近海工程船載式勘探平臺(tái)系統(tǒng)創(chuàng)新與應(yīng)用

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

近岸工程勘察主要涉及沿海、江河、湖泊等區(qū)域?qū)嵤┛碧焦ぷ?，其中海上勘探受到的不確定因素最多，難度也最大，最能顯示企業(yè)的綜合勘探技術(shù)水平。只有確?？碧狡脚_(tái)的穩(wěn)定，才能有效實(shí)施海上勘探、取樣，進(jìn)而查明地層分布、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。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及海外戰(zhàn)略進(jìn)一步實(shí)施，跨海大橋、海底隧道、離岸深水港口等各類近海設(shè)施迅猛增多。由于海上風(fēng)、浪、潮、涌等因素，海上勘察環(huán)境復(fù)雜、勘察技術(shù)質(zhì)量要求不斷提高以及勘察市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，海上勘探核心技術(shù)平臺(tái)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，無疑成為工程技術(shù)人員最為關(guān)注的焦點(diǎn)。

針對(duì)近海工程水運(yùn)勘察平臺(tái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的自升式和船載式兩類勘探平臺(tái)技術(shù)優(yōu)劣。為突破船載式平臺(tái)實(shí)施巖土體原狀采樣困難的技術(shù)瓶頸，加快我國(guó)近?？辈熨|(zhì)量與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，參與海外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，開展船載式勘探平臺(tái)系統(tǒng)性研究及創(chuàng)新。本文詳細(xì)介紹中交三航院研發(fā)的可用于近海水域新穎船載式勘探平臺(tái)系統(tǒng)[1-2]。

1 勘探平臺(tái)分類

當(dāng)前，通常采用自升式或船載式勘探平臺(tái)實(shí)施近岸勘探，以歐美為代表的自升式勘探平臺(tái)和我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的船載拼裝式勘探平臺(tái)難分伯仲，各有千秋?，F(xiàn)對(duì)兩類風(fēng)格的海上勘探平臺(tái)逐一介紹。

1.1 自升式勘探平臺(tái)

自升式勘探平臺(tái)有作業(yè)平臺(tái)、樁腿和升降控制設(shè)備等構(gòu)成，平臺(tái)主體能沿樁腿垂直升降，它通常無自航能力，采用輔助船舶拖航移動(dòng)?？碧阶鳂I(yè)前，拖航平臺(tái)整體到達(dá)鉆孔位置后，升降機(jī)構(gòu)控制樁腿下降，伸入海底，進(jìn)一步提升勘探作業(yè)平臺(tái)，使之沿樁腿上升到一定高度，可避開浪、潮、涌對(duì)作業(yè)平臺(tái)的影響，實(shí)施海上勘探、原位測(cè)試等。鉆孔作業(yè)完成后，將平臺(tái)主體下降至水面，利用水的浮力或沖樁噴射系統(tǒng)把樁腿從海底拔出、升起，然后拖航至另一孔位，繼續(xù)下一個(gè)作業(yè)。自升式勘探平臺(tái)，皆為多腿式，四腿式居多。升降驅(qū)動(dòng)方式有齒輪齒條式及頂升液壓式，齒輪齒條式升降裝置的齒條沿樁腿布設(shè)，而與齒條相嚙合的小齒輪安裝在齒輪架上，并由電機(jī)或液壓驅(qū)動(dòng)；銷子、銷孔和壓缸組成頂升液壓式驅(qū)動(dòng)。這種平臺(tái)對(duì)水深適應(yīng)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定性良好，見圖1（西班牙“SUELOⅡ”勘探平臺(tái)在古巴海域工程勘探，我方為監(jiān)理單位），這類平臺(tái)在歐美勘探市場(chǎng)上普遍采用，在我國(guó)沿海近岸勘探中卻較少應(yīng)用。主要原因表現(xiàn)在：

1）建造平臺(tái)存在著高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、高維護(hù)成本及大型工程支持等因素，一般企業(yè)難以承受；

2）為避免海床土質(zhì)軟弱不均，鉆進(jìn)過程產(chǎn)生的振動(dòng)及變化無常的海況等因素所引起平臺(tái)下陷，樁腿需預(yù)壓及調(diào)整，故單孔完成時(shí)間較長(zhǎng)；

3）關(guān)鍵部件研發(fā)及制造等核心技術(shù)為國(guó)外廠商擁有，難以降低建造成本[3-8]。

圖1 古巴Cienfugos海域勘探Fig.1 Cuba Cienfugos sea exploration

1.2 船載式勘探平臺(tái)

