王風(fēng)華，劉曉明

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430050)

0 引言

海上鉆探一般采用水上浮動(dòng)平臺(tái)，工作進(jìn)度受鉆船選型、潮汐、水流、水深、風(fēng)浪、地質(zhì)等自然因素影響大，施工較陸地鉆探困難、復(fù)雜。全面的調(diào)查與了解大橋橋址處的地形地貌、水文潮汐、氣象及地層情況，以選擇合適的勘察方案，是順利進(jìn)行大橋勘察工作的重要依據(jù)。

1 自然地理?xiàng)l件

平潭海峽公鐵大橋是中國(guó)第一座位于海上的公鐵兩用大橋。大橋位于海壇海峽北部，橋位從長(zhǎng)樂(lè)市松下鎮(zhèn)入海經(jīng)人嶼島，跨越元洪航道和鼓嶼門(mén)水道分別到達(dá)長(zhǎng)嶼島及小練島，然后跨越小練—大練水道抵達(dá)大練島，再跨越海壇海峽北東口水道抵達(dá)平潭島。

大橋全長(zhǎng)約16 km，橋址處海域?qū)挾燃s12 km，海底地形起伏大，島嶼、礁石眾多，將海域分割成多個(gè)狹長(zhǎng)水道，漲、落潮波流在橋中線處相對(duì)強(qiáng)勁，潮差最大達(dá)7.7 m，實(shí)測(cè)最大流速達(dá)1.51 m/s，沖刷強(qiáng)烈，海底地形起伏大，海水深度約0.0～40.0 m。橋址處覆蓋層厚0～40 m，頂部為厚約5 m的粉細(xì)砂，其下為軟塑—可塑狀黏性土為主，基巖為燕山期巖漿巖，風(fēng)化差異大。

橋址區(qū)為典型的海洋性季風(fēng)氣候，年平均風(fēng)速為9 m/s，≥7級(jí)大風(fēng)天數(shù)為 238 d，≥8級(jí)大風(fēng)天數(shù)125 d，臺(tái)風(fēng)年平均次數(shù)3.8次，最大波高4.3 m。

2 施工難點(diǎn)

針對(duì)橋址處的自然地理?xiàng)l件，我們確定了本次勘察工作的難點(diǎn)。

2.1 水深與流速

決定海域鉆探施工難易程度的主要指標(biāo)之一，水太淺，鉆船無(wú)法到位;水太深，則鉆船難以穩(wěn)固，套管難以垂直打入海底地層。同時(shí)漲落潮時(shí)的流速直接影響鉆船的穩(wěn)固，過(guò)大的流速會(huì)導(dǎo)致鉆船定位難以固定出現(xiàn)走錨現(xiàn)象。

2.2 潮汐

鉆探時(shí)需考慮潮差和漲落潮流速的影響，大橋處最大潮差達(dá)7.7 m，必須充分利用漲落潮時(shí)間施工及確保漲落潮施工安全。

2.3 風(fēng)浪

鉆探船舶在7級(jí)風(fēng)及以上時(shí)搖晃比較厲害，在8級(jí)風(fēng)及以上時(shí)船舶必須進(jìn)行避風(fēng)，以確保人員設(shè)備的安全。橋址處≥8級(jí)大風(fēng)日達(dá)125 d，需充分利用大風(fēng)間隙時(shí)間進(jìn)行鉆探，方能保證勘察的安全及進(jìn)度。

2.4 地質(zhì)條件

海床上地層類型直接影響到隔水套管的穩(wěn)定和鉆船錨泊系統(tǒng)的穩(wěn)定，如軟土易于隔水套管的插入及錨的穩(wěn)定，而裸露的基巖面易引起船舶溜錨導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢。

