水上漂浮式鉆場施工工藝優(yōu)化研究

黃小波，周紅喜，楊 輝，吳 航

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550000）

水上鉆探施工過程中，需要考慮到作業(yè)區(qū)流域環(huán)境的復雜性和不確定性，因此，在設計和施工過程中需注意安全問題和施工效率等方面。本文從漂浮式鉆場的施工工序流程出發(fā)，探討漂浮式鉆場的施工工藝優(yōu)化方案。

1 水上漂浮式鉆場施工工藝

1.1 現(xiàn)場踏勘

在水上鉆探進場前首先需進行現(xiàn)場踏勘，需要滿足下列原則：①根據(jù)現(xiàn)場進場條件，合理制定材料、設備進場方案，節(jié)約工期和成本，同時避免對地表的大面積開挖破壞，保護環(huán)境；②根據(jù)設計孔深、現(xiàn)場水文特征，合理選擇施工工藝，做到“一點一物”，控制材料浪費，節(jié)約成本；③根據(jù)現(xiàn)場地形條件，合理選擇組裝平臺，避免二次搬運，增加成本。

1.2 鉆場參數(shù)設計

1.2.1 承載力計算

首先，通過承載力參數(shù)計算確定所需的鏈接材料（方木或架子管）和油桶數(shù)量。假設空油桶全部浸在水中，這時浮力最大，承載該總重量如式（1）所示

式中：n為所需的空油桶數(shù)量，個；D為油桶直徑，56 cm；H為油桶高，86 cm；g為水密度，1 000 kg/m3；Q為空油桶的自重，24 kg/個。

此計算結果為油桶全部沉沒于水中的最少油桶個數(shù)，在實際生產(chǎn)過程中必須乘以安全系數(shù)，方能確保正常生產(chǎn)，油桶筏在工作的情況下，水流對筏產(chǎn)生平行水面的沖力，上拉鋼絲繩對筏的四角產(chǎn)生斜向上方的拉力平衡水流的沖力。根據(jù)SL/T 291—2020《水利水電工程鉆探規(guī)程》關于浮箱式漂浮鉆場，安全系數(shù)β 大于4.0；全載時吃水線應與甲板的安全距離為0.2～0.3 m，油桶直徑為0.56 m。取上限值0.3 m 時，有0.26 m 的油桶浮在水中，F(xiàn)浮=0.26/0.56×F靜浮/4＞最大載重。當取下限值0.2 m 時，有0.36 m 浮在水中，F(xiàn)上=0.36/0.56×F靜浮/4＞最大載重。

1.2.2 風速計算

在油桶漂浮鉆場組裝制作完成后，在岸邊將主要設備及部分材料搬到鉆場上，使用安全繩、鋼絲繩等將油桶漂浮鉆場定位到指定的鉆孔位置上。對鋼絲繩的選擇尤其重要，鋼絲繩主要受水流橫向沖力和油桶漂浮鉆場的向下作用力[1]。根據(jù)現(xiàn)場錨固情況，鋼繩與油桶筏呈30°角，考慮最大水流沖擊力、風速影響條件下為油桶沉入水中最大限值0.36 m 時的情況，水流速度最大值為1.5 m/s。將鉆場迎水面視為一個受力方體（此時受到的沖擊力最大），風速、水流速速度變?yōu)?。在水流方向力處于平衡狀態(tài)時，采用動量定理計算公式

dt時間內(nèi)的風速v風計算公式為

式（2）、（3）中：m為質量，kg；v水為水流速，m/s；v風為風速，m/s；F拉為鋼絲繩拉力，N；dt為水流作用時間，s；ρ 為密度，kg/m3；V水為沉入水中油桶體積，m3；V風為裸露空氣中油桶體積，m3。

