錦州20-2氣田BOP平臺樁基設計

張建勇

中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設工程分公司，天津 300452

開口鋼管樁是導管架式海洋固定平臺最主要的基礎型式，具有大直徑、薄壁厚、超樁長、深貫入等明顯不同于陸地樁基工程的特點。海洋工程領域的樁基設計主要包括承載力分析、自由站立穩(wěn)定性分析、可打入性分析以及樁身強度分析四部分。

本文以錦州20-2氣田BOP壓縮機平臺的樁基設計過程為例，論述了導管架平臺樁基設計特點和需要考慮的主要問題。

1 工程簡介

錦州20-2氣田位于渤海遼東灣海域，開發(fā)該氣田需新建一座無人駐守的BOP壓縮機平臺。

BOP平臺設計水深為16m，采用四腿導管架作為下部結構。導管架工作點標高EL.(+)7.5m，平面尺寸為14m ×18m，三個水平層標高分別為：EL.(+)5.5m、EL.(-)3.0m和EL.(-)16.0m。導管架腿以1:10角度沿X和Y方向雙斜。

2 樁基參數

BOP平臺的四根主樁均采用直徑48英寸（1219mm）的卷制鋼管樁，設計入泥深度為65.5m。每根樁分成三段預制，設計總長89.886m，詳細參數見下表：

樁段（自下而上）直徑（mm）壁厚（mm）（m） 材質 有效長度（m）長度38 1.5 A36切割裕量（m）1 121949.17 0.932 44.152 A3638 3.518 D362 1219 38 20.0 D36 20.0 0.93 1219 38 2.982 D36 20.716 3.032 17.734 E36

3 承載力分析

導管架平臺的全部荷載都要依靠樁基礎傳遞到海底深處的土層或巖層，樁的跨距、數量、直徑和貫入深度應使樁具有足夠的能力，以承受整個平臺最大的垂向承載力和上拔力，并且具有適當的安全系數[1]。

BOP平臺導管架及上部組塊的最大操作重量為2700t，加上樁自身重量400t，平臺自重共計3100t。選擇泥面以下65.5m的砂層作為持力層，每根1219mm直徑的樁可以獲得2200t的軸向承載力和1765t的抗拔摩擦力。采用SACS程序的PSI模塊，對BOP平臺進行操作工況、極端風暴工況、極端冰工況和地震工況下的樁-土非線性分析，結果顯示樁基承載力滿足API RP2A規(guī)范中對安全系數的要求，見下表：

4 自由站立穩(wěn)定性分析

海洋工程樁基礎大直徑、薄壁厚、超樁長以及具有一定斜度的特點使得安裝工況往往成為了決定樁壁厚度、樁分段長度的關鍵工況。為了將所有樁段順利打入到設計貫入深度，首先要保證打樁系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性滿足要求，防止樁身發(fā)生失穩(wěn)而屈曲破壞[2]。

自由站立穩(wěn)定性分析，是把打樁時懸伸在導管架腿柱之上的樁段，作為下端固定、頂端自由的理想受壓細長桿，并考慮適當的有效長度系數和折減系數。分析當樁錘放置于樁頂期間，由于樁自重、錘重、錘帽重以及傾斜角度引起的軸向力、彎矩、次生彎矩對樁身不同截面的影響，保證懸伸樁段的壓桿穩(wěn)定性滿足要求。

BOP平臺導管架采用IHC S500型液壓沖擊錘進行海上打樁，錘身和錘帽的總重94t，錘帽長4m。第一段樁的直接入泥長度假定為4m，樁身傾斜8.05°，因此三段樁的自由站立長度分別為24.356m，25.0m，27.816m。

根據API RP2A規(guī)范進行校核，三段樁最危險截面的應力比分別為0.65，0.58和0.75，滿足強度和穩(wěn)定性要求。

5 可打入性分析

錘擊法沉樁的原理就是利用樁錘下落時的瞬時沖擊力，撞擊樁頭產生沖擊機械能來克服土體對樁的阻力。破壞樁-土之間的靜力平衡狀態(tài)，使樁體下沉，直至達到新的平衡狀態(tài)。這樣反復錘擊直到滿足極限承載力設計要求或達到設計的貫入深度為止[3]。

目前在做打樁施工時，多采用應力波理論計算程序進行樁的可打入性分析。即在給定錘-樁-土系統(tǒng)的情況下，判斷樁錘能否把樁打入到設計深度，分析打樁過程中樁身應力是否超過容許應力。

IHC S500型液壓錘額定能量496.4 kJ，效率可調節(jié)，最大為95%。由于該平臺場址海底土壤比較軟，為了降低打樁引起的樁身拉應力，可將錘擊能量適當降低，三個樁段采用的錘擊能量分別選取額定能量的65%，70%和80%。

利用美國PDI公司開發(fā)的GRLWEAP波動方程打樁分析軟件，分別就兩種不考慮土塞和一種考慮土塞的情況，對BOP平臺1219mm鋼樁的可打入性進行了分析。下面是三種情況下樁身應力和錘擊次數計算結果。

從上表的結果可以看出，3種情況下最大樁身應力為242MPa，小于許用應力319.5MPa（0.9×355），因此樁身強度滿足打樁要求。

根據樁分段長度可以計算出：當第一段樁入泥深度為24.11m時，需要連接第二段樁；當前兩段樁入泥深度為43.91m時，需要連接第三段樁。因此在27m～37m，41m～43m，64m～65.5m的三個區(qū)間內不會發(fā)生因接樁而導致的打樁作業(yè)中斷，拒錘情況不會發(fā)生。

6 結論和建議

1）錦州20-2 BOP導管架樁基礎的設計滿足承載力和自由站立穩(wěn)定性的要求；2）采用IHC S500型液壓錘進行打樁作業(yè)，能夠將鋼樁打入到設計深度；3）打樁初始，樁會在自重和樁錘重量的作用下被壓入土中一定深度，樁錘處于空打狀態(tài)，此時樁錘輕放是很重要的，以防止樁身由于受到沖擊而屈曲[4]；4）打樁過程中應盡量避免長時間的中斷，以免土體強度恢復，造成拒錘現象。

[1]韓志強.海洋平臺樁基計算與施工方法探討[J].中國海洋平臺，2002，17(6)：28-31.

[2]李健民.導管架樁的布置、尺寸和貫入深度的確定[J].中國造船，2005，46：378-380.

[3]陳波，閆澍望，樊之夏.樁基平臺樁的可打入性和自由站立強度分析[J].中國海上油氣(工程)，2001，13(6)：1-5.

[4]樊之夏.海上打樁拒錘風險分析[J].中國造船，2006，47：411-414.