海底巖石靜態(tài)處理技術(shù)研究

李 明 李 碩 崔志云 邵 斌 劉憑正 韓 影

中國(guó)石油管道局工程有限公司 天津 300272

隨著國(guó)家海洋開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的不斷擴(kuò)大，海洋工程逐漸增多，尤其是海洋管道工程建設(shè)不斷增加。然而，海洋管道下海點(diǎn)常常屬于山體的延伸，因此管線(xiàn)下海一定范圍內(nèi)伴有大量的基巖。管道鋪設(shè)之前，必須對(duì)其進(jìn)行處理，形成管溝，以便進(jìn)行管道埋設(shè)、保護(hù)。但是，隨著國(guó)家對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)的日趨嚴(yán)格，再加上部分海域近海點(diǎn)處存在大量的海洋生物養(yǎng)殖，要求基巖處理時(shí)必須做好保護(hù)措施，不能影響海洋生物的生長(zhǎng)。傳統(tǒng)的水下炸藥爆破工藝因?yàn)闀?huì)造成環(huán)境污染，影響周?chē)Ｑ笊锏酿B(yǎng)殖，已不再適用。而靜態(tài)巖石處理就是針對(duì)類(lèi)似工程的專(zhuān)用工藝。

可門(mén)海管項(xiàng)目就是典型的海底管道近岸端巖石靜態(tài)處理項(xiàng)目。海底管道登陸點(diǎn)位置山體陡峭，水下基巖眾多，屬于較破碎堅(jiān)硬巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)，其單軸飽和抗壓強(qiáng)度（Rc）推薦為67.3±20MPa。該區(qū)域鮑魚(yú)等海洋生物養(yǎng)殖眾多，且附近有野生黃花魚(yú)保護(hù)區(qū)。炸藥爆破必將造成大量的環(huán)境污染，嚴(yán)重影響鮑魚(yú)等海洋生物的生長(zhǎng)。這就要求必須使用靜態(tài)破除的方式進(jìn)行水下基巖處理，以減少對(duì)海洋環(huán)境的影響。

1 靜態(tài)破除

靜態(tài)破除也稱(chēng)物理破除，是采用抓斗挖泥船配備鑿巖棒構(gòu)成鑿巖系統(tǒng)進(jìn)行施工的工藝。其硬件設(shè)備包括抓斗挖泥船、鑿巖棒和平板船等；軟件包括DGPS 定位系統(tǒng)軟件、Hypack 測(cè)量軟件和疏浚工程電子顯示系統(tǒng)等。

2 施工工藝

靜態(tài)破除工藝主要由抓斗挖泥船、鑿巖棒、鉆孔船、平板船、拋錨艇，以及DGPS 定位系統(tǒng)和電子顯示計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。

2.1 平面控制點(diǎn)檢驗(yàn)

將DGPS 天線(xiàn)放到各個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把采集到的數(shù)據(jù)用XYPLOT 軟件進(jìn)行處理；然后將處理得到的平面坐標(biāo)與控制點(diǎn)已知坐標(biāo)進(jìn)行比較，來(lái)驗(yàn)證平面控制點(diǎn)，以保證其誤差符合《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》要求。

2.2 施工區(qū)平面控制點(diǎn)的布設(shè)

按照施工要求，對(duì)待施工區(qū)域進(jìn)行劃分。各施工區(qū)選用最佳的定位控制點(diǎn)控制整個(gè)施工區(qū)。施工船定位采用GPS 定位系統(tǒng)，接收離工程施工區(qū)最近的差分站發(fā)射的固定頻率數(shù)據(jù)鏈，以此作為定位的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，精度為±1～3m。