1.2.3 河面寬度計算

采用油桶式漂浮鉆場進行水上作業(yè)時，河面寬度主要根據(jù)兩岸地形條件決定。則河面寬度與河岸鋼絲繩錨固位置地形高度關系為

式中：α 為鋼絲繩與河面夾角；H為河面距河岸錨固點高度，m；L為河面寬度，m。

1.3 框架式水上漂浮鉆場的組裝

經(jīng)過參數(shù)計算分析，確定油桶數(shù)量、鏈接用架子管數(shù)量、鋼絲繩型號及數(shù)量等。對水上漂浮式鉆場進行組裝，工序如下：首先用6 m 長架子管橫向固結，6 m 長架子管縱向固結形成下覆蓋；之后檢查制作鉆場用油桶的完好性，排除安全隱患；接下來將檢查合格的油桶鑲嵌入下覆蓋內(nèi)，注意油桶蓋口必須涂刷油漆密閉，蓋口擺放必須朝上；油桶鋪滿后，形成上覆蓋；采用長3 m架子管在油桶筏周邊連接上下覆蓋，形成油桶筏整體，其中縱向連接架子管在甲板上方保留2 m 長度架設護欄；在油氣桶筏基本框架完成后，在四角采用8 號鐵絲加固，注意加固時鐵絲與架子管之間加防滑膠帶，防止滑移；用6 m 腳手架鋼管在油氣桶筏的四周用鐵絲和扣件制成1.2 m 高的護欄。

1.4 鉆場拋錨定位

油桶漂浮鉆場定位工序如下：①設置攔河繩，確保安全；②在鉆場首部主枕木兩端系上牢固?14 mm～?16 mm 鋼繩，共同連接于輔助鋼繩上滑輪的吊環(huán)上，通過交替釋放左右岸主繩移動鉆場至鉆孔設計位置，進行臨時定位；③將設置于鉆場首尾枕木四角由?14mm～?16 mm 兜繩，承載5 t、長度5 m 的手拉式鏈子葫蘆，連接在主鋼繩并呈90～110°夾角，通過調整收放手拉式鏈子葫蘆達到鉆孔準確定位的目標；④鉆場定位后，應定期檢查主、輔鋼繩與鉆場各連接部位，并保證連接堅固；⑤岸邊錨固采用打孔的方式，根據(jù)現(xiàn)場情況選擇在固定基巖上打孔，孔深2.0 m，孔徑50 mm，打入45 mm螺紋鋼，上留1.0 m，露頭端設置阻攔當頭，防止鋼絲繩滑落，鋼繩拉緊后與汽油桶成接近30°角；⑥鋼絲繩末端采用繩卡固定，采用與主繩配套的繩卡，間隔70 mm，每個結頭至少3 只，反向固定；⑦主副繩與油桶筏連接四角位置懸掛5 t 葫蘆，水上漲退水要根據(jù)水情及時拉緊或放松鋼絲繩，保障鉆場安全及孔位固定。

1.5 鉆進施工

水上鉆進施工由于無法了解河床覆蓋層厚度，為確保成孔，采用大口徑開孔，一般采用Φ150 mm 口徑鉆具開孔，同時保護套管穿越整個覆蓋層，必須依次下入Φ127 mm、Φ108 mm、Φ89 mm 套管跟管鉆進，直至穿過砂卵礫石層到達基巖弱風化帶，以便保護孔壁，對基巖有效鉆進并做好各項地質試驗。進入基巖后采用Φ95 mm、Φ77 mm 繩索取心鉆具進行常規(guī)的鉆進。由于每天朝晚施工流域水位變化，需隨時調節(jié)四角鋼絲繩松緊，避免鉆進施工過程中卡鉆、憋鉆，進行現(xiàn)場施工操作時，需要對漂浮式鉆場進行嚴格的監(jiān)控，確保漂浮式鉆場的穩(wěn)定性和安全性，以及鉆機的正常運行。同時，也要加強對漂浮式鉆場各組成部分的檢查和維護，以及對施工人員的安全培訓和操作規(guī)范等方面的關注[2]。

