深谷河床水上鉆探平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張成志 武相林 辛志相

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司地質(zhì)勘探院，河南 洛陽 471002)

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深谷河床水上鉆探平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張成志 武相林 辛志相

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司地質(zhì)勘探院，河南 洛陽 471002)

結(jié)合某工程實(shí)際情況，通過對(duì)不同鉆探平臺(tái)設(shè)計(jì)方法的比選，采用鋼索吊橋鉆探平臺(tái)與鋼結(jié)構(gòu)鉆探平臺(tái)組合的方案搭建平臺(tái)，計(jì)算分析了鉆探平臺(tái)工字鋼彎矩及平臺(tái)承載力，并對(duì)平臺(tái)方案的實(shí)施及其施工要點(diǎn)進(jìn)行了闡述，結(jié)果表明該平臺(tái)設(shè)計(jì)方案獲得了良好的應(yīng)用效果。

水上鉆探平臺(tái)，鋼梁結(jié)構(gòu)，承載力，應(yīng)用效果

0 引言

水上鉆探又稱水域鉆探，一般根據(jù)不同水域、不同工程類型、不同施工要求，按照經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便、適用、安全的原則，并綜合考慮各種影響因素選擇合適的鉆探平臺(tái)。通常有漂浮鉆探平臺(tái)和架空式鉆探平臺(tái)[1，2]。漂浮式鉆探平臺(tái)主要有單體鉆船平臺(tái)、雙體鉆船平臺(tái)、浮筒式鉆探平臺(tái)等，對(duì)于在海上鉆探還有液壓式鉆探平臺(tái)、底座浮動(dòng)式鉆探平臺(tái)等；架空式鉆探平臺(tái)主要有木籠基腳鉆探平臺(tái)、鋼結(jié)構(gòu)鉆探平臺(tái)和索橋鉆探平臺(tái)等[3，4]。每個(gè)平臺(tái)各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，通常情況下，單一的某種鉆探平臺(tái)就可以滿足需求，但在特殊條件下有些時(shí)候需要選擇兩種甚至三種復(fù)合型水上鉆探平臺(tái)才能滿足鉆探要求。

1 工程概況

該工程地理位置特殊，河谷深切約200 m，寬度僅30 m，河面狹窄，突石暗礁遍布，河水位和流速變化大，枯水期河底深淺不一，不具備行船條件。兩個(gè)河床鉆孔孔深為300 m，施工期預(yù)計(jì)要與汛期重合。鉆探物資只能通過鋼絲繩索道從山谷上部運(yùn)輸至峽谷底部轉(zhuǎn)換場(chǎng)地，然后爆破修路運(yùn)送至鉆孔位置。

2 鉆探平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 鉆探平臺(tái)分析

單體船平臺(tái)?？梢允悄敬蜩F皮船，主要用于淺水區(qū)，水位變化不大，流速平穩(wěn)的情況下鉆探，比較適合池塘、庫區(qū)鉆探，通常鉆孔深度較淺，一般不超過100 m。主要優(yōu)點(diǎn)是搭建容易，在水中移動(dòng)靈活。

雙體船平臺(tái)。主要用于河水較深，流速快，波浪大，鉆孔較深，地層復(fù)雜以及地質(zhì)要求孔徑大的工程地質(zhì)勘探。

浮筒式鉆探平臺(tái)。通常是將油桶按照一定組合固定放置在鋼結(jié)構(gòu)框架內(nèi)，輔助以木板形成鉆探平臺(tái)。優(yōu)點(diǎn)是材料來源廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，搭建簡(jiǎn)單，適用范圍廣[5]。

鋼結(jié)構(gòu)鉆探平臺(tái)可用在河谷狹窄、水利湍急、山洪水頭高河段，通過各類鋼材料管件組合、錨固、焊接形成跨河面的平臺(tái)，根據(jù)河面跨度可選擇是否增加平臺(tái)支撐樁。適合鉆孔較深、工期較長(zhǎng)的水上作業(yè)。一般成本較高、搭建較慢。

