25 мм. Затем внутри „коротких" свай бурят скважины и в них погружают до глубины 135 м ниже донной поверхности трубы диаметром 1, 22 м. Все трубы (муфты и сваи) завершаются на уровне 45 м над донной поверхностью. Пространство между всеми трубами цементируют. Отметим, что на участке входа в грунт все трубы имеют вставки 15-метровой длины с более толстыми стенками.

Масса опорных блоков глубоководных платформ значительно превышает грузоподъемность плавучих кранов и крановых судов. Поэтому независимо от способа доставки блока к месту установки, операции постановки его на морское дно всегда предшествует положение блока на плаву. Плавучесть блока достигается не только за счет

значительного увеличения диаметра части стоек, что в последующем приводит к большим нагрузкам на сооружение от волн и течения, но и использованием временных плавучестей - цилиндрических цистерн или понтонов, прикрепляемых к блоку перед спуском на воду.

Самые глубоководные платформы, установленные после 1975 г., эксплуатируются на месторождениях нефти в проливе Санта-Барбара (Калифорния) и в Мексиканском заливе: „Хондо" (глубина моря 260 м), „Жервеза" (285 м), „Коньяк" (312 м). В 1988 г. должна быть установлена платформа „Балуинкл" на глубине 411 м. В Северном море начиная с 1975 г. были установлены платформы „Найниэн Саут" (138 м), „БрентА" (140 м), „Тисл" (162м), „Магнус" (186 м). Некоторые сведения об этих платформах будут приведены ниже. Следует отметить, что более суровые условия Северного моря обусловили значительно большую материалоемкость установленных там стальных платформ. Для сравнения: значения массы платформы „Жервеза" и „Брент А", установленных на глубинах 285 и 140 м, примерно одинаковы - 39, 7 и 33, 0 тыс. т. Такое соотношение характерно и для других платформ в этих двух районах шельфа.

/Платформы на погруженном понтоне или башмаках. Резкое возрастание стоимости и трудоемкости устройства свайного основания с увеличением глубины акватории заставляет искать такие конструктивные решения, в которых сваи не применяются вовсе или их роль в обеспечении устойчивости сооружения оказывается второстепенной. Французская фирма „Ситэнк" предложила конструкцию платформы со сквозным опорным блоком на железобетонном понтоне, в которой сочетаются конструктивные элементы основных типов глубоководных платформ, рассмотренных в этом и предыдущем параграфах.

Сквозной металлический опорный блок закрепляют на железобетонном понтоне. Понтон имеет такую же ячеистую структуру, как и у платформ „Корморан А" и „Брент С". Ячеистый понтон придает плавучесть сооружению при транспортировке от берега к месту установки на дно, затем используется для балластирования и, наконец, для хранения нефти. В варианте платформы, предназначенном для эксплуатационного бурения и добычи на глубине моря 200 м, вместимость нефтехранилища определена в 150 тыс. м³. Опорный блок должен поддерживать верхнее строение массой около 25 тыс. т и имеет площадь 5 тыс. м². Восемь (или иное число) цилиндров по углам понтона используются для балластирования и затем хранения нефти.
Железобетонный понтон опирается непосредственно на морское дно; площадь и массу его определяют с учетом требований к устойчивости сооружения от сдвига и опрокидывания. Для увеличения сопротивления сдвигу по грунту возможно погружение в грунт металлических оболочек через специальные отверстия в понтоне. В целом подобные сооружения можно отнести к гравитационным.

Достоинство рассмотренной конструкции (ее называют композитной или комбинированной) заключается в том, что она может быть применена в случаях, когда погружение свай невозможно (наличие скалы под сравнительно тонким слоем мягких грунтов). Одновременно она оказывает меньшее сопротивление распространению волн и течению (как все сквозные опорные блоки) и позволяет удачно решить вопрос о хранении добытой нефти.

1 - стальная ферма опорного блока; 2 - балластные цистерны с опорным башмаком (нефтехранилища); 3 - водоотделяющие колонны; 4 - балластные цистерны

Другое решение задачи обеспечения устойчивости сквозного опорного блока без применения свайного основания воплощено в конструкции платформы „Текномаре". Опорный блок прикрепляется к трем цилиндрическим балластным цистернам, опертым на уширенные и утяжеленные башмаки, устанавливаемые непосредственно на морское дно. Конфигурацию опорного блока, размеры цистерн и палубы выбирают из условий района эксплуатации, назначения платформы и глубины моря.

