自航式水上移動(dòng)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

鈕建定，胡建平

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，跨海大橋、港口碼頭及沿海各類基礎(chǔ)設(shè)施等建設(shè)工程均涉及到水上勘探，這些工程的建設(shè)為地質(zhì)勘探行業(yè)的發(fā)展提出了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。水上勘探主要是指在沿海、江河、湖泊等區(qū)域進(jìn)行的鉆孔工作，其中海域和江河上勘探施工難度較大，江河水流湍急，海上潮差大，風(fēng)浪、涌浪多變，為此，對(duì)水上勘探平臺(tái)及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，以確保移動(dòng)平臺(tái)的穩(wěn)泊，從而進(jìn)行水上勘探、取樣，查明地層分布、地質(zhì)構(gòu)造、巖體的風(fēng)化程度、巖土的物理力學(xué)性質(zhì)等，無疑對(duì)水上勘探平臺(tái)及相關(guān)技術(shù)提出了更高、更嚴(yán)格的要求。

目前，國(guó)內(nèi)外水上工程勘探存在著兩大主要矛盾：工程勘探合同費(fèi)用偏低；勘探作業(yè)受自然環(huán)境制約。因此，加快水上勘探技術(shù)的研究，開發(fā)一種低成本、高效率的移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)是關(guān)鍵[1-2]。本文重點(diǎn)介紹自航式水上移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 常用勘探平臺(tái)

目前在淺海潮汐區(qū)域、江河水域中常用勘探船實(shí)施鉆探。在水深流急、流向多變、浪高等情況下進(jìn)行水上勘探作業(yè)，受風(fēng)、浪、流等各方面條件限制，勘探過程中鉆桿易發(fā)生搖晃、抖動(dòng)，影響取土（取芯）質(zhì)量，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)失真和巖芯脫落，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鉆桿斷裂、鉆具損壞以及船舶走錨等安全事故[3-4]。為此，各種形式的水上勘探平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。

1.1 固定式勘探平臺(tái)

固定平臺(tái)大都建在近岸淺水中，主要有圍堰筑島法、伐式、木籠基腳式、樁基式平臺(tái)等4種。

1）圍堰筑島法一般適應(yīng)在1m以內(nèi)水深，流速不大的江河淺水區(qū)或淺海潮汐區(qū)域及水塘中?？捎刹荽鼑摺⒄砟径?、筑島等方式建平臺(tái)。

2）伐式平臺(tái)適應(yīng)水深在5m以內(nèi)、水流平緩的水域或有一定水深的湖泊、灘地上，采用竹、木、廢棄油桶等捆扎拼裝而成。

3）木籠基腳式平臺(tái)適應(yīng)水深在3m以內(nèi)，用數(shù)根圓木打入水下并入土一定深度，用竹片或柳條編織成筏籠，再用卵、碎石，外圍大石塊，形成木籠基腳，上面放置方木，鋪設(shè)木板形成平臺(tái)。

4）樁基式平臺(tái)是借助導(dǎo)管架固定在水底而高出水面不再移動(dòng)的裝置，支撐固定平臺(tái)的樁腿直接打入水下，并入土一定深度，平臺(tái)上面鋪設(shè)甲板用于放置鉆機(jī)等設(shè)備。

固定式勘探平臺(tái)的穩(wěn)定性好，但因平臺(tái)體積較大、移動(dòng)困難、重復(fù)利用率低，易受潮汐漲落、流速等影響，且搭建和拆卸費(fèi)事，故勘探成本較高，目前水上勘探不常采用。

1.2 自升式勘探平臺(tái)

自升式勘探平臺(tái)由平臺(tái)、樁腿和升降機(jī)構(gòu)組成，無自航能力。平臺(tái)能沿樁腿升降，即不勘探時(shí)，把樁腿升高，平臺(tái)浮在水面；勘探時(shí)，用拖輪把平臺(tái)拖到作業(yè)區(qū)，利用驅(qū)動(dòng)裝置將樁腿插入海底一定深度，使平臺(tái)升到不受潮、浪、涌的影響高度，實(shí)施水上勘探作業(yè)。自升式勘探平臺(tái)皆為多腿式，四腿較多，升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式有葫蘆滑輪組合、液壓驅(qū)動(dòng)及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等方式。這種平臺(tái)對(duì)水深適應(yīng)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定性好，在我國(guó)水上勘探中有一定的應(yīng)用。

