超長(zhǎng)替打樁技術(shù)在南海導(dǎo)管架平臺(tái)的應(yīng)用

陽(yáng)連豐， 羅 超， 劉 釗， 劉利琴

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461；2. 天津大學(xué) 水利仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072)

0 引 言

自從1967年渤海灣導(dǎo)管架海洋平臺(tái)成功建立以來(lái)，越來(lái)越多的海上導(dǎo)管架平臺(tái)涌現(xiàn)在我國(guó)的各個(gè)海域包括遼東灣、渤海、南海乃至東南亞一帶。目前，隨著石油資源的開(kāi)采逐漸向深海進(jìn)發(fā)，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了水深從渤海的十幾米至番禺的百米級(jí)深水導(dǎo)管架平臺(tái)的突破。其中，打入式鋼樁作為海洋平臺(tái)最經(jīng)濟(jì)的一種基礎(chǔ)形式之一，具有施工快、貫入深、承載力高等優(yōu)點(diǎn)。

替打樁是在常規(guī)樁的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而來(lái)的新型樁，基于生產(chǎn)工藝、安全和環(huán)保的要求，這種樁施工時(shí)需要把整根鋼樁完全送入泥面以下，其安裝設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，當(dāng)進(jìn)行施打大阻力的大樁徑長(zhǎng)樁時(shí)，替打使用壽命短，進(jìn)而導(dǎo)致施工成本高，這對(duì)海上樁基施工提出更高的要求[1]。于是人們開(kāi)始研究一種適合替打樁施工的技術(shù)，即替打樁技術(shù)。其原理是通過(guò)擊打布置在原樁與錘之間的具有較大剛性的樁體結(jié)構(gòu)，將能量傳遞至原樁中，從而將原樁打至指定深度。剛度越大，能量傳遞效率越高，考慮到經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，在壁厚選取原則上盡可能采取場(chǎng)地已有的庫(kù)存余料，為減少焊縫的疲勞累積損傷，上端與下端的壁厚差不宜大于20 mm。由于其施工的便捷性與有效的功能性，替打樁技術(shù)得到眾多國(guó)外施工單位的青睞。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)多位學(xué)者也對(duì)替打樁技術(shù)的安全性和施工的可行性等進(jìn)行相關(guān)研究。孫福等[2]針對(duì)TZ1 900 kJ液壓打樁錘提出一種測(cè)試方法，設(shè)計(jì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，并且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明測(cè)試系統(tǒng)的正確性和打樁錘的功能性。安全性一直是工程關(guān)注的重中之重，崔彭飛等[3]使用有限元軟件建立某打樁船樁底結(jié)構(gòu)的有限元模型，在航行和作業(yè)兩種工況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的結(jié)果完全滿足中國(guó)船級(jí)社(CCS)相關(guān)規(guī)范要求。此外，支李峰等[4]也利用ANSYS有限元軟件對(duì)某打樁船的動(dòng)載荷進(jìn)行模擬，在不同運(yùn)行工況下對(duì)樁架的多個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，并且對(duì)于危險(xiǎn)位置確定加固方案，使其滿足安全性的要求?？紤]到施工可行性，張樂(lè)等[5]和秦一楠[6]基于實(shí)際工程，詳細(xì)介紹替打樁安裝設(shè)計(jì)流程，分析替打樁技術(shù)的可打入性、自由站立性和替打段設(shè)計(jì)分析，內(nèi)容涵蓋強(qiáng)度、屈曲和疲勞等多方面的校核，為工程施工提供寶貴的參考建議。

本文將超長(zhǎng)替打樁技術(shù)應(yīng)用于南海某導(dǎo)管架平臺(tái)，設(shè)計(jì)替打相關(guān)參數(shù)，采用數(shù)值方法分析打樁過(guò)程的可行性并與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值算法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，給出打樁過(guò)程存在的風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施，為該技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供參考。

