張 輝

(山東省第八地質礦產(chǎn)勘查院，山東 日照 276800)

0 引言

近年來，隨著國家對海洋經(jīng)濟開發(fā)的愈發(fā)重視，開發(fā)資金投入大幅增加，海洋地質勘探工作的需求不斷增多，對技術要求越來越高，施工難度逐漸加大，提升鉆探工藝技術水平、持續(xù)增強科技創(chuàng)新能力、實現(xiàn)綠色勘察施工成為了地質人需要思考的重要任務及使命。

1 工程概況

日照萬澤豐黃海冷水團魚類養(yǎng)殖海域位于中韓海域交界處附近，距陸地約180海里，圓心半徑為1海里的海域(見圖1中紅色區(qū)域)。在養(yǎng)殖海域建設養(yǎng)殖網(wǎng)箱，養(yǎng)殖網(wǎng)箱周長約180 m，直徑約60 m，主體高度約35 m。擬建場地水深約70 m，洋流流速約3 m/s，海面平均浪高8～10 m。

為查明場地地層分布情況、地形地貌、地基巖土種類及其分布特征，本次勘察共布置鉆孔3個，鉆孔編號為ZK1、ZK2和ZK3。鉆孔呈三角形分布，設計孔深50 m。

2 鉆探設備

2.1 鉆探平臺

2.1.1 鉆探施工船選取

施工區(qū)域位于深海區(qū)，且項目工作量少、鉆孔深度淺，經(jīng)分析采用鉆探船作為鉆探平臺較為合理，考慮到租賃專業(yè)鉆探船成本太高，經(jīng)與萬澤豐漁業(yè)有限公司溝通協(xié)調，決定對其公司的大型養(yǎng)殖工船(魯嵐?jié)O養(yǎng)61699)進行技術改造后作為鉆探施工用船，該船基本參數(shù)見表1，實踐證明該船性能參數(shù)能夠滿足該項目施工要求[14-15]。

圖1項目交通位置圖
Fig.1Project traffic location

表1 大型養(yǎng)殖工船基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of large farming boat

2.1.2 鉆探施工船改造[8]

養(yǎng)殖工船不具備鉆探功能，為此我院組織鉆探工藝、機械維修及工程勘察等方面的專業(yè)技術人員組成技術專家攻關小組，經(jīng)過簡單的技術改造加工，搭建經(jīng)濟、實用和安全的臨時海上鉆探平臺。

在船舶尾部上下甲板垂向對應位置采用切割方法，割開直徑780 mm的圓孔，用直徑760 mm無縫鋼管焊接后形成鉆具上下通道。

平臺搭建在船體上，平臺高出甲板60 cm，其上用5 cm厚的木板鋪平、鋪牢，木板上面固定鉆塔和鉆機。

船艙內裝滿壓艙淡水，增加鉆進時船體的穩(wěn)定性。

圖2為施工現(xiàn)場圖，經(jīng)實際施工驗證，技改效果良好。

圖2 施工現(xiàn)場圖Fig.2 Construction site

2.2 鉆機及參數(shù)[1]

本次勘察受海域水深、洋流影響較大，孔徑較大(鉆孔開孔口徑130 mm、終孔口徑110 mm)，海底地層復雜，缺少已有鉆探資料等因素影響，鉆探選用XY-4型鉆機，主要用于揭露場區(qū)勘察深度范圍內的地層結構、分布規(guī)律，定性進行巖土層的劃分，并進行原位測試及取樣測試。鉆機主要技術參數(shù)見表2。

表2 XY-4型鉆機主要技術參數(shù)Table 2 Main technical parameters of XY-4 drill

3 鉆探船錨泊定位技術[4-5,13]

(1)鉆探船頭頂流逆水停泊，采用紅外測距儀，配合步話機定位，隨時跟蹤鉆船，確保迅速準確。

(2)船體正前后方拋主錨，左右兩側拋邊錨，邊錨每側為兩只，呈八字形拋置，錨繩選擇直徑25 mm的D型鋼絲繩，邊錨繩與主錨繩之間夾角為60°，錨總數(shù)量為6只，錨型為霍爾錨和大抓力錨。

(3)為保證施工期間孔位穩(wěn)定以及錨體的起、下作業(yè)安全與質量，專門租賃一小船輔助拋錨作業(yè)。

4 鉆探工作遇到的難題及措施

4.1 風浪影響

勘察海域季風8～10級，浪高8～10 m，極大地影響施工平臺的穩(wěn)定。

采取措施：增大施工平臺的抗風浪能力。采用大型海水養(yǎng)殖工船一艘，船舶總長度86 m，型寬16 m，通過技術改造滿足鉆探施工要求。

4.2 洋流影響[9]

