聶寶棟，王 彬，侯辰光，陳 桂

(中海石油(中國)有限公司綏中36-1油田二期調(diào)整工程項目組，天津200030)

海上鉆井井口布置較密，間距較小，隔水導(dǎo)管在打樁作業(yè)時常常因為群樁效應(yīng)的影響出現(xiàn)作業(yè)不順利或樁傾斜等現(xiàn)象。通過對隔水導(dǎo)管打樁順序進行優(yōu)化，不僅可以避免打樁作業(yè)中事故的發(fā)生，還可以提高作業(yè)時效，最終保證海上隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)順利進行。

1 隔水導(dǎo)管打樁順序優(yōu)化

1.1 群樁效應(yīng)理論分析

對于隔水導(dǎo)管打入過程來說實際上就是沉樁過程，即沉樁擠土效應(yīng)。在隔水導(dǎo)管打入過程中，隔水導(dǎo)管管鞋處土的形變類似一球形孔擴張引起的形變。而在除管鞋處和地面附近的絕大部分隔水導(dǎo)管樁身周圍地區(qū)，土的形變類似一個圓柱形孔擴張引起的形變。可以把隔水導(dǎo)管樁周圍土劃分為幾個性質(zhì)不同的區(qū)域，見圖1［1-2］。

A區(qū)。強烈重塑區(qū)，緊貼隔水導(dǎo)管樁身，在打樁過程中土體發(fā)生了大位移，且由于拖曳作用可能導(dǎo)致上下錯位，土體完全破壞。

B區(qū)。塑性區(qū)，受沉樁影響嚴重，土體發(fā)生大位移和塑性變形，但不至于發(fā)生上下倒置錯位。

C區(qū)。彈性區(qū)，受沉樁的影響，但土體的變形保持彈性階段，孔隙水壓力和側(cè)壓力變化均不大。

D區(qū)。該區(qū)不受沉樁的影響。

圖1 隔水導(dǎo)管樁周土的位移和分區(qū)

1.2 群樁效應(yīng)模擬試驗

開展模擬試驗確定裙樁效應(yīng)的影響范圍和影響程度，根據(jù)相似原理，實物與模型幾何尺寸相似比選為10∶1。選用直徑50.8 mm，壁厚2.54 mm的鋼管作為樁模型，長度為3.5 m。打樁錘選用50 kg重錘，錘落距為1.0 m。

試驗選擇場地為10 m×10 m×10 m，土體選擇3種(砂土、粘土、粘土和砂土互層)，有4個模擬樁位置，見圖2。

圖2 錘擊數(shù)模擬試驗打樁位置

在4樁的中心位置鉆直徑150 mm的孔，把兩個土應(yīng)力傳感器分別置于1 m和3 m深的位置，把傳感器壓力面正對1#和3#樁兩個方向安放，采用原土回填并等待一段時間，使土恢復(fù)原狀，然后按1#到4#的順序進行打樁錘擊數(shù)測試，試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見圖3。

圖3 打樁錘擊數(shù)模擬試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

可以看出隨著深度的增加，貫入度逐漸減小，并且3#和4#樁的錘擊數(shù)明顯增加，說明在1#和2#樁打入后對土體擾動十分明顯，砂土增加更為明顯，錘擊數(shù)增長約100%;從連接曲線的斜率可以看出，隨著周邊樁的打入數(shù)量的增加，打入下一根樁所需錘擊數(shù)增長明顯。

為了研究群樁對周圍土應(yīng)力場的影響，設(shè)計不同樁間距的打樁試驗，間距分別為0.10 m、0.20 m、0.30 m和0.50 m，見圖4。

圖4 群樁應(yīng)力場模擬試驗打樁位置

對試驗中2.5 m深度的應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見圖5，由于群樁效應(yīng)的影響，土應(yīng)力增加了14.6%～51.8%;從連接曲線的斜率可以看出，隨著樁距較小，應(yīng)力增長更加明顯。當(dāng)間距與模擬管直徑之比小于3時，群樁作用十分顯著，打入最后的模擬管后土應(yīng)力增加了51.8%;當(dāng)間距與模擬管直徑之比大于6時，群樁作用相對較弱，打入最后的模擬管后土應(yīng)力增加了14.6%。