1 平臺(tái)打樁介紹

平臺(tái)整體如圖1所示。該平臺(tái)為8腿導(dǎo)管架平臺(tái)，組塊浮托安裝，中間預(yù)留浮托槽口，水深為100.1 m，導(dǎo)管腿單斜，即從圖1右側(cè)看，4個(gè)角的導(dǎo)管腿只在南北方向的面(即圖2中的1平面和4平面) 內(nèi)傾斜，在東西方向的面(即圖2中的A平面和B平面) 內(nèi)沒(méi)有傾斜。平臺(tái)每個(gè)角上有3根樁共12根樁，每個(gè)角設(shè)置1根帶卡樁器的樁。樁徑為2 438 mm，設(shè)計(jì)入泥深度為98 m，水下69 m以下樁腿直徑為2 800 mm。

圖1 平臺(tái)整體示例

圖2為樁基布置圖，A、B表示東西軸線，1、4表示南北軸線，左下角的腿代號(hào)則為A1，A1腿共有3根鋼樁。由于實(shí)際土壤比解析分析的土壤略為密實(shí)，且海底淺層可能有小的障礙物，初始入樁深度為4.5 m，小于地質(zhì)勘察報(bào)告中推薦的入泥8.0 m 深度。此時(shí)鋼樁由于入泥深度不足，約束不夠，可能會(huì)引起鋼樁破損。因此，需要緊急開(kāi)展打樁工作，以避免異常插樁對(duì)鋼樁的破壞，其中標(biāo)陰影的樁為錘套與保護(hù)罩干涉樁。水下機(jī)器人進(jìn)行水下檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)樁與閥門保護(hù)罩間隙比較小，目測(cè)間距不足300 mm，根據(jù)實(shí)際打樁錘尺寸大小，預(yù)測(cè)打樁錘套與閥門保護(hù)罩可能有碰撞風(fēng)險(xiǎn)。在進(jìn)行綜合考慮之后，采用替打方案解決打樁問(wèn)題，以有效避免保護(hù)罩在打樁過(guò)程中被破壞。

圖2 樁基布置圖

2 替打相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

在替打設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于4根腿上分別有3根樁，3根樁中有1根樁會(huì)布置保護(hù)套，為避免在使用替打樁進(jìn)行打樁工作時(shí)破壞保護(hù)罩，需要對(duì)替打相關(guān)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，具體如下：

(1) 替打長(zhǎng)度。平臺(tái)安裝時(shí)使用MHU800S打樁錘和96英寸(1英寸=0.025 4 m)的錘套作為主打，MHU1200S打樁錘和108 英寸錘套作為備用錘，通過(guò)軟件建立三維模型，如圖3 (此處以備用錘進(jìn)行說(shuō)明) 所示。從模型中可以看出當(dāng)108 英寸錘套下邊緣標(biāo)高為58.915 m時(shí)，根據(jù)幾何關(guān)系，其距保護(hù)罩最外邊緣的最小間隙為236 mm，而HZ25-8 DPP導(dǎo)管架主樁打至設(shè)計(jì)深度(98.000 m)時(shí)的樁頭標(biāo)高為79.100 m，此時(shí)樁入錘套深度取4.812 m，由此計(jì)算出替打長(zhǎng)度為25.000 m。

圖3 使用替打時(shí)，108 英寸錘套與閥門保護(hù)罩之間的距離

(2) 替打壁厚選取。替打壁厚的選取主要分為2段，上端選取65 mm(23.500 m長(zhǎng))(與選取70 mm 的替打進(jìn)行打入性敏感分析，錘擊數(shù)增加不明顯)，下端選取85 mm(1.500 m長(zhǎng))，主要考慮插尖與鋼樁內(nèi)壁單邊預(yù)留5 mm間隙，插尖緊貼樁內(nèi)壁一側(cè)的前提下，替打傳力仍能有效地傳遞給樁頭。

(3) 設(shè)計(jì)插尖長(zhǎng)度。該平臺(tái)的鋼樁頂部管段長(zhǎng)為3.000 m(位置見(jiàn)圖1標(biāo)注)、厚度為65 mm，為了避免環(huán)焊縫突出，造成插尖無(wú)法插入鋼樁內(nèi)部，選取設(shè)計(jì)插尖長(zhǎng)度為3.000 m。

