Глава 2. Подводные инженерно-технические работы

2.1. Инженерные изыскания

Реализации проекта любого подводного сооружения - будь то трубопровод, хранилище, энергоблок или ферма для разведения морских животных - предшествует большой объем подготовительных работ, включающий кроме проектирования инженерные изыскания. На основе данных этих изысканий выбирается участок или трасса будущего сооружения, увязывается его структура с геологическими, геофизическими и океанологическими условиями, выполняется анализ комплекса факторов, оказывающих влияние на функционирование будущего сооружения, изучается взаимное влияние нескольких объектов, расположенных в одном районе. Можно выделить две большие группы воздействующих факторов - природные, связанные с воздействием среды, и искусственные, обусловленные деятельностью человека. При изучении первых необходимо выделить погодные факторы, океанографические, геологические, геотехнические, биологические. Ко второй группе относятся технические, технологические, экономические и социальные факторы.

Определенное сочетание нескольких факторов (а часто и любой из них) может потребовать коренной перестройки производственного цикла, конструкции или самого технологического процесса, заложенного при проектировании инженерного сооружения. Например, существуют два принципиально различных метода выбора участка под будущее строительство: один основан на соответствии сооружения особенностям участка дна или акватории, второй - на выборе участка для размещения сооружения в зависимости от его конструктивных особенностей [101]. Какой группе факторов отдать предпочтение и соответственно какой подход реализовать на этапе, предшествующем проектированию, - задача не однозначная. Предпочтение какому-либо методу можно отдать только в результате анализа, детальность которого будет определяться и экономическими соображениями, и оригинальностью технического решения, и оценкой возможных потерь (не только экономических).

Для инженерно-технического работника уверенность в правильности выбора технического решения - немаловажный мобилизующий фактор, поэтому здесь уместно рассмотреть вариант общего алгоритма создания абстрактного сооружения, представив его в виде такой последовательности операций [92, 101]:

- формирование цели создания будущего сооружения;

- рассмотрение (разработка) вариантов возможных технических решений;

- выбор потенциальных районов размещения сооружения;

- анализ воздействующих факторов первой и второй групп;

- выбор наиболее приемлемых районов;

- сопоставление технических решений с наиболее существенными факторами;

- выбор участка под сооружение;

- выбор решения или наиболее оправданного варианта решений;

- всесторонняя проработка решения (решений);

- выполнение необходимых экспериментов;

- проверка и окончательное утверждение решения;

- разработка технического проекта;

- претворение проекта в жизнь.

Собственно изыскания, т. е. определение количественных характеристик воздействующих факторов, могут потребоваться на любом этапе реализации подобного алгоритма. Их конкретная форма (работа с документами или непосредственное проведение измерений, взятие проб и т. д.) зависит от изученности района предполагаемого строительства, новизны технического решения и т. п. Детальность изысканий - также вопрос, требующий уточнения в каждом конкретном случае. Факторы, влияющие на выбор места расположения некоторого абстрактного подводного сооружения, детально проанализированы в работе [101] и приведены (с некоторыми изменениями и сокращениями) в табл. 2.1-2.3.

В качестве примера выполнения конкретных инженерных изысканий рассмотрим геотехнические исследования, предшествующие и сопутствующие строительству свайного фундамента морской стационарной платформы [108].

Прежде всего свайный фундамент должен удовлетворять следующим основным требованиям: несущая способность каждой сваи (группы свай) должна быть достаточной, чтобы выдержать проектную нагрузку с определенным коэффициентом безопасности; нагрузочные характеристики каждой сваи должны быть приемлемыми при кратковременных и при долгосрочных силовых воздействиях; забивка сваи должна быть обеспечена с помощью наличного оборудования.

Для определения несущей способности свай и прогибов, а также для выбора типа сваебойного оборудования проводят расчеты, основанные на известных параметрах используемых свай и характеристиках грунта, уточняемых непосредственно на месте предполагаемой установки платформы. Знание грунтовых условий позволяет определить необходимые количество и расположение воспринимающих всю нагрузку опорных ног, а также установить приемлемый предел забивки свай и их расположение при известной глубине забивки и различных вариантах размещения опорных ног. Затем, на основании анализа волновых уравнений, описывающих процесс взаимодействия сваи, грунта и молота, оценивают изменение сопротивления грунта во время забивки (СГЗ) с глубиной и находят отношения между СГЗ и числом ударов молота, требуемых на единицу длины погружения сваи.

