淺海塔式海上勘探平臺(tái)穩(wěn)定性技術(shù)開(kāi)發(fā)研究

羅濤LUO Tao；孔秋平KONG Qiu-ping；羅承浩LUO Cheng-hao；郭瓊玲GUO Qiong-ling

（①龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院，龍巖364012；②福建永強(qiáng)巖土股份有限公司，龍巖364000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，近年來(lái)在海上風(fēng)電、跨海大橋、人工島、海洋戰(zhàn)略設(shè)施等領(lǐng)域都有很大的突破。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)不斷遠(yuǎn)離海岸，以及水深的不斷增加，對(duì)擬建風(fēng)機(jī)樁塔基礎(chǔ)的要求也越來(lái)越高。由于受風(fēng)、浪、潮、涌等不確定因素影響，海上勘探工作的難度遠(yuǎn)超陸域及江河水域，需要提供穩(wěn)定的勘測(cè)平臺(tái)提高勘測(cè)效率，供使用者在勘測(cè)前進(jìn)行中轉(zhuǎn)和準(zhǔn)備性工作，并根據(jù)海域的使用需求進(jìn)行一定程度的調(diào)節(jié)。

海上勘探平臺(tái)是近海工程勘察作業(yè)的基礎(chǔ)平臺(tái)，原位測(cè)試及深巖取樣都要在平臺(tái)上進(jìn)行作業(yè)，平臺(tái)的穩(wěn)定性直接影響著作業(yè)的質(zhì)量。目前有船載平臺(tái)和塔架式平臺(tái)兩種常用于勘探作業(yè)。船載平臺(tái)受風(fēng)浪的影響很大，在原位測(cè)試時(shí)很難保證作業(yè)工況。塔式平臺(tái)基礎(chǔ)底座著底海床上，相對(duì)船載式平臺(tái)有更好的穩(wěn)定性，能有有效獲取原狀土樣和原位測(cè)試參數(shù)。但相對(duì)于船載平臺(tái)，塔式平臺(tái)的作業(yè)率低，轉(zhuǎn)場(chǎng)繁瑣，底座和海床的起伏有沖突，需要進(jìn)行深入研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 船載勘探平臺(tái)

利用工程船為基礎(chǔ)載體的勘探平臺(tái)按轉(zhuǎn)場(chǎng)動(dòng)力方式有自主航行式和拖拽式。其中自航式的勘探平臺(tái)自身帶有動(dòng)力和其他附屬設(shè)施，方便轉(zhuǎn)場(chǎng)并取消了輔助拖船和吊裝船等輔助裝備，轉(zhuǎn)場(chǎng)靈活操作方便，施工效率要高于拖拽平臺(tái)。拖拽平臺(tái)由于不具備動(dòng)力和吊裝裝備，需要拖船和吊裝船進(jìn)行輔助作業(yè)，雖然單體平臺(tái)費(fèi)用低，但總體投資費(fèi)用更高，需要利用租賃等方式進(jìn)行成本優(yōu)化，長(zhǎng)期作業(yè)成本很難控制。

船載式平臺(tái)是目前我國(guó)近海工程勘察常用的平臺(tái)方式，由于自身裝備了吊裝及其他輔助裝備，具有操作方便、轉(zhuǎn)場(chǎng)迅速且成本低的優(yōu)勢(shì)。但作為載體的船體穩(wěn)定性很差，受風(fēng)浪和氣候的影響較嚴(yán)重，在海上作業(yè)時(shí)很難保證自身穩(wěn)定性，維持穩(wěn)定的成本過(guò)高。波浪補(bǔ)償技術(shù)除了耗能大意外，難以保證平臺(tái)的絕對(duì)靜止，很難保證原狀土取樣的質(zhì)量和原位測(cè)試的效果。

1.2 塔式勘探平臺(tái)

在近海勘探技術(shù)上，歐美有很長(zhǎng)的歷史積累和技術(shù)儲(chǔ)備。①船載式定制化專用勘察平臺(tái)，如：德國(guó)“METEOR”、美國(guó)“JOIDES Resolution”、荷蘭Gusto MSC、西班牙“SUELO”等；[1]②海床貫入式平臺(tái)，依靠水下動(dòng)力設(shè)備將原位測(cè)試探頭貫入至土層中，如：荷蘭范登堡公司的ROSON海床式靜力觸探系統(tǒng)；[2]③井下貫入式平臺(tái)，依靠海洋鉆機(jī)，以鉆孔的孔底為基準(zhǔn)將原位測(cè)試探頭貫入至土層中，如：英國(guó)BGS 研制的“Rock Drill－2”、德國(guó)“Me Bo”，美國(guó)“Williamson ＆ Associates”等[4]。

國(guó)內(nèi)在海洋勘察裝備研究與制造上用于工程方面的勘察技術(shù)研發(fā)投入較低，造成：

①和國(guó)外的專業(yè)技術(shù)設(shè)備相比，我們的設(shè)備產(chǎn)品單一，專業(yè)技術(shù)儲(chǔ)備少，缺少國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力；[5]