Четыре первые платформы „Текномаре" (рисунок 14 а) установлены в 1976 г. на глубине 86 м в районе Конго. Они рассчитаны на волну высотой Эми предназначены для бурения 15 скважин (каждая) и добычи нефти без хранения. Платформа, возведенная в 1983 г. в Северном море на глубине 95 м (рисунок 14 б), предназначена для бурения 24 скважин и добычи нефти. Она имеет балластные цистерны большого объема, при эксплуатации они используются для хранения 100 тыс. м³ нефти. Диаметр цистерн 25, 7 м. Три башмака диаметром 47 м пригружаются твердым балластом общей массой 51 тыс. т. Цистерны башмаков образуют в плане треугольник со сторонами, равными 90 м. Все сооружение выполнено из стали, общий расход которой составляет 41, 7 тыс. т. Это сооружение рассчитано на волну высотой 27 м. Платформа, изображенная на рисунке 14 в, предназначена для установки в Средиземном море на глубине 200 м.

К преимуществам стальных гравитационных опорных блоков рассматриваемого типа по сравнению с железобетонными относят то, что они могут быть полностью изготовлены в котловане, поскольку до приема жидкого и твердого балласта имеют малую осадку. Блок буксируется в вертикальном положении, в районе с достаточно большой глубиной он притапливается и принимает на себя с баржи полностью смонтированное верхнее строение, затем наводится на место посадки и балластируется. Предполагается, что подобные конструкции найдут применение на глубинах моря до 300 - 400 мив районах с тяжелым ветровым режимом.

Конструкция платформы “Мандрилл” (рисунок 15) напоминает раздвижной треножник, применяемый для установки кино- или фотоаппаратуры. Полагают, что подобные конструкции могут найти применение в районах шельфа с тяжелым ветроволновым режимом, наподобие Северного моря, и на участках с глубиной 200-500 м. Вариант конструкции, показанный на рисунке 15, разработан для глубины 350 м.

Рисунок - 15. Платформа „Мандрилл" (а) и варианты опирання „ног" платформы на грунт (б—г)

1 —,, ноги", образующие А-образную раму; 2 — откидная „нога"; 3 —стяжка; 4 —водоотделяющие колонны; 5 — сваи; 6 — муфты для закрепления свай; 7 — опор-ный башмак

Платформа предназначается для бурения 56 эксплуатационных скважин и добычи нефти, ее верхнее строение массой 55 тыс. т имеет в плане размеры 70 х 120 м и возвышается над водой на 26 м (расчетная высота волны принята равной 31 м). Пространственная опорная конструкция монтируется под водой из собранной на берегу и перевезенной на плаву плоской системы шарнирно сочлененных решетчатых элементов. В эту систему входят: А-образное жесткое соединение двух „ног" и распорки, третья откидная „нога" и еще две распорки. Предложены три варианта опирання „ног" платформы на грунт: с забивкой наклонных свай (рисунок 15б) - стальных труб диаметром 2, 44, длиной до 130 м и массой до 450 т через кондукторы, укрепленные на наклонных „ногах"; с забивкой вертикальных свай (рисунок 15 в), погружаемых через отверстия в опорных башмаках; без забивки свай (рисунок 15 15 г) — с жестким или шарнирным креплением к уширенным башмакам. Последний вариант опирания пригоден при наличии достаточно прочных грунтов.

Платформы со сквозным опорным блоком в виде мачты с оттяжками. Конструкции таких платформ похожи на наземные сооружения, используемые в качестве опор радио-, радиорелейных и телевизионных антенн (рисунок 16). Считается, что конструкция может быть применена в диапазоне глубин 200 - 700 м. Принципиальным отличием платформы в виде мачты от других глубоководных стационарных сооружений является то, что она не передает на грунтовое основание изгибающий момент.

Опорный блок (ствол подводной мачты) выполняется в виде фермы из стальных труб, поперечное сечение его образует квадрат. Внутри блока размещаются кондукторы для спуска буровых колонн. Ствол удерживается в вертикальном положении с помощью оттяжек-тросов, прикрепленных к лежащим на дне гирляндам массивов. От массивов оттяжки продолжаются до анкеров-свай. При обычных нагрузках на сооружение гирлянды массивов лежат на дне. При экстремальных нагрузках (во время жестокого шторма) гирлянды отрываются от дна и этим амортизируют рывки, передающиеся на оттяжки от раскачивающегося ствола. Расчеты и эксперименты на крупномасштабной модели показали, что принятая схема амортизации колебательных движений системы обеспечивает малые (не более 2%) отклонения ствола от вертикали.

