论文部分内容阅读
[摘 要]随着跨海大桥、近海港口码头、海底输气管道等项目逐渐出现，海上勘察项目也随之日益增多。我院近十年来先后完成：港珠澳跨海大桥、青岛海湾大桥、大连湾跨海大桥、杭州湾跨海大桥、苏通长江公路大桥、南京长江第二大桥、南京长江第三大桥、南京长江第四大桥等水（海）上勘察项目，总结了一套较实用、经济、安全的钻探方法。本文以近海工程勘察为例，简单阐述近海钻探的施工流程、施工工艺及需要注意的问题，便于交流与学习。
[关键词]跨海大桥；海上工程勘察；水上钻探；定位；钻探施工
中图分类号：F832 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0308-01
水上钻探主要包括近海、河流、湖泊钻探，其中海上钻探施工难度较大，需考虑涨潮、落潮及大海浪的影响。海上钻探施工依次主要分三阶段进行：施工准备、钻探施工、封孔撤场。
1 施工准备
（1）施工许可材料报批：包括海上施工作业区位置（坐标）、船只、施工人员和作业时间等，上报至当地海事局，申请办理水上水下作业施工许可证，并在当地相关报纸上发布航行通告。
（2）钻探船选择：钻探船分铁驳船、木船、油桶阀、竹木阀，钻探船的选择主要根据钻探区域的水深、流速、浪高等情况而决定[1]。造价考虑，一般选用100t以上工程勘探船或两条铁驳船并排焊接。此次勘探设计孔深80m，风浪等级1-6级，浪高1.5m左右，选择3000t铁驳船进行施工，在船舱内均匀装载沙石压仓，至船舷距水面1m左右，以降低船身摆幅过大[2]。另配1条交通船，负责生活物资、运输等。
（3）平台搭建：平台要求能抵御海潮及较大的海浪、涌浪，满足钻探及原位测试施工工艺要求，同时经济、便捷的进行安全施工。较常用平台两种，①在铁驳船上焊接成简易平台，②能用“脚”支撑于海底，站于高潮位之上的小型“工勘平台”。本次勘探采用单船侧放式平台，在船左侧位置搭建了6m*8m的焊接平台，用工字钢焊接支撑。以1m间距并排焊接200*150mm工字钢并伸出船舷2m左右，其上均匀铺设枕木以形成平台。平台四周用角钢焊接，设高0.8m的防护拦杆，防止人员和物资落入海中，并配足救生衣和救生圈等安全防护[3]。
（4）钻机选择与安置：根据钻孔深度、场地地质、施工水域水文地质综合条件，进行钻机型号选择。一般，孔深30m内选用XY-1型钻机，孔深大于50m选用XY-2型或XY-3型油压钻机，泥浆泵宜选用BW-160型或BW-200型[4]。勘探区域孔深80m，地层为第四纪松散层，主要为淤泥、粉～粗砂、含砾亚粘土等，土质大部为塑性—硬塑性地层，选用XY-2型钻机满足生产要求。将施工船停靠岸边，用起吊机将钻机设备吊到平台，安置钻机时注意保持钻机立轴距船侧边0.3-0.5m为好[2]，且立轴对准平台方形孔洞中心，用2～3根钢丝绳将钻塔架上部与船舷处拉紧固定，同时钻塔安装避雷针。安置泥浆池、测深仪、照明钠灯、黏土粉等设备物资。
1.2 钻探施工
（1）定位：用GPS-RTK进行钻孔定位，查明水流方向及潮水涨落的规律，尽可能在风浪较平静的涨潮或落潮的平水期（水流流速最小）进行。确定工区内是否有渔网、养殖区、暗礁、浅滩、海上漂浮物、海底管线等，进行规避。制作浮标用于标记孔位，将尼龙绳一端拴30～50kg重铁块，另一端拴插有小红旗的浮标，绳长稍大于水深0.5m。测量人员随交通船至孔位处，抛下孔位浮标。
（2）抛锚：采用四锚式，船两侧按45°角呈“八”字型各布置两个锚[5]，必要时在逆流方向补抛一至2个锚以防止水流过急时走锚。锚绳每条长约100m，锚上栓捞绳，捞绳长度大于水位深度0.5m，绳尾系上浮标，便于调整、固紧及起锚工作[1]。
