油桶筏式鉆探平臺(tái)在水域工程勘察項(xiàng)目中的應(yīng)用

胡 飛，王亞鳳，夏 勇，張重皓

(湖北省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊(duì)，湖北黃石 435100)

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，各種穿越水域的工程，如鐵路、公路、橋梁、港口、碼頭等項(xiàng)目越來(lái)越多，先期進(jìn)行水域鉆探是一種必不可少的工程勘察手段。而目前工程勘察項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)激烈，掌握水上鉆探平臺(tái)的搭建和降低水上鉆探平臺(tái)成本，或大大提高勘察單位市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，是新形勢(shì)下勘察單位適應(yīng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文重點(diǎn)介紹搭建成本較低、效率較高的油桶筏式鉆探平臺(tái)在水域工程勘察項(xiàng)目中應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)。

1 工程項(xiàng)目概況

武漢—九江客運(yùn)專線鐵路大冶湖特大橋地質(zhì)勘察項(xiàng)目位于湖北省大冶市市區(qū)東約4 km處，橋長(zhǎng)5 116．345 m，其中DK93+600～DK95+750跨大冶湖湖區(qū)，DK95+750～DK96+700跨多個(gè)為魚塘，水深0．6～2．8 m。巖土層按其成因自上而下主要有:第四系人工填土層()素填土;第四系全新統(tǒng)湖泊沉積層():淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土;第四系全新統(tǒng)沖洪積層():粉質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)砂、礫砂、細(xì)圓礫土;第四系上更新統(tǒng)沖洪積層():粉質(zhì)粘土、角礫土;下伏為白堊—第三系(K-E)泥質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖、角礫巖;三疊系大冶組(T1d)灰?guī)r。

2 水域工程勘察鉆探平臺(tái)特點(diǎn)

工程勘察項(xiàng)目鉆孔設(shè)計(jì)孔深在80 m以內(nèi)，基本可滿足摩擦樁及端承樁的要求，采用鉆探能力在100 m的工程勘察鉆機(jī)均可進(jìn)行施工。主要分為油桶筏式鉆探平臺(tái)、浮船式鉆井平臺(tái)、圍堰式鉆井平臺(tái)、人工島式鉆井平臺(tái)、棧橋式鉆井平臺(tái)、腳手架式鉆井平臺(tái)等。各種鉆探平臺(tái)主要區(qū)別在于對(duì)環(huán)境的適用性、搭建的經(jīng)濟(jì)性、移動(dòng)的靈活性各不相同，并各有優(yōu)缺點(diǎn)。

照片1 油桶筏式鉆探平臺(tái)施工實(shí)物相片Photo 1 Platform construction of raft drilling of oil drum

2．1 油桶筏式鉆探平臺(tái)

適用于工作水深0．4～5 m且流速較小的水域，具有成本低、制作方便、可移動(dòng)的特點(diǎn)(照片1)。

2．2 浮船式鉆井平臺(tái)

可以用現(xiàn)有的船只進(jìn)行改裝，鉆井船的排水量從幾百噸到幾千噸不等，因而能以最快的速度投入使用，適用于水深3～30 m且通航的水域，具有成本相對(duì)較高、荷載大、安全性能高、可移動(dòng)等特點(diǎn)。

2．3 圍堰式、人工島式鉆井平臺(tái)

適用于工作水深淺、流速較慢的水域。在大規(guī)模鉆孔施工中有一定優(yōu)勢(shì)，施工勘察階段鉆孔較密時(shí)具有成本與效率優(yōu)勢(shì)和承載力較大的特點(diǎn)。

2．4 棧橋式鉆井平臺(tái)、腳手架式鉆井平臺(tái)

適用于工作水深淺、鉆孔距堤岸較近的水域，具有成本相對(duì)較高，不可移動(dòng)的特點(diǎn)。

而大型的海上鉆探平臺(tái)，如坐底式鉆探平臺(tái)、自升式鉆探平臺(tái)、鉆井浮船和半潛式鉆探平臺(tái)等因搭建成本極高，適用于水深較深，不適用于工程勘察項(xiàng)目。

3 油桶筏式鉆探平臺(tái)設(shè)計(jì)