(4) 設(shè)計(jì)插尖與鋼樁間隙?？紤]降低樁頭橢圓誤差及打樁變形可能導(dǎo)致替打插拔困難，擬采用替打插尖與鋼樁內(nèi)壁單邊預(yù)留5 mm間隙。

(5) 加替打后樁自由站立評(píng)估。當(dāng)設(shè)計(jì)的替打樁自由站立在海洋環(huán)境中時(shí)，考慮波浪、流對(duì)其的影響，進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保替打樁自由站立時(shí)不會(huì)發(fā)生破壞。選取的替打樁參數(shù)如表1所示。

表1 替打參數(shù)

3 打樁結(jié)果與分析

為進(jìn)一步確保打樁的可行性，先采用軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)替打樁過(guò)程的安全性，從而為實(shí)際打樁過(guò)程的安全性提供保障。

3.1 打樁數(shù)值模擬理論

用Isaacs一維波動(dòng)方程來(lái)描述打樁過(guò)程，其公式為

(1)

為得到上述波動(dòng)方程的解，1950年SMITH基于錘-樁-土體系提出一種方法，即建立一個(gè)由系列質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器組成的離散化計(jì)算模型，構(gòu)造差分方程，借助電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而求得精確的數(shù)值解。1960年SMITH[7]對(duì)打鋼樁、隔水套管中的貫入性狀進(jìn)行分析，對(duì)模擬樁錘、錘墊、樁帽、樁墊以及樁和土可能遇到的難題進(jìn)行討論，且定義模擬中可能涉及的全部參數(shù)，基于大量波動(dòng)方程的應(yīng)用實(shí)例，SMITH給出這些參數(shù)的建議值，從而使波動(dòng)方程分析法開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段。后來(lái)，人們常把SMITH提出的土體模型簡(jiǎn)稱為SMITH模型。

采用GRLWEAP軟件進(jìn)行打樁計(jì)算，該軟件是基于SMITH模型[8]進(jìn)行分析的，軟件建模部分主要包括樁、錘、土體及打樁系統(tǒng)的模型。

3.2 基于GRLWEAP軟件的打樁數(shù)值模擬

在使用GRLWEAP軟件進(jìn)行打樁分析時(shí)，需要給定錘模型，采用MHU800S作為主打錘，MHU1200S作為備打錘。因?yàn)槭褂锰娲?，其與樁之間的能量傳遞損耗保守考慮為樁錘總能量的15%，在額定能量輸出為90%的前提下，再折減15%，安全起見(jiàn)，對(duì)錘效系數(shù)進(jìn)行0.75倍的修正。錘的主要參數(shù)如表2所示。表3給出了不同深度、2種不同工況下土壤的單位樁側(cè)阻力和樁端阻力，從1.7 m開(kāi)始，同一深度出現(xiàn)2次，上行數(shù)據(jù)代表上一層的層底數(shù)值，下行數(shù)據(jù)代表下一層的層頂數(shù)值。

表2 打樁主打錘和備用錘參數(shù)

表3 土壤輸入?yún)?shù)

續(xù)表3 土壤輸入?yún)?shù)

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際打樁測(cè)試結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算的可行性以更好地將模擬結(jié)果應(yīng)用于工程實(shí)踐指導(dǎo)，將實(shí)際結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程對(duì)比

圖4給出現(xiàn)場(chǎng)打樁記錄與數(shù)值模擬的對(duì)比結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)記錄的打樁深度為55～98 m。圖4(a)表明，實(shí)際打樁次數(shù)隨貫入深度的變化規(guī)律符合數(shù)值模擬的變化趨勢(shì)。數(shù)值模擬的錘擊數(shù)與實(shí)際打樁的錘擊數(shù)之差稱為錘擊數(shù)差。拒錘標(biāo)準(zhǔn)為900次/m[9]，因此拒錘數(shù)為900次。圖4(b)給出本項(xiàng)目的錘擊數(shù)差，最大為46次，與拒錘數(shù)900次相比，比值為5%。因此，使用GRLWEAP軟件進(jìn)行替打樁數(shù)值分析是可行的，可用來(lái)提前預(yù)測(cè)、模擬打樁相關(guān)問(wèn)題，并指導(dǎo)實(shí)際操作。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