但由于自升式勘探平臺(tái)在建造過程中需較多的輔助設(shè)備，成本較高；在使用過程中，由于水底土質(zhì)軟硬不均，樁腿需隨時(shí)調(diào)整，故單孔鉆進(jìn)時(shí)間較長(zhǎng)；平臺(tái)構(gòu)件無法滿足遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，特別是境外工程勘探。鑒于以上多種原因影響了自升式勘探平臺(tái)在水上勘探工程中的廣泛應(yīng)用。

1.3 浮船式勘探平臺(tái)

浮船式勘探平臺(tái)不固定在某水域作業(yè)，當(dāng)一個(gè)鉆孔完成后可迅速移到另外一個(gè)鉆孔位置，能適應(yīng)不同水域、水深、角度的水上勘探作業(yè)。這類平臺(tái)通常在機(jī)動(dòng)船或駁船上搭建，按其推進(jìn)方式可分為自航式、非自航式；按其在船上的布置可分為端部式、兩舷式和船中式平臺(tái)，還有一種將勘探裝置放在雙體船上的浮動(dòng)平臺(tái)。浮船式勘探平臺(tái)可用現(xiàn)有的船只進(jìn)行改裝，因而能以最快的速度投入使用?？碧酱呐潘繌臄?shù)十噸到幾百噸不等，一般采用錨泊定位。該類平臺(tái)的缺點(diǎn)在于當(dāng)遇到風(fēng)、浪、潮時(shí)，會(huì)發(fā)生傾斜、搖擺、平移和升降現(xiàn)象，易走錨，穩(wěn)定性相對(duì)較差，給勘探帶來困難。

2 自航式移動(dòng)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)以上各類勘探平臺(tái)所存在的較多問題，本著經(jīng)濟(jì)、合理、技術(shù)可行的原則，經(jīng)在工程實(shí)踐中不斷改進(jìn)、優(yōu)化，研制一種新型水上勘探平臺(tái)系統(tǒng)顯得尤為重要。

經(jīng)過多年的實(shí)踐，選用一艘普通有自航能力的工程船舶或駁船（平底船舶為佳）作為浮體，配上我院研發(fā)的勘探平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成的自航式移動(dòng)平臺(tái)，利用漲、落潮擱灘作業(yè)，有效降低了勘探成本。該系統(tǒng)運(yùn)用多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)對(duì)海況惡劣、多島礁、多汊道、強(qiáng)潮流、高含沙的外海海域水上鉆探，不但獲得了較好的效果，還填補(bǔ)了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)大型港口工程水上勘探的技術(shù)空白。其創(chuàng)新性、先進(jìn)性成果具體如下[6-8]：

1）平臺(tái)模塊化設(shè)計(jì)（如圖1）、積木式組裝，使產(chǎn)品的通用性、移植性更強(qiáng)。利用潮汐落差可實(shí)現(xiàn)灘地勘探，降低了勘探成本；

圖1 水上移動(dòng)平臺(tái)局部示意圖

2）首創(chuàng)水上多鉆機(jī)混合快速鉆進(jìn)法。主動(dòng)力鉆機(jī)僅承擔(dān)水下鉆進(jìn)，雙臺(tái)輔助多級(jí)變速卷?yè)P(yáng)鉆機(jī)，輪流上下提引，達(dá)到不間斷提、卸、下鉆桿，各司其職，從而大幅度縮短水上勘探時(shí)間。在處理鉆孔卡鉆故障時(shí)，集中主、輔多臺(tái)鉆機(jī)的提引力，從而快速處理故障，增加了水上勘探的安全性；

3）獨(dú)創(chuàng)錨鏈交叉米字拋錨法。船艏、艉順?biāo)鞣较蚋鲯?組錨，每組錨呈120°交叉狀態(tài)，順、逆水流方向，再拋1組錨。配備抓力大、錨爪嵌土深、穩(wěn)定性強(qiáng)、收藏方便、起錨附著泥沙少、沖洗方便的大抓力錨，使得錨泊牢固，從而大幅提升平臺(tái)系統(tǒng)抗流能力；

4）鉆具與平臺(tái)快速分離法設(shè)計(jì)。遇突發(fā)事件時(shí)，勘探平臺(tái)系統(tǒng)能迅速與入土套管、鉆桿分離，體現(xiàn)了安全第一、以人為本的理念；

