海洋工程巖土工程勘察鉆探施工及其影響因素探究

楊光YANG Guang

（中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300459）

0 引言

海洋工程勘察鉆探的目的為獲取海底巖土樣本，分析其組分、各組分的厚度，進(jìn)而判斷工程特性、制定施工技術(shù)方案。但海洋環(huán)境較為復(fù)雜，受到風(fēng)浪的作用，鉆探載臺(tái)難以進(jìn)行定位控制，鉆孔時(shí)海水可產(chǎn)生擾動(dòng)，引發(fā)坍孔。研究海底地質(zhì)鉆探的施工技術(shù)，并且制定針對(duì)干擾因素的技術(shù)措施，具有重要的工程意義。

1 工程概況

某跨海高速公路的海上部分長(zhǎng)度為1.4km，項(xiàng)目位于南海的濱海海域，平均海平面達(dá)到3.76m。海底標(biāo)高在-5.1m到-10.2m 之間。當(dāng)海水處于低潮位時(shí)，濱海區(qū)域的海水平均深度達(dá)到6～11m。該海域?qū)儆趶?qiáng)風(fēng)區(qū)，全年超過(guò)8 級(jí)風(fēng)的天數(shù)超過(guò)100 天，平均風(fēng)速為8.43m/s。橋梁樁基設(shè)置在海船上，需要通過(guò)工程勘察確定地質(zhì)條件。

2 海洋巖土工程勘察鉆探施工技術(shù)要點(diǎn)

2.1 鉆探設(shè)備選型

2.1.1 鉆探平臺(tái)選型

在水上鉆探作業(yè)中，需要將鉆探設(shè)備安裝在載臺(tái)上，常用的載臺(tái)包括船舶、浮桶筏。由于海洋環(huán)境存在風(fēng)浪、潮汐、浪涌等干擾因素，同時(shí)海上鉆探設(shè)備的重量較大，因此，通常將船舶作為主要載臺(tái)[1]。在該項(xiàng)目工程勘察作業(yè)中，選用單體船載臺(tái)，該船舶的基本性能參數(shù)見(jiàn)表1。在船艏和船尾分別設(shè)置了1.5、1.8t 重的抓力錨，對(duì)應(yīng)的錨繩長(zhǎng)度為800 和1000m。

表1 單體船鉆探平臺(tái)基本性能參數(shù)

2.1.2 鉆探設(shè)備選型及其工作原理

鉆探設(shè)備類型多樣，工作原理各有差異，在該項(xiàng)目中，采用HGD-300A 型全液壓動(dòng)力頭鉆具，屬于所選工程船的配套設(shè)備，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表2[2]。從結(jié)構(gòu)來(lái)看，鉆探設(shè)備由取芯鉆頭、巖芯筒、沖擊機(jī)構(gòu)、襯管、巖芯卡取機(jī)構(gòu)、超前鉆頭以及打撈機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)工作原理，當(dāng)鉆機(jī)進(jìn)行鉆探時(shí)，取芯鉆頭進(jìn)入旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，由巖芯卡取機(jī)構(gòu)對(duì)巖芯進(jìn)行臨時(shí)固定，防止巖芯脫落，泥漿泵向沖擊機(jī)構(gòu)供應(yīng)泥漿，當(dāng)泥漿作用在鉆具時(shí)，對(duì)其產(chǎn)生一定的沖擊載荷，進(jìn)而增強(qiáng)鉆孔施工的動(dòng)力[3]。如果海底工程地質(zhì)為軟泥，可不開(kāi)啟沖擊機(jī)構(gòu)，僅通過(guò)鉆頭回轉(zhuǎn)進(jìn)行鉆進(jìn)。鉆探設(shè)備配置有3 臺(tái)泥漿泵，2 臺(tái)為BW-250，1 臺(tái)為BW-320。

表2 鉆具性能參數(shù)

2.1.3 配套設(shè)備

海上鉆探的配套設(shè)備設(shè)施包括GPS 接收機(jī)、測(cè)深儀以及導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS 用于船舶精準(zhǔn)定位，測(cè)深儀能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)鉆頭深度[4]。測(cè)深儀的精度可達(dá)到1.0cm±0.1%水深值，測(cè)量范圍在0～200m 之間。