洋流最大流速3 m/s，對所下鉆具形成很大的沖力，容易使套管、鉆具傾斜，影響鉆探質量。

采取措施：結合工程的特征及現(xiàn)場工況，設計合理施工方案。采用重力導向裝置，首先將直徑40 cm，長度80 cm的圓鋼加工成紡錘形重錘，一端連接直徑25 mm鋼絲繩，用養(yǎng)殖工船拋錨機將重錘下入海底，待沉入淤泥層固定后，將上部鋼絲繩用卷揚拉直固定，將?146 mm套管，沿垂向固定的鋼絲繩逐節(jié)下放，為防止洋流及涌浪打斷套管，在套管連接處部采用3根短鋼筋進行現(xiàn)場焊接，確保套管接頭處的穩(wěn)定性。

通過施工人員的嚴謹操作，順利完成了套管下放工作，套管下入海底約5 m，累計下放套管78 m，為本次施工任務順利完成奠定了堅實基礎。具體施工方法見圖3。

圖3 重力導向裝置下放套管示意圖Fig.3 Lowering casing with gravity guiding device

4.3 通訊不暢

施工海域沒有手機信號，施工現(xiàn)場與外界聯(lián)系不便。

采取措施：現(xiàn)場配備2部衛(wèi)星電話，確保通訊暢通，及時交流溝通施工進度、洋流流向、天氣情況等。

5 鉆探施工工藝

5.1 鉆進工藝[6-7]

工程鉆遇地層大多為淤泥、淤泥質土、粉土、中砂、礫砂等，鉆探過程中鉆孔易坍塌，直接影響施工進度及質量。因此，鉆孔設計開孔直徑為130 mm，終孔直徑為110 mm，鉆孔結構示意圖見圖4；在淤泥、砂層等易坍塌孔段實行跟管鉆進技術，雙管鉆進工藝；當淤泥、砂層厚度較大，跟管鉆進受限制時，采取大密度沖洗液護壁鉆進，沖洗液密度控制在1.3 g/cm3左右；減少回次進尺長度，回次進尺≯2.0 m。

海上鉆進與陸地的主要不同在于受海浪波動的影響較大。為補償波動的影響，鉆進中松開液壓卡盤，靠鉆具自重加壓鉆進，避免出現(xiàn)壓彎或壓斷孔內鉆具的現(xiàn)象。

圖4 鉆孔結構示意圖Fig.4 Diagram of borehole structure

5.2 沖洗液技術

5.2.1 沖洗液循環(huán)

沖洗液循環(huán)系統(tǒng)的建立要由鉆遇地層特點、施工周期長短、沖洗液的環(huán)保程度等多種因素決定。由于本項目地層簡單、孔淺，采取小泵量無泵取心鉆進，沖洗液用量少，沒有必要建立沖洗液循環(huán)系統(tǒng)，也可以簡化鉆探船場地布置[12]。

5.2.2 沖洗液配方

為適應現(xiàn)場條件，采用低固相海水沖洗液，配方為：1 m3海水+30～40 kg鈉膨潤土+5 kg抗鹽共聚物，該沖洗液具有環(huán)保、較低的濾失量，泥皮質量好，良好的流變性能和抑制性能等特點，經(jīng)鉆探驗證，效果非常好。

5.2.3 沖洗液維護與管理

充分利用現(xiàn)場條件，合理安放泥漿池。為保證沖洗液性能參數(shù)可控，現(xiàn)場配備密度計、漏斗粘度計、濾失量儀、含砂量儀和pH值試紙等沖洗液性能測試工具。每班至少測定一次沖洗液的常規(guī)性能，并填入班報表中，保持沖洗液性能穩(wěn)定。更換沖洗液類型時，應事先試驗、優(yōu)化配方，確定更換程序。施工中應根據(jù)沖洗液性能的變化和鉆遇地層及時調整、補充處理劑?，F(xiàn)場沖洗液配制及循環(huán)系統(tǒng)應防雨、防污染。沖洗液材料及堵漏材料應分類、妥善保管。

6 鉆探主要成果

6.1 施工情況

海上勘察施工時間從2018年3月23日開始到2018年4月14日結束，歷時23 d，共計完成鉆孔3個，完成工作量136.5 m，粘土巖心采取率95%，粉土巖心采取率85%，砂土巖心采取率80%，巖心采取率滿足規(guī)范要求。本次勘察滿足了項目的設計需要，查明了該工程所在位置處土層分布和巖土物理、力學指標，為養(yǎng)殖工程設計提供了可靠的依據(jù)。

6.2 取得成果

6.2.1 原位測試

依據(jù)巖心特性，確定了巖土的分層界限。采用雙橋靜力觸探儀進行靜力觸探，取得了土的側阻力、錐頭阻力數(shù)據(jù)[3]。

6.2.2 取樣和室內土工試驗結果

淤泥和淤泥質土采用固定活塞薄壁取土器，連續(xù)靜壓法采?、蚣壴瓲顦?，粉土采用單動三重管回轉取土器，連續(xù)回轉法采?、窦壊粩_動樣；粉砂采用厚壁敞口取土器，重錘少擊法采?、蠹夛@著擾動樣。對不擾動樣品進行物理力學性能試驗，提供了地層物理力學指標；對顯著擾動樣品進行顆粒分析試驗，提供了砂土的各級顆粒組成百分比。取海水水樣分析，評價了海水對建筑材料的腐蝕性[2，10]。