3．1 受力情況

垂直方向運(yùn)動(dòng):鉆探平臺(tái)在受鉆進(jìn)加減壓操作、提下鉆、原位測(cè)試試驗(yàn)、處理孔內(nèi)事故強(qiáng)力起拔時(shí)，鉆探平臺(tái)會(huì)產(chǎn)生垂直方向的力。為保證能正常生產(chǎn)，油桶筏式鉆探平臺(tái)的浮力應(yīng)該大于鉆探平臺(tái)自重及鉆機(jī)最大強(qiáng)力提拔力，且鉆探平臺(tái)在最大受力工況下不會(huì)沉入水里。

水平方向運(yùn)動(dòng):鉆探平臺(tái)在受到水流與風(fēng)的影響時(shí)，會(huì)產(chǎn)生水平方向的力。為保證正常生產(chǎn)，油桶筏式鉆探平臺(tái)的錨固力應(yīng)該大于水流與風(fēng)對(duì)鉆探平臺(tái)的推力。

以鉆孔為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng):鉆探平臺(tái)在正常回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、孔內(nèi)遇阻強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)、擰卸鉆桿鉆具時(shí)，會(huì)產(chǎn)生以鉆孔為中心的旋轉(zhuǎn)力矩。為保證正常生產(chǎn)，油桶筏式鉆探平臺(tái)的錨固力應(yīng)該大于水流與風(fēng)對(duì)鉆探平臺(tái)的推力。

鉆探平臺(tái)在各種工況的組合情況下還會(huì)產(chǎn)生曲面方向的撓動(dòng)，但在加強(qiáng)油桶筏整體剛性的情況下可以輕松克服。

綜合分析，鉆探平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮垂直方向的力，因鉆機(jī)功率較小，對(duì)以鉆孔為中心的旋轉(zhuǎn)力矩可以不予考慮，而水流與風(fēng)所產(chǎn)生的水平方向力是變化的，當(dāng)有大風(fēng)等惡劣天氣時(shí)做好提前預(yù)警，鉆探平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)主要考慮平臺(tái)的垂直承載力。

3．2 自重分析

搭建油桶筏式鉆探平臺(tái)的材料主要由油桶、竹跳板、鋼管、連接扣件等組成，重量見表1。

3．3 浮力計(jì)算

根據(jù)阿基米德原理，浸在液體里的物體受到向上的浮力，浮力大小等于物體排開液體所受重力，即F浮=G液排=ρ液gV排。

表1 油桶筏式鉆探平臺(tái)、鉆探設(shè)備、工具、人員自重表Table 1 Deadweight of raft drilling platform of oil drum，drilling equipment，tool and personnel

式中:ρ液表示液體的密度;V排表示物體排開液體的體積;g為重力加速度，取9．8。

當(dāng)物體上浮時(shí)，F(xiàn)?。綠物且 ρ物＜ ρ液;

當(dāng)物體下沉?xí)r，F(xiàn)?。糋物且 ρ物＞ ρ液;

當(dāng)物體懸浮時(shí)，F(xiàn)浮=G物且 ρ物=ρ液。

為滿足《巖土工程勘察安全規(guī)程》(GB50585—2010)水上鉆探安全規(guī)定［1］，計(jì)算在最大荷載情況下，鉆探平臺(tái)處于上浮的狀態(tài)所需的最少油桶數(shù)。計(jì)算根據(jù)表1所列的搭建平臺(tái)及鉆探平臺(tái)設(shè)備、工具、人員自重表，鉆機(jī)為長(zhǎng)沙探礦機(jī)械廠GY-150型鉆機(jī)，其升降機(jī)提升力24 kN，油缸最大上頂力30 kN。處理強(qiáng)力提拔不良最大工況取30 kN。

式中:Vmix桶為滿足正常安全生產(chǎn)要求的最少油桶數(shù);G物為油桶筏式鉆探平臺(tái)自重=鉆探平臺(tái)設(shè)備、工具、人員自重=35．427 kN;G不良為最大不良工況下上拔力30 kN取值;210=單個(gè)油桶的體積為0．21 m3，浮力為210 kg;g 為重力加速度，取9．8 m/s2。