②國(guó)內(nèi)的塔架式勘探平臺(tái)多以導(dǎo)管架式、坐底式、自升式等結(jié)構(gòu)為主，集中在資源勘察功能，尤其控制系統(tǒng)（軟件）與國(guó)外差距較大。

2 工程施工中存在的問(wèn)題分析

目前海上勘探底座往往只是通過(guò)上下基座的可調(diào)性實(shí)現(xiàn)底座范圍內(nèi)的固定，而海域不同位置的環(huán)境不同，隨著海浪、海風(fēng)的沖擊，安裝在海底的勘探底座自調(diào)平臺(tái)在橫向上受到較大的阻力，使得長(zhǎng)期用于海上的勘探平臺(tái)缺乏穩(wěn)定性，如圖1。

圖1 目前海上勘探平臺(tái)施工現(xiàn)場(chǎng)圖

另外，目前海上勘探平臺(tái)在安裝的過(guò)程中，由于海底不平，安裝容易傾斜，需要進(jìn)行多次的調(diào)試調(diào)整后才能對(duì)平臺(tái)進(jìn)行水平的安裝，安裝時(shí)間長(zhǎng)，過(guò)程繁瑣，并且平臺(tái)的安裝效果不佳，如圖2。

圖2 海上勘探平臺(tái)調(diào)平現(xiàn)場(chǎng)

3 勘探平臺(tái)創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

針對(duì)海上工程勘探技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，分析了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的勘探平臺(tái)優(yōu)劣，開(kāi)展了一系列勘探平臺(tái)技術(shù)研究與自主創(chuàng)新。本文詳細(xì)介紹用于海上勘察各類平臺(tái)創(chuàng)新設(shè)計(jì)成果及工程應(yīng)用。

為了解決勘探平臺(tái)在橫向上受到較大的阻力，缺乏穩(wěn)定性的技術(shù)問(wèn)題，利用多重穩(wěn)定機(jī)構(gòu)進(jìn)行配合，協(xié)調(diào)工作以滿足平臺(tái)穩(wěn)定性，保證勘探工作的順利實(shí)施。

由定桿、配重塊、墊板、限制桿、擋桿等構(gòu)建組成底座穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，如圖3 所示。

圖3 底座穩(wěn)定機(jī)構(gòu)配件示意圖

定桿通過(guò)鉸鏈連接在安裝塊靠近頂部的四周外壁上，并固定連接在墊板頂部外壁的四角處，配重塊套接在限制桿和擋桿的外壁上，且定桿的另一端通過(guò)鉸鏈連接在配重塊的頂部外壁上。如圖4 所示，隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)四個(gè)墊板進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，定桿支撐配重塊在墊板上下降，隨著配重塊下降，不僅降低了配重的中心，還帶動(dòng)了配重塊底部的固定釘從墊板上通孔內(nèi)穿出，深深插入海底，每一個(gè)墊板都增加了抓附力，起到了很好的穩(wěn)固作用。

圖4 底座穩(wěn)定機(jī)構(gòu)配件連接示意圖

塔身穩(wěn)定機(jī)構(gòu)包括擾流板、滑桿、連接錐、反向鉤塊、引導(dǎo)塊和拖板，擾流板滑動(dòng)連接在立架的外壁上，且擾流板的另一側(cè)與滑桿的一側(cè)外壁相連接，擾流板設(shè)置為弧面擋板結(jié)構(gòu)，且弧面擋板結(jié)構(gòu)設(shè)置為上窄下寬，而拖板等距離設(shè)置在擾流板用于正面風(fēng)浪的一側(cè)外壁上，拖板的長(zhǎng)度尺寸與擾流板的橫向尺寸一致，引導(dǎo)板設(shè)置在擾流板一側(cè)外壁的兩邊，連接錐通過(guò)鉸鏈連接在滑桿的底端，反向鉤塊等距離安裝在連接錐的一側(cè)外壁上。

隨著風(fēng)浪從各個(gè)面的沖擊，給橫向設(shè)置的擾流板一個(gè)推力，這個(gè)推力在擋板板弧面凹陷的一側(cè)被引導(dǎo)塊和拖板影響，而整個(gè)擾流板設(shè)置為上窄下寬，隨著風(fēng)浪的沖擊，橫向的力逐漸傾斜向下施壓，這壓力在立架豎直層面的限制下，逐漸擠壓滑桿向下嵌插，通過(guò)嵌插進(jìn)入海底的連接錐，保證了裝置整體豎直向下插入的更加穩(wěn)定。

圖5 塔身穩(wěn)定機(jī)構(gòu)

穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)工作關(guān)系如圖6 所示。

圖6 勘探平臺(tái)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作示意圖

4 工程應(yīng)用

塔式海上勘探平臺(tái)研究及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)主要針對(duì)近海域作業(yè)環(huán)境。