索橋鉆探平臺(tái)多用在河谷狹窄、水流湍急、山洪水頭高的河段，通過鋼絲繩將鉆探平臺(tái)吊裝起來。設(shè)計(jì)施工均較為麻煩，且要按照相關(guān)規(guī)定上報(bào)和檢查驗(yàn)收。

本工程工區(qū)河谷狹窄、水流急、水位變化大、突石暗礁遍布、不能行船、設(shè)備運(yùn)輸困難。鉆孔設(shè)計(jì)孔深300 m，要求配合物探、地質(zhì)實(shí)施大量水文地質(zhì)試驗(yàn)，工期預(yù)計(jì)與當(dāng)?shù)匮雌诮徊妗＞C合分析各類客觀因素，我們最終選擇鋼索吊橋鉆探平臺(tái)與鋼結(jié)構(gòu)鉆探平臺(tái)組合的方案搭建平臺(tái)。

2.2 鉆探平臺(tái)結(jié)構(gòu)

鉆探平臺(tái)高出水面5 m以應(yīng)對(duì)汛期水位抬升。水上鉆探平臺(tái)主體由工字鋼、槽鋼鉚接、焊接而成橫跨于河面上，平臺(tái)兩端的工字鋼分別坐落在兩岸的人工平臺(tái)上，且用數(shù)根φ28 mm螺紋鋼作為地錨與工字鋼焊接在一起固定整個(gè)平臺(tái)。平臺(tái)上面鋪設(shè)木板，下面安裝支撐樁，形成鋼結(jié)構(gòu)支撐樁平臺(tái)。

通過鋼絲繩連接平臺(tái)與兩岸山體形成鋼索吊橋結(jié)構(gòu)(見圖1，圖2)。

2.3 平臺(tái)受力分析

2.3.1 鉆探平臺(tái)上所有設(shè)備器材重量

根據(jù)計(jì)算運(yùn)行期間鉆探工具器材G1、生產(chǎn)人員G2、平臺(tái)本身重量G3，XY-2型鉆機(jī)的最大提升力為G4=40 kN。當(dāng)鉆機(jī)以最大提升力與平臺(tái)上所有設(shè)備的總重量共同作用于鉆探平臺(tái)時(shí)，作用于鉆探平臺(tái)上的最大重量為G。

G=G1+G2+G3+G4≈16 636 kg。

2.3.2 工字鋼彎矩分析

根據(jù)鉆探平臺(tái)結(jié)構(gòu)，平臺(tái)依靠4根跨河工字鋼承重，則相當(dāng)于每根工字鋼需承重：

F=(16 636 kg/4)×10 N/kg=41 590 N。

工作區(qū)域位于平臺(tái)右側(cè)，右側(cè)為平臺(tái)載荷集中區(qū)域，為簡(jiǎn)化計(jì)算，取極限值，可認(rèn)為所有載荷均作用于此部分，根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)、左岸支撐平臺(tái)及河床中兩支撐套管分布情況，得出平臺(tái)簡(jiǎn)化受力情況如圖3所示。

計(jì)算時(shí)，簡(jiǎn)化受力情況，認(rèn)為載荷平均分布于受力區(qū)域，受力區(qū)域載荷與其長(zhǎng)度成正比，故只需校核b區(qū)域即可。b區(qū)域承受載荷Fb：

Fb=F×4/(3.5+4+4+4)≈10 733 N。

則b區(qū)域每根工字鋼所承受最大彎矩為：

Wmax=Fb×L=10 733 N×4 m=42.92×103N·m。

查表32Q熱軋輕型工字鋼的橫截面積Wz=566.5 cm3。

故b區(qū)域工字鋼所承受的彎曲應(yīng)力：

σmax=Wmax/Wz=42.92×103N·m/(566.5×10-6)=75.6 MPa。

查得325號(hào)鋼的容許彎曲應(yīng)力σ=120 MPa～190 MPa。

σmax<σ。

根據(jù)計(jì)算，鉆探平臺(tái)工字鋼的極限彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)小于工字鋼本身的容許彎曲應(yīng)力，因此，鉆探平臺(tái)的安全系數(shù)較高，完全可以滿足生產(chǎn)需要。

