劉志剛

(青島市勘察測繪研究院，山東青島 266032)

海洋工程巖土工程勘察施工及其影響因素

劉志剛?

(青島市勘察測繪研究院，山東青島 266032)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國近年來在造船、石油化工、碼頭等海洋工程方面發(fā)展迅速，與之相關(guān)的巖土工程勘察工作就顯得尤為重要。本文對海洋工程巖土工程勘察的前期準(zhǔn)備及施工過程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并列舉了影響海上正常鉆探施工的因素及海洋鉆探時(shí)的突發(fā)情況，結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)對鉆探時(shí)遇到的突發(fā)情況提出了處理對策。

海洋工程；巖土工程勘察；海上定位；脫錨

1 引 言

海洋工程是指以開發(fā)、利用、保護(hù)海洋資源為目的，并且工程主體位于海岸線向海一側(cè)的新建、改建、擴(kuò)建工程，具體包括:港灣工程(港口、船廠等)；以海底石油為中心的海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)工程(海洋石油鉆探平臺(tái)、海底輸油管線等)；海底電纜工程；海底隧道工程等。根據(jù)海洋工程相應(yīng)規(guī)范中有關(guān)規(guī)定，海洋工程建設(shè)在設(shè)計(jì)和施工之前，必須按基本建設(shè)程序進(jìn)行巖土工程勘察工作。海洋巖土工程勘察是指利用水上鉆探、取樣、原位測試、工程物探、工程測繪等綜合手段查明水下沉積物的成分、結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)及水下地形等，為擬建場地的選擇和擬建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠的地質(zhì)資料，以確保海洋工程的安全。

2 海洋工程巖土工程勘察施工

2.1 施工前期準(zhǔn)備工作

(1)明確勘察階段，勘察目的和任務(wù)；明確擬建工程的基本信息，包括工程規(guī)模、基礎(chǔ)底面設(shè)計(jì)標(biāo)高、碼頭前沿設(shè)計(jì)水深等。

(2)需要有附帶施工海域水深圖的擬建工區(qū)平面圖，并要知道工區(qū)內(nèi)3個(gè)或3個(gè)以上基準(zhǔn)點(diǎn)的具體位置，并且其實(shí)際位置需和平面圖中的位置相對應(yīng)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的作用是用來靜態(tài)比對差分GPS，獲取GPS定位系統(tǒng)中坐標(biāo)系和工區(qū)平面圖中坐標(biāo)系的關(guān)系及換算參數(shù)。

(3)選擇一個(gè)靠近海面已知高程的基準(zhǔn)點(diǎn)作為驗(yàn)潮點(diǎn)(需保證高潮或低潮時(shí)都有水)，其作用是在開鉆前、施工中、施工完畢時(shí)，采用鋼卷尺在驗(yàn)潮點(diǎn)同步測量即時(shí)潮高(船上的技術(shù)人員在測量即時(shí)水深的同時(shí)，打電話或通過對講機(jī)通知岸上驗(yàn)潮人員測量及時(shí)潮高)。海域鉆孔通過驗(yàn)潮點(diǎn)高程、即時(shí)潮高值、即時(shí)水深值的處理，可確定鉆孔海底孔口高程值。

圖1 鉆孔海底孔口高程計(jì)算參數(shù)示意圖

2.2 需要準(zhǔn)備的儀器

(1)定位用的定位儀，即差分GPS，精度要求為亞米級(jí)(定位精度≤1.0 m，在施工之前需要做靜態(tài)穩(wěn)定性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)其是否穩(wěn)定)，其作用是進(jìn)行鉆孔單點(diǎn)導(dǎo)航定位與偏移監(jiān)控，導(dǎo)航定位方式采用差分GPS系統(tǒng)目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航，施工船拋錨固定后定位的方式，鉆探就位偏差控制在允許偏差范圍內(nèi)。

(2)測水深用的測深儀，海域施工水深測量的目的是對鉆探孔深進(jìn)行水深校正，確?？咨钪禍?zhǔn)確，并提供鉆孔海底孔口標(biāo)高計(jì)算數(shù)據(jù)。水深測量要求在工作船就位之后測量一次(初始水深)，每次提鉆時(shí)同步進(jìn)行水深測量(即時(shí)水深)。

