淺談水上地質(zhì)鉆探方法選擇與應(yīng)用

高建波

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

與陸地上鉆探不同，水上鉆探不確定因素很多，實際鉆探中要考慮水深、水面寬度、季節(jié)、流速、風(fēng)力、潮水、通航條件等眾多因素的影響。如何在保證鉆探施工作業(yè)中人員及機械設(shè)備的安全、鉆探質(zhì)量、鉆探進度的同時控制成本，鉆探方法的選擇和水上移動鉆探平臺設(shè)計尤為重要。介紹了對拼船、浮箱、汽油桶筏等方案進行比選，對鉆探平臺的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性、靈活性等多方面進行對比分析，最終采用汽油桶筏搭建鉆探平臺，解決了地質(zhì)工程勘察鉆機順利到達江、河、湖、海等水域中指定位置的運輸問題。

1 工程概況

黃河特大橋是新建東烏鐵路線上的重要工程，對該段工程范圍內(nèi)地層、巖性的掌握，直接影響到本次工程整體線路的走向、工程造價投資、施工方案等一系列問題。必須通過科學(xué)、合理、周密的組織安排，在保證安全施工、控制現(xiàn)場勘察質(zhì)量的前提下，通過搭建水上移動鉆探平臺，解決地質(zhì)工程勘察鉆機順利到達水域中指定位置的運輸及穩(wěn)固問題，保證地質(zhì)鉆探工作順利開展。工程區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市海南區(qū)曙光村與寧夏回族自治區(qū)石嘴山市惠農(nóng)區(qū)農(nóng)場交界的河段處。地形情況為兩岸高河面低，河?xùn)|岸為卵礫石陡坎，高約20 m，西岸相對平坦，河面寬度200～220 m。

工程區(qū)地層巖性主要以卵石、礫石、粉細砂、黏性土及粉土為主，河底表層主要卵石層覆蓋，部分地段覆蓋層為砂類土或粉土。

此次任務(wù)勘探時間在2011年3～4月，正值冬末春初，是天氣、風(fēng)力、河水變化最大的時間段。工程區(qū)自然因素、氣象條件惡劣。水流方向自南向北，水深4～5 m，流速一般為2～3 m/s，河水中隨流漂浮大量柴草雜物，河水漲落時間、漲落高度無規(guī)律，偶遇猛漲。風(fēng)向以西北風(fēng)為主，時有西南或東南風(fēng)，一般風(fēng)力3～4級，最大6級，持續(xù)時間較長，時有揚塵或沙塵暴天氣。

2 鉆探平臺的選擇

本階段勘察，水中設(shè)計有兩個墩臺，每個墩臺上布置有4個鉆孔，工作量為8個鉆孔，單孔深度為85 m。預(yù)計每孔的鉆探時間大約6～8 d，輔助時間1～2 d，每個墩臺的完成時間大約需要25～30 d。只有選擇合理的鉆探方法，盡快保質(zhì)量的完成鉆探，才能為后續(xù)設(shè)計提供準(zhǔn)確、合理的參考依據(jù)。

2.1 鉆探影響因素

此次勘察時間緊、任務(wù)重，自然環(huán)境惡劣，鉆探平臺的選擇要綜合考慮各種影響因素。通過仔細研究工程場地各類地質(zhì)、氣象條件，主要影響因素如下:

①工程區(qū)河水流量較大，風(fēng)浪極大，易造成鉆孔套管固定不穩(wěn)，導(dǎo)致鉆孔傾斜，影響鉆探質(zhì)量。

②水流中夾雜大量的柴草、雜物，極易纏繞主錨和錨繩，增加水上平臺的阻力迫使平臺移位。

③鉆探中黃河水漲落時間、漲落高度不規(guī)律，起伏較大，易造成平臺紊亂移位，很容易發(fā)生套管折斷或孔內(nèi)事故。

2.2 平臺需滿足條件

(1)浮力大:平臺需具備足夠大的浮力，來承擔(dān)鉆機、器械、附屬設(shè)備、工作人員等的重量。

(2)穩(wěn)定性好:良好的穩(wěn)定性才能保證鉆進有序進行，保證鉆孔不傾斜。

(3)靈活的移動性:工程區(qū)范圍內(nèi)平臺要具備較好的移動性，移孔的過程中節(jié)約時間，提高效率。

(4)空間大:平臺應(yīng)有足夠的空間，保證鉆機、鉆桿、巖芯、泥漿池的合理擺放，保證鉆探人員的安全。

2.3 平臺方案選擇

針對前述存在的問題、困難及影響因素，對拼船、浮箱、汽油桶筏進行對比分析，選擇經(jīng)濟、合理的方法。

(1)拼船:采用拼船的方法搭建鉆探平臺，其優(yōu)點是穩(wěn)定性好，安全系數(shù)高，缺點是造價高，時間周期長。根據(jù)《安全規(guī)則》、《鐵路工程地質(zhì)鉆探規(guī)程》規(guī)定，鉆深100 m鉆機每個平臺要選用兩只12 t以上的船只，當(dāng)?shù)貤l件每只船的租賃費為1.5萬元/d，兩只船的費用3萬元/d，勘探時間按一個月計算，共計需90～100萬元人民幣的租船費。此外，本河段不通航，當(dāng)?shù)馗浇鼪]有船只可供選擇，需從呼和浩特附近調(diào)集船只，距離大約300 km，船只調(diào)遣也需要較大的費用。而且調(diào)遣船只的時間至少需要一個月以上，勢必會嚴(yán)重影響工期，造成更大損失。

(2)汽油桶筏:采用汽油桶筏作為水上移動鉆探平臺，其優(yōu)點是簡單易行、操作方便、省時省力、就地取材、造價低廉、輔助時間短等，缺點是穩(wěn)定性和牢固性不如拼船好，但通過對汽油桶筏平臺加固完全可以滿足本次鉆探任務(wù)安全要求。搭建汽油桶筏的技術(shù)比較成熟，以前在很多坑、塘、湖泊或流速不大風(fēng)力較小的水面上經(jīng)常運用，但在象黃河上這樣的流速、風(fēng)力較大，雜物較多，水位漲落頻繁且沒有規(guī)律的水面上進行鉆探還從未采用過。汽油桶筏所需要的材料可以就地解決，可采用租、買相結(jié)合的辦法，費用大約在10萬元左右;而且可以邊進料邊搭建，可大大縮短輔助周期，每個水上平臺從購料到組建完成一般用時在5～7 d左右，比選用船只節(jié)省很多時間。

(3)浮箱:采用浮箱作為水上移動鉆探平臺，其穩(wěn)定性和牢固性與汽油桶筏基本相同，但費用高于汽油桶筏，而且對焊接技術(shù)要求較高，如發(fā)生滲漏其后果不堪設(shè)想，再有就是裝卸、運輸也不方便，現(xiàn)場還需要焊接設(shè)備及操作人員，操作相對復(fù)雜。

綜合考慮上述三種方案的特點、造價、工期等因素，本工程采用汽油桶筏拼裝水上移動鉆探平臺的方法進行黃河水上鉆探任務(wù)。

3 平臺的搭建

3.1 結(jié)構(gòu)與浮力的計算

通過對本次鉆探機具、人員及附屬設(shè)施進行計算，總質(zhì)量大約為3.5 t(見表1)。按照鉆探場地的平面要求，所建場地應(yīng)滿足擺放鉆機、鉆桿及相關(guān)附屬設(shè)施。經(jīng)計算，平臺縱向由15個油桶組成油桶排，橫向用5組油桶排，綁扎固定組建成長9 m、寬6 m(總面積達54 m2)的油桶筏，符合對鉆探場地的平面要求。搭建水上鉆探平臺所用油桶總數(shù)為74個(減少預(yù)留一個油桶位置作為孔口)，單桶浮力為180 kg，總浮力為74×180 kg=13.32 t，安全系數(shù) 13.32 ÷3.5=3.8，完全符合安全操作規(guī)程規(guī)定。

表1 鉆探機具及人員總質(zhì)量

3.2 平臺的組裝搭建

平臺的組裝主要包括以下幾個方面:

①組裝汽油桶排之前必須認(rèn)真檢查油桶蓋有無漏水現(xiàn)象，確保油桶排下水后不滲漏，檢查每個油桶口必須朝上。

②使用直徑50 mm的鋼鐵管及扣件，將15個汽油桶分上下兩層加固筋固定連接，再用8號或10號鉛絲在每個油桶之間的間隙處將油桶和鐵管絞緊加固，組建成油桶排(需要組建5排)，其中，將1組油桶排在第6個油桶的位置留出1個油桶的空擋(此處為預(yù)留鉆探孔口位置)。