土塞及可打入性分析對(duì)打樁的順利實(shí)施至關(guān)重要。在開(kāi)口管樁沉入過(guò)程中，樁端土一部分被擠向外圍，一部分涌入管中即形成土塞，發(fā)生土塞時(shí)樁端阻力作用在整個(gè)樁端面積上。啟動(dòng)可打入性分析指在停打期間，土的承載力恢復(fù)及臨時(shí)形成的土塞作用使得黏性土的動(dòng)阻力增大，此時(shí)樁內(nèi)形成完整土塞，重新啟動(dòng)打樁的工況。啟動(dòng)打樁5～10 m后，土體發(fā)生擾動(dòng)，采用不同的土體阻力進(jìn)一步打樁并分析，稱為連續(xù)打入性分析。

先進(jìn)行啟動(dòng)可打入性分析，由于形成了完全土塞，樁端阻力作用在整個(gè)樁端面積上，打樁深度在52～65 m進(jìn)行分析。

圖5給出MHU800S主打錘在GRLWEAP模擬下的結(jié)果。圖5(a)表明，隨著貫入深度的增加，極限承載力和每米貫入深度錘擊數(shù)基本呈線性增加，繼續(xù)打樁需要的能量隨之增加。這主要是由于樁側(cè)與樁端受到的摩擦力隨著土壤深度增加而逐漸變大。圖5(b)給出打樁深度為52～65 m的拉、壓應(yīng)力，可以看出，在打樁深度在60 m附近時(shí)，拉應(yīng)力突然增大而壓應(yīng)力突然減小，但結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力約178 MPa，小于結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)整體滿足強(qiáng)度要求。

圖6給出主打錘與備打錘打樁效能的模擬結(jié)果，可以看到MHU800S需要的錘擊次數(shù)比MHU1200S更多，但采用備打錘MHU1200S時(shí)，樁受到的壓應(yīng)力明顯大于使用主打錘時(shí)的壓應(yīng)力。在52～65 m，MHU800S和MHU1200S貫入深度錘擊數(shù)分別為111.3次/m和77.9次/m，均小于900次/m的拒錘標(biāo)準(zhǔn)，因此認(rèn)為啟動(dòng)打入是可行的。

接下來(lái)進(jìn)行連續(xù)可打入性分析，樁參數(shù)、錘參數(shù)和土壤參數(shù)均與啟動(dòng)階段打樁分析相同?？紤]在貫入深度為54～98 m進(jìn)行連續(xù)打樁，其樁端阻力只考慮樁厚度形成的圓環(huán)面積。計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖5 MHU800S錘計(jì)算結(jié)果(啟動(dòng)打入)

圖6 MHU800S與MHU1200S計(jì)算結(jié)果對(duì)比(啟動(dòng)打入)

圖7 MHU800S錘計(jì)算結(jié)果(連續(xù)打入)

圖8 MHU800S與MHU1200S計(jì)算結(jié)果對(duì)比(連續(xù)打入)

圖7得到連續(xù)性打入的計(jì)算結(jié)果，打樁深度范圍為54～98 m。圖7(a)表明：隨著貫入深度的增加，每米貫入深度錘擊數(shù)和極限承載力也在不斷增加，最大極限承載力達(dá)5 0126.3 kN；與圖5(a)相比，其在54～65 m的極限承載力明顯較小一些，主要是因?yàn)闃抖俗枇γ娣e不同。圖7(b)給出連續(xù)打入分析的拉、壓應(yīng)力，與啟動(dòng)打入分析結(jié)果相比，其拉應(yīng)力明顯上升，但整體主要還是受到較大的壓應(yīng)力，均滿足強(qiáng)度要求。

圖8對(duì)比連續(xù)打入工況下，主打錘與備打錘的特性。可以看出每米貫入深度錘擊數(shù)和壓應(yīng)力的變化與啟動(dòng)打入工況有相同的趨勢(shì)，其中MHU800S的最大貫入深度錘擊數(shù)為157.0次/m，MHU1200S的最大貫入深度錘擊數(shù)為108.5次/m，均遠(yuǎn)小于拒錘標(biāo)準(zhǔn)900次/m[10]，因此連續(xù)性打入是可行的。