2.2 鉆探船定位

該型鉆探船在首尾各設(shè)置一個(gè)抓力錨，以錨泊方式固定載臺(tái)的位置。為了充分掌握海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)，作業(yè)之前應(yīng)選擇具有代表性的勘測(cè)點(diǎn)，實(shí)施鉆探施工。鉆探船的定位精度直接影響勘測(cè)點(diǎn)的位置，應(yīng)盡可能降低定位偏差[5]。鉆探船通過(guò)GPS 接收機(jī)確定錨泊位置，待工程船達(dá)到預(yù)定位置附近之后，拋下前后的抓力錨，拋錨時(shí)應(yīng)選擇平潮期，降低潮汐、海浪對(duì)拋錨精度的干擾。完成拋錨后，應(yīng)復(fù)核船舶的位置，以鉆機(jī)為參考點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整錨繩的角度和張緊程度，實(shí)現(xiàn)精確對(duì)位。

2.3 鉆探取芯施工

2.3.1 制備循環(huán)泥漿

在鉆探施工中，泥漿具有兩個(gè)作用，其一是形成泥漿護(hù)壁，防止鉆探時(shí)孔壁坍塌，其二是在堅(jiān)硬地質(zhì)鉆探時(shí)，為沖擊機(jī)構(gòu)提供沖擊載荷[6]。泥漿以膨潤(rùn)土、水、外加劑攪拌而成，在海洋地質(zhì)鉆探中，可使用海水制備泥漿。但海水與淡水存在顯著的差異，因?yàn)楹Ｋ械腘a+、Cl-濃度非常高，會(huì)影響泥漿的pH 值和穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低泥漿的流動(dòng)性，增加設(shè)備能耗[7]。為了解決該問(wèn)題，在制備泥漿時(shí)，可添加適量的聚丙烯酰胺和碳酸鈉，前者用于改善泥漿的分散性，后者可用于調(diào)節(jié)泥漿的酸堿性，使其達(dá)到規(guī)定的pH 值。

2.3.2 埋設(shè)鋼套管

在海洋鉆孔施工中，孔口位置受到海水的壓力作用和沖蝕作用，容易出現(xiàn)坍塌，影響后續(xù)的鉆探作業(yè)。因此，在孔口處設(shè)置了鋼套管，用于保護(hù)孔口。船體定位之后，對(duì)海底鉆探點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，平潮期風(fēng)浪較小，可在平潮期埋設(shè)鋼套管[8]。載臺(tái)上安裝有吊裝設(shè)備，埋設(shè)鋼套管時(shí)，使用鋼絲繩進(jìn)行牽引，使套管垂直入水，當(dāng)其到達(dá)海床時(shí)，進(jìn)行捶打作業(yè)，如果遇到堅(jiān)硬的巖質(zhì)海床，可進(jìn)行鉆孔[9]。套管埋入海床的深度為5～10m，在整個(gè)鉆探過(guò)程中，要求鋼套管的頂端始終高于船面。

2.3.3 實(shí)施鉆探

根據(jù)歷史資料，勘察海域海底地床的基巖層為花崗巖，風(fēng)化程度為強(qiáng)風(fēng)化或者中風(fēng)化，因而基巖的整體硬度較大，故鉆探時(shí)采用合金鉆頭或者金剛鉆頭。鉆探過(guò)程的關(guān)鍵是獲得巖芯，在作業(yè)過(guò)程中，按照表3 控制取芯過(guò)程。

表3 鉆探取芯設(shè)計(jì)

3 海洋巖土工程勘察鉆探施工影響因素

3.1 錨泊定位控制不佳

3.1.1 問(wèn)題描述

鉆探施工時(shí)，應(yīng)該提高定位精度，通過(guò)錨泊系統(tǒng)確保船體的穩(wěn)定性。然而海洋作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，風(fēng)力作用、浪涌、潮汐都會(huì)影響船體姿態(tài)，嚴(yán)重時(shí)可干擾鉆探施工。

3.1.2 應(yīng)對(duì)策略

為了提高工程載臺(tái)的定位控制效果，作業(yè)時(shí)應(yīng)該著重加強(qiáng)錨泊收放線和錨泊布線控制。工程船通過(guò)改變收放鏈量調(diào)整船體的位置，從而控制定位精度[10]。因此，精確計(jì)算收放鏈量是保證定位精度的關(guān)鍵技術(shù)措施，相應(yīng)的計(jì)算方法如下。

在拋錨之后，將船體發(fā)生位移時(shí)錨鏈在海平面上的投影向量記為s，船體位移過(guò)程著鏈點(diǎn)的水平位移向量記為d，初始錨鏈在海平面上的投影向量記為s0，則有s=d-s0。根據(jù)懸鏈理論，和海水中單根懸鏈的受力關(guān)系，可求解出以下參數(shù)。