Само определение грунтовых условий занимает довольно продолжительное время (от нескольких месяцев до двух лет), потому что на месте предполагаемой установки платформы необходимо выполнить геофизические исследования с целью изучения глубинной структуры грунта, сделать пять и более зондирований конусом, чтобы определить сопротивление грунта его внедрению на глубину до 25 м ниже уровня дна; пробурить три или более разведочных скважин на глубину, превышающую глубину забивки, и хотя бы в одной из них выполнить серию зондирований конусом на протяжении всей глубины.

Эти исследования производятся вблизи центра участка, выделенного под платформу. Диаметр участка определяют в зависимости от размера платформы и достижимой точности установки. Обычно он не превышает 100-200 м.

При изысканиях необходимо не только найти параметры забивки свай, их начальное углубление в грунт в момент опускания, но и получить данные о погружении в него ног платформы, заполненных требуемым количеством балласта с целью придания устойчивости еще не закрепленной платформе. Последнее нужно сделать для того, чтобы с достаточной точностью задать размеры того участка сваи, который после забивки будет с помощью бетона закреплен в направляющей трубе.

Для определения ориентировочного погружения опорных ног в грунт предлагается модифицированная формула Дэвиса и Букера:

(2.1)

где Р_с - сопротивление глины дальнейшему погружению ноги; I - эмпирическая постоянная, зависящая от деформации разупрочнения грунта; А - площадь основания ноги; В - диаметр основания ноги; С_o - сопротивление сдвигу глины во влажном состоянии на уровне плоскости опоры; ρ - коэффициент увеличения сопротивления сдвигу с глубиной; F - функция ρВ/С_o и шероховатости поверхности опоры; W - усилие, созданное вытесненным грунтом.

Воспользоваться вышеприведенной формулой можно только при известных экспериментально определенных коэффициентах ρ и F. Формула не свободна от недостатков, в частности она не учитывает формы сечения конца сваи, и здесь приведена лишь для иллюстрации. В отечественной практике для выполнения подобных расчетов чаще используется известная формула И. М. Герсеванова, приводимая в разных редакциях во всех пособиях по расчету свайных фундаментов.

Данные о погружении опорных ног в грунт, выражаемых в виде графиков зависимости нагрузки на опору от осадки, обобщаются для возможных грунтовых условий.

До тех пор пока нагрузка на опору не будет уменьшена за счет фиксации ее сваями или путем дебалластировки, опора может продолжать погружаться в грунт под действием морского волнения. Это необходимо иметь в виду при планировании сроков выполнения всей операции по установке платформы.

Глубина забивки сваи зависит от ее несущей способности, определяемой характером взаимодействия сваи и грунта. Вычислить значение несущей способности можно на основе результатов зондирования конусом. Согласно этому методу, сопротивление грунта под концом сваи q_ρ находится из соотношения

(2.2)

где X - среднее конусное сопротивление в диапазоне изменения диаметра сваи D от 0,7 до 4,0; Y - минимальное конусное сопротивление под концом сваи в том же диапазоне; Z - среднее из минимальных значений конусных сопротивлений выше конца сваи в диапазоне (6-8) D.

Свая представляет собой трубу с открытым концом, внутри которой находится грунтовое ядро. Поведение этого ядра может быть различным, поэтому предельная статическая несущая способность Q_d определяется различными выражениями. Для свай с подвижным ядром, например

(2.3)

где f_s и f₁ - удельное боковое трение на наружной и внутренней поверхностях; A_s и А₁ - площадь наружной и внутренней поверхностей; A_ω - площадь поперечного сечения сваи.

Для сваи с неподвижным относительно стенок ядром

(2.4)

где Aρ=πD2/4 - площадь основания сваи вместе с грунтовой пробкой - ядром.

Расчеты, выполненные по приведенным формулам, уточняют в процессе забивки первых двух или трех свай каждой группы. Для этого строят графики истинных значений отношения числа ударов к реальным значениям сопротивления грунта забивки, которые сопоставляют с расчетными. Это необходимо для подтверждения идентичности грунтовых условий в месте забивки с данными, полученными на основе результатов бурения и зондирования конусом и распространенными на всю площадку. По результатам контроля параметров забивки принимают готовые сваи. Если конечное число ударов окажется ниже расчетного, по истечении нескольких недель проводят дополнительную забивку (добивку). Если и в этом случае число ударов соответствует пониженному СГЗ, то несущую способность сваи считают ниже расчетной. Сваи, которые не удалось забить на требуемую глубину, принимают в том случае, если они достигли более плотного, например скального, грунта. Для надежности по крайней мере одну такую сваю пытаются добить.

Проводя добивки, необходимо учитывать то обстоятельство, что в глинах при возобновлении перемещения сваи увеличивается сопротивление забивке, так как нарушенная в процессе первичной забивки структура грунта вблизи поверхности свай со временем изменяется, глина консолидируется, увеличивается ее сцепление с поверхностью. У песчаных грунтов этого явления не наблюдается.