2.3 施工組織

(1)需要有專業(yè)的海上鉆探施工隊(duì)伍。

(2)鉆探設(shè)備:GXY型工程鉆機(jī)，需配置單獨(dú)的且動(dòng)力大的泥漿泵。

(3)鉆具要求:在海洋鉆探過程中，為保護(hù)海面以下的鉆具，在鉆探時(shí)須下套管。為應(yīng)對漲潮和落潮時(shí)套管的升降問題，有條件的施工隊(duì)伍還需要配備海洋鉆探專用滑管。

(4)船只的租用

鉆探船所必備的條件是:要有足夠大的作業(yè)面積、要有絞錨設(shè)備、安全、不漏水、有動(dòng)力。

鉆探船必須準(zhǔn)備的東西:4口或4口以上50 kg～100 kg的鐵錨，每口錨需要配備不少于150 m的錨纜(錨纜長度可根據(jù)工區(qū)水深控制，一般長度不低于水深的10倍)。

常用的鉆探船包括鐵制專用鉆探施工船(單體、雙體)和捆綁式漁船，每條施工船均需配備一條小船作為拋錨運(yùn)輸補(bǔ)給船。

(5)海上鉆探安全措施

施工船作業(yè)平臺(tái)四周需設(shè)置防護(hù)網(wǎng)，船上需配備滅火器、救生圈；施工及現(xiàn)場技術(shù)人員要穿救生衣，戴安全帽；船只上配備霧燈、航行信號(hào)燈等。

2.4 了解當(dāng)?shù)貧庀蠹八那闆r

(1)了解當(dāng)?shù)亟?jīng)常刮的風(fēng)向(一般工區(qū)的哪一個(gè)方向沒有岸或者山阻擋著，從這一方向吹來的風(fēng)對海上定位及鉆探施工影響也最大)。

(2)了解當(dāng)?shù)厮鞣较蚣俺彼疂q落的規(guī)律，水流和潮水漲落的關(guān)系。

(3)了解工區(qū)內(nèi)是否有漁網(wǎng)、養(yǎng)殖區(qū)、暗礁、淺灘、海上漂浮物、海底管線等內(nèi)容。

3 施工過程

3.1 拋錨定位

在拋錨的過程中要同時(shí)考慮實(shí)時(shí)風(fēng)向、流向和海水漲落潮的規(guī)律(主要考慮流向和風(fēng)向)。定位時(shí)，使GPS天線位于鉆機(jī)井口正上方，實(shí)時(shí)導(dǎo)航指揮施工船，根據(jù)流向和風(fēng)向下錨。具體過程如下:在頂流并遠(yuǎn)離孔位60 m～80 m左右，下船艏前大錨，調(diào)整船頭，使船頭位于頂流的方向(如圖2，同時(shí)考慮風(fēng)向)，待船自由漂流至距孔位20 m左右時(shí)，收緊前纜，通過拋錨船下船艏的另外一口錨，然后下船尾的另外兩口錨，盡量使4口錨的位置呈交叉垂直狀(如圖2)，然后通過絞纜設(shè)備收緊錨纜，調(diào)整船位至設(shè)計(jì)孔位，將船固定。核定實(shí)際就位坐標(biāo)與設(shè)計(jì)孔位坐標(biāo)誤差在允許范圍內(nèi)，且船無漂移后，記錄坐標(biāo)值，而后開始鉆探工作。

圖2 施工船定位過程及錨纜相對位置示意圖

3.2 海上鉆探施工

采用套管隔水，沖擊鉆進(jìn)與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)(結(jié)合套管跟進(jìn)與泥漿護(hù)壁)相結(jié)合的方式，確保地層結(jié)實(shí)連續(xù)。

3.3 海上鉆探取樣

淤泥質(zhì)土、軟粘性土和部分粉土原狀樣采用薄壁取土器勻速連續(xù)壓入法采取；硬粘性土Ⅱ級(jí)原狀樣采用厚壁取土器以重錘少擊法采取，硬粘性土Ⅲ級(jí)樣及砂性土擾動(dòng)樣在鉆進(jìn)巖心管中采取，樣品數(shù)量滿足進(jìn)行室內(nèi)測試要求。取得土樣之后及時(shí)密封，密封后每個(gè)土樣均填貼標(biāo)簽(標(biāo)簽內(nèi)容包括:工程名稱及編號(hào)、鉆孔編號(hào)、土樣編號(hào)、取樣深度、土類名稱、取樣日期、取樣人姓名，用藍(lán)色圓珠筆填寫)，標(biāo)簽上下與土樣上下一致，并牢固的粘貼于容器外壁。密封后將取得的土樣置于溫度及濕度變化小的環(huán)境中。待完成一部分鉆孔后，將所取土樣及時(shí)送回土工試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。