Разработаны два варианта опирання ствола на грунт. В первом ствол имеет свайное основание. При этом часть свай передает на грунт все нагрузки от верхнего строения платформы, т. е. эти сваи погружаются в грунт через стойки опорного блока и верхним концом соединяются с палубным строением. Такое решение характерно для большинства других конструкций со сквозным опорным блоком на свайном основании. Другая часть свай закрепляет ствол от закручивания, и головы их закрепляются в нижнем торце ствола. В другом варианте свайное основание не применяется: нижнему концу ствола придается конусообразная форма, благодаря которой он погружается на 2-15 м в грунт под тяжестью самого блока, балласта и за счет вертикальной составляющей усилия натяжения каждой оттяжки.

Первая платформа „Лена" в виде подводной мачты с оттяжками была установлена на глубине 305 м. Опорный блок (ствол) общей высотой 330 и шириной 36 м имеет массу 27 тыс. т. (включая сваи), что вдвое меньше, чем у платформы „Коньяк", установленной на глубине 312 м. Сваи из труб диаметром 1, 37 м, поддерживающие верхнее строение, забиты в грунт на глубину 170 м, т. е. общая длина каждой из них составляет около 500 м. Такие же трубы, но соответственно меньшей длины, использованы в качестве свай, закрепляющих ствол от закручивания. Для раскрепления ствола установлены 20 оттяжек — тросов диаметром 137 мм и длиной по 550 м — с включением в каждую из них гирлянды массивов общей массой 200 т. Расчетное усиление в оттяжке определено равным 5—6 МН, а разрывное усилие составляет 15 МН.

Более смелое проектное решение принято для платформы, предназначенной для установки в Мексиканском заливе на глубине 700 м. Ствол шириной 40 м раскрепляют 16 оттяжек диаметром 100 мм с гирляндами массивов массой 165 т. Анкерные сваи — трубы диаметром 1, 5 м — погружаются с буровых судов в предварительно пробуренные скважины на глубину 15 м и цементируются. Нижний конусообразный конец ствола заглубляется в грунт и не имеет свайного основания.

Для монтажа опорного блока глубоководной платформы предлагается использовать способ, впервые примененный при возведении платформы „Хондо". Опорный блок изготовляют на береговой базе в виде двух частей, оснащенных балластными цистернами. Обе части доставляют к месту установки платформы на баржах, спускают на воду и соединяют в одно целое на плаву. После приема» балласта (морской воды) в цистерны той части блока, которая должна быть обращена вниз, блок постепенно поворачивается и переходит в вертикальное положение без помощи кранового оборудования. После забивки анкерных свай и раскрепления блока оттяжками (сначала четырьмя по двум взаимно перпендикулярным направлениям, а затем остальными) все балластные цистерны заполняются водой, и забиваются сваи (если они предусмотрены) или блок погружается в грунт благодаря собственному весу.

Операция соединения частей блока на плаву очень сложна, тем более что ее приходится выполнять непосредственно над местом установки платформы, т. е. в открытом море. Поэтому рекомендуется, по возможности, собирать блок на берегу целиком. Именно так и было сделано при постройке платформы „Лена". Опорный блок был спущен на воду с баржи и тут же принял вертикальное положение благодаря тому, что в нижней части имел балласт в виде железной руды, а в верхней - внутри блока - 12 балластных цистерн-плавучестей диаметром 6 и длиной по 36 м.

Примечательно, что блок спускали с баржи не через корму, как обычно, а через борт. Внутри блока еще на берегу были помещены основные сваи (те, что должны поддерживать верхнее строение). Их наращивали и забивали с помощью оборудования, установленного на барже. С баржи осуществляли и монтаж палубы верхнего строения платформы.

Глубина 700 м не является предельной для данного типа стационарных платформ.

Монтажные и свайные работы. На строительстве эстакад и платформ в районах с небольшой глубиной применяют разнобразное крановое и сваебойное оборудование. Выбирают технологические процессы, наименее зависимые от погодных условий.

Первоначально для забивки свай использовали плавучие копры. Свайные работы и монтаж настила можно было проводить только в штилевую погоду. Пионерный способ строительства значительно расширил диапазон погодных условий для ведения монтажных и свайных работ. Многочисленные модификации пионерного способа связаны с различными технологическими характеристиками применяемого кранового оборудования. Рассмотрим для примера технологию монтажа эстакады.