船載式勘探平臺(tái)通常依托吃水較淺的機(jī)動(dòng)船或駁船為載體搭建勘探平臺(tái)，按其推進(jìn)能力，分為自航或非自航式；按船型平臺(tái)分布有舷側(cè)、端部、船中和雙體船勘探平臺(tái)；定位通常采用錨泊式。它可以用現(xiàn)有的普通船舶（漁船居多）進(jìn)行改裝，排水量從數(shù)十噸至千噸不等，它具有船舶固有的航行安全標(biāo)準(zhǔn)和自航能力，因而能以較快的速度投入使用。

船載式勘探平臺(tái)發(fā)展至今，因它的勘探綜合成本遠(yuǎn)低于自升式勘探平臺(tái)，而成為我國(guó)沿海近岸水運(yùn)工程勘察的主流。但它的弱點(diǎn)也很明顯，主要表現(xiàn)在平臺(tái)穩(wěn)定性弱，尤其是船舶的上下浮動(dòng)，使得取土質(zhì)量難以達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)遇到水面上較強(qiáng)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，給勘探帶來困難。這些不利因素阻礙或降低了我國(guó)企業(yè)海外戰(zhàn)略的實(shí)施與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，由此提出了新穎單側(cè)懸臂船載式勘探平臺(tái)的設(shè)想。

2 單側(cè)懸臂船載式平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)以上兩類勘探平臺(tái)所存在的問題，本著經(jīng)濟(jì)、合理、可行、符合國(guó)情的原則，以船載式勘探平臺(tái)為突破口，創(chuàng)新一種獨(dú)具匠心的單側(cè)懸臂拼裝式勘探平臺(tái)[9]，經(jīng)過工程實(shí)踐及不斷改進(jìn)及優(yōu)化，逐漸形成了中國(guó)特色船載式勘探平臺(tái)系統(tǒng)，綜合性能優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品，勘探成本遠(yuǎn)低于升降式平臺(tái)，這對(duì)于中國(guó)企業(yè)突破歐美核心技術(shù)壟斷，分享海外勘探市場(chǎng)份額具有重要戰(zhàn)略意義。

新穎勘探平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)包括：平臺(tái)模塊設(shè)計(jì)、三鉆機(jī)混合鉆進(jìn)法、泥漿循環(huán)回收設(shè)計(jì)、潮間帶浮體平臺(tái)開發(fā)等。

2.1 平臺(tái)模塊設(shè)計(jì)

勘探模塊化、拼裝式組裝，產(chǎn)品通用性和移植性強(qiáng)，見圖2。設(shè)計(jì)中優(yōu)先選用單艘自航式小平底工程船舶，船舶艏艉各配1組起錨機(jī)，每組配置2～3個(gè)錨機(jī)；在工程船舶中部甲板上設(shè)2根型鋼，多根支架橫跨設(shè)于型鋼之上，且伸出舷體一側(cè)，在支架上鋪設(shè)地板和槽鋼，其中槽鋼位置與型鋼相對(duì)應(yīng)，槽鋼支架與型鋼通過螺栓固定連接，支架和地板伸出船體的部分為工作區(qū)懸臂側(cè)。鉆塔設(shè)于單側(cè)懸臂勘探平臺(tái)上；勘探機(jī)具設(shè)備安放或固定在勘探平臺(tái)上，包括位于工作區(qū)懸臂側(cè)上的主動(dòng)力鉆機(jī)和位于船體上的泥漿泵等，由于模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)勘探平臺(tái)拼裝過程在1～2 d內(nèi)即可完成，從而快速形成一個(gè)海上移動(dòng)勘探平臺(tái)[10]。

圖2 單側(cè)懸臂勘探平臺(tái)Fig.2 Unilateral cantilevered exploration platform

2.2 三鉆機(jī)混合鉆進(jìn)法

打破常規(guī)采用的單鉆機(jī)鉆進(jìn)法[11-14]，創(chuàng)新采用呈三角形分布的3臺(tái)鉆機(jī)混合鉆進(jìn)法。處于平臺(tái)懸臂側(cè)上的主動(dòng)力鉆機(jī)僅承擔(dān)水下巖土鉆進(jìn)，平臺(tái)另側(cè)雙臺(tái)輔助多級(jí)變速卷揚(yáng)鉆機(jī)則輪流承擔(dān)上下提引，各司其職，達(dá)到不間斷提、卸鉆桿，從而大幅度縮短海上勘探時(shí)間。在處理孔內(nèi)卡鉆、孔塌、埋鉆等事故時(shí)，集中主、輔3臺(tái)鉆機(jī)的總提引力，快速起鉆，從而提高海上勘探的安全性。首創(chuàng)的海上3臺(tái)鉆機(jī)混合鉆進(jìn)法，創(chuàng)國(guó)內(nèi)水下軟土鉆進(jìn)平均速率50m/3 h的最高紀(jì)錄，該記錄保持至今。