Инженерные изыскания при забивке свай - пример того, как необходимо проведение подобных изысканий не только в процессе выполнения подготовительных работ, но и при самих работах.

О величине объема инженерных изысканий при строительстве целостного подводного сооружения можно судить по такому довольно компактному и типичному технологическому процессу, как прокладка трансатлантического кабеля связи. Подобные работы проводятся в наше время довольно часто. Достаточно указать, что только в период с 1956 по 1976 гг. для связи североамериканского побережья с Европой по дну Атлантического океана проложено шесть телефонных кабелей, причем пропускная способность последнего - ТАТ-6-составляет 4000 одновременных переговоров. По оценкам специалистов, интенсивность переговоров на этой линии связи возрастает примерно на 20 % в год, т. е. при современном уровне техники кабельной связи потребуется прокладка нового кабеля каждые четыре года [74].

К техническим решениям при прокладке кабеля относятся выбор типа кабеля, соответствующих линейных усилительных и согласующих устройств, типов соединений отрезков кабеля, брони и защитных покрытий. Проектировщик линии получает от разработчика кабеля его технические характеристики и технические условия на прокладку (допускаемые напряжения, радиусы изгиба, допускаемые провисания, данные по скручиванию, по перепадам температур и т. п.). Затем выбирают тип судна-кабелеукладчика, способы обеспечения курса и точности прокладки, тип устройств для заглубления кабеля в грунт. Эти данные непосредственно связаны с районом прокладки, так как зависят от характера грунта. Конечные пункты будущей линии связи обычно известны. Остается выбрать оптимальную трассу прокладки. При этом необходимо прежде всего учесть природные условия - сложность рельефа дна, уклоны, перепады высот, грунты, а также существующие сооружения (кабели, трубопроводы, различные установки). В частности, кабели не должны пересекаться, так как это может помешать ремонтным работам. Проектировщик обязан знать зоны рыболовства и судоходства, чтобы определить участки, на которых кабель должен иметь защиту от зацепления орудиями лова или якорями. Естественно, что оптимальный выбор трассы - это не только техническое, но и экономическое требование: стоимость одной мили трансатлантического кабеля оценивается примерно в 30 тыс. фунтов стерлингов. В то же время нехватка 20 км кабеля сверх расчетного запаса (запас трансатлантического кабеля принимают в среднем равным 3 %) означает не только потерю 300 тыс. фунтов, но и необходимость найти участок, где кабель был проложен с излишней слабиной [75], что может привести к скручиванию кабеля и выходу его из строя, так как на таких кабелях противоскручивающие оплетки обычно не применяются.

Точность прокладки - одно из важнейших условий при выполнении подобных работ, и, очевидно, она должна быть не хуже точности проведения изысканий. И прокладку и изыскания ведут, используя однотипное навигационное оборудование (правда, изыскания выполняются со скоростями, в два-три раза превышающими прокладку). На точность прокладки влияют не только потенциальная точность определения координат судна-кабелеукладчика, но и погодные условия. Поэтому на этапе изыскания очень важно получить надежную информацию об атмосферных факторах в районе предполагаемых работ.

В ходе предварительных изысканий не менее важен учет воздействия океанологических факторов на процесс прокладки и эксплуатации будущей линии. В первом случае особенно важны изменения уровня моря, связанные с приливами, волнение и течения. Сильное воздействие на работу будущей линии связи будут оказывать и колебания температуры воды, приводящие к изменению электрических параметров кабеля, поэтому трассу будущей линии следует прокладывать через зоны со стабильной температурой.

Какое влияние окажет на процесс прокладки морской лед? Очевидно, наличие в зоне работ плавающих льдов и ледяного покрова может создать трудности в проводке судна-кабелеукладчика. Наиболее опасен морской лед для уже проложенного кабеля на мелководье. Если кабель недостаточно заглублен в грунт или последний размыт, вмерзание кабеля в ледяной массив может привести к его повреждению даже при незначительной подвижке ледяного поля.

Одно из самых важных мест при проведении изысканий по трассе будущей линии связи занимают геологические исследования. Прежде всего, необходимо оценить топографию дна, т. е. определить уклоны, выявить неровности, следы эрозии или отложения. Последние необходимо не только указать, но и охарактеризовать количественно. На строительство трассы могут оказать сильное влияние скальные выходы, крупные валуны на поверхности дна или в толще осадочных пород. Без знания свойств этих пород - прочностных характеристик, усилий резания, способности разрушаться под действием внешних усилий - нельзя правильно выбрать необходимые для прокладки механизмы, нельзя прогнозировать сохранность линии в процессе эксплуатации.