Части свай, находящиеся над ригелем, срезают, сваривают все монтажные узлы, устанавливают настил (г), и затем кран перемещается вперед на длину новой секции. Эстакадостроительные краны рассчитаны на строительство эстакад секциями до 20 м на глубинах порядка 30 м. Приэстакадные площадки возводятся тем же пионерным способом при ведении работ в направлении, перпендикулярном оси эстакады.

Монтаж блоков опорного строения платформ, имеющих массу до 3 тыс. т, ведется, как правило, с крановых судов, на которых блоки и доставляются в заданный район. Наиболее ответственной операцией является кантование - перевод блока в вертикальное положение. Применяют различные способы кантования: на воде с опиранием стоек блока на грунт; через борт судна с опиранием на брус специальной консоли; с креплением верхней части блока за палубный кнехт; блоков, обладающих собственной плавучестью в воде, при управлении приемом балласта в стойки.

После посадки на дно блок выравнивают различными средствами. Неровности дна могут быть устранены непосредственно под стойками подмывом с подачей воды по трубам, прикрепленным к стойкам. Выровненный блок крепят с помощью металлических трубчатых свай, погружаемых через стойки. Если отказ при забивке сваи наступает ранее достижения расчетной глубины погружения, приходится выбуривать грунтовую пробку для снижения сопротивления забивке сваи. Полость трубы затем заливают бетоном до уровня 5-8 м выше поверхности дна. Возможна комбинация забивных свай с заанкериванием: свая забивается до кровли скального или полускального грунта, далее бурится скважина, в которую опускается анкер, а затем скважина и полость сваи с пропущенной в ней анкерной тягой заливаются бетоном. Для повышения несущей способности свай иногда применяют инъекцию цементного раствора в окружающий грунт. Для этого грунтовую пробку из сваи полностью выбуривают и раствор подают через нижний конец сваи и отверстия, специально предусмотренные для этого по ее длине. Подобная операция приводит к увеличению несущей способности сваи по грунту в 2-2, 5 раза. Другой способ увеличения несущей способности сваи состоит в следующем: через забитую сваю пробуривают скважину, которую затем расширяют с помощью раздвижного устройства, в полученное расширение и нижнюю часть сваи заводят армокаркас и все пространство заливают бетоном.

Технология изготовления и монтажа глубоководных платформ отличается от применяемой для эстакад и платформ с несколькими опорными блоками более высокой степенью индустриализации работ и сложностью отдельных операций, вызванной большими габаритами и массой опорного блока.

Трубы малых и средних диаметров, а также прокатные профили поставляются на предприятие в готовом виде. Трубы больших диаметров (2-Юм) и балки большой высоты палубного набора (до Зм) изготовляются непосредственно на предприятии, оснащенном для этого полуавтоматическими поточными линиями.

Сборка узлов - соединений опорных частей платформы и надводной площадки, цистерн плавучести, трубчатых узлов, ребер жесткости,
перекрытий промежуточных палуб, трапов - ведется в сборочных цехах, оборудованных специальными сварочными машинами и аппаратами, подъемно-транспортными механизмами, сборочными приспособлениями различного назначения. Ручная сварка используется лишь для выполнения швов, недоступных автоматической. Наибольшая масса узлов определяется грузоподъемностью кранового оборудования сборочных цехов и обычно не превышает 100 т. Применение самоподъемных вагонеток и платформ с гидравлическим приводом позволяет довести массу узлов до 200 т.

Промежуточная обработка узлов перед отправкой их к месту окончательной сборки опорного блока состоит прежде всего в снятии в материале напряжений, возникающих в процессе сварки. Для этого применяется отжиг в специальных камерах - печах. Промежуточная обработка включает также дробеструйную очистку узлов, обезжиривание, травление, нанесение защитных покрытий, гальванизацию.

Окончательную сборку опорного блока ведут на стапеле, в доке или в котловане. Сначала собирают плоские панели. Весь опорный блок собирается из панелей и диафрагм в горизонтальном положении. Панели поднимают и устанавливают в вертикальное положение с помощью нескольких кранов (до 6-10) на гусеничном ходу суммарной грузоподъемностью 200-400 т. Для временного закрепления панелей в вертикальном положении применяют оттяжки.