2.3 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，形成交叉米字分布。當(dāng)水流湍急時(shí)，可采用一纜多錨技術(shù)（1根纜繩上系2個(gè)或以上錨）[15]。再配備抓力大、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。

2.4 泥漿循環(huán)回收設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套泥漿回收再利用循環(huán)輔助裝置。該裝置由旁通套管接頭、管道、網(wǎng)狀粗細(xì)過濾網(wǎng)、泥漿池、泥漿泵組成，并使套管與平臺(tái)脫離。泥漿泵從過濾池中吸入泥漿壓入高壓導(dǎo)管，導(dǎo)管中泥漿通過鉆桿、鉆頭（或巖芯管）被不斷壓入孔底，并和孔底被鉆頭切磨成散體狀的土粒融合，形成土粒懸浮漿液，在泥漿泵不斷送漿下，把孔底的土粒、砂土顆粒等持續(xù)地通過鉆桿外側(cè)沿孔壁和套管內(nèi)上溢，漿液帶至作業(yè)平臺(tái)并流回泥漿池經(jīng)雙層過濾后得以循環(huán)使用，泥漿回收率可達(dá)95%以上，見圖3。泥漿的循環(huán)使用，既節(jié)約了資源，又保護(hù)了勘探水域自然、生態(tài)環(huán)境。

圖3 泥漿循環(huán)回收示意圖Fig.3 M ud recycling chart

2.5 潮間帶浮體平臺(tái)

采用一種浮體單元和框架，分離式設(shè)計(jì)，平臺(tái)大小可根據(jù)需要隨意組合，立方體之間用插銷固定，快速形成一個(gè)簡(jiǎn)易勘探平臺(tái)，見圖4。浮體平臺(tái)運(yùn)輸便利、安裝簡(jiǎn)便、移動(dòng)快速、成本低廉，是可重復(fù)利用的非自航式水陸兩用勘探平臺(tái)[16]，適用于海灘、漲落潮區(qū)域、近岸水域及擱淺勘探，以及河塘、水庫、河浜等勘探作業(yè)，移動(dòng)靈活，停泊便捷。

圖4 水陸兩用勘探平臺(tái)正視圖Fig.4 Amphibious exploration platform with front view

1）整個(gè)平臺(tái)利用水的浮力和浮體單元承載作業(yè)人員和勘探設(shè)備，平臺(tái)不受漲落潮影響，也不懼怕小的風(fēng)浪。

2）整個(gè)平臺(tái)表面設(shè)計(jì)考慮到勘探排水和防滑。

3）整個(gè)平臺(tái)的浮體由若干個(gè)輕質(zhì)、中空塑殼立方體拼裝組合而成，制造材料和制作成本要求低且便于運(yùn)輸，有效降低淺灘、潮間帶區(qū)域勘探成本。

4）作業(yè)平臺(tái)采用拼裝式設(shè)計(jì)，平臺(tái)大小可根據(jù)需要任意組合，立方浮體之間用插銷固定，平臺(tái)立方體可采用雙層疊加，以此大幅增加浮力。

浮體勘探平臺(tái)是單側(cè)懸臂拼裝式勘探平臺(tái)系統(tǒng)的補(bǔ)充和完善，從而克服了普通勘探平臺(tái)難以同時(shí)兼顧深水區(qū)和灘地（潮間帶）作業(yè)難題。整套系統(tǒng)的集成創(chuàng)新，降低了海上勘探成本高、易走錨等風(fēng)險(xiǎn)，并將氣候影響因素大為降低；革新了近海工程現(xiàn)有勘察技術(shù)，使勘探有效時(shí)間延長(zhǎng)30%以上；大幅提高了泥漿回收率，有效地保護(hù)了自然環(huán)境。