3 關(guān)鍵工序分析

如何克服海壇海峽惡劣環(huán)境因素的影響，確?？辈旃ぷ鞯捻樌M(jìn)行，對(duì)重點(diǎn)工序進(jìn)行了分析。

3.1 鉆探船舶的選定

(1)針對(duì)橋址處水深大、水流急、風(fēng)浪大的特點(diǎn)，鉆船在滿足承受鉆探設(shè)備能力的同時(shí)，必須能抵抗8級(jí)大風(fēng)，具備能夠隨時(shí)避風(fēng)的能力，船舶甲板面積能夠滿足鉆探施工的需要，并提供必要的生活場(chǎng)地?？紤]到單體鉆船結(jié)構(gòu)安全性較雙體鉆船高，靈活性好，在風(fēng)浪大的地區(qū)移動(dòng)更為方便，依照經(jīng)濟(jì)、安全的原則，本次勘察選擇了穩(wěn)定性較好且具有自航能力的平底工程船作為施工平臺(tái)，抗風(fēng)能力達(dá)到8級(jí)，總噸位在500 t左右，船長(zhǎng)≥40 m，船寬≥10 m(見(jiàn)照片1);

(2)選擇的鉆探船及交通輔助船均經(jīng)過(guò)船檢部門(mén)的安全鑒定，配有現(xiàn)代化的救生、通訊和導(dǎo)航設(shè)備，并配備相應(yīng)級(jí)別的船員;

(3)船舶均配備絞錨機(jī)，可以更快地完成起拋錨工作，并降低施工人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率。

3.2 鉆探平臺(tái)的拼裝[1]

在船舶的一側(cè)搭建鉆探平臺(tái)，平臺(tái)伸出船舷2.5～3 m，采用長(zhǎng)度≥10 m的20號(hào)槽鋼焊接在甲板上，伸出部分通過(guò)斜撐支承在鉆船龍骨上，鉆機(jī)底座焊接在槽鋼上，機(jī)頭伸出船舷約40 cm，槽鋼上擺放木板作為工作平臺(tái)。鉆船周圍焊接防護(hù)欄桿。甲板另一側(cè)用膨潤(rùn)土及備用機(jī)具設(shè)備、套管配載，使鉆船保持平衡，勘察中經(jīng)常檢查鉆探平臺(tái)的平衡，務(wù)使平臺(tái)傾斜。

平臺(tái)的外側(cè)垂直槽鋼方向(順船向)預(yù)留一豁口，當(dāng)突遇大風(fēng)浪無(wú)法起拔保護(hù)套管時(shí)，可將活動(dòng)套管及孔口固定支架取出，將施工平臺(tái)上部木板掀開(kāi)，鉆船可直接離開(kāi)孔位避風(fēng)，避免鉆船與保護(hù)套管的撞擊，在風(fēng)平浪靜后又可以重新鉆探，避免廢孔的出現(xiàn)。

照片1 鉆探平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)照片Photo 1 Scene photograph of drilling platform

3.3 錨固系統(tǒng)

針對(duì)海壇海峽風(fēng)大浪急的特點(diǎn)，我們采用了由主錨、邊錨、錨繩、錨鏈、絞錨機(jī)及錨標(biāo)組成的錨固系統(tǒng)[2]。主錨采用改進(jìn)后的犁錨，邊錨采用犁錨或兔子錨，2只主錨重約1～2 t，4只前后邊錨重約1 t，呈*字形分布;每個(gè)錨對(duì)應(yīng)1個(gè)絞錨機(jī)，錨與絞錨機(jī)之間采用直徑Φ 28 mm鋼絲繩連接，繩長(zhǎng)200～300 m，錨上采用Φ 22 mm鋼絲繩系上浮標(biāo)，方便起錨。對(duì)于基巖裸露地段則采用錨鏈及連環(huán)錨連接，確保鉆探平臺(tái)的穩(wěn)定(見(jiàn)圖1)。由于完成1個(gè)鉆孔需要3～4 d，期間需經(jīng)過(guò)多次潮漲潮落，鉆進(jìn)過(guò)程中需根據(jù)潮汐、風(fēng)浪的變化適時(shí)調(diào)整每根錨繩的松緊度。

圖1 鉆船拼裝及錨固系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagrarm of drilling ship assembling and anchorage system