Транспортировка и установка на дно опорных блоков глубоководных платформ осуществляются с использованием собственной плавучести (при герметизации трубчатых элементов блока) и балластных цистерн или понтонов, прикрепляемых к стойкам. Блоки, собранные в котловане или сухом доке, всплывают после затопления котлована и буксируются к месту установки на плаву. Блоки, собранные на стапельных площадках, спускаются на воду или передвигаются на специальные баржи. Эти баржи должны иметь значительные по размерам палубы и обеспечивать необходимую остойчивость в грузовом состоянии с учетом высокого положения центра тяжести блока. В частности, для перевозки блока длиной 435 м и массой 50 тыс. т, предназначенного для сооружения в Мексиканском заливе платформы „Балуинкл" на глубине 411м, строится баржа с размерами 250 х 62 х 15 м. Накатка крупногабаритных блоков на баржи осуществляется с помощью тяговых лебедок и гидравлических домкратов.

Более распространена транспортировка блоков на баржах, несмотря на то, что в процессе спуска с баржи возникают особые условия нагружения блока, требующие введения в структуру блока дополнительной решетки. Сборка блока в котловане на понтонах упрощает транспортные операции, избавляет в некоторых случаях от необходимости углубления котлована и подходного канала. Однако блоки, транспортируемые на понтонах, должны быть рассчитаны на волнение в период перехода.

Массы и габариты опорных блоков глубоководных платформ таковы, что использование в процессе транспортировки и установки на дно крановых судов или плавкранов исключается. Несколько способов спуска блоков на воду и перевода их в вертикальное положение показаны на рисунке 19. Наиболее просто установить блок на дно в том случае, когда он буксируется на плаву. Балластированием цистерн, внутренних отсеков в стойках или понтонов (а) блок постепенно поворачивается в воде и приобретает вертикальное положение. После этого он наводится более точно над проектной точкой установки, балластируется и становится на дно. Понтоны после этого могут быть отсоединены от блока и удалены. В другом способе (б) блок транспортируется на двух понтонах, устанавливаемых поперек блока. После выдергивания - одного понтона блок поворачивается вокруг другого понтона и опускается вниз. Предложен способ транспортировки блока на барже и понтоне (в). Балластирование понтона заставляет блок поворачиваться вокруг кормы баржи и одновременно соскальзывать вниз.

Способ спуска и установки блока, показанный на рисунке г, был применен при сооружении платформы „Хондо" (глубина воды 260 м). Две секции длиной по 140 м перевозили на расстояние 480 км в район установки на баржах, спускали на воду притапливанием баржи и соединяли на плаву с помощью специально разработанных конусообразных захватов, укрепленных на четырех угловых стойках. Операция стыковки осуществлялась в защищенной гавани вблизи от места установки платформы. Соосность секций на воде достигалась балластированием плавучестей в стойках. Стыковочные узлы с их пружинными фиксаторами и пневматическими муфтами близки к шарнирным, поэтому после продувки отсеков стоек внутрь их были опущены сварщики, которые заварили стыки изнутри.

Спуск длинных блоков с баржи опасен из-за перенапряжений в тот момент, когда блок опирается только на поворотную раму на кромке баржи. Во избежание повреждений блока в нем создается дополнительная решетка - шпренгели. На корме баржи, предназначенной для спуска длинных блоков, монтируют двойную поворотную раму (д). Нагрузки на блок при сходе с баржи снижают также в том случае, когда спуск на воду не сопровождается одновременным опусканием блока на дно (е).

Спуск на дно из горизонтального положения на плаву (рисунок 20) считается наиболее управляемым. Блок переводят в вертикальное положение балластировкой отсеков стоек так, как показано (положения IV и У).

В мировой практике имеются примеры сборки опорного блока глубоководной платформы из трех ярусов под водой. Речь идет о платформе „Коньяк" (рисунок 22), блок который был разбит по высоте на ярусы размерами 47, 97 и 184 м (общая высота блока 328 м, глубина моря 312 м). Нижний ярус с направляющими — муфтами для окаймляющих свай—собирали в котловане в вертикальном положении и буксировали в таком же положении к месту установки на расстояние 200 км. Второй и третий ярусы собирали в горизонтальном положении и перевозили на баржах. Последовательное наращивание блока из ярусов осуществляли с помощью двух крановых судов и гидроакустической системы наведения под водой. Размеры блока по низу составили 116 х 122 м.

Продолжается отработка поперечного спуска блока с баржи (через борт). Такой способ спуска позволяет обойтись без усиления блока шренгелями и сэкономить на этом до 10% металла. Однако трудно обеспечить одновременный сход за борт всего блока, и крен баржи в этот момент достигает 3.0°. Тем не менее опорный блок длиной 330 м и массой 27 тыс. т (платформа „Лена", о которой будет сказано в дальнейшем) был спущен целиком через борт баржи, имеющей длину 176 и ширину 49 м. Спуском управляли дистанционно, при этом вся команда с баржи была удалена.