3 實(shí)施效果

單側(cè)懸臂勘探平臺(tái)系統(tǒng)[16]關(guān)鍵技術(shù)主要針對(duì)近海潮流、風(fēng)浪、涌浪、依托條件等復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)海上勘察安全、精度高、效率高、成本低以及保障工程建設(shè)質(zhì)量等為目標(biāo)而開發(fā)，整個(gè)系統(tǒng)同樣適用于湖泊、河流、長(zhǎng)江流域水上勘探。這些技術(shù)的開發(fā)研究依托洋山深水港區(qū)工程，該工程處于開敞海域，遠(yuǎn)離大陸30多km，海況惡劣、勘探量之大、工期之短、難點(diǎn)之多、技術(shù)要求之高在我國(guó)乃至世界近?？碧绞飞蠈?shí)屬罕見。工程勘探從2002年持續(xù)至2011年，已累計(jì)鉆孔4000多個(gè)，鉆探總進(jìn)尺達(dá)14萬m，積累了大量各類數(shù)據(jù)，取得了多項(xiàng)核心專利技術(shù)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)多項(xiàng)空白。三航院開發(fā)的整套平臺(tái)系統(tǒng)在洋山深水港區(qū)工程中得到全面應(yīng)用，工程建設(shè)質(zhì)量?jī)?yōu)良，一期到三期工程獲得各類省部級(jí)以上獎(jiǎng)項(xiàng)近20項(xiàng)，其中省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程銀獎(jiǎng)2項(xiàng)、國(guó)家優(yōu)秀勘察銀獎(jiǎng)1項(xiàng)等。

隨著我國(guó)近海資源的開發(fā)利用以及國(guó)企海外戰(zhàn)略進(jìn)一步實(shí)施，憑借這套核心技術(shù)成果，已在境內(nèi)外上百項(xiàng)工程技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中獲益，如港珠澳大橋工程（圖5），馬來西亞檳城二橋（圖6），柬埔寨西港2×50MW燃煤電廠、越南河靜鋼廠、剛果（布）等海（水）域勘察工程。系統(tǒng)性能得到全面檢驗(yàn)，如杭州灣跨海大橋工程中完成勘探孔最大入土深度為167m，完成所需時(shí)間為47 h；滬閔路—滬杭公路地方交通越江工程中完成勘探孔最大入土深度為130m，完成所需時(shí)間為35 h；馬來西亞檳城二橋工程中完成勘探孔最大入土深度為120m，完成所需時(shí)間為30 h。受國(guó)家海洋局委托，2013年實(shí)施的廈門新機(jī)場(chǎng)海砂資源開采項(xiàng)目，勘探海域位于廈門島東南側(cè)45～50 km，大金門島南側(cè)30～35 km，距離龍海望海角35 km的東海海域，水深約26～40m，鉆孔入土40m；海況風(fēng)力達(dá) 7～8級(jí)，浪高達(dá) 1～2 m，勘探水域達(dá)50 km2；船載式勘探平臺(tái)系統(tǒng)經(jīng)受了嚴(yán)峻考驗(yàn)，采用全芯原狀取樣，完成了幾十個(gè)鉆孔，取樣質(zhì)量受到監(jiān)方認(rèn)可，這是我國(guó)水運(yùn)水利行業(yè)首個(gè)200 nmile專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)海上勘探成功應(yīng)用實(shí)例。

圖5 港珠澳大橋勘探Fig.5 HK-Zhuhai-Macao Bridge exploration

圖6 馬來西亞檳城二橋勘探Fig.6 Malaysia Second Penang Bridge exploration

4 結(jié)語

集多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的船載式勘探平臺(tái)系統(tǒng)解決了海上勘探成本高、易走錨等一系列難題，并使氣候影響因素大為降低。在工程實(shí)踐中該平臺(tái)系統(tǒng)的技術(shù)性能得到了全面的應(yīng)用、檢驗(yàn)和完善，形成了一套較完整、可操作、低成本、高效益具有核心技術(shù)的近海工程勘探平臺(tái)系統(tǒng)，工程應(yīng)用前景十分廣闊。

1）集多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的“船載式勘探平臺(tái)系統(tǒng)”結(jié)合創(chuàng)新的“交叉米字分布法”等，使海上有效作業(yè)時(shí)間延長(zhǎng)約30%，生產(chǎn)效率得到極大的提高。

2）采用就地取材，將型鋼、木板、木方等平臺(tái)框架及三角鉆塔各類構(gòu)件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)（Component Design），便于集裝箱運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)拼裝組裝，從而快速形成了一個(gè)水上勘探平臺(tái)系統(tǒng)。產(chǎn)品通用性廣、重復(fù)使用，最有效地控制了勘探成本。

3）整套海上勘探平臺(tái)系統(tǒng)不僅可在灘地、海陸交界處、淺水區(qū)勘探作業(yè)，而且可滿足水深達(dá)50m以內(nèi)的深水區(qū)作業(yè)，同時(shí)滿足湖、河、江、海等各種水運(yùn)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程勘探的需要。

擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并具有中國(guó)特色的船載式勘探平臺(tái)系統(tǒng)已跨出國(guó)門走向世界，并將會(huì)在國(guó)際勘察市場(chǎng)占有一席之地。

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