③將5組綁扎好的汽油桶排在水中對齊，用繩索固定，以防被水流沖走。每組油桶排之間留0.3～0.5 m的間隙，以便于水流通過，減少對鉆探平臺的沖擊。

④在組建完成的整體油桶排最外側(cè)油桶排上部，用12～14根鋼鐵管與油桶排上的鐵管通過扣件橫向固定，油桶排下部橫向通過不少于6根，上下兩層鐵管與汽油桶排用8號鉛絲絞緊，作為安全護欄。

⑤為了增加平臺的牢固性及剛性，保證安全性能，在鉆探平臺上橫向鋪設(shè)6根大頭直徑不小于20 mm、小頭直徑不小于16 mm的圓木，采用8號鉛絲與油桶排上的鐵管固定，對鉆探平臺進一步加固。

⑥為保證鉆探作業(yè)人員的安全和平整工作面，在圓木上鋪設(shè)不小于4.0 mm厚的木板，接口要交錯對接，接口處用鐵釘固定。

⑦在鉆探平臺四周設(shè)立護欄立柱，間距不大于2 m為宜，設(shè)上、下兩層橫向桿，上層橫桿高度不低于1.2 m，護欄必須與平臺固定、牢靠結(jié)實，護欄也可作為掛放救生圈的支架。

⑧設(shè)備安裝及鉆具擺放必須保持平穩(wěn)，暫時不用的鉆具擺放在岸上，隨用隨取，盡量減少鉆探平臺的承重。

3.3 錨的選擇及拋錨、定位

(1)錨的選用

為了能使水上平臺在到達指定鉆孔位置后不產(chǎn)生移位和錯動，根據(jù)河床表層地層情況，水流速度，風(fēng)力大小、風(fēng)向等具體情況，選擇錨的類型、數(shù)量、重量，錨鏈、錨繩的直徑和長度等。

每只鐵錨的重量一般不小于70 kg，鍛造錨或焊接錨均可，本次采用的是焊接錨;錨的形狀可根據(jù)河床的具體情況選擇，本次選用的是焊接的四齒尖錨，這種鐵錨利于抓緊河床，可增加鉆探平臺的穩(wěn)定性。根據(jù)實踐經(jīng)驗，錨梁直徑60～80 mm，長度0.5～0.7 m，錨齒直徑不小于30 mm;錨鏈每根長6～10 m(錨鏈的主要作用是增加錨的抓地阻力)，錨環(huán)的鋼筋直徑16～20 mm;前主錨、前錨鋼絲繩直徑14 mm，后錨鋼絲繩直徑10 mm，長度100～120 m。

(2)拋錨、定位

根據(jù)設(shè)計孔位坐標(biāo)、錨繩長度、水深和預(yù)拋方向，先計算出錨位坐標(biāo)，由鉆探船依次送出主前錨、左前和右前錨至預(yù)定錨位下拋，然后鉆探移動平臺順?biāo)骱叫兄量孜桓浇２?再由交通船送出2只下游邊側(cè)錨。在每根錨繩上用兩個緊線器與平臺連接，用于調(diào)整平臺位置。

利用岸邊的控制樁位置與鉆孔之間的距離，使用細鋼絲繩大致測量出鉆孔位置，使移動平臺初步定位;調(diào)整各條錨繩上的緊線器調(diào)整錨繩的長度，用RTK進行精準(zhǔn)定位，固定平臺。

4 鉆機安裝及鉆具的擺放

(1)搭建平臺時預(yù)先在平臺橫向的中間、縱向的三分之一處留出孔口位置，便于安裝鉆機。

(2)平臺搭建完成后，進行鉆機的安裝工作，將鉆機的底梁與平臺的橫梁連接在一起，必須做到牢固結(jié)實，不能晃動、移位。

(3)必須用的鉆具應(yīng)均勻的擺放在平臺上，盡量保持水上平臺承重均勻，暫時不用的或不常用的鉆具等物品可以暫時存放在岸上，隨用隨取盡量減少水上平臺的負重。救生衣、滅火器放在方便易取之處。

