胡 飛，王亞鳳，夏 勇，張重皓

(湖北省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊，湖北黃石 435100)

隨著城市建設的不斷發(fā)展，各種穿越水域的工程，如鐵路、公路、橋梁、港口、碼頭等項目越來越多，先期進行水域鉆探是一種必不可少的工程勘察手段。而目前工程勘察項目競爭激烈，掌握水上鉆探平臺的搭建和降低水上鉆探平臺成本，或大大提高勘察單位市場競爭力，是新形勢下勘察單位適應發(fā)展的必然趨勢。本文重點介紹搭建成本較低、效率較高的油桶筏式鉆探平臺在水域工程勘察項目中應用的成功經(jīng)驗。

1 工程項目概況

武漢—九江客運專線鐵路大冶湖特大橋地質(zhì)勘察項目位于湖北省大冶市市區(qū)東約4 km處，橋長5 116．345 m，其中DK93+600～DK95+750跨大冶湖湖區(qū)，DK95+750～DK96+700跨多個為魚塘，水深0．6～2．8 m。巖土層按其成因自上而下主要有:第四系人工填土層()素填土;第四系全新統(tǒng)湖泊沉積層():淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土;第四系全新統(tǒng)沖洪積層():粉質(zhì)粘土、粉砂、細砂、礫砂、細圓礫土;第四系上更新統(tǒng)沖洪積層():粉質(zhì)粘土、角礫土;下伏為白堊—第三系(K-E)泥質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖、角礫巖;三疊系大冶組(T1d)灰?guī)r。

2 水域工程勘察鉆探平臺特點

工程勘察項目鉆孔設計孔深在80 m以內(nèi)，基本可滿足摩擦樁及端承樁的要求，采用鉆探能力在100 m的工程勘察鉆機均可進行施工。主要分為油桶筏式鉆探平臺、浮船式鉆井平臺、圍堰式鉆井平臺、人工島式鉆井平臺、棧橋式鉆井平臺、腳手架式鉆井平臺等。各種鉆探平臺主要區(qū)別在于對環(huán)境的適用性、搭建的經(jīng)濟性、移動的靈活性各不相同，并各有優(yōu)缺點。

照片1 油桶筏式鉆探平臺施工實物相片Photo 1 Platform construction of raft drilling of oil drum

2．1 油桶筏式鉆探平臺

適用于工作水深0．4～5 m且流速較小的水域，具有成本低、制作方便、可移動的特點(照片1)。

2．2 浮船式鉆井平臺

可以用現(xiàn)有的船只進行改裝，鉆井船的排水量從幾百噸到幾千噸不等，因而能以最快的速度投入使用，適用于水深3～30 m且通航的水域，具有成本相對較高、荷載大、安全性能高、可移動等特點。

2．3 圍堰式、人工島式鉆井平臺

適用于工作水深淺、流速較慢的水域。在大規(guī)模鉆孔施工中有一定優(yōu)勢，施工勘察階段鉆孔較密時具有成本與效率優(yōu)勢和承載力較大的特點。

2．4 棧橋式鉆井平臺、腳手架式鉆井平臺

適用于工作水深淺、鉆孔距堤岸較近的水域，具有成本相對較高，不可移動的特點。

而大型的海上鉆探平臺，如坐底式鉆探平臺、自升式鉆探平臺、鉆井浮船和半潛式鉆探平臺等因搭建成本極高，適用于水深較深，不適用于工程勘察項目。

3 油桶筏式鉆探平臺設計

3．1 受力情況

垂直方向運動:鉆探平臺在受鉆進加減壓操作、提下鉆、原位測試試驗、處理孔內(nèi)事故強力起拔時，鉆探平臺會產(chǎn)生垂直方向的力。為保證能正常生產(chǎn)，油桶筏式鉆探平臺的浮力應該大于鉆探平臺自重及鉆機最大強力提拔力，且鉆探平臺在最大受力工況下不會沉入水里。

水平方向運動:鉆探平臺在受到水流與風的影響時，會產(chǎn)生水平方向的力。為保證正常生產(chǎn)，油桶筏式鉆探平臺的錨固力應該大于水流與風對鉆探平臺的推力。

以鉆孔為中心進行旋轉(zhuǎn)運動:鉆探平臺在正?；剞D(zhuǎn)鉆進、孔內(nèi)遇阻強行轉(zhuǎn)動、擰卸鉆桿鉆具時，會產(chǎn)生以鉆孔為中心的旋轉(zhuǎn)力矩。為保證正常生產(chǎn)，油桶筏式鉆探平臺的錨固力應該大于水流與風對鉆探平臺的推力。