2.3.3 平臺(tái)承載力分析

工作區(qū)域位于平臺(tái)右側(cè)，右側(cè)為平臺(tái)載荷集中區(qū)域。按照極限分析法，可認(rèn)為作用于鉆探平臺(tái)上的最大重量為G，全部作用在右側(cè)平臺(tái)上。先不考慮支撐樁的支撐作用，首先分析右側(cè)的6根φ20 mm鋼絲繩對(duì)平臺(tái)向上的拉力，平臺(tái)承載力分析可參考圖3。

右岸鋼索在山體上的錨固點(diǎn)離平臺(tái)的高差約為h，鋼索與平臺(tái)之間的角度為β，φ20 mm鋼絲繩的抗拉斷力為F1。右岸平臺(tái)上下游共6根鋼絲繩，角度分別為β1，β2，…，β5，β6，角度均大于45°，可全部按照45°計(jì)算。高差h=25 m，抗拉斷力F1約為200 kN，則6根鋼絲繩對(duì)平臺(tái)向上的極限拉力F可通過三角函數(shù)計(jì)算。

F=6×F1×sinβ=6×200 kN×sin45°=848.5 kN。

作用于鉆探平臺(tái)上的最大重量為G=16 636 kg，最大負(fù)荷為F負(fù)，F(xiàn)負(fù)=10G≈166.36 kN。

F≈5F負(fù)。

根據(jù)承載力分析結(jié)構(gòu)，鉆探平臺(tái)的安全系數(shù)很高，完全可以滿足生產(chǎn)需要。

3 平臺(tái)方案的實(shí)施

3.1 修兩岸平臺(tái)、搭架子管

在兩岸通過開鑿、爆破、預(yù)埋錨樁、水泥澆筑等方式，在崖壁基巖上修建約4 m寬，2 m長(zhǎng)的平臺(tái)。平臺(tái)修建完成后，使用φ42 mm架子管搭建腳手架框架。腳手架只是在搭建鉆探平臺(tái)初期起到支撐鋼梁的作用，同時(shí)為搭建平臺(tái)提供工作面。

汛期時(shí)，河水流速增加、雜草樹枝等漂浮物眾多，為避免腳手架框架產(chǎn)生的水阻作用影響平臺(tái)穩(wěn)定，腳手架不能作為平臺(tái)的永久支撐。平臺(tái)搭建完成后，需全部拆除。

3.2 鋪設(shè)鋼梁

首先將7根14b槽鋼鋪設(shè)在腳手架上，槽鋼根據(jù)平臺(tái)載荷分布情況鋪設(shè)，安置鉆機(jī)等承載較大區(qū)域槽鋼鋪設(shè)相對(duì)稠密。然后在7根槽鋼上鋪設(shè)橫跨于河面的20a工字鋼，4根工字鋼在孔位兩側(cè)4 m寬度內(nèi)對(duì)稱鋪設(shè)。

現(xiàn)場(chǎng)使用的工字鋼長(zhǎng)度均為6 m，需5根對(duì)接在一起才能橫跨河面搭接在兩岸平臺(tái)上。

3.3 搭建鋼索吊橋結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)搭建完畢后,使用φ20 mm鋼絲繩一端連接在鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上，一端錨固在平臺(tái)上方兩岸山體上，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)形成斜拉的效果。平臺(tái)右側(cè)為荷載集中區(qū)域連接6根鋼絲繩，分布在平臺(tái)的兩側(cè)，上下游各3根。平臺(tái)左側(cè)連接2根鋼絲繩起到輔助作用，上下游兩側(cè)各1根。