經(jīng)計(jì)算，最小油桶數(shù) Vmix桶為31．79個(gè)，即最少油桶數(shù)不少于32個(gè)時(shí)，豎向承載力剛好略大于總重力+鉆機(jī)立軸最大上拔力，油桶筏式鉆探產(chǎn)生的上浮力基本滿足正常安全生產(chǎn)的要求［2］。因此，在搭建鉆探平臺(tái)時(shí)，還要考慮鉆探平臺(tái)的左右平衡，油桶數(shù)應(yīng)該為2的整數(shù)倍，組合油桶數(shù)應(yīng)該在32個(gè)以上?？紤]地層等其它因素，本次勘察采用36個(gè)油桶完全符合《巖土工程勘察安全規(guī)程》(GB50585—2010)水上鉆探安全規(guī)定。

3．4 載荷安全系數(shù)計(jì)算

油桶筏式鉆探平臺(tái)荷載的類型主要分為靜、動(dòng)、偶然載荷等，參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2001)，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載效應(yīng)組合，并取最不利的效應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，油桶筏式鉆探平臺(tái)荷載按規(guī)范安全系數(shù)取1．4。

經(jīng)計(jì)算，采用36個(gè)油桶的鉆探平臺(tái)總浮力為74．088 kN，鉆探平臺(tái)、整套設(shè)備、工具及人員總重力為35．427 kN，其安全系數(shù)為2．09滿足規(guī)范要求。

4 鉆探平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆探平臺(tái)共由36個(gè)油桶組成，其中橫向4個(gè)一排，縱向9個(gè)，搭建成6(寬)m×9(長(zhǎng))m的長(zhǎng)方形鉆探平臺(tái)，總面積54 m2，符合鉆探場(chǎng)地的平面要求(圖1、圖2)。

圖1 油桶筏式鉆探平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure diagram of raft drilling platform of oil drum

5 鉆探平臺(tái)搭建

5．1 按地層確定油桶數(shù)量

搭建鉆探平臺(tái)首先要確定油桶個(gè)數(shù)，對(duì)于沖洗液

圖2 油桶筏式鉆探平臺(tái)剖面圖Fig．2 Profile of raft drilling platform of oil drum

中巖粉較細(xì)或能自行造漿的地層，如粘性土、灰?guī)r、大理巖、白云巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等地層，不易發(fā)生卡埋鉆事故，選32～36個(gè)油桶就能滿足工程勘察要求。對(duì)于沖洗液中巖粉顆粒較粗或強(qiáng)風(fēng)化層較厚的地層，如砂礫層、花崗巖、片麻巖、閃長(zhǎng)巖、矽卡巖等地層，易發(fā)生掉塊卡埋鉆事故，選36個(gè)以上油桶基本就能滿足工程勘察要求。

5．2 油桶筏鉆探平臺(tái)綁扎

首先在岸上綁扎橫向油桶，將油桶每間隔40 cm擺放8個(gè)，上下各放置一根6 m長(zhǎng)的鋼管，采用8#鐵絲固定，綁扎油桶時(shí)有油桶蓋的一面朝上。所有綁扎好的油桶間隔按圖1所示，在每條橫向油桶上垂直軸線放置2根鋼管，采用扣件與橫向鋼管固定，在上面均勻鋪上竹跳板，預(yù)留好鉆孔位置，然后采用鐵絲將每塊竹跳板與鋼管固定，檢查油桶筏綁扎無(wú)誤后將油桶筏推入水中。油桶筏初步搭建好后，將鉆探設(shè)備等抬上鉆探平臺(tái)，再安裝安全防護(hù)欄與防護(hù)網(wǎng)，安全防護(hù)欄與防護(hù)網(wǎng)要比鉆探平臺(tái)高出1．0 m，拉上醒目的彩色警示條，懸掛安全生產(chǎn)警示標(biāo)牌和救生器材，全部準(zhǔn)備工作做好后可將油桶筏鉆探平臺(tái)移至預(yù)定孔位。

5．3 定位測(cè)量與錨泊

鉆孔定位可采用全站儀或GPS進(jìn)行定位測(cè)量，孔位定好后將套管砸入淤泥中，將油桶筏鉆探平臺(tái)四周插入鋼管錨定，并將錨固鋼管與油桶筏上的鋼管采用扣件固定，油桶筏鉆探平臺(tái)四角采用繃?yán)K固定。