Погружение свай - наиболее трудоемкий этап установки блоков на место эксплуатации. Пока определенная часть свай не забита, сооружение не обладает устойчивостью, что особенно опасно в шторм. Известны случаи, когда незакрепленный блок терял устойчивость даже в штиль - из-за размыва грунта донными течениями.

Насколько трудоемка забивка свай, свидетельствует пример закрепления опорного блока в Северном море на глубине 108 м, когда на забивку 24 свай диаметром 1, 52 м на глубину 45 м ушло три недели при вполне благоприятных погодных условиях. С учетом этих трудностей на другой платформе в Северном море было применено постепенное наращивание держащей силы свай: сначала на глубину 30 м погружали сваи диаметром 1, 82 м, а затем через них на глубину 60 м забивали сваи диаметром 1, 22 м.

Одним из обстоятельств, затрудняющих забивку свай, является то, что масса свай оказывается соизмеримой с массой молота, а упругость длинной сваи может поглотить всю энергию удара. В связи с этим для забивки длинных свай применяют молоты, размещаемые внутри сваи - в ее нижней части. Ввиду трудоемкости свайных работ выявляются преимущества способа сборки опорного блока, примененного при строительстве платформы „Коньяк". Там сваи, основные и окаймляющие, забивали, пока на грунте находилась только нижняя секция опорного блока. Сваи длиной по 190 и диаметром 2, 13 м с толщиной стенки 57 мм и массой 465 т доставлялись на плаву. После приема балласта они переводились в вертикальное положение, наводились в направляющие опорного блока и погружались под действием силы тяжести в грунт на 45 м. Дальнейшее погружение на глубину до 150 м осуществлялось подводным молотом. Пространство между сваями и направляющими муфтами цементировалось. Свайные работы продолжались 21 день.

Иная технология свайных работ применена при сооружении платформы „Хондо". Опорный блок укреплялся восемью сваями диаметром 1, 22 и длиной до 380 м, забиваемых через стойки, и двенадцатью окаймляющими сваями диаметром 1, 37 и длиной до 115 м. Сваи доставляли на баржах секциями по 20—70 м и соединяли сваркой по мере опускания внутри стоек. Для уменьшения нагрузки на плавкран, удерживавший сваю в процессе ее наращивания и спуска, секции сваи были оснащены водонепроницаемыми перегородками. После приваривания десятой из тринадцати секций свая достигала поверхности грунта, и водонепроницаемые перегородки устраняли. Работы по погружению одной сваи велись в течение 3, 5 сут. Окаймляющие сваи забивали с применением удлинителей.

Монтаж верхнего строения является завершающим этапом строи-тельства глубоководной платформы. Большинство построенных плат-форм имеет модульное верхнее строение. Модули массой 700-1600 т или большей доставляют на транспортных баржах и устанавливают с помощью крановых судов. Применение модульного способа сборки позволяет не только сократить общую продолжительность работ, но и удешевить их. Следует иметь в виду, что аналогичные работы по монтажу бурового оборудования, производимые в море, в 8-10 раз дороже, чем на берегу. Высокая стоимость эксплуатации крановых судов, транспортных барж и непременных аварийно-спасательных судов, их простои при неблагоприятных гидрометеорологических условиях могут довести стоимость работ по монтажу верхнего строения до 30% стоимости работ по установке опорного блока. Этим объясняется тенденция к укрупнению модулей верхнего строения.

Стационарные ледостойкие платформы

Ледостойкостью должны обладать сооружения, предназначенные для круглогодичной эксплуатации на шельфе арктических и замерзающих морей, а также на значительных по площади акваториях незамерзающих морей, где они могут подвергаться воздействию дрейфующих ледовых полей и ударам отдельных льдин. Вообще говоря, ледостойкими надо считать те сооружения, у которых конструктивная форма и размеры несущих элементов определяются прежде всего ледовым режимом. Особый подход к проектированию ледостойких платформ объясняется не только спецификой основного воздействия со стороны окружающей среды, но и условиями, в которых должно осуществляться строительство. Это очень короткий летний сезон (2- 3 месяца), когда свободная или покрытая плавающим льдом поверхность моря допускает проводку сооружения на плаву или на баржах к месту эксплуатации. Это низкие температуры воздуха, способствующие обмерзанию сооружения и появлению хрупких трещин в материале, низкая температура воды, затрудняющая подводно-технические работы.