4.1 在綜合測(cè)井工程上的應(yīng)用

基于船載勘探平臺(tái)時(shí)，鉆探巖芯采取率很難滿足相關(guān)技術(shù)要求，利用我們研發(fā)的塔式平臺(tái)能很好的滿足工程需要，利用平臺(tái)的自穩(wěn)優(yōu)勢(shì)可以提高剪切波速及視電阻率的測(cè)試精度，從而有效提高劃分地層確定地層參數(shù)，并大大提高精度。

4.2 鉆探及取樣工程上的應(yīng)用

在鉆孔采樣過(guò)程中，我們的平臺(tái)有很好的穩(wěn)定性，能很好的保證巖樣、土樣的采集質(zhì)量。近海鉆孔取樣，針對(duì)淤泥質(zhì)、粉質(zhì)類粘性土，在塔式勘探平臺(tái)上可以有效利用薄壁取土器，在探井的基礎(chǔ)上采用靜壓采非擾動(dòng)土樣即Ⅰ級(jí)土樣。針對(duì)砂質(zhì)粘土，我們可以采用厚壁取土器，在塔式勘探平臺(tái)上利用錘擊法采得擾動(dòng)Ⅱ級(jí)土樣，對(duì)于擾動(dòng)土Ⅲ、Ⅳ級(jí)土樣同樣有較好的效果和實(shí)驗(yàn)取樣精度。相關(guān)操作中對(duì)比其他類平臺(tái)，我們的平臺(tái)有很好的施工穩(wěn)定性和高效率優(yōu)點(diǎn)。

4.3 原位測(cè)試中靜力觸探技術(shù)應(yīng)用

海床式靜力觸探、交替式靜力觸探及平臺(tái)式靜力觸探是目前常采用的靜力觸探模式，采用我們的平臺(tái)能很好的滿足施工需要。

利用自穩(wěn)性塔式勘探平臺(tái)平臺(tái)操作方便效率高的優(yōu)勢(shì)，綜合鉆探和靜力觸探的有點(diǎn)，通過(guò)兩種方式交替進(jìn)行作業(yè)的方法避免海床式單獨(dú)靜力觸探的局限性，能起到很好的效果。

利用自穩(wěn)性塔式海上勘探平臺(tái)所提供的反力將探頭垂直地壓入土中進(jìn)行觸探試驗(yàn)的平臺(tái)式靜力觸探，相對(duì)前兩種觸探測(cè)試系統(tǒng)有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，關(guān)聯(lián)設(shè)備少，穩(wěn)定性好的諸多優(yōu)點(diǎn)，充分體現(xiàn)自穩(wěn)塔式平臺(tái)的優(yōu)越性。

4.4 圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)應(yīng)用

在福建沿海的重型圓錐動(dòng)力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)試驗(yàn)工程勘探中，一般利用船式平臺(tái)進(jìn)行操作，受風(fēng)浪影響探桿傾斜和側(cè)向晃動(dòng)難以避免，錘擊數(shù)普遍偏大。在塔式勘探平臺(tái)上進(jìn)行重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)，有效避免了這些問(wèn)題，進(jìn)一步提高了試驗(yàn)精度和可靠度。

4.5 十字板剪切試驗(yàn)應(yīng)用

由于十字板剪切試要求剪切板壓入試驗(yàn)所需深度后靜止一段時(shí)間，這對(duì)海上塔式勘探平臺(tái)提出更高要求，一般會(huì)很少使用。通過(guò)在我們的塔式平臺(tái)上測(cè)試，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有閉環(huán)驗(yàn)證的穩(wěn)定性支撐，能夠滿足工程勘探的需要，拓寬了試驗(yàn)方式。

4.6 旁壓試驗(yàn)應(yīng)用

自鉆式旁壓試驗(yàn)對(duì)勘探平臺(tái)的穩(wěn)定性要求較高，通過(guò)工程驗(yàn)證，我們的塔式平臺(tái)能夠很好的滿足工程施工需求。通過(guò)我們?cè)诟＝ǖ蕊L(fēng)浪較大的工程現(xiàn)場(chǎng)使用充分驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)的有效性和穩(wěn)定性，能有效提高勘探效率和質(zhì)量。工期節(jié)省10%左右，轉(zhuǎn)場(chǎng)操作更加節(jié)省人力物力，具有很好的市場(chǎng)適用性。

5 結(jié)語(yǔ)

基于高穩(wěn)定性的勘探平臺(tái)技術(shù)的研發(fā)，為解決海上勘探成本高、質(zhì)量低等難題提供了有益參考，并將海況影響勘察的因素大為降低，提升了我國(guó)海洋工程勘察走向世界的能力。針對(duì)潮間帶—淺海水域勘察，也為今后我國(guó)建設(shè)工程跨向遠(yuǎn)海、深海技術(shù)開(kāi)發(fā)提供了有益參考。