鈕建定，李孝杰，胡建平

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

0 引言

近海工程勘察取樣或原位測試需依托海上勘探平臺實施。常用的勘探平臺有基于船載的“動”平臺和基于海床的“靜”平臺2類。其中，船載式“動”平臺易受風、浪、涌等海況影響，難以開展海上原位測試項目；海床式“靜”平臺樁腿基于海床或基座臥伏海床，能夠獲?、瘛蚣壴瓲钔翗雍驮粶y試參數(shù)，但存在著高成本、低效益等難題。因此，需對中外勘探平臺的現(xiàn)狀進行研究與創(chuàng)新設(shè)計。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

1）船載式“動”平臺

船載式勘探平臺通常采用工程船或駁船為載體搭建，按其推進能力，分自航與非自航2種，為了轉(zhuǎn)場靈活，優(yōu)選自航式工程船，無需拖輪及大型吊裝設(shè)備。勘探平臺按船型選擇船中、端部、舷側(cè)分布，采用積木式拼裝搭建，安裝簡便，因而能以最快的速度投入海上勘察。船載式平臺發(fā)展至今，具有安裝簡便、轉(zhuǎn)場快、成本低的優(yōu)勢，已成為我國近海工程勘察首選。但它的缺陷也很明顯，穩(wěn)定性弱，表現(xiàn)在：基于勘探平臺上的鉆機及設(shè)備會隨船上下運動，盡管研究人員采用多種波浪補償技術(shù)，對動平臺上的鉆進設(shè)備進行波浪補償，使之保持相對“靜止”或使搖擺和升沉位移降低，仍難以取得高質(zhì)量的原狀土及進行原位測試，降低了我國企業(yè)參與國際競爭的能力。

2）海床式“靜”平臺

海床式平臺通常由樁腿、樁靴、升降控制系統(tǒng)等組成，控制系統(tǒng)采用齒輪齒條或液壓頂升方式，平臺基于海床上。首先，控制系統(tǒng)將樁腿下部樁靴插入海床上，使平臺整體沿樁腿上升出海面，從而避開浪、潮、涌等對勘探的影響?？碧娇淄瓿珊螅瑢⒆鳂I(yè)平臺下降至海面，利用浮力及沖樁系統(tǒng)之間的配合將樁腿拔出海床，然后轉(zhuǎn)場至另一孔位，繼續(xù)作業(yè)。2011年，為承接喀麥隆克里比深水港工程，中交四航院采用自主研發(fā)的“理想”勘探平臺，展現(xiàn)了我國海上勘察裝備制造的技術(shù)水平。由于此類平臺制造及維護成本高昂，影響了這類平臺的發(fā)展[1]。

歐美等海洋強國擁有近?？辈烊蠹夹g(shù)：1）船載式定制化專用勘察平臺，如：德國“METEOR”、美國“JOIDES Resolution”、荷蘭Gusto MSC、西班牙“SUELO”等；2）海床貫入式平臺，依靠水下動力設(shè)備將原位測試探頭貫入至土層中，如：荷蘭范登堡公司的ROSON海床式靜力觸探系統(tǒng)；3）井下貫入式平臺，依靠海洋鉆機，以鉆孔的孔底為基準將原位測試探頭貫入至土層中，如：英國BGS研制的“Rock Drill-2”、德國“Me Bo”，美國“Williamson&Associates”等。

國內(nèi)在海洋勘察裝備研究與制造方面存在重資源、輕工程的局面，用于工程方面的勘察技術(shù)研發(fā)投入較低，造成：1）專業(yè)化程度低，產(chǎn)品覆蓋面窄，無法與國外相比；2）功能單一，勘察平臺以導管架式、坐底式、自升式等結(jié)構(gòu)為主，基本偏重資源勘察，功能單一，尤其控制系統(tǒng)（軟件）與國外差距較大。

2 勘探平臺創(chuàng)新設(shè)計

針對海上工程勘探技術(shù)發(fā)展趨勢，分析了國內(nèi)外現(xiàn)有的勘探平臺優(yōu)劣，開展了一系列勘探平臺技術(shù)研究與自主創(chuàng)新。本文詳細介紹用于海上勘察各類平臺創(chuàng)新設(shè)計成果及工程應(yīng)用。