式中：L 為水中懸起部分錨鏈的長(zhǎng)度；h 為著鏈點(diǎn)和海底的垂直距離；a 為錨鏈的懸鏈參數(shù)，并且有a=T/q，其中T為錨鏈?zhǔn)艿降乃嚼χ?，q 為錨鏈單位長(zhǎng)度的重量；Ltol為計(jì)算得出的懸鏈總長(zhǎng)度；S 為錨鏈在水平方向的投影長(zhǎng)度；SL為錨鏈水平懸起部分的投影長(zhǎng)度；arch（·）表示反雙曲線余弦函數(shù)[11]。船體受到多種作用力，為保持受力平衡，可按照式（4）確定安全出鏈的總抓力。

式中：P 為錨泊時(shí)的總抓力；Pa、Pc分別為錨和錨鏈的抓力；λa、λc為錨和錨鏈的抓力系數(shù)；Wa、Wc為錨和錨鏈在空氣中的單位重量；l 為錨鏈的計(jì)算長(zhǎng)度；T0為水平外力[12]。通過(guò)式（4）可求解出臥底鏈長(zhǎng)度的取值范圍，即l≥（T0-λa·Wa）/λc·Wc。為保證船體的穩(wěn)定性，在錨泊布線時(shí)，建議采用六錨鏈模型，其布線方式如圖1 所示，其中1～6表示分布在船體四周的六根錨鏈，根據(jù)該項(xiàng)目載臺(tái)的幾何特點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的最佳角度分別為45°、0°、53°、45°、0°、40°。

圖1 六錨鏈布線模型

3.2 卡鋼套管

3.2.1 問(wèn)題描述

根據(jù)鉆孔施工的工藝特點(diǎn)，下放鋼套管時(shí)，通常需要穿過(guò)較厚的上覆層，直至到達(dá)強(qiáng)風(fēng)化層。上覆層以海底淤泥、砂礫為主，其質(zhì)地較軟，鋼套管插入時(shí)阻力較低。強(qiáng)風(fēng)化層為花崗巖，質(zhì)地堅(jiān)硬，鋼套管達(dá)到強(qiáng)風(fēng)化層之后，通常難以繼續(xù)下放[13]。在工程實(shí)踐中，隨著鉆孔施工的持續(xù)進(jìn)行，上覆層的厚度不斷增加，對(duì)鋼套管形成較大的包裹作用力，導(dǎo)致其難以繼續(xù)下放或者拔出，嚴(yán)重可造成鋼套管斷裂，堵塞孔位，將這一現(xiàn)象稱為卡鋼套管。

3.2.2 應(yīng)對(duì)策略

在工程實(shí)踐中，鋼套管的埋設(shè)是一項(xiàng)關(guān)鍵性的技術(shù)任務(wù)，涉及到眾多環(huán)節(jié)，例如鉆孔、安裝、調(diào)試等。在施工過(guò)程中，受到各種內(nèi)外部因素的影響，施工人員可能會(huì)遇到一些問(wèn)題，例如鋼套管卡住、覆蓋層堆積，當(dāng)出現(xiàn)這些問(wèn)題之后，如果工作人員無(wú)法在第一時(shí)間進(jìn)行有效的解決，可能會(huì)造成“窩工”“返工”等問(wèn)題，對(duì)整個(gè)工程的施工進(jìn)度以及工程造價(jià)產(chǎn)生直接影響。為了預(yù)防以上問(wèn)題的出現(xiàn)，相關(guān)工作人員需要采取一系列的技術(shù)措施，以確保工程的順利進(jìn)行。在鉆孔過(guò)程中，施工人員盡量縮短時(shí)間，減少鉆孔過(guò)程中的摩擦，從而降低鋼套管卡住的可能性。此外，通過(guò)提高鉆孔速度，減少鋼套管在鉆孔過(guò)程中的磨損，延長(zhǎng)其使用壽命。針對(duì)鋼套管卡住的問(wèn)題，施工人員采取控制鉆機(jī)多次上、下運(yùn)動(dòng)的措施。通過(guò)這種方式令鋼套管出現(xiàn)松動(dòng)，從而解決卡管問(wèn)題[14]。在實(shí)際操作中，施工人員還要注意鉆機(jī)的力度以及鉆進(jìn)的頻率，既要保證鋼套管能夠順利松動(dòng)，又要注意避免對(duì)鋼套管和鉆機(jī)造成損壞。針對(duì)套管外上覆層堆積的問(wèn)題，相關(guān)工作人員需要制作專門的清理工具。例如常見(jiàn)的刮刀或者旋轉(zhuǎn)刷，前者用于刮除套管外表面的附著物，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成不同形狀的刮刀或刮板；后者則通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方式清理套管外表面，適用于較大面積的清理工作。在鋼套管埋設(shè)過(guò)程中，定期對(duì)套管外覆蓋層進(jìn)行清理，防止套管被抱死[15]。實(shí)際工作中，為了進(jìn)一步保障鋼套管埋設(shè)的順利進(jìn)行，相關(guān)工作人員還應(yīng)加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)的管理和監(jiān)督。通過(guò)對(duì)施工過(guò)程的嚴(yán)格把控，確保各項(xiàng)技術(shù)措施的落實(shí)，從而降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高工程質(zhì)量。