钻探船航行至距离孔位60-80m左右，以船头迎着浪向和流向的方向停泊[6]。先抛下前锚（抛锚时，选择阻力最大的前锚抛下；起锚反之，选择阻力最小的锚先拿起），使船自由漂流至船的中心线方向与水流方向一致，且平台距孔位20m左右，收紧缆绳。随后，交通船将锚逐个送至锚位（距船100m左右），前后四口锚成八字形交叉垂直状，收紧各锚绳。调整船位至设计孔位，将船固定。抛定待船无漂移后，记录坐标值，对孔位进行二次定位，保证钻机立轴与孔位误差5m内，如此反复直至符合规范要求，开始钻探施工。
（3）钻孔结构：钻探施工可采用单套管或双套管进行钻孔定向与隔水，有条件的施工队伍可以配备海洋钻探专用滑管。此次勘探地质条件较简单，水流流速不急，采用φ178单套管和φ110钻具开孔钻进。同时，地质条件较复杂或孔深较大水域，用φ130钻具开孔，钻遇岩溶[7]、断层面、破碎带等需止水地层，用φ127套管止水，后用φ110或φ91钻具钻进。为保证套管稳定性，套管下入土中深度需达到套管全长1/2以上，若套管一次无法下至预定深度，用管内掏芯的方式，跟管钻至预定深度。套管需配置一定数量的不同长度的短套管，套管距基台面有0.3m的高差以防潮位涨、落时随时接卸调整，同时用大绳和半合管卡口固定套管减少涨落潮导致的套管上下位移或横向摆动。
（4）钻进工艺：此次，安排2个作业班组昼夜连续施工，使用小泵量泥浆冲孔[5]，全孔泥浆循环钻进，受限于淡水供应，泥浆循环采用水泵从海里抽水到平台上的泥浆池，配以少量的羧基甲基纤维素和纯碱，不停搅拌，以保证海水泥浆的粘度和固相颗粒扩散[7]。勘探区域地层为第四纪松散层，钻进易产生缩径、塌孔、涌砂等事故，钻进中应根据地层变化调节泥浆的浓度，确保孔壁稳定[8]，根据不同地层，按经验采取不同压力和不同转速钻进，同时控制回次进尺以保证岩芯采取率。
孔深必须每个回次进行校正，用测深仪测水深，通过水深、回次进尺等计算上余杆长以确定孔深[1]，进尺数从海底作为零点算起，回次进尺数等于钻至孔底时机上余尺减去提钻时机上余尺和钻进过程的涨落潮水位高度。同时，对每根钻杆在上部锁接手处用喷漆进行数字编号，测量其长度，按编号顺序将每根钻杆长度记录在记录纸上。下钻时根据所下钻杆编号，查找相应长度计算钻杆累计长度。避免频繁测量钻杆长度，减小误差及夜间行走安全性和便捷性。钻进过程中，应随潮水涨退，均匀收放各个锚绳，确保钻机立轴始终正对套管中心。同时，采用静压法、重锤轻击法等不同方法及取土器对不同地层进行取样。
（5）钻探时突发情况及其处理：施工过程中，发生脱锚或缆绳变松时，应立即停止钻探、提钻、提套管，检查锚型型号、下锚位置、风浪大小、过往船只的绞缆等，尽快进行调整；发生埋钻事故，应立即停止施工，分析原因，进行打捞处理工作；当遇极端天气，如大风、大雨、大浪、大雾等天气，立即停止施工，提钻、提套管，情况严重时，必须尽快回港避风。
1.3 封孔撤场
钻孔完成后，依次起套管、起锚、封孔、钻船移动。封孔时根据不同的岩性，进行全孔止水封孔工作[9]。封孔材料必须具备微膨胀性和耐久性，一般采用水泥和粘土按5∶1配置混合，并按水灰比1∶1.5搅拌成水泥浆，用泥浆泵进行输送[3]。本次封孔为节约时间，灌注的水泥浆液中加入适量速凝剂，终孔后用钻具将水泥浆液自下往上灌入孔中，待第一次灌注结束4h后，再进行上段灌注，直至浆液升至套管口为止。
参考文献
[1] 刘志刚.海洋工程岩土工程勘察施工及其影响因素[J].城市勘测，2011，05：159-162.
[2] 陈仁兰.近岸海上钻探施工方法的探讨[J].西部探矿工程，2008，09：134-136.
[3] 康永胜.青岛海湾湾口海底隧道的海上钻探及技术措施[J].铁道勘察，2006，06：38-41.
[4] 陈晓东，朱奋.浅谈海上勘察施工特点与施工工艺[J].西部探矿工程，2007，08：99-100.
[5] 102勘探队水文地质组.海上钻探施工经验初步总结[J].地质与勘探，1958，19：21-22.
[6] 王邦和.海上工程地质钻探施工方法[J].探矿工程，1980，05：41-42.
[7] 李友龙，李金华.岩溶对江西湖口大桥基础选择的控制作用[J].工程建设与设计，2011，08：115-118+122.