2 聯(lián)排水上漂浮式鉆場施工工藝存在的問題

傳統(tǒng)聯(lián)排水上漂浮式鉆場是水利水電站水上勘探工作中常用的一種設備。主要原因在于高深峽谷地區(qū)水利水電前期勘察階段，交通條件極為不便，進場條件只有簡易的勘探便道，鉆探船無法進場，只能采用油桶式漂浮鉆場施工工藝。通過勘探便道將組裝材料通過人工、馬馱等方式搬遷至施工作業(yè)區(qū)域，再行組裝下水進行作業(yè)[3]。但同時也存在著不少問題，主要包括以下幾個方面。

2.1 材料笨重，搬遷難度大

傳統(tǒng)聯(lián)排水上漂浮式鉆場主要使用8 號鐵絲或者盤條將油桶緊箍在方木上，形成單排油桶，再通過方木連接成整體。其中關鍵材料方木極為笨重，單根方木重達幾百公斤，在搬遷運輸過程中難度極大，同時存在較大安全風險。

2.2 穩(wěn)定性差

傳統(tǒng)聯(lián)排水上漂浮式鉆場是一種單排油桶漂浮式鉆場，連接方式簡單，油桶之間單獨連接且缺乏橫向支撐，這導致其整體性較差。由于漂浮式鉆場位于江河上，其與水面環(huán)境形成了一個動態(tài)系統(tǒng)，在風浪復雜環(huán)境中自身的運動特性十分關鍵。如果連接方式簡單，油桶之間缺乏橫向支撐，則鉆井平臺容易受到大型波浪的影響，加上鉆進施工過程中設備機械運轉，起下鉆、吊錘處理事故等工序對鉆場完整性的破壞，極易造成漂浮式鉆場出現(xiàn)傾斜、晃動等不穩(wěn)定問題，甚至可能導致整個平臺的翻覆和解體，存在較大的安全隱患[4]。

2.3 施工效率低

傳統(tǒng)聯(lián)排水上漂浮式鉆場施工工藝存在著許多問題，其中施工效率低是一個重要的問題。主要有2 個方面原因，一是方木與油桶采用鐵絲或者盤條連接，只能通過人工緊箍，效率十分低下，單個聯(lián)排水上漂浮式鉆場從材料進場、組裝到下水，前后需要1～2 個月甚至更長時間，輔助工作的無效鉆進時間占比較大；二是鉆井平臺與波浪豎向位移接近，設備的安裝位置較低，需要更長時間進行補償，從而降低了施工效率。

2.4 維護難度大

傳統(tǒng)聯(lián)排水上漂浮式鉆場的維護難度大。這主要是因為聯(lián)排水上漂浮式鉆場通過鐵絲或者盤條緊箍油桶至方木上形成單排油桶，再將單排油桶通過方木橫向加固形成一個整體，在受波浪、水流及鉆進過程中機械振動等外力作用，導致鐵絲崩斷、盤條松動，在水上鉆進施工過程中人工更換難度極大。

3 水上漂浮式鉆場施工工藝優(yōu)化思路

3.1 優(yōu)化材料

水利水電站前期勘察外業(yè)勘探工作中，交通條件往往只有簡易勘探便道，設備、材料進出場難度極大。設備、材料“減重減短，增加有效鉆進時間”是工藝優(yōu)化研究的重點。一是采用架子管代替方木，將極大地降低材料重量，節(jié)約進場時間；二是采用扣件代替鐵絲、盤條作為連接件，將極大地縮短漂浮式鉆場組裝時間，增加有效鉆進時間。傳統(tǒng)聯(lián)排漂浮式鉆場從進場、組裝至下水需要1～2 個月，框架漂浮式鉆場僅需要1 周時間便可完成[5]。