3.4 原位測試

包括標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(針對砂類土、粘性土、粉土等)、圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)(針對碎石層和卵石層)、靜力觸探試驗(yàn)(針對軟弱土)、原位十字板剪切試驗(yàn)(針對淤泥質(zhì)軟弱土，當(dāng)現(xiàn)場條件不允許時(shí)，可采用室內(nèi)十字板剪切試驗(yàn)代替)。

3.5 地質(zhì)記錄與施工班報(bào)記錄

鉆孔地質(zhì)記錄工作隨同鉆探進(jìn)行，對鉆探巖心按規(guī)定內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)描述，并做到了記錄清晰、描述準(zhǔn)確。施工班報(bào)記錄亦隨鉆探同時(shí)進(jìn)行，對每一回次水深、鉆具長度、機(jī)上余尺、巖心長度、采取率以及海況都進(jìn)行了詳細(xì)記錄。鉆探孔深＝鉆具總長度＋主鉆桿長度－鉆機(jī)機(jī)高－機(jī)上余尺－平臺(tái)至水面高度－實(shí)時(shí)水深。

4 影響海上正常施工的因素

4.1 風(fēng)

風(fēng)，即空氣相對于地面的水平運(yùn)動(dòng)，是影響海上正常鉆探施工最主要的因素。鉆探船在出海作業(yè)的頭一天，必須要知道第二天的天氣預(yù)報(bào)，當(dāng)天氣預(yù)報(bào)海上風(fēng)力在5級(jí)或5級(jí)以上(風(fēng)向?yàn)閷龅毓^(qū)影響最大的風(fēng)向)，或6級(jí)以上臺(tái)風(fēng)預(yù)警時(shí)，嚴(yán)禁出海作業(yè)。在海上鉆探施工過程中突遇大風(fēng)時(shí)，應(yīng)立即停止施工，在無法堅(jiān)持施工的情況下立即返港。

一般情況下，天氣預(yù)報(bào)中，海上的風(fēng)向和陸地上的風(fēng)向是一致的，但風(fēng)力要比陸地上的強(qiáng)1級(jí)～2級(jí)，如天氣預(yù)報(bào)內(nèi)陸風(fēng)向及風(fēng)力為東北風(fēng)3級(jí)～4級(jí)，則海上的風(fēng)向和風(fēng)力為東北風(fēng)4級(jí)～5級(jí)。同時(shí)應(yīng)注意預(yù)報(bào)中的陣風(fēng)，所謂陣風(fēng)是指風(fēng)速在短暫時(shí)間內(nèi)，有突然出現(xiàn)忽大忽小變化的風(fēng)，陣風(fēng)的產(chǎn)生對海上鉆探施工影響極大。

4.2 雨

下雨時(shí)，鉆探船嚴(yán)禁出海作業(yè)，在海上鉆探施工過程中突遇大雨時(shí)，應(yīng)立即停止施工。

4.3 雷電、閃電

由于海面空曠且沒有障礙物，在閃電或雷電時(shí)，鉆探船及設(shè)備很容易成為閃電擊中的目標(biāo)。在雷雨天時(shí)，鉆探船嚴(yán)禁出海作業(yè)，在海上鉆探施工過程中突遇雷電時(shí)，應(yīng)立即停止施工，返港。

4.4 波浪

海洋中的波浪可分為風(fēng)浪、涌浪、近岸浪等數(shù)種，其中最常見的就是風(fēng)浪和涌浪。風(fēng)浪是海水在風(fēng)直接作用下產(chǎn)生的水面波動(dòng)。涌浪是其他海區(qū)傳來、或者當(dāng)?shù)仫L(fēng)力迅速減小或風(fēng)向改變后遺留下來的浪(海面在長時(shí)間刮同一風(fēng)向的風(fēng)時(shí)，容易產(chǎn)生涌浪)。涌浪傳到淺水區(qū)域時(shí)便形成近岸浪，近岸浪受海底地形影響，往往能量巨大，在岸邊會(huì)產(chǎn)生驚濤拍岸的景象。一般情況下，當(dāng)海面浪高在1.5 m或以上時(shí)，會(huì)對海上鉆探施工產(chǎn)生影響。在以往的海上鉆探過程中，往往會(huì)出現(xiàn)海上風(fēng)力很小，但涌浪很大的情況，無法正常施工，這是由于涌浪一般具有巨大的能量，只有隨著時(shí)間的推移或海面刮起和涌浪傳播方向相反的風(fēng)時(shí)，其能量才會(huì)不斷減小。