取得的巖土物理力學指標包括：質量密度、天然含水量、土粒比重、液限、塑限、液性指數(shù)、塑性指數(shù)、內摩擦角、粘聚力、空隙壓力指數(shù)、無側限抗壓強度測試、壓縮系數(shù)、壓縮模量等。

依據(jù)鉆探情況、室內土工試驗結果及經(jīng)驗估算各巖土層地基承載力及相關物理力學參數(shù)見表3。

7 安全保障措施

7.1 鉆探安全生產(chǎn)管理

(1)鉆探船安裝避雷針。

(2)各種機械設備的防護設施、安全裝置應齊全完好，外露的轉動部位應設置可靠的防護罩或防護套。

(3)發(fā)電機組、電動機、配電箱、電器開關等采取了防潮防護；配電箱或開關箱安裝漏電保護裝置。

(4)現(xiàn)場配備10個5 kg干粉滅火器材，在消防風險點高的部位合理安放。

(5)所有臨空臨海處安放防護設施，欄桿、護鏈、護網(wǎng)。

(6)遇有重霧視線不清時(能見度<2級)，遇有暴雨雷電天氣和能見度小于鉆塔高度的濃霧天氣停止作業(yè)。

表3 巖土層地基承載力及相關物理力學參數(shù)Table 3 Bearing capacity of foundation and related physical and mechanical parameters of rock layer

7.2 海上作業(yè)安全生產(chǎn)管理[11]

(1)海上作業(yè)人員應經(jīng)過安全培訓，考試合格后，按照相關安全要求持證上崗。

(2)施工作業(yè)前，應向日照市海事部門報告并備案。

(3)鉆探船和輔助船應配備可充足的救生食品、飲用水及救生圈、救生衣、救生艇等逃生急救器材。

7.3 應急安全管理

(1)按照相關海域海事管理規(guī)定設置航行交通警示標志。

(2)建立以船長和機長為組長的安全應急指揮領導小組，全面負責組織實施安全預案。

(3)配置了必要的應急資源，準備和保存一份應急通訊表(包括日照市應急救援服務機構、日照市政府機構和聯(lián)系部門、我院和萬澤豐公司安全管理部門等)，按照規(guī)定的時間組織應急計劃演練。

(4)設立應急值班，保持與現(xiàn)場指揮聯(lián)絡暢通?，F(xiàn)場24 h配有值班輔助船，以備緊急情況下撤離，陸上備有值班車輛。

(5)加強天氣預報資料收集，與日照市的水文、氣象部門保持密切聯(lián)系，每天至少4次接收天氣預報信息，掌握準確、及時的水文和氣象情況。當接受到大風預警或其他惡劣天氣狀況時，應立即啟動應急預案。

8 綠色勘察

(1)鉆探平臺應配備以下環(huán)保設施：沖洗液凈化循環(huán)系統(tǒng)，泥漿泵、柴油機冷卻水噴淋循環(huán)系統(tǒng)，廢油品回收專用罐，沖洗液等化學材料儲備房，容量足夠的污水池、廢漿池。

(2)發(fā)電機組、柴油機組、油罐、鉆具區(qū)等易污染的地方四周應有環(huán)形污水槽，并配備污油回收罐，污水槽外緣應高出平臺10 cm。

(3)鉆探平臺應進行清污分流，雨水排水系統(tǒng)及設施應根據(jù)當?shù)貧v年降雨量情況進行設計；雨水可直接外排，污水應流入鉆孔廢水池。

(4)在循環(huán)罐區(qū)、沖洗液材料庫區(qū)等搭設防雨篷的生產(chǎn)區(qū)，防雨篷的外緣應超過污水槽的外緣。

(5)不許向施工作業(yè)及周邊海域傾倒工業(yè)廢水、廢油、廢渣和生活垃圾；不許在鉆探平臺焚燒廢棄物。

(6)不可使用劇毒或含有重金屬等國家禁止使用的沖洗液材料。

(7)充分做到污水回收利用，泥漿泵、水剎車的冷卻水應循環(huán)使用，沖洗鉆臺等污水，經(jīng)污水池沉淀后也應循環(huán)使用；污水不能回收利用的部分，存放在污水池中，必須外排時，外排水質排放標準應符合國家規(guī)定。

(8)鉆探平臺產(chǎn)生的生活垃圾應集中堆存，定期消毒，不可降解的，分揀、分置處理。鉆探竣工后，按日照市政府環(huán)保部門的要求處理，做到工完料凈、作業(yè)區(qū)域海域清潔。

(9)禁止鉆探作業(yè)人員乘船或下海采集珊瑚、捕撈海洋生物。

9 結語

通過采用大型養(yǎng)殖工船搭建鉆探平臺，創(chuàng)新性地采用重力導向裝置下放套管，克服了海洋鉆探過程存在的強風浪、強洋流及海水深度影響。圓滿完成了本次勘察任務。為初步設計提供了詳實的巖土數(shù)據(jù)及地基基礎方案建議，積累了深海地區(qū)勘察的寶貴經(jīng)驗。為山東省新舊動能重點項目提供了技術服務，對類似項目有很好的借鑒作用。