施工測(cè)量定位系統(tǒng)工作流程如圖1 所示。

圖1 施工測(cè)量定位系統(tǒng)工作流程

3 施工方法

施工前，責(zé)任方主體必須進(jìn)行各種手續(xù)辦理，然后再開(kāi)展相關(guān)工作。

3.1 船體定位

考慮到工程本身水域受限，且施工過(guò)程干擾較大，周邊有海洋生物養(yǎng)殖及水下礁盤(pán)等影響船舶拋錨。因此，需要在岸上設(shè)置地錨，船舶采用一字錨，以減少水域使用面積。

3.2 鉆孔船及抓斗挖泥船選擇

水下巖石靜態(tài)處理需要采用鉆孔船進(jìn)行鉆孔（鉆孔船鉆機(jī)為移動(dòng)式高風(fēng)壓鉆機(jī)，鉆孔效率高），鉆孔船上配4 臺(tái)鉆機(jī)，以加快鉆孔速度?？拙嗯c排距按40cm×40cm控制，鉆機(jī)鉆頭為129mm，超深1.5m，超寬2m。抓斗挖泥船配有30t 以上的重斗，斗容至少8m3。

3.3 鑿巖棒選擇

鑿巖棒選擇主要根據(jù)水下巖石形態(tài)、巖層的厚度和船舶設(shè)備的起重能力，并兼顧施工成本等因素。一般情況下，巖塊硬度較大，巖層較厚時(shí)應(yīng)采用重量較大的鑿巖棒進(jìn)行施工；巖層厚度較薄、巖石強(qiáng)度不大，并且只需鑿一次就可以達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí)，可選用重量較小的鑿巖棒施工。

鑿巖棒前端為斧頭形狀，因此對(duì)較大面積的巖盤(pán)有較好的效果。這種鑿巖棒一般頭部?jī)蓚?cè)呈楔形，并以弧形流線(xiàn)向鑿巖棒中上部過(guò)渡，最后轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷⑹健＿@種形狀有利于鑿巖棒的能量只向兩個(gè)方向傳遞，增加對(duì)巖土的破壞作用，并且在鑿巖棒嵌入巖土過(guò)深時(shí)可減少棒身側(cè)向的摩擦阻力，使鑿巖棒更易提起來(lái)。詳見(jiàn)圖2。

2.4.5 血清樣本中游離脂肪酸含量測(cè)定 取大鼠血清樣本50 μL，按“2.4.2”項(xiàng)下方法預(yù)處理，并按“2.4.3”項(xiàng)下色譜與質(zhì)譜條件進(jìn)樣測(cè)定，再按標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)法計(jì)算其中游離脂肪酸含量。

4 工程施工

工程施工中，使用鉆孔船進(jìn)行鉆孔。鉆孔船上配4臺(tái)液壓潛孔鉆機(jī)，鉆機(jī)鉆頭直徑為129mm，鉆孔船上配有GPS 導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

圖2 斧頭型鑿巖棒

鉆孔船進(jìn)場(chǎng)后先在合適的位置拋下尾錨，尾錨選擇的位置應(yīng)當(dāng)不影響后續(xù)抓斗船的拋錨、鑿巖和清礁等工作，盡可能降低交叉干擾，盡可能在不移動(dòng)尾錨的前提下將施工區(qū)域的鉆孔全部完成。由于近岸作業(yè)，鉆孔船的前錨綁在事先在岸上預(yù)埋好的地錨上，形成前后一字錨，保證施工安全及效率。

鉆孔船鉆孔進(jìn)行到一定階段時(shí)，抓斗船進(jìn)場(chǎng)。抓斗船安裝35t 斧型鑿巖棒，錘面焊齒，開(kāi)始從海側(cè)向岸按照一定的施工順序進(jìn)行錘擊破碎已鉆孔區(qū)域。

鉆孔鑿巖過(guò)程中，一定要注意布點(diǎn)的間距。布點(diǎn)間距要綜合考慮鑿巖棒的大小、形狀，以及巖盤(pán)的層厚及硬度。一般情況下，鑿巖棒的布點(diǎn)距離控制在斧頭型鑿巖棒厚度的1.5～2 倍左右。同時(shí)，要注意以下問(wèn)題：