4.5 水流、潮汐

水流的大小、方向往往和當(dāng)?shù)氐慕兜匦斡嘘P(guān)，一般情況下水流是沿著海岸順時(shí)針或逆時(shí)針循環(huán)流動(dòng)的，并且海水漲潮時(shí)的流向和落潮時(shí)的流向是相反的。在海上定位時(shí)，如果錨拋的位置不好或者船頭沒有頂流，在水流長時(shí)間的沖擊下，鉆探船很容易偏離原始點(diǎn)位，影響正常的鉆探施工。

4.6 海霧

海霧是海面低層大氣中一種水蒸氣凝結(jié)的天氣現(xiàn)象，常呈乳白色，往往能見度小于1 km。大霧產(chǎn)生時(shí)，能見度很低，尤其是在海上航道內(nèi)鉆探時(shí)，容易產(chǎn)生撞船事故。解決方法:加強(qiáng)船艏和船尾的瞭望，在船桅桿上安置霧燈及信號(hào)燈，必要時(shí)要經(jīng)常鳴笛。

4.7 過往船只的影響

鉆探船在定位后會(huì)在海面以上留下4條錨纜，過往船只由于船速過快，較難發(fā)現(xiàn)錨纜的位置，其螺旋槳容易和錨纜絞到一起，使鉆探船偏離原始點(diǎn)位。解決方法:加強(qiáng)船艏和船尾的瞭望，在錨纜靠近錨的一端拴上有鮮艷顏色的漂浮物，避免過往船只絞纜，影響鉆探施工。

4.8 暗礁及淺灘

暗礁，指經(jīng)常位于海面以下的巖體或礁體。多孤立地分布在海岸帶的下部，是海上航行時(shí)的禁區(qū)，常對海上航運(yùn)造成危害。在海上定位施工之前，應(yīng)查找工區(qū)海圖，并確定暗礁在海圖上的確切位置，采取提前繞行的方法，并在航行過程中加強(qiáng)瞭望。

淺灘，指水深較周圍海區(qū)有明顯變淺，頂部較平坦的海底高地。如果在淺灘的位置有鉆孔，由于其水深淺，不能滿足鉆探船的最小吃水深度，船只無法正常航行并定位。解決方法:計(jì)算好漲潮和高潮的時(shí)間，先使鉆探船盡量靠近點(diǎn)位，等海水漲至能滿足船只正常航行后，再進(jìn)行導(dǎo)航定位，并爭取趕在落潮之前完成勘探施工。如果以上方法仍解決不了問題，則可以在施工點(diǎn)位附近搭置腳手架，做成簡易施工平臺(tái)，組織鉆機(jī)施工。

4.9 漁網(wǎng)、海帶及海貝養(yǎng)殖區(qū)

海上定位和鉆探施工時(shí)，盡量避開漁網(wǎng)及養(yǎng)殖區(qū)。如果有鉆孔在漁網(wǎng)和養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)，則需要找到其所有人進(jìn)行協(xié)商，在協(xié)商之前不可以到養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)定位及鉆探，以免產(chǎn)生摩擦。

4.10 海底管線

海底管線包括海底光纜、海底電纜、海底輸送油管道等。在海上鉆探施工之前，通過甲方要海底管線分布圖，在海上定位時(shí)，注意海面上的警示標(biāo)識(shí)。

4.11 海上漂浮物

海上漂浮物包括生活垃圾、海冰、各種浮游植物等。這些漂浮物往往會(huì)隨著海流漂移，鉆探船會(huì)阻礙其漂移的路徑，使漂浮物在鉆探船的一側(cè)越積越多，影響船只整體的穩(wěn)定性。

5 鉆探時(shí)突發(fā)情況及其處理

5.1 脫錨

如果發(fā)生脫錨事故，應(yīng)立即停止鉆探，提鉆、提套管，及時(shí)找出脫錨的原因，并重新下錨定位。造成鉆探船脫錨的原因有很多:①在下錨的過程中，錨的位置不當(dāng)；②錨型選擇不當(dāng)；③風(fēng)浪及水流過大；④過往船只絞纜。