3.4 鉆探平臺(tái)定位

鉆孔定位采用GPS實(shí)時(shí)差分系統(tǒng)進(jìn)行，一般選擇在平潮期進(jìn)行，此時(shí)水流速度相對(duì)較小。同一墩內(nèi)定位可不受漲落潮的控制，但一般安排在最低潮時(shí)進(jìn)行，方便起拔套管。根據(jù)GPS顯示的坐標(biāo)將鉆船開(kāi)至預(yù)定地點(diǎn)拋下前主錨，然后順潮水流向航行至孔位附近，由錨艇按照先主錨后邊錨的順序依次將剩余的5只錨拋出，然后由絞錨機(jī)收緊錨繩，移動(dòng)鉆船，慢慢向孔位靠近，在GPS的監(jiān)測(cè)下絞錨到位。

3.5 套管安裝

在鉆探平臺(tái)到達(dá)孔位后即進(jìn)行套管安裝，套管安裝一般選擇在流速緩慢的平潮期進(jìn)行，由于潮汐的往返流動(dòng)極易使套管順?biāo)鲾[動(dòng)，導(dǎo)致套管絲扣松動(dòng)，引起套管折斷[3]。安裝時(shí)采用Φ 17 mm鋼絲繩將Φ 180 mm套管牽引到船頭、船尾的系纜樁上，并與下沉的套管同步下放，以保證套管垂直進(jìn)入海床，并通過(guò)錘擊進(jìn)入海床面以下5～10 m;當(dāng)水較深時(shí)，在套管的下部及中部分別設(shè)置套管夾板并系保護(hù)繩，增強(qiáng)套管的剛度(見(jiàn)圖2)。

由于鉆探平臺(tái)隨潮水漲落而上下升降，剛開(kāi)工時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工采用直接接卸Φ 180 mm套管及單層活動(dòng)套管法。

直接接卸套管法即在鉆船到達(dá)指定孔位后，將高強(qiáng)度的Φ 180 mm厚壁套管直接作為保護(hù)套管及泥漿循環(huán)套管，根據(jù)潮水漲落情況隨時(shí)接卸套管，它的特點(diǎn)就是通過(guò)設(shè)置在套管外側(cè)的水位漲落標(biāo)志能直接觀察到潮水的漲落，但需在鉆進(jìn)中停鉆以接卸套管，耗時(shí)耗力，大大降低了工作效率，并易導(dǎo)致套管損壞。雙層活動(dòng)套管法。即在Φ 180 mm套管外嵌套直徑Φ 273 mm套管，其長(zhǎng)度為8～9 m，較最大潮差略長(zhǎng)，漲落潮時(shí)Φ 273 mm套管與Φ 146套管同時(shí)隨著鉆船一起上下移動(dòng)，對(duì)鉆具具有良好的導(dǎo)向作用，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度，增加了鉆進(jìn)時(shí)間，大大提高了工作效率。

圖2 套管安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of casing installation

4 結(jié)語(yǔ)

單層活動(dòng)套管法選用Φ 180 mm厚壁套管做隔水保護(hù)及導(dǎo)向套管，內(nèi)層套管采用直徑Φ 146 mm套管，Φ 180 mm套管與內(nèi)層Φ146 mm套管之間設(shè)置3道密封圈，便于泥漿循環(huán)。Φ 146 mm套管通過(guò)孔口固定支架隨著鉆船一起上下升降。

現(xiàn)場(chǎng)勘察表明:由于海壇海峽風(fēng)大浪急，潮水對(duì)套管的沖擊力大，Φ 146 mm套管易發(fā)生折斷或彎曲現(xiàn)象，其剛度及抗彎強(qiáng)度不能滿足鉆探的要求。在后期勘察中，我們對(duì)單層活動(dòng)套管法進(jìn)行了改進(jìn)，采用了

(1)選擇的500 t位鉆船能滿足最大水深40 m、7級(jí)風(fēng)力的近海域鉆探施工需要。

(2)合理的錨固系統(tǒng)有助于提高效率，避免溜錨廢孔事件發(fā)生。

(3)先進(jìn)的套管固定及連接方案可以克服較大的潮差影響，增長(zhǎng)有效施鉆時(shí)間，提高工作效率。

[1] 常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)[M].4版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007:115 －116.

[2] 梁子山.南流江出海口海上工程地質(zhì)鉆探施工方法[J].廣西地質(zhì)，1992(3):89－93.

[3] 謝小榮.水上鉆探的若干技術(shù)問(wèn)題[J].廣州建筑，2009(5):42－44.