3.2 優(yōu)化連接方式

框架水上漂浮式鉆場主要采用的連接方式是按照單個油桶尺寸采用架子管通過扣件連接組裝一個框架，將油桶嵌入框架，形成框架水上漂浮式鉆場。這種鉆場具有更強的整體性和承載能力，可以有效地避免鉆井平臺發(fā)生意外事故。中間套入油桶形成框架油桶漂浮式鉆場的連接方式可以分為以下幾個步驟：第一步，制作下伏蓋。根據(jù)設計要求，采用制式6 m 長架子管通過扣件橫豎連接形成下覆蓋。第二步，嵌入油桶。將油桶逐個嵌入下覆蓋里。在連接過程中，需要注意油桶口密封和框架連接位置緊密，不會出現(xiàn)松動或漏水等情況。第三步，制作上覆蓋。按照第一步方式制作上覆蓋。第四步，采用3.5 m 長的架子管連接上下覆蓋，形成框架，為確保鉆場整體性，減少扣件連接，3.5 m 長的架子管上半部分作為鉆場護欄使用。如圖1 和圖2所示。第五步，測試穩(wěn)定性。在連接完成后，需要對油桶的穩(wěn)定性進行測試。可以借助測量儀器測量油桶的傾斜角度和固定力度，確保油桶的承載能力符合要求。通過以上的連接方式優(yōu)化，可以有效地提高水上漂浮式鉆場的整體性和承載能力，使其能夠更好地適應復雜的水上環(huán)境。

圖1 鋼管綁扎結構示意圖

圖2 油桶綁扎結構示意圖

3.3 提高施工效率

框架水上漂浮式鉆場相較于聯(lián)排水上漂浮式鉆場，極大地提高了施工效率，主要是縮短了設備進場搬遷、組裝、拋錨定位等輔助工程無效鉆進時間，增加了有效鉆進時間。主要體現(xiàn)在以下2 個方面：一是框架漂浮式鉆場主要采用架子管、油桶、扣件組裝形成，材料重量僅為聯(lián)排漂浮式鉆場的1/20，極大節(jié)約進場時間；二是框架漂浮式鉆場架子管、油桶、扣件都采用預制制式材料，組裝過程中不需要二次加工改造，按照操作流程進行組裝，節(jié)約組裝時間。另外，通過引入更先進的施工技術和設備來提高施工效率。例如，引進全液壓模塊鉆機進行水上鉆孔作業(yè)，相較于傳統(tǒng)回轉鉆機設備，設備總質量更輕，便于進場、轉場搬遷；鉆進效率則是傳統(tǒng)回轉鉆機設備的3 倍。

3.4 增強安全性

框架水上漂浮式鉆場相較于聯(lián)排水上漂浮式鉆場，安全系數(shù)極大提高。提高漂浮式鉆場安全系數(shù)主要取決于其承載力、載荷均衡性和整體性，因此，可以通過增加油桶數(shù)量的手段來提高鉆場承載力。根據(jù)水上鉆孔設計深度、現(xiàn)場水文地質條件、設備投入計劃等因素，可采用預制制式架子管、扣件、油桶組裝成幾個模塊框架水上漂浮式鉆場，再行組裝成整體以增加鉆場承載力。此外，針對水上鉆井平臺的安全問題，需要增加一些特殊設備來提高鉆井平臺的安全系數(shù)。例如，可以在鉆井平臺周圍設置警示燈和聲響報警器，及時發(fā)現(xiàn)鉆井平臺的異常情況，還可以增加生命救援裝備，如救生艇、救生筏等設備，為員工提供更多的保障。

4 結束語

通過優(yōu)化水上漂浮式鉆場施工工藝，可以提高施工效率、降低成本、增強安全性，這些措施對于促進水利水電開發(fā)具有重要意義。但是，需要注意的是在采用新的方案時要充分考慮現(xiàn)實的局限性和可行性，尤其是在極端天氣條件下的實際應用效果需要進行充分的評估和驗證。此外，未來還需要進一步探索水上漂浮式鉆場相關技術的研究和發(fā)展。例如，可以開展對新型材料、新技術的應用研究，如新型鉆進設備、新型連接技術等，以進一步提高水上漂浮式鉆場的穩(wěn)定性和可靠性，減少維護成本和時間。同時，還可以利用現(xiàn)代化的數(shù)字化技術優(yōu)化設計方案，如采用模擬仿真軟件對水上漂浮式鉆場的受力情況進行模擬分析，從而在設計階段就能及時發(fā)現(xiàn)并糾正漏洞，降低安全隱患，減少施工成本和時間。