解決方法:在下錨的過程中盡量使4口錨的位置呈交叉垂直狀；根據(jù)海底地層的軟硬選擇合適的錨型；加強(qiáng)船艏及船尾的瞭望，在錨纜靠近錨的一端拴上有鮮艷顏色的漂浮物，起到警示作用。

5.2 纜繩變松

由于海水的漲、落潮及水流方向的改變，會(huì)使原來收緊的錨纜變松，鉆探船會(huì)移位。解決方法:加強(qiáng)船艏及船尾的瞭望，如發(fā)現(xiàn)錨纜變松，應(yīng)立即收緊。

5.3 埋鉆

由于海底地層多為海相沉積的砂、碎石及卵石層，埋鉆現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。為防止埋鉆，在海上鉆探過程中，應(yīng)使用套管跟進(jìn)并結(jié)合泥漿護(hù)壁的方法。如果發(fā)現(xiàn)埋鉆，應(yīng)立即停止施工，查找埋鉆原因，根據(jù)不同的原因采取不同的處理方法。

5.4 突遇大風(fēng)、大浪、大霧等極端天氣

海上鉆探施工時(shí)，海況變化莫測。在突遇大風(fēng)、大浪、大霧等極端天氣時(shí)，應(yīng)立即停止施工，在無法堅(jiān)持施工時(shí)起錨回港。

6 結(jié) 語

海洋工程巖土工程勘察和陸地工程巖土工程勘察相比較，在施工過程、影響因素及遇到的突發(fā)狀況等方面更為復(fù)雜，本文的目的是確保海洋工程巖土工程勘察質(zhì)量的同時(shí)，避免事故的發(fā)生。

[1] 嚴(yán)愷，梁其荀.海港工程[M].北京:海洋出版社，1996

[2] 韓理安，席與耀.港口水工建筑物(Ⅰ)[M].北京:人民交通出版社，2000

[3] 《工程地質(zhì)手冊》編寫委員會(huì).《工程地質(zhì)手冊》(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006，682～692

[4] JTS 133－1－2010.港口巖土工程勘察規(guī)范[S].

[5] GB/T 12763.1－2007.海洋調(diào)查規(guī)范第1部分:總則[S].

[6] GB/T 12763.11－2007.海洋調(diào)查規(guī)范第11部分:海洋工程地質(zhì)調(diào)查[S].

京津滬渝四直轄市勘察交流會(huì)順利召開

(本刊訊)2011年9月16日至17日，京津滬渝四直轄市勘察單位第四次交流會(huì)在重慶順利召開。

此次交流會(huì)由重慶市勘測院主辦，北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司、天津市勘察院、上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司等單位參加了會(huì)議。重慶市規(guī)劃局副局長邱建林出席會(huì)議并講話，他對勘察工作在城市建設(shè)中所起的作用以及交流會(huì)的意義予以了充分肯定。

與會(huì)各單位就新技術(shù)應(yīng)用、新業(yè)務(wù)拓展、企業(yè)管理、人才隊(duì)伍建設(shè)等問題進(jìn)行了交流探討。會(huì)議的成功召開為各單位的未來發(fā)展提供了更為廣闊的思路，為各城市勘察單位架起了相互溝通的橋梁和紐帶，對于勘察行業(yè)新技術(shù)的推廣應(yīng)用與跨區(qū)域合作交流起到了重要的推動(dòng)作用。

(重慶市勘測院 向華林供稿)

The Process of Marine Geotechnical Investigation and Factors

Liu Zhigang
(Qingdao Surveying and Mapping Research Institute，Qingdao 266032，China)

In recent years，with the development of economy，our country’s marine engineering in shipbuilding、petroleum chemical industry and wharf，developed very quickly.So，the work of geotechnical investigation are particularly important.In this paper，elaborates the preparation and construction process of marine engineering geotechnical investigation in detail，lists the factors of impacting normal marine geotechnical exploration，and the emergency situations of marine geotechnical exploration，with mine work experience，proposes measures to deal with unexpected situations of marine geotechnical exploration.

Marine Engineering；Geotechnical Investigation；Marine Positioning；Anchor off

2011—07—29

劉志剛(1982—)，男，助理工程師，主要從事巖土工程勘察技術(shù)工作。