采用GRLWEAP軟件對(duì)替打打樁的啟動(dòng)打入和連續(xù)打入進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明采用主打錘和備打錘都不會(huì)達(dá)到拒錘次數(shù)，打樁的工作可以進(jìn)行。

3.5 打樁過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)與應(yīng)對(duì)措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作情況，總結(jié)替打樁過(guò)程存在的風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施如下：

(1) 考慮替打樁在打樁過(guò)程中有損壞或卡住拔不出來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)預(yù)制備用替打，做到一用一備。應(yīng)保證主打錘和備用錘狀態(tài)良好，避免因錘自身問(wèn)題造成長(zhǎng)時(shí)間停錘。

(2) 插尖變形可能導(dǎo)致其拔不出樁頭內(nèi)壁，一方面需要提高樁器鉤頭能力，另一方面可采取水下切割插尖。為避免在打樁過(guò)程中替打插尖焊縫發(fā)生損壞，插尖采取鋸齒紋形式與替打內(nèi)壁焊接，增大焊縫面積。每打完一根樁，應(yīng)對(duì)此處焊縫進(jìn)行檢查，如有損壞，及時(shí)修復(fù)。

(3) 每打完一根鋼樁，應(yīng)對(duì)替打85 mm圓管底部進(jìn)行外觀檢測(cè)，若局部變形，應(yīng)采取修復(fù)措施；使用替打后，建議從55～98 m連續(xù)貫入，減少拒錘風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 當(dāng)前閥門保護(hù)罩距離鋼樁較近，水下無(wú)人機(jī)應(yīng)實(shí)時(shí)觀測(cè)間隙，影響打樁作用時(shí)，需要對(duì)保護(hù)罩進(jìn)行切割。

(5) 在打樁過(guò)程中，需要做好打樁數(shù)據(jù)記錄，若出現(xiàn)拒錘情況，建議及時(shí)將打樁數(shù)據(jù)發(fā)給設(shè)計(jì)及相關(guān)方，進(jìn)行承載力評(píng)估，判斷下一步處理方案。

4 結(jié) 論

針對(duì)南海某導(dǎo)管架平臺(tái)研究超長(zhǎng)替打樁技術(shù)，設(shè)計(jì)替打樁參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬分析打樁過(guò)程的可行性，并用于工程實(shí)際，得到如下結(jié)論：

(1) 設(shè)計(jì)替打過(guò)程的重要參數(shù)，如替打長(zhǎng)度、替打壁厚、插尖長(zhǎng)度、插尖與鋼樁間隙等，所安裝的替打距保護(hù)罩236 mm，且與周圍結(jié)構(gòu)留有足夠的安全距離。

(2) 對(duì)比實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬得到的每米錘擊數(shù)與貫入深度的關(guān)系曲線，結(jié)果表明，實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的變化趨勢(shì)相同，最大錘擊數(shù)差比值為5%，在可接受的范圍內(nèi)，數(shù)值模擬方法可較好地預(yù)測(cè)替打樁過(guò)程系統(tǒng)的力學(xué)特征，能夠?yàn)閷?shí)際施工提供可靠參考。

(3) 數(shù)值分析啟動(dòng)打樁和連續(xù)打樁的可打入性，計(jì)算使用MHU800S和MHU1200S兩個(gè)錘打樁的極限承載力、每米貫入深度錘擊數(shù)和樁受到的拉壓應(yīng)力等參數(shù)。結(jié)果表明：?jiǎn)?dòng)打樁和連續(xù)打樁都不會(huì)使樁發(fā)生強(qiáng)度破壞；采用不同的錘進(jìn)行打樁，所需要的錘擊次數(shù)和樁受到的拉、壓應(yīng)力明顯不同；最大錘擊數(shù)均遠(yuǎn)小于900次/m拒錘標(biāo)準(zhǔn)，打樁工作可行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，給出替打樁過(guò)程存在的風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施，為該技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。