Мировой опыт строительства и эксплуатации ледостойких платформ пока невелик. Освоение арктических районов шельфа ведется большей частью с искусственных островов. Однако необходимость выхода на такие глубины, на которых сооружение островов становится экономически нецелесообразным, побуждает к поиску конструкций ледостойких платформ. Первые ледостойкие платформы были построены в 60-х гг. В настоящее время их эксплуатируют в нескольких районах Мирового океана: в заливе Кука (у южных берегов Аляски, США) на глубинах 20-40 м, в море Бофорта (на канадском участке шельфа) на глубинах до 30 м, в замерзающем Азовском море на глубинах до 8 м. В перспективе предстоит осваивать районы с более суровыми климатическими условиями, в труднодоступных местах и с более широким диапазоном глубин. Эта задача имеет особо важное значение для нашей страны, поскольку более половины шельфа СССР покрывается льдом на длительное время года. В частности, на шельфе окраинных морей Северного Ледовитого океана лишь очень небольшая часть поверхности моря (Баренцево море в районе Кольского полуострова) почти всегда свободна от льда. Льдом покрываются значительные участки Балтийского, Черного, Каспийского и Азовского морей. Одна-
ко проблема ледостойкости сооружений в этих районах не первостепенна, конструкцию и размеры элементов определяют штормовые условия. В арктических же районах силовое воздействие обычно ледовых полей толщиной 1, 5-2 м значительно превосходит то, что возможно при самых жестоких штормах.

Осуществленные и предложенные конструкции опорных оснований ледостойких платформ разнообразны по конфигурации и способам возведения и при этом заметно отличаются от рассчитанных в основном на восприятие ветроволновых воздействий. Специфика ледостойких платформ проявляется также в компоновке верхнего строения, поскольку такие сооружения должны обладать большей автономностью, т. е. допускать размещение достаточного количества запасов для ведения буровых и других работ в течение 3-6 месяцев (вместо 1 месяца в районах с умеренным климатом), когда транспортные связи по воде невозможны. Длительные низкие температуры воздуха (температура ниже 0 °С держится от 7 до 10 месяцев, а минимальные температуры достигают - 46 °С), частые штормовые ветры зимой и снежные заряды летом вынуждают прибегать к защите всех рабочих площадок. От воздействия льда приходится защищать и водоотделяющие трубы, через которые ведется бурение скважин.

При проектировании ледостойких платформ применяется несколько основных приемов уменьшения воздействия льда на сооружение:

- уменьшение числа опорных элементов в районе ватерлинии или сужение конструкции, поддерживающей верхнее строение;

- устройство защитных кожухов вокруг опор для предотвращения их повреждения от истирающего действия льда;

- придание внешней поверхности опоры конической или иной формы, способствующей переходу ледового покрова от работы на сжатие к работе на изгиб.

Ледостойкие платформы со сквозным опорным блоком на свайном основании. Они отличаются от обычных платформ отсутствием раскосов в районе ватерлинии и наличием ледозащитного кожуха на опорных колоннах. Такие платформы (общим числом 14) установлены и эксплуатируются в заливе Кука, где тяжелые ледовые условия усугублены полусуточными приливами высотой до 12 м и сильными приливными течениями со скоростью до 4 м/с. Платформы установлены на глубинах от 19 до 40 м.

Типичная конструкция ледостойкой платформы показана на рисунке 22.Опорный блок платформы выполнен из четырех колонн диаметром 4, 6 м, соединенных раскосами и горизонтальными трубчатыми связями только в подводной части — ниже зоны, подверженной воздействию льда. Поверху колонны связаны верхним строением. Через колонны в грунт на глубину 27 м погружено по 8 свай диаметром 0, 75 м. Сваи воспринимают нагрузки от верхнего строения, а также сдвигающие и опрокидывающие усилия от воздействия льда на колонны. Межтрубное пространство в колоннах заполнено бетоном, а сами колонны имеют защитный кожух высотой около 15 м. Конструкции платформы в заливе Кука выполнены из высококачественных сталей с пределом текучести не ниже 350 МПа. Благодаря большому диаметру колонн опорный блок обладает собственной плавучестью и доставлен к месту установки от береговой базы с помощью буксиров.