5．4 運(yùn)輸筏制作

油桶筏鉆探平臺(tái)移至孔位后，為保證人員、鉆探材料、樣品、巖心等運(yùn)輸，必須制作運(yùn)輸筏。運(yùn)輸筏可采用3～4個(gè)油桶進(jìn)行制作，承載力為540～720 kg，運(yùn)輸筏大小可按2 m×2 m進(jìn)行搭建，可一次性運(yùn)輸3人。

6 施工中應(yīng)注意的細(xì)節(jié)

(1)水域鉆探施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大，施工前一定要對(duì)施工人員進(jìn)行安全培訓(xùn)與安全交底。開工前要進(jìn)行安全隱患排查，所有施工人員必須戴安全帽外，還應(yīng)該穿救生衣，進(jìn)場(chǎng)人員必須購(gòu)買意外傷害保險(xiǎn)，水域鉆探施工不得用電［3］。

(2)水域鉆探施工要根據(jù)設(shè)計(jì)孔深考慮油桶數(shù)量。通過(guò)計(jì)算，孔深40 m時(shí)，正常情況下有32個(gè)油桶即可;孔深增加至80 m時(shí)，鉆桿增加重量約200 kg，選36個(gè)油桶可滿足工程勘察要求。

(3)油桶筏鉆探平臺(tái)搭建好后，應(yīng)嚴(yán)格控制其重量的大幅增加，如上鉆探平臺(tái)的人員大幅增多，巖心的不斷增加等。對(duì)于鉆探平臺(tái)上的人員，要嚴(yán)格控制在6人以下;對(duì)鉆取的巖心，擺滿1箱后應(yīng)及時(shí)用運(yùn)輸筏運(yùn)送到岸上進(jìn)行擺放，要盡量減少油桶筏鉆探平臺(tái)上的重量，確保安全。

(4)水域工程勘察鉆探施工沖洗液通常采用清水，沖洗液排放為直排，鉆探?jīng)_洗液對(duì)水體無(wú)化學(xué)污染，但養(yǎng)殖有魚苗、蝦的池塘，水質(zhì)要求較高，施工前應(yīng)與養(yǎng)殖戶簽署水域勘察施工協(xié)議，規(guī)避可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

(5)施工若要采用泥漿鉆探時(shí)，應(yīng)采用泥漿循環(huán)鉆進(jìn)，嚴(yán)禁直排，鉆孔完成后，將循環(huán)泥漿運(yùn)出處理。

(6)鉆孔完成后，要認(rèn)真做好封孔工作，對(duì)于有溶洞的鉆孔，尤其要做好封孔工作，防止?jié)O塘、藕塘水通過(guò)鉆孔大量漏入地下，造成不必要的經(jīng)濟(jì)糾紛與損失。

(7)開工前應(yīng)檢查機(jī)械設(shè)備情況，嚴(yán)禁發(fā)生油污泄漏，施工時(shí)應(yīng)在鉆機(jī)底部墊一層吸水的毛氈，用于防止鉆機(jī)卡盤，卷?yè)P(yáng)機(jī)、變速箱、柴油機(jī)等部位發(fā)生柴油或潤(rùn)滑油泄漏。

(8)要注意收聽天氣預(yù)報(bào)，當(dāng)有大風(fēng)、暴雨等惡劣天氣時(shí)要提前預(yù)警，必要時(shí)要停止生產(chǎn)，并將油桶筏鉆探平臺(tái)拖到安全位置固定好。

7 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐表明，該項(xiàng)目共搭建油桶筏式鉆探平臺(tái)3個(gè)，同時(shí)上鉆機(jī)3臺(tái)，共施工水上鉆孔44孔1 513．2 m，平均孔深34．39 m，最深鉆孔46．4 m，采用油桶搭建鉆探平臺(tái)成本低，效率高，安全性與穩(wěn)定性較好，在武九鐵路大冶湖特大橋水上地質(zhì)勘察項(xiàng)目應(yīng)用中是成功的。

［1］ 任良治．汛期江上工程鉆探施工實(shí)踐［J］．探礦工程，2010，37(9):58-60．

［2］ 王維獻(xiàn)．地鐵工程勘察水域鉆探油桶筏式鉆探平臺(tái)的設(shè)計(jì)與安全保障措施［J］．探礦工程，2015，42(4):40-43．

［3］ 王德強(qiáng)．巖土工程勘察外業(yè)工作的技術(shù)與措施［J］．探礦工程，2014，41(5):69-71．