Биологические факторы при прокладке телефонного кабеля играют второстепенную роль. Кабель не может сколько-нибудь серьезно повлиять на растительный и животный мир, воздействие же на него водной среды также незначительно: на мелководье кабель заглублен в грунт и ему не страшно обрастание, а на больших глубинах его могут лишь случайно повредить крупные морские животные. Такие случаи в истории трансатлантических кабелей известны, но они редки.

Из факторов второй группы, связанных с человеческой деятельностью, хорошо проявляются лишь конструкторские: выбор типа кабеля, его защита, долговечность усилителей, надежность разъемных соединений и возможность быстрой замены поврежденного участка (ремонтопригодность). Правда, в последнем случае больше внимания приходится уделять выбору средств поиска кабеля, его захвата, подъема на поверхность или ремонта в подводном положении.

Инженерные изыскания сопутствуют всему сроку жизни подводного сооружения от проекта до демонтажа. Подводная технология - молодая отрасль, и практически любое подводное сооружение - техническая новинка. Новизна заключается и в выборе материалов, и в технологии их применения, и в необходимости для каждого случая по-разному решать вопросы защиты от коррозии и механических воздействий, по-разному распределять нагрузки на несущие элементы и т. п., так как каждое подводное сооружение создается при специфических, ему одному свойственных условиях на грунте и в море. Жесткие условия эксплуатации требуют постоянного контроля за состоянием сооружения - ведь его разрушение - это часто не только огромные материальные потери, но и человеческие жертвы. Поэтому инженерный контроль ведется на всех этапах строительства и эксплуатации: проверяется соблюдение технических требований, качество материалов, соединений, точность монтажа; в процессе эксплуатации постоянно следят за состоянием поверхностей, их формой, измеряют статические и динамические нагрузки и соответствующие им напряжения, постоянно наблюдают за состоянием грунта под сооружением и вблизи его, изучают изменение структуры материалов под воздействием среды, определяют эффективность работы систем защиты от коррозии, разрабатывают меры по устранению повреждений или по их предотвращению.

Все это требует напряженной работы специальных инженерных служб, которые не только проводят все перечисленные мероприятия, но и ведут разработку методов контроля, создают приборы для измерений.

В этом отношении характерна деятельность классификационного общества Норвежский Веритас на месторождениях Северного моря. Оно не только контролирует все стадии строительства, ввода в эксплуатацию и эксплуатацию взятых под его опеку сооружений, но и изучает работу сооружений и их элементов в самых различных условиях. Наблюдения ведутся как с целью профилактики через определенные промежутки времени, так и постоянно путем длительной регистрации параметров с помощью датчиков, заложенных при строительстве. Такие исследования способствуют улучшению качества проектирования и совершенствованию технологии подводного строительства. Специалисты общества постоянно ведут и чисто научные исследования, что позволяет им непрерывно совершенствовать нормативные документы, на основе которых ведутся работы по подводному строительству.

Конкретные задачи, возникающие перед специалистами инженерных служб, весьма разнообразны. Например, при инспекции стационарных стальных платформ им приходится исследовать профиль морского дна и удалять металлические обломки, соприкасающиеся с опорами платформы, оценивать состояние и эффективность протекторов, с помощью ультразвука измерять толщину стенок наиболее важных структурных элементов подводной части платформ, определять состояние сварных швов, особенно в узлах конструкции, оценивать загрязненность основных структурных элементов подводной части. Полная инспекция такой платформы, установленной на глубине 40 м, при условии хорошей предварительной подготовки и тщательного планирования всех операций требует около 10 дней.

Большие работы проводятся и по наблюдению за состоянием морских кабелей и трубопроводов. Определяют, в частности, степень заглубления их в грунт, отсутствие подвижек грунта под свободно лежащими кабелями и трубопроводами и эрозии почв под ними и в опасной близости от них. Постоянно следят за состоянием покрытий, а в случае необходимости срочно их ремонтируют; проверяют электрические параметры кабелей, состояние внутренней поверхности трубопроводов с целью выявления опасного изменения толщины стенок в результате коррозии, следят за состоянием электрохимической защиты.

Для контрольных операций используют самые различные методы, оборудование, приборы. На мелководье работы могут выполняться водолазами, на глубоководных участках - дистанционно управляемыми мониторами, из наблюдательных камер, из подводных аппаратов. Данные обследования все чаще заносятся в память ЭВМ, с помощью которой проводят сравнение с более ранними результатами, что позволяет в кратчайший срок определить серьезные изменения, дать рекомендации по их устранению.