В металлической конструкции ледостойкого опорного блока небольшой платформы, установленной на газовом месторождении в Азовском море (рисунок), также отсутствуют горизонтальные и наклонные связи в зоне, подверженной воздействию льда. Это способствует снижению общего сдвигающего и опрокидывающего усилия от воздействия льда на колонны. В отличие от описанной выше конструкции, сваи забиты не внутри опорных колонн, а через направляющие, укрепленные на решетчатом ростверке, имеющем в плане большие габариты, чем палуба платформы. Колонны выполнены из трех соосных труб диаметром 1420, 1020 и 630 мм, межтрубное пространство заполнено бетоном. Платформа предназначена для куста из четырех скважин, пробуриваемых через колонны. Таким образом, колонны не только поддерживают палубу с оборудованием, но и защищают бурильные трубы от воздействия льда.

Большое число колонн и слишком тесное расположение их в опорном блоке приводят к задержке битого льда и образованию тороса непосредственно под палубой. В связи с эти конструкция опорного блока в районе ветерлинии должна быть по возможности более проницаемой для ледовых полей.

Гравитационные ледостойкие платформы. Такие платформы удерживаются на месте эксплуатации главным образом за счет собственной массы и балласта. Ледостойкие платформы при всем разнообразии конструктивных форм всегда имеют развитую опорную базу, обычно круглую в плане. Корпус платформы может быть железобетонным или металлическим. Для уменьшения силового воздействия льда на сооружение используются различные приемы: сужение корпуса в районе ватерлинии, придание в зоне воздействия льда конусообразной формы корпусу и опорной колонне, поддерживающей верхнее строение, применение подвижных (плавучих) конусных насадок на колоннах цилиндрической формы. Несколько вариантов конструкций ледостойких гравитационных платформ показано на рисунке 25. Поиск оптимальных решений продолжается, поскольку каждое конструктивное решение в разных условиях проявляет положительные или отрицательные свойства.

Цилиндрическая форма опорной колонны удобна с точки зрения производства работ, снижает материалоемкость сооружения, имеет небольшую площадь, по которой возможно смерзание с ледяным покровом. С другой стороны, цилиндрическая форма преграды не способствует изгибу ледяного покрова, и разрушение льда происходит при достижении им по контакту с опорой предела прочности на сжатие.

Коническая форма опоры способствует снижению горизонтальной составляющей давления ледового поля на сооружение. Лед, наползая на опору, подвергается изгибу и разрушается при достижении предела прочности на растяжение на некотором удалении от опоры (механизм разрушения ледового поля показан в п. 6.6). Вертикальная составляющая давления льда на опору способствует, когда она направлена вниз, повышению устойчивости сооружения от сдвига. Недостатком конической формы является возможность образования торосов и их смерзания при остановке ледового поля, что особенно вероятно на мелководье. Смерзание конической поверхности с ровным полем также опасно, поскольку оно происходит на существенно большей площади, чем в случае цилиндрической формы опоры, и в начале движения ледового поля может привести к сильному увеличению нагрузки на сооружение. Кроме того, коническая форма опоры осложняет производство работ, увеличивает затраты материалов, затрудняет подход судов, обслуживающих платформу.

Гравитационные ледостойкие платформы разрабатывают для эксплуатации на сравнительно небольших глубинах. Собственной массы платформы вместе с балластом не всегда хватает для обеспечения устойчивости сооружения от сдвига под напором льда. В таких случаях приходится прибегать к помощи свай. Использование в качестве балласта местных материалов сближает гравитационные платформы с искусственными островами. Иногда трудно определить, к какому типу относится ледостойкое сооружение. Можно руководствоваться следующим признаком платформы - после дебалластировки и извлечения свай ее можно полностью (или с разделением на корпус и верхнее строение) переместить на другое место и использовать вторично. Погружные блоки ограждения искусственного острова тоже можно дебалластировать и перевести в другой район, но при этом на морском дне остается грунтовое тело острова. Гравитационные платформы в отличие от островов имеют днище по всей площади опирання на дно или постель.

Ледостойкая платформа, часто называемая „ледовым островом", показана на рисунке 25, г. Эта платформа предназначена для буровых работ на арктическом шельфе Канады при глубинах моря до 22 м. Корпус платформы массой 16 тыс. т буксируется к месту эксплуатации в начале ледостава. После приема балласта — морской воды — в ячеистые отсеки, образованные трубами диаметром 12 м, платформа садится на дно. С помощью холодильной установки балласт замораживается и придает конструкции жесткость и способность сопротивляться воздействию ледовых полей толщиной до 1, 8 м. В четырех трубах диаметром 2, 4 м размещается по 8 кондукторов для бурения скважин. При необходимости перемены места эксплуатации платформы балласт растапливается и откачивается.