[8] 李友龙，高长岭. 南京长江第三大桥工程地质条件分析与评价[J].工程建設与设计，2011，04：135-139.
[9] 王光辉，陈必超. 浅海水域工程勘察钻探方法和技术措施[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2003，04：9-11.
[关键词]跨海大桥；海上工程勘察；水上钻探；定位；钻探施工
中图分类号：F832 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0308-01
水上钻探主要包括近海、河流、湖泊钻探，其中海上钻探施工难度较大，需考虑涨潮、落潮及大海浪的影响。海上钻探施工依次主要分三阶段进行：施工准备、钻探施工、封孔撤场。
1 施工准备
（1）施工许可材料报批：包括海上施工作业区位置（坐标）、船只、施工人员和作业时间等，上报至当地海事局，申请办理水上水下作业施工许可证，并在当地相关报纸上发布航行通告。
（2）钻探船选择：钻探船分铁驳船、木船、油桶阀、竹木阀，钻探船的选择主要根据钻探区域的水深、流速、浪高等情况而决定[1]。造价考虑，一般选用100t以上工程勘探船或两条铁驳船并排焊接。此次勘探设计孔深80m，风浪等级1-6级，浪高1.5m左右，选择3000t铁驳船进行施工，在船舱内均匀装载沙石压仓，至船舷距水面1m左右，以降低船身摆幅过大[2]。另配1条交通船，负责生活物资、运输等。
（3）平台搭建：平台要求能抵御海潮及较大的海浪、涌浪，满足钻探及原位测试施工工艺要求，同时经济、便捷的进行安全施工。较常用平台两种，①在铁驳船上焊接成简易平台，②能用“脚”支撑于海底，站于高潮位之上的小型“工勘平台”。本次勘探采用单船侧放式平台，在船左侧位置搭建了6m*8m的焊接平台，用工字钢焊接支撑。以1m间距并排焊接200*150mm工字钢并伸出船舷2m左右，其上均匀铺设枕木以形成平台。平台四周用角钢焊接，设高0.8m的防护拦杆，防止人员和物资落入海中，并配足救生衣和救生圈等安全防护[3]。
（4）钻机选择与安置：根据钻孔深度、场地地质、施工水域水文地质综合条件，进行钻机型号选择。一般，孔深30m内选用XY-1型钻机，孔深大于50m选用XY-2型或XY-3型油压钻机，泥浆泵宜选用BW-160型或BW-200型[4]。勘探区域孔深80m，地层为第四纪松散层，主要为淤泥、粉～粗砂、含砾亚粘土等，土质大部为塑性—硬塑性地层，选用XY-2型钻机满足生产要求。将施工船停靠岸边，用起吊机将钻机设备吊到平台，安置钻机时注意保持钻机立轴距船侧边0.3-0.5m为好[2]，且立轴对准平台方形孔洞中心，用2～3根钢丝绳将钻塔架上部与船舷处拉紧固定，同时钻塔安装避雷针。安置泥浆池、测深仪、照明钠灯、黏土粉等设备物资。
1.2 钻探施工
（1）定位：用GPS-RTK进行钻孔定位，查明水流方向及潮水涨落的规律，尽可能在风浪较平静的涨潮或落潮的平水期（水流流速最小）进行。确定工区内是否有渔网、养殖区、暗礁、浅滩、海上漂浮物、海底管线等，进行规避。制作浮标用于标记孔位，将尼龙绳一端拴30～50kg重铁块，另一端拴插有小红旗的浮标，绳长稍大于水深0.5m。测量人员随交通船至孔位处，抛下孔位浮标。
（2）抛锚：采用四锚式，船两侧按45°角呈“八”字型各布置两个锚[5]，必要时在逆流方向补抛一至2个锚以防止水流过急时走锚。锚绳每条长约100m，锚上栓捞绳，捞绳长度大于水位深度0.5m，绳尾系上浮标，便于调整、固紧及起锚工作[1]。
钻探船航行至距离孔位60-80m左右，以船头迎着浪向和流向的方向停泊[6]。先抛下前锚（抛锚时，选择阻力最大的前锚抛下；起锚反之，选择阻力最小的锚先拿起），使船自由漂流至船的中心线方向与水流方向一致，且平台距孔位20m左右，收紧缆绳。随后，交通船将锚逐个送至锚位（距船100m左右），前后四口锚成八字形交叉垂直状，收紧各锚绳。调整船位至设计孔位，将船固定。抛定待船无漂移后，记录坐标值，对孔位进行二次定位，保证钻机立轴与孔位误差5m内，如此反复直至符合规范要求，开始钻探施工。