使用φ20 mm鋼絲繩2根,一端連接鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，一端錨固在平臺(tái)側(cè)方兩岸山體上，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)形成側(cè)拉的效果。最終形成鋼索吊橋與鋼結(jié)構(gòu)相結(jié)合的鉆探平臺(tái)。鋼索吊橋結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,圖2。

3.4 打入厚壁套管，支撐平臺(tái)

使用鉆機(jī)在鉆孔孔位及孔位左側(cè)3.5 m處各打入φ168 mm厚壁套管，套管打入基巖至少0.5 m，形成鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的支撐樁。

4 應(yīng)用效果

根據(jù)項(xiàng)目最終確定的河床孔鉆探平臺(tái)搭建方案，兩個(gè)鉆探平臺(tái)在預(yù)期內(nèi)完成搭建工作，并投入使用。

該平臺(tái)綜合利用了鋼索吊橋平臺(tái)及鋼結(jié)構(gòu)支撐平臺(tái)特點(diǎn)，保證了在鉆孔施工期間平臺(tái)的穩(wěn)定性。施工期間河水?dāng)?shù)次漲水，均未對(duì)水上作業(yè)造成任何影響。確保了河床孔鉆探任務(wù)在規(guī)定工期內(nèi)順利完成，提供了寶貴的地質(zhì)及水文資料。

5 結(jié)語

水利水電勘探作業(yè)區(qū)絕大部分位于交通不便，施工環(huán)境惡劣的地區(qū)?？碧饺蝿?wù)難度大，工期緊，不同的項(xiàng)目都有其不同的特點(diǎn)和難點(diǎn)，如何在保證質(zhì)量和安全的前提下合理選擇施工方案以達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本，是水利水電勘探行業(yè)一直在努力的方向。

本次勘探工作水上孔施工的制約因素很多，許多使用組建簡(jiǎn)潔便利、使用效果良好的平臺(tái)方案無法實(shí)施。在現(xiàn)有條件下，我們選用的這個(gè)方案未必是最優(yōu)的，希望對(duì)水利水電勘探同行們?cè)谔厥猸h(huán)境下水上孔施工作業(yè)有一定的借鑒意義。

[1] 王 達(dá)，何遠(yuǎn)信.地質(zhì)鉆探手冊(cè)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2014.

[2] 鄭長(zhǎng)斌.常規(guī)工程勘察水上鉆探實(shí)用安全技術(shù)[J].資源與環(huán)境工程，2014(7)：80-81.

[3] 李尚華.淺談水上鉆探[J].甘肅水利水電技術(shù)，2002，38(2)：133-135.

[4] 王 珊.巖土工程新技術(shù)實(shí)用全書[M].長(zhǎng)春：銀聲音像出版社，2004.

[5] 王丹彤.“汽油桶筏”在水上鉆探中的應(yīng)用[J].山東國(guó)土資源，2014，30(7)：58-61.

Design and application of over-water drilling platform of deep-valley riverbed

Zhang Chengzhi Wu Xianglin Xin Zhixiang

(GeologicalExplorationInstitute,TheYellowRiverSurvey&PlanningDesignCo.,Ltd,Luoyang471002,China)

Combining with the actual engineering conditions, through comparing different drilling platform design methods, the paper establishes the platform by integrating steel cable hoisting bridge drilling platform with steel structure drilling platform composite scheme, calculates and analyzes the platform I-shape steel bending moment and the platform bearing capacity, and describes the platform scheme implementation and construction points. Results show that: the platform design scheme achieves great application effect.

over-water drilling platform, steel-beam structure, bearing capacity, application effect

1009-6825(2016)05-0234-03

2015-12-07

張成志(1982- )，男，工程師； 武相林(1966- )，男，技師； 辛志相(1987- )，男，工程師

TV512

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