5）獨(dú)特設(shè)計(jì)的泥漿再利用循環(huán)輔助回收系統(tǒng)（如圖2所示）。該裝置由旁通套管接頭、管道、雙層網(wǎng)狀粗細(xì)過濾網(wǎng)、回收池、泥漿泵組成。泥漿泵從過濾池中吸入泥漿壓入管道，管道中泥漿通過鉆桿、套管、取土器，使孔底砂沿鉆桿外孔壁內(nèi)上溢，流回泥漿池雙層過濾后得以循環(huán)使用，節(jié)約了資源，減少了對(duì)環(huán)境的污染。

圖2 泥漿回收再利用循環(huán)裝置

3 實(shí)施效果

自航式水上移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)選用普通自航平底船為基礎(chǔ)，平臺(tái)構(gòu)件模塊化設(shè)計(jì)、積木式組裝，產(chǎn)品通用性和移植性強(qiáng)。平臺(tái)的拆卸和搭建基本在1 d內(nèi)完成，平臺(tái)構(gòu)件可以方便存放、搬運(yùn)及重復(fù)使用，有效地控制了勘探成本。

該平臺(tái)系統(tǒng)不僅可以在灘地淺水區(qū)擱淺作業(yè)，而且可以滿足水深達(dá)50m內(nèi)的深水區(qū)作業(yè)，從而克服了普通平臺(tái)深水區(qū)作業(yè)難，成本過高的問題；基本能滿足江、河、沿海各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程勘探的需要，如應(yīng)用于上海國(guó)際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)工程設(shè)計(jì)與勘察中。該工程處于開敞海域，遠(yuǎn)離陸地30多km，海況惡劣、自然條件復(fù)雜、工程量大、工期短、難點(diǎn)多、技術(shù)要求高，在我國(guó)乃至世界沿?？碧绞飞蠈?shí)屬罕見。在該工程的勘探中，集多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的自航式水上移動(dòng)平臺(tái)解決了水上勘探手段落后、成本高、易走錨等一系列難題，并將氣候因素大為降低。泥漿回收系統(tǒng)使泥漿經(jīng)雙層過濾后得以循環(huán)使用，不但節(jié)約了資源，還有效保護(hù)洋山港區(qū)海域自然環(huán)境和生態(tài)環(huán)境。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，大大提高了工程質(zhì)量與工作效率，從而為設(shè)計(jì)與施工提供了更可靠翔實(shí)的巖土參數(shù)，為今后走向更深水域水上勘探奠定了基礎(chǔ)，標(biāo)志著我國(guó)沿海水上勘探技術(shù)的重大突破。

4 結(jié)論與建議

隨著科技進(jìn)步，水上勘探技術(shù)也在飛速發(fā)展，人們現(xiàn)在已向更深的海域進(jìn)軍，無論是勘探孔深、勘探水深、勘探效率都有新的紀(jì)錄出現(xiàn)。水上勘探的核心技術(shù)是低成本、抗風(fēng)浪的移動(dòng)平臺(tái)及相關(guān)技術(shù)，因此科技創(chuàng)新是關(guān)鍵。

1）在天氣和海況惡劣的作業(yè)環(huán)境下，要在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)比較精確地保持水上勘探作業(yè)的相對(duì)穩(wěn)定，這無疑對(duì)安裝其上的錨泊定位裝置提出了更高、更嚴(yán)格的要求。開發(fā)一種小型、價(jià)廉、大抓力錨，能夠迅速、簡(jiǎn)便地拋入海中，便于收藏和運(yùn)送，解決水上移動(dòng)平臺(tái)錨泊穩(wěn)定的課題值得研究[9-10]。

2）一種安全、低成本有自航能力的自升式平臺(tái)，工作時(shí)樁腿下放插入水底，平臺(tái)被抬到離開水面的安全高度，并對(duì)樁腿進(jìn)行預(yù)壓，以保證平臺(tái)遇到大風(fēng)浪時(shí)樁腿不下陷，水上勘探完成后平臺(tái)下移至水面，提升所有樁腿，自航到另外的鉆孔位置，繼續(xù)作業(yè)[11-12]。該項(xiàng)技術(shù)的研究有待進(jìn)一步的嘗試。

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