鉆探平臺在各種工況的組合情況下還會產(chǎn)生曲面方向的撓動，但在加強油桶筏整體剛性的情況下可以輕松克服。

綜合分析，鉆探平臺設計時應重點考慮垂直方向的力，因鉆機功率較小，對以鉆孔為中心的旋轉(zhuǎn)力矩可以不予考慮，而水流與風所產(chǎn)生的水平方向力是變化的，當有大風等惡劣天氣時做好提前預警，鉆探平臺設計時應主要考慮平臺的垂直承載力。

3．2 自重分析

搭建油桶筏式鉆探平臺的材料主要由油桶、竹跳板、鋼管、連接扣件等組成，重量見表1。

3．3 浮力計算

根據(jù)阿基米德原理，浸在液體里的物體受到向上的浮力，浮力大小等于物體排開液體所受重力，即F浮=G液排=ρ液gV排。

表1 油桶筏式鉆探平臺、鉆探設備、工具、人員自重表Table 1 Deadweight of raft drilling platform of oil drum，drilling equipment，tool and personnel

式中:ρ液表示液體的密度;V排表示物體排開液體的體積;g為重力加速度，取9．8。

當物體上浮時，F(xiàn)?。綠物且 ρ物＜ ρ液;

當物體下沉時，F(xiàn)?。糋物且 ρ物＞ ρ液;

當物體懸浮時，F(xiàn)浮=G物且 ρ物=ρ液。

為滿足《巖土工程勘察安全規(guī)程》(GB50585—2010)水上鉆探安全規(guī)定［1］，計算在最大荷載情況下，鉆探平臺處于上浮的狀態(tài)所需的最少油桶數(shù)。計算根據(jù)表1所列的搭建平臺及鉆探平臺設備、工具、人員自重表，鉆機為長沙探礦機械廠GY-150型鉆機，其升降機提升力24 kN，油缸最大上頂力30 kN。處理強力提拔不良最大工況取30 kN。

式中:Vmix桶為滿足正常安全生產(chǎn)要求的最少油桶數(shù);G物為油桶筏式鉆探平臺自重=鉆探平臺設備、工具、人員自重=35．427 kN;G不良為最大不良工況下上拔力30 kN取值;210=單個油桶的體積為0．21 m3，浮力為210 kg;g 為重力加速度，取9．8 m/s2。

經(jīng)計算，最小油桶數(shù) Vmix桶為31．79個，即最少油桶數(shù)不少于32個時，豎向承載力剛好略大于總重力+鉆機立軸最大上拔力，油桶筏式鉆探產(chǎn)生的上浮力基本滿足正常安全生產(chǎn)的要求［2］。因此，在搭建鉆探平臺時，還要考慮鉆探平臺的左右平衡，油桶數(shù)應該為2的整數(shù)倍，組合油桶數(shù)應該在32個以上。考慮地層等其它因素，本次勘察采用36個油桶完全符合《巖土工程勘察安全規(guī)程》(GB50585—2010)水上鉆探安全規(guī)定。

3．4 載荷安全系數(shù)計算

油桶筏式鉆探平臺荷載的類型主要分為靜、動、偶然載荷等，參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2001)，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載效應組合，并取最不利的效應進行設計，油桶筏式鉆探平臺荷載按規(guī)范安全系數(shù)取1．4。

經(jīng)計算，采用36個油桶的鉆探平臺總浮力為74．088 kN，鉆探平臺、整套設備、工具及人員總重力為35．427 kN，其安全系數(shù)為2．09滿足規(guī)范要求。

4 鉆探平臺結(jié)構(gòu)設計

鉆探平臺共由36個油桶組成，其中橫向4個一排，縱向9個，搭建成6(寬)m×9(長)m的長方形鉆探平臺，總面積54 m2，符合鉆探場地的平面要求(圖1、圖2)。

圖1 油桶筏式鉆探平臺結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure diagram of raft drilling platform of oil drum

5 鉆探平臺搭建

5．1 按地層確定油桶數(shù)量

搭建鉆探平臺首先要確定油桶個數(shù)，對于沖洗液

圖2 油桶筏式鉆探平臺剖面圖Fig．2 Profile of raft drilling platform of oil drum

中巖粉較細或能自行造漿的地層，如粘性土、灰?guī)r、大理巖、白云巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等地層，不易發(fā)生卡埋鉆事故，選32～36個油桶就能滿足工程勘察要求。對于沖洗液中巖粉顆粒較粗或強風化層較厚的地層，如砂礫層、花崗巖、片麻巖、閃長巖、矽卡巖等地層，易發(fā)生掉塊卡埋鉆事故，選36個以上油桶基本就能滿足工程勘察要求。