3.3 巖心掉落

3.3.1 問(wèn)題描述

工程鉆探的核心任務(wù)為獲取基巖層的巖芯，判斷海底地層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及工程特點(diǎn)。上覆層以淤泥和砂層為主，其內(nèi)部的黏聚力較大，鉆孔時(shí)不易出現(xiàn)松散、脫落的問(wèn)題[16]。但強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層以花崗巖為主，其內(nèi)部黏聚力較小，容易出現(xiàn)巖芯脫落，導(dǎo)致取樣失敗。另一方面，鉆孔過(guò)程的泥漿需要循環(huán)使用，基巖鉆孔為鉆探施工的中后期，泥漿性能有可能已經(jīng)劣化，對(duì)巖心產(chǎn)生較大的沖刷阻力，增加了巖芯脫落的風(fēng)險(xiǎn)[17]。

3.3.2 應(yīng)對(duì)策略

為了有效預(yù)防巖心脫落，在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中，必須經(jīng)常檢查泥漿性能，檢測(cè)指標(biāo)包括密度、pH 值、粘度，確保泥漿處于低固相、不分散狀態(tài)[18]。與此同時(shí)，鉆進(jìn)控制參數(shù)也能影響巖芯的固定效果，壓力過(guò)大、速度過(guò)快可產(chǎn)生擾動(dòng)，使巖芯脫落，過(guò)大的泥漿循環(huán)量會(huì)增加沖擊作用。鑒于此，施工時(shí)應(yīng)該將鉆進(jìn)速度、泥漿循環(huán)量以及鉆進(jìn)壓力控制在合理范圍內(nèi)。

4 研究結(jié)論

①該項(xiàng)目為海上橋梁工程，在樁基施工之前，需要通過(guò)鉆探勘察海床的地質(zhì)特點(diǎn)，以評(píng)價(jià)其工程特性[19]。鉆探載臺(tái)選用單體船，鉆探設(shè)備為HGD-300A 型鉆機(jī)，配套有GPS 定位裝置和測(cè)深儀。

②海上鉆探施工的實(shí)施要點(diǎn)為載臺(tái)和鉆機(jī)定位、制備循環(huán)泥漿、埋設(shè)鋼套管、鉆進(jìn)、巖芯采樣。載臺(tái)以錨泊方式進(jìn)行定位，通過(guò)泥漿保護(hù)孔壁，鋼套管用于保護(hù)孔口。

③對(duì)于錨泊定位控制能力不足的問(wèn)題，應(yīng)該精確計(jì)算收放鏈量，同時(shí)推薦采用六錨鏈布線方式，全面提高載臺(tái)的穩(wěn)定性和抗風(fēng)浪能力[20]。

④對(duì)于卡鋼套管的問(wèn)題，應(yīng)該及時(shí)清理套管外堆積的上覆層，通過(guò)上提鉆機(jī)松動(dòng)被抱死的鋼套管。

⑤對(duì)于巖芯脫落問(wèn)題，在鉆孔施工的中后期，需確保泥漿的性能參數(shù)，及時(shí)更換已經(jīng)劣化的泥漿。同時(shí)合理設(shè)置鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)壓力以及泥漿循環(huán)量。

5 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目為海洋橋梁工程，工程地質(zhì)勘探的目的為獲取海底巖芯，制定橋梁基礎(chǔ)施工方案。鉆探時(shí)采用單體船載臺(tái)，配備HGD-300A 型鉆機(jī)，施工技術(shù)要點(diǎn)為載臺(tái)錨泊定位、埋設(shè)鋼套管、制備循環(huán)泥漿、鉆進(jìn)、獲取芯樣。作用時(shí)存在較多的干擾性因素，包括定位控制水平不足、巖芯脫落、卡鋼套管，針對(duì)這三類問(wèn)題制定了具體的應(yīng)對(duì)策略，保證鉆孔施工能夠順利實(shí)施。