1.3 打樁順序優(yōu)化

圖5 群樁應(yīng)力場模擬試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

在制定隔水導(dǎo)管打入順序時，一定要考慮群樁效應(yīng)的影響，即考慮先前打入的隔水導(dǎo)管對周圍土的影響，確定好群樁效應(yīng)影響的塑性區(qū)半徑。同時又要考慮作業(yè)的時間差，盡量使群樁效應(yīng)引起的增加應(yīng)力得到進一步消散［3-5］。

一般對于樁間距大于塑性區(qū)半徑的樁打入施工來說，應(yīng)采用由一側(cè)向單一方向打，這樣打樁機能夠單向移動，樁的就位與起吊均很方便，打樁效率比較高。但對于樁間距小于塑性區(qū)半徑的樁打入施工來說，采用這種打樁順序，它會使土壤向一個方向擠壓，導(dǎo)致土壤擠壓不均勻，易引起海底土的不均勻沉降。為了避免土壤的擠壓而使隔水導(dǎo)管樁產(chǎn)生傾斜或浮樁現(xiàn)象，最好采用自中間向四周邊緣打，同時結(jié)合井槽的布置情況，綜合分析得出最佳打樁順序路徑。

2 打樁順序優(yōu)化的實地應(yīng)用

2.1 打樁順序優(yōu)化結(jié)果

在隔水導(dǎo)管周圍一定范圍的土體進入塑性狀態(tài)，樁孔周圍存在有塑性區(qū)邊界半徑Rp。在Rp范圍之內(nèi)，打樁之后土體受打樁影響較大，而在Rp范圍之外，土體仍處于彈性狀態(tài)。通過室內(nèi)模擬試驗研究，發(fā)現(xiàn)渤海海域海底土的塑性區(qū)半徑為隔水導(dǎo)管樁直徑的6倍左右。

渤中36-1油田二期工程采用直徑610 mm、壁厚25.4 mm隔水導(dǎo)管進行作業(yè)，隔水導(dǎo)管間距為2 m×1.8 m，相鄰兩個隔水導(dǎo)管位置處于塑性區(qū)范圍內(nèi)，所以在隔水導(dǎo)管打入過程中群樁效應(yīng)作用比較明顯。為了降低裙樁效應(yīng)影響，采用隔水導(dǎo)管打樁順序優(yōu)化研究成果，對綏中36-1油田二期某平臺打樁順序進行優(yōu)化，見圖6。

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果評價

在該平臺隔水導(dǎo)管施工過程中記錄了每口井的隔水導(dǎo)管錘擊數(shù)和總能量，見表1。

圖6 綏中36-1油田二期某平臺打樁優(yōu)化順序

表1 隔水導(dǎo)管錘擊數(shù)和總能量

由表1可見，錘擊數(shù)位于935～1 121錘之間，從分布規(guī)律分析錘擊數(shù)呈線性增長，斜率為3.8，截距為934.9;能量位于164 205～196 871 kJ之間，分布規(guī)律也近似線性關(guān)系，斜率為681.9，截距為164 190。從數(shù)據(jù)結(jié)果分析可以看出，優(yōu)化的隔水導(dǎo)管打樁順序較好地控制了打樁作業(yè)中所需的錘擊次數(shù)和錘擊能量，有效降低了裙樁效應(yīng)的影響，對現(xiàn)場的隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)順利完成提供了支撐。

3 結(jié)論

1)通過群樁效應(yīng)理論的研究，結(jié)合室內(nèi)模擬試驗研究，確定了裙樁效應(yīng)的影響范圍，3倍樁徑范圍內(nèi)裙樁效應(yīng)十分明顯，6倍樁徑范圍外裙樁效應(yīng)較弱。

2)根據(jù)理論及試驗研究提出了隔水導(dǎo)管打樁順序優(yōu)化的研究方法。

3)針對綏中36-1油田二期工程，采用建立的優(yōu)化方法，得出了該油田某平臺隔水導(dǎo)管打樁優(yōu)化順序。

4)根據(jù)優(yōu)化后的打樁順序進行了現(xiàn)場隔水導(dǎo)管打樁作業(yè)，通過項目組合理的施工作業(yè)管理程序降低了作業(yè)風(fēng)險，保證了作業(yè)安全，同時現(xiàn)場結(jié)果表明，優(yōu)化后的打樁順序有效降低了裙樁效應(yīng)的影響，保證了現(xiàn)場打樁作業(yè)的順利進行。

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