锦州20-2气田BOP平台桩基设计

张建勇

中海油能源发展股份有限公司油田建设工程分公司，天津 300452

开口钢管桩是导管架式海洋固定平台最主要的基础型式，具有大直径、薄壁厚、超桩长、深贯入等明显不同于陆地桩基工程的特点。海洋工程领域的桩基设计主要包括承载力分析、自由站立稳定性分析、可打入性分析以及桩身强度分析四部分。

本文以锦州20-2气田BOP压缩机平台的桩基设计过程为例，论述了导管架平台桩基设计特点和需要考虑的主要问题。

1 工程简介

锦州20-2气田位于渤海辽东湾海域，开发该气田需新建一座无人驻守的BOP压缩机平台。

BOP平台设计水深为16m，采用四腿导管架作为下部结构。导管架工作点标高EL.(+)7.5m，平面尺寸为14m ×18m，三个水平层标高分别为：EL.(+)5.5m、EL.(-)3.0m和EL.(-)16.0m。导管架腿以1:10角度沿X和Y方向双斜。

2 桩基参数

BOP平台的四根主桩均采用直径48英寸（1219mm）的卷制钢管桩，设计入泥深度为65.5m。每根桩分成三段预制，设计总长89.886m，详细参数见下表：

桩段（自下而上）直径（mm）壁厚（mm）（m） 材质 有效长度（m）长度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 承载力分析

导管架平台的全部荷载都要依靠桩基础传递到海底深处的土层或岩层，桩的跨距、数量、直径和贯入深度应使桩具有足够的能力，以承受整个平台最大的垂向承载力和上拔力，并且具有适当的安全系数[1]。

BOP平台导管架及上部组块的最大操作重量为2700t，加上桩自身重量400t，平台自重共计3100t。选择泥面以下65.5m的砂层作为持力层，每根1219mm直径的桩可以获得2200t的轴向承载力和1765t的抗拔摩擦力。采用SACS程序的PSI模块，对BOP平台进行操作工况、极端风暴工况、极端冰工况和地震工况下的桩-土非线性分析，结果显示桩基承载力满足API RP2A规范中对安全系数的要求，见下表：

4 自由站立稳定性分析

海洋工程桩基础大直径、薄壁厚、超桩长以及具有一定斜度的特点使得安装工况往往成为了决定桩壁厚度、桩分段长度的关键工况。为了将所有桩段顺利打入到设计贯入深度，首先要保证打桩系统自身的稳定性满足要求，防止桩身发生失稳而屈曲破坏[2]。

自由站立稳定性分析，是把打桩时悬伸在导管架腿柱之上的桩段，作为下端固定、顶端自由的理想受压细长杆，并考虑适当的有效长度系数和折减系数。分析当桩锤放置于桩顶期间，由于桩自重、锤重、锤帽重以及倾斜角度引起的轴向力、弯矩、次生弯矩对桩身不同截面的影响，保证悬伸桩段的压杆稳定性满足要求。

BOP平台导管架采用IHC S500型液压冲击锤进行海上打桩，锤身和锤帽的总重94t，锤帽长4m。第一段桩的直接入泥长度假定为4m，桩身倾斜8.05°，因此三段桩的自由站立长度分别为24.356m，25.0m，27.816m。

根据API RP2A规范进行校核，三段桩最危险截面的应力比分别为0.65，0.58和0.75，满足强度和稳定性要求。

5 可打入性分析

锤击法沉桩的原理就是利用桩锤下落时的瞬时冲击力，撞击桩头产生冲击机械能来克服土体对桩的阻力。破坏桩-土之间的静力平衡状态，使桩体下沉，直至达到新的平衡状态。这样反复锤击直到满足极限承载力设计要求或达到设计的贯入深度为止[3]。

目前在做打桩施工时，多采用应力波理论计算程序进行桩的可打入性分析。即在给定锤-桩-土系统的情况下，判断桩锤能否把桩打入到设计深度，分析打桩过程中桩身应力是否超过容许应力。

IHC S500型液压锤额定能量496.4 kJ，效率可调节，最大为95%。由于该平台场址海底土壤比较软，为了降低打桩引起的桩身拉应力，可将锤击能量适当降低，三个桩段采用的锤击能量分别选取额定能量的65%，70%和80%。

利用美国PDI公司开发的GRLWEAP波动方程打桩分析软件，分别就两种不考虑土塞和一种考虑土塞的情况，对BOP平台1219mm钢桩的可打入性进行了分析。下面是三种情况下桩身应力和锤击次数计算结果。

从上表的结果可以看出，3种情况下最大桩身应力为242MPa，小于许用应力319.5MPa（0.9×355），因此桩身强度满足打桩要求。

根据桩分段长度可以计算出：当第一段桩入泥深度为24.11m时，需要连接第二段桩；当前两段桩入泥深度为43.91m时，需要连接第三段桩。因此在27m～37m，41m～43m，64m～65.5m的三个区间内不会发生因接桩而导致的打桩作业中断，拒锤情况不会发生。

6 结论和建议

1）锦州20-2 BOP导管架桩基础的设计满足承载力和自由站立稳定性的要求；2）采用IHC S500型液压锤进行打桩作业，能够将钢桩打入到设计深度；3）打桩初始，桩会在自重和桩锤重量的作用下被压入土中一定深度，桩锤处于空打状态，此时桩锤轻放是很重要的，以防止桩身由于受到冲击而屈曲[4]；4）打桩过程中应尽量避免长时间的中断，以免土体强度恢复，造成拒锤现象。

[1]韩志强.海洋平台桩基计算与施工方法探讨[J].中国海洋平台，2002，17(6)：28-31.

[2]李健民.导管架桩的布置、尺寸和贯入深度的确定[J].中国造船，2005，46：378-380.

[3]陈波，闫澍望，樊之夏.桩基平台桩的可打入性和自由站立强度分析[J].中国海上油气(工程)，2001，13(6)：1-5.

[4]樊之夏.海上打桩拒锤风险分析[J].中国造船，2006，47：411-414.