5．2 油桶筏鉆探平臺綁扎

首先在岸上綁扎橫向油桶，將油桶每間隔40 cm擺放8個，上下各放置一根6 m長的鋼管，采用8#鐵絲固定，綁扎油桶時有油桶蓋的一面朝上。所有綁扎好的油桶間隔按圖1所示，在每條橫向油桶上垂直軸線放置2根鋼管，采用扣件與橫向鋼管固定，在上面均勻鋪上竹跳板，預留好鉆孔位置，然后采用鐵絲將每塊竹跳板與鋼管固定，檢查油桶筏綁扎無誤后將油桶筏推入水中。油桶筏初步搭建好后，將鉆探設備等抬上鉆探平臺，再安裝安全防護欄與防護網(wǎng)，安全防護欄與防護網(wǎng)要比鉆探平臺高出1．0 m，拉上醒目的彩色警示條，懸掛安全生產(chǎn)警示標牌和救生器材，全部準備工作做好后可將油桶筏鉆探平臺移至預定孔位。

5．3 定位測量與錨泊

鉆孔定位可采用全站儀或GPS進行定位測量，孔位定好后將套管砸入淤泥中，將油桶筏鉆探平臺四周插入鋼管錨定，并將錨固鋼管與油桶筏上的鋼管采用扣件固定，油桶筏鉆探平臺四角采用繃繩固定。

5．4 運輸筏制作

油桶筏鉆探平臺移至孔位后，為保證人員、鉆探材料、樣品、巖心等運輸，必須制作運輸筏。運輸筏可采用3～4個油桶進行制作，承載力為540～720 kg，運輸筏大小可按2 m×2 m進行搭建，可一次性運輸3人。

6 施工中應注意的細節(jié)

(1)水域鉆探施工安全風險較大，施工前一定要對施工人員進行安全培訓與安全交底。開工前要進行安全隱患排查，所有施工人員必須戴安全帽外，還應該穿救生衣，進場人員必須購買意外傷害保險，水域鉆探施工不得用電［3］。

(2)水域鉆探施工要根據(jù)設計孔深考慮油桶數(shù)量。通過計算，孔深40 m時，正常情況下有32個油桶即可;孔深增加至80 m時，鉆桿增加重量約200 kg，選36個油桶可滿足工程勘察要求。

(3)油桶筏鉆探平臺搭建好后，應嚴格控制其重量的大幅增加，如上鉆探平臺的人員大幅增多，巖心的不斷增加等。對于鉆探平臺上的人員，要嚴格控制在6人以下;對鉆取的巖心，擺滿1箱后應及時用運輸筏運送到岸上進行擺放，要盡量減少油桶筏鉆探平臺上的重量，確保安全。

(4)水域工程勘察鉆探施工沖洗液通常采用清水，沖洗液排放為直排，鉆探?jīng)_洗液對水體無化學污染，但養(yǎng)殖有魚苗、蝦的池塘，水質(zhì)要求較高，施工前應與養(yǎng)殖戶簽署水域勘察施工協(xié)議，規(guī)避可能出現(xiàn)的風險。

(5)施工若要采用泥漿鉆探時，應采用泥漿循環(huán)鉆進，嚴禁直排，鉆孔完成后，將循環(huán)泥漿運出處理。

(6)鉆孔完成后，要認真做好封孔工作，對于有溶洞的鉆孔，尤其要做好封孔工作，防止?jié)O塘、藕塘水通過鉆孔大量漏入地下，造成不必要的經(jīng)濟糾紛與損失。

(7)開工前應檢查機械設備情況，嚴禁發(fā)生油污泄漏，施工時應在鉆機底部墊一層吸水的毛氈，用于防止鉆機卡盤，卷揚機、變速箱、柴油機等部位發(fā)生柴油或潤滑油泄漏。

(8)要注意收聽天氣預報，當有大風、暴雨等惡劣天氣時要提前預警，必要時要停止生產(chǎn)，并將油桶筏鉆探平臺拖到安全位置固定好。

7 結(jié)語

實踐表明，該項目共搭建油桶筏式鉆探平臺3個，同時上鉆機3臺，共施工水上鉆孔44孔1 513．2 m，平均孔深34．39 m，最深鉆孔46．4 m，采用油桶搭建鉆探平臺成本低，效率高，安全性與穩(wěn)定性較好，在武九鐵路大冶湖特大橋水上地質(zhì)勘察項目應用中是成功的。

［1］ 任良治．汛期江上工程鉆探施工實踐［J］．探礦工程，2010，37(9):58-60．

［2］ 王維獻．地鐵工程勘察水域鉆探油桶筏式鉆探平臺的設計與安全保障措施［J］．探礦工程，2015，42(4):40-43．

［3］ 王德強．巖土工程勘察外業(yè)工作的技術(shù)與措施［J］．探礦工程，2014，41(5):69-71．