(4)為了勘察范圍內(nèi)水域的環(huán)境保護及鉆探護壁泥漿的循環(huán)利用，事先加工好泥漿循環(huán)槽，作業(yè)過程中將泥漿循環(huán)槽固定在鉆探平臺的靠近鉆孔位置，采用泥漿泵及導(dǎo)流裝置形成泥漿循環(huán)利用。

5 平臺的影響因素及維護措施

根據(jù)水上鉆探的特殊性，結(jié)合本工程特點，造成水上鉆探平臺移位及影響安全的因素主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)隨流漂移的雜草、雜物:本次水上鉆探時值冬末春初，河水中漂浮著大量的雜草，經(jīng)常纏掛在錨繩及平臺上，如果柴草纏繞在主錨、前邊錨的錨繩上，會使錨繩的長度發(fā)生變化(縮短)，迫使水上平臺向前移動;如果柴草纏繞在水上平臺的迎水面、后邊錨上，也會使錨繩的長度發(fā)生變化，會產(chǎn)生一股向后的拉力，迫使水上平臺向后移動。

解決措施:為了保證水上平臺不發(fā)生移位，解決柴草纏繞錨繩的問題，設(shè)立專人負責(zé)對即將漂浮來的雜草和纏繞在錨繩上及平臺上的柴草進行及時清理。

(2)河水不規(guī)律的漲落:冬初和冬末春初正是農(nóng)田灌溉用水的季節(jié)，黃河沿岸用水量很大促使河水漲落不穩(wěn)定起伏較大，導(dǎo)致水上平臺升降產(chǎn)生移位，很容易發(fā)生套管折斷或鉆探孔內(nèi)事故。

解決措施:設(shè)專人觀測河水的漲落變化，及時調(diào)整錨繩;使用短節(jié)套管，根據(jù)河水的漲落情況隨時增、減套管;盡可能采用厚壁套管隔離江水，并在一定水深所對應(yīng)的套管部位逆水流斜拉鋼絲繩;鉆進不同的地層采用各異的鉆具、泥漿。

(3)大風(fēng)天氣:此季節(jié)正是經(jīng)常刮風(fēng)季節(jié)，每隔3～5 d刮一次5～6級的大風(fēng)，風(fēng)力太大同樣會造成水上平臺移位。

解決措施:盡量減少水上平臺上的擋風(fēng)物體，以減小平臺受風(fēng)的阻力;在經(jīng)常刮風(fēng)的方向再增加邊錨，穩(wěn)定平臺。

6 交通船的選擇

為了確保水上鉆探的安全生產(chǎn)，對交通船及駕駛員的選擇要嚴(yán)格把關(guān)。

(1)本次選用的是常年在黃河上打漁航行的3 t鐵船，船齡3年，裝有1臺8馬力的柴油機驅(qū)動器。

(2)船只的營運證、車船使用稅證等證件齊全。

(3)雇傭的駕駛員具有多年在黃河上駕船打漁的經(jīng)驗，對黃河水域的特性非常熟悉，且駕駛證在有效期內(nèi)。

(4)交通船只準(zhǔn)承載與鉆探有關(guān)的人員乘坐及運送樣品等。

(5)所有上船人員必須穿救生衣，船上并配備救生圈及救生繩。

7 注意事項

(1)水上鉆探平臺如果在通航航道上，除了要與航道管理部門溝通協(xié)作發(fā)布安全通航告示外，白天在平臺懸掛紅旗，晚上配備足夠的照明設(shè)備、警示燈等警示標(biāo)志。

(2)除了制定、教育操作人員要遵守所建立的規(guī)章制度、防火操作規(guī)定外，配備相應(yīng)的滅火器、滅火水桶等器材。

(3)所有上鉆探平臺人員必須穿戴救生衣，平臺上配備放置足夠數(shù)量的救生衣、救生圈、通訊設(shè)備。

(4)針對周邊環(huán)境及存在的危險源制定《水上鉆探安全應(yīng)急預(yù)案》，并進行崗前培訓(xùn)及演練，確定方案行之有效。

(5)提升鉆具不得強力起吊，不得將千斤頂直接坐在鉆探平臺上處理事故。

(6)設(shè)專人負責(zé)每天掌握天氣、水位變化，與航道部門隨時聯(lián)系掌握通航情況。

(7)遇大風(fēng)、大霧天氣時應(yīng)暫停工作。

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