（1）詳細(xì)了解分析巖層分布、潮流方向和大小，以及風(fēng)向、風(fēng)力等因素，再確定施工操作方法。

（2）備主機(jī)以及相關(guān)機(jī)電設(shè)備，確認(rèn)操作氣壓表的空氣壓力；暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器、減速機(jī)和各鼓筒無(wú)異常響聲和振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣顏色有無(wú)異常，燃油、潤(rùn)滑油、油壓工作油、冷卻水和操作氣體等有無(wú)泄漏現(xiàn)象。

（3）查驗(yàn)GPS 定位電子顯示系統(tǒng)上的方位數(shù)據(jù)及施工區(qū)數(shù)據(jù)；檢查操作臺(tái)上所有指示燈是否正常（報(bào)警指示燈全部熄滅），以及控制開(kāi)關(guān)所處位置狀態(tài)是否符合碎巖操作；檢查各操作儀表指示值是否在正常范圍。

（5）根據(jù)計(jì)算機(jī)屏幕的施工畫(huà)面，將鑿巖棒吊至開(kāi)鑿點(diǎn)位置（根據(jù)水流急緩程度和方向等因素進(jìn)行位置的微調(diào)）；扳動(dòng)手柄，松脫離合器，鑿巖棒自由落下。

（6）注視儀表顯示的落下深度，在撞擊底巖前的適當(dāng)距離及時(shí)制動(dòng)（制動(dòng)時(shí)間、距離與提棒高度有關(guān)，高度越高，則制動(dòng)越早）。

（7）觀察鑿巖棒撞擊底巖后吊纜的松出狀態(tài)，以便根據(jù)情況對(duì)制動(dòng)的深度值進(jìn)行調(diào)整，避免出現(xiàn)鋼絲過(guò)度松出或者過(guò)度繃緊的現(xiàn)象；手柄扳至離合器合上位置，起吊鑿巖棒，一般（必須）將鑿巖棒吊起露出水面，以便觀察棒體和連接鋼絲的狀況。

（8）根據(jù)GPS 導(dǎo)航畫(huà)面和儀表指示，旋轉(zhuǎn)（起伏）吊臂至下一個(gè)鑿巖布點(diǎn)。

（9）與集控室保持聯(lián)系，根據(jù)施工位置的變化情況進(jìn)行船位移動(dòng)。

5 鑿巖沖擊能計(jì)算

假設(shè)沖擊錘錘巖時(shí)，從巖層上20m 處自由落下撞擊巖石，其動(dòng)能通過(guò)公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：E——沖擊錘自由落體撞擊巖石的動(dòng)能；

m——物體的重量；

g——重力加速度；

h——沖擊錘的落高。

根據(jù)項(xiàng)目擬選用的各設(shè)備重量和高度等信息，計(jì)算確定E 為784 萬(wàn)J。

1m3空氣的壓力為0.1MPa，其能量為10 萬(wàn)J。因此，784 萬(wàn)J 能量可以產(chǎn)生7.84MPa 的壓力，即沖擊錘從20m 落下撞擊巖石產(chǎn)生的壓力為7.84MPa。

1kg 的TNT 炸藥爆破產(chǎn)生的能量為419 萬(wàn)J。40t型重鑿巖棒從20m 處落下撞擊巖石產(chǎn)生的能量為784萬(wàn)J，相當(dāng)于1.87kg 的TNT 炸藥爆破產(chǎn)生的能量。

圖3 鑿巖棒自由落體示意圖

圖4 抓斗船采用鑿巖棒水下作業(yè)圖

6 總結(jié)

隨著海洋工程的不斷增多，海洋環(huán)境保護(hù)的要求日趨嚴(yán)格，靜態(tài)巖石處理必將成為未來(lái)海洋巖石處理的主要施工方式。該工藝的應(yīng)用，將為后續(xù)更多環(huán)保要求高的區(qū)域水下巖石處理提供參考。