（3）钻孔结构：钻探施工可采用单套管或双套管进行钻孔定向与隔水，有条件的施工队伍可以配备海洋钻探专用滑管。此次勘探地质条件较简单，水流流速不急，采用φ178单套管和φ110钻具开孔钻进。同时，地质条件较复杂或孔深较大水域，用φ130钻具开孔，钻遇岩溶[7]、断层面、破碎带等需止水地层，用φ127套管止水，后用φ110或φ91钻具钻进。为保证套管稳定性，套管下入土中深度需达到套管全长1/2以上，若套管一次无法下至预定深度，用管内掏芯的方式，跟管钻至预定深度。套管需配置一定数量的不同长度的短套管，套管距基台面有0.3m的高差以防潮位涨、落时随时接卸调整，同时用大绳和半合管卡口固定套管减少涨落潮导致的套管上下位移或横向摆动。
（4）钻进工艺：此次，安排2个作业班组昼夜连续施工，使用小泵量泥浆冲孔[5]，全孔泥浆循环钻进，受限于淡水供应，泥浆循环采用水泵从海里抽水到平台上的泥浆池，配以少量的羧基甲基纤维素和纯碱，不停搅拌，以保证海水泥浆的粘度和固相颗粒扩散[7]。勘探区域地层为第四纪松散层，钻进易产生缩径、塌孔、涌砂等事故，钻进中应根据地层变化调节泥浆的浓度，确保孔壁稳定[8]，根据不同地层，按经验采取不同压力和不同转速钻进，同时控制回次进尺以保证岩芯采取率。
孔深必须每个回次进行校正，用测深仪测水深，通过水深、回次进尺等计算上余杆长以确定孔深[1]，进尺数从海底作为零点算起，回次进尺数等于钻至孔底时机上余尺减去提钻时机上余尺和钻进过程的涨落潮水位高度。同时，对每根钻杆在上部锁接手处用喷漆进行数字编号，测量其长度，按编号顺序将每根钻杆长度记录在记录纸上。下钻时根据所下钻杆编号，查找相应长度计算钻杆累计长度。避免频繁测量钻杆长度，减小误差及夜间行走安全性和便捷性。钻进过程中，应随潮水涨退，均匀收放各个锚绳，确保钻机立轴始终正对套管中心。同时，采用静压法、重锤轻击法等不同方法及取土器对不同地层进行取样。
（5）钻探时突发情况及其处理：施工过程中，发生脱锚或缆绳变松时，应立即停止钻探、提钻、提套管，检查锚型型号、下锚位置、风浪大小、过往船只的绞缆等，尽快进行调整；发生埋钻事故，应立即停止施工，分析原因，进行打捞处理工作；当遇极端天气，如大风、大雨、大浪、大雾等天气，立即停止施工，提钻、提套管，情况严重时，必须尽快回港避风。
1.3 封孔撤场
钻孔完成后，依次起套管、起锚、封孔、钻船移动。封孔时根据不同的岩性，进行全孔止水封孔工作[9]。封孔材料必须具备微膨胀性和耐久性，一般采用水泥和粘土按5∶1配置混合，并按水灰比1∶1.5搅拌成水泥浆，用泥浆泵进行输送[3]。本次封孔为节约时间，灌注的水泥浆液中加入适量速凝剂，终孔后用钻具将水泥浆液自下往上灌入孔中，待第一次灌注结束4h后，再进行上段灌注，直至浆液升至套管口为止。
参考文献
[1] 刘志刚.海洋工程岩土工程勘察施工及其影响因素[J].城市勘测，2011，05：159-162.
[2] 陈仁兰.近岸海上钻探施工方法的探讨[J].西部探矿工程，2008，09：134-136.
[3] 康永胜.青岛海湾湾口海底隧道的海上钻探及技术措施[J].铁道勘察，2006，06：38-41.
[4] 陈晓东，朱奋.浅谈海上勘察施工特点与施工工艺[J].西部探矿工程，2007，08：99-100.
[5] 102勘探队水文地质组.海上钻探施工经验初步总结[J].地质与勘探，1958，19：21-22.
[6] 王邦和.海上工程地质钻探施工方法[J].探矿工程，1980，05：41-42.
[7] 李友龙，李金华.岩溶对江西湖口大桥基础选择的控制作用[J].工程建设与设计，2011，08：115-118+122.
[8] 李友龙，高长岭. 南京长江第三大桥工程地质条件分析与评价[J].工程建設与设计，2011，04：135-139.
[9] 王光辉，陈必超. 浅海水域工程勘察钻探方法和技术措施[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2003，04：9-11.