2.1 船載式“動”平臺

海上船載平臺勘察由于風、浪、潮、涌的影響，產(chǎn)生上下浮動、左右搖擺，作業(yè)時間受海況限制，難以獲取高質(zhì)量的土樣。為此創(chuàng)新設(shè)計了一種獨具匠心的海上移動勘探平臺系統(tǒng)[2]。

船載式“動”平臺包括模塊化裝配設(shè)計、三鉆機鉆進法、泥漿循環(huán)設(shè)計等創(chuàng)新技術(shù)[1]，優(yōu)點有：1）不受地域限制；2）作業(yè)范圍廣，勘探水域囊括潮間帶—近海水域；3）勘探綜合成本低于國外同類產(chǎn)品50%以上[3]。

2.2 海床式“靜”平臺

海床式平臺基座或樁腿豎立于海床上，最常用的是自升式平臺，該平臺主要由作業(yè)平臺和液壓升降裝置組成。升降裝置將樁腿插入海床，使整個平臺升至海平面以上，然后在平臺上實施勘探取樣或原位測試，作業(yè)完成之后，收起樁腿，使平臺降至海面上，通過拖航進行轉(zhuǎn)場。自升式平臺適用于淺海域原位測試與勘探取樣，具有良好的穩(wěn)定性，使基于陸域的靜力觸探、旁壓試驗、十字板剪切等試驗可延伸至海域。但自升式平臺高投入、高成本的缺陷，限制了它們的應(yīng)用[4-5]。針對這些問題，研發(fā)一種適宜近海勘探與原位測試的海床式“靜”平臺，如圖1所示。

圖1 海床式液壓升降平臺Fig.1 Seabed hydraulic lifting platform

2.2.1 荷載動態(tài)控制設(shè)計

海洋地質(zhì)較為復雜，一些區(qū)域海床起伏較大，局部存在上硬（砂土）、下軟（黏土）的“硬殼”鐵板砂，若平臺樁靴基于該“殼”層上，則存在著穿刺風險。為此在作業(yè)平臺內(nèi)設(shè)有若干中空排列組合的箱體，箱體內(nèi)設(shè)有傳感器與控制線路，軟件控制電磁閥開關(guān)對箱體內(nèi)注水或排水，實現(xiàn)平臺荷載動態(tài)控制?；诤４驳钠脚_上升脫離海面后，作業(yè)平臺箱體內(nèi)開始注水增荷，縮短平臺的穩(wěn)定時間；作業(yè)人員上平臺前，箱體內(nèi)排水減荷，平衡作業(yè)荷載。荷載的動態(tài)控制，既可加速平臺基礎(chǔ)穩(wěn)定，又可消除穿刺所帶來的安全隱患。

2.2.2 自航模塊設(shè)計

自航模塊有漿轂、葉片、舵葉、驅(qū)動等組成，固定在平臺舷側(cè)。自航模塊上端設(shè)有方向舵，下端與舵葉連接，通過電機與調(diào)速開關(guān)，以全回轉(zhuǎn)方式控制方向舵，實現(xiàn)平臺自航轉(zhuǎn)場。自航模塊的應(yīng)用，可解決同類產(chǎn)品無法自航轉(zhuǎn)場的難題，實現(xiàn)降低勘探成本之目的。

2.2.3 樁靴環(huán)噴沖樁系統(tǒng)

海上工程勘探會出現(xiàn)頻繁轉(zhuǎn)場，即1個鉆孔完成后轉(zhuǎn)到另1個位置繼續(xù)作業(yè)，轉(zhuǎn)場之前需進行拔樁。由于海床地層復雜，拔樁過程存在樁腿埋置深度、土體特性、平臺浮力、海況等變化因素，將樁靴從土體中拔出會產(chǎn)生巨大的摩阻力，降低拔樁阻力已成為海洋工程亟需解決的技術(shù)難題。創(chuàng)新一種樁靴內(nèi)設(shè)沖樁水力分配器，沖樁分上中下3路支管，分別與靴頂、靴側(cè)、靴底三面噴水口相連（圖2）。拔樁腿時，高壓泵通過水力分配器將水分別壓入沖樁支管，使樁靴上部四周淤積土沖散，底部噴沖使靴土之間形成潤滑層，從而減低樁靴底部吸附力。沖樁結(jié)構(gòu)新穎設(shè)計，降低了樁腿提升過程中拔樁阻力，提升了勘探平臺轉(zhuǎn)場的效率。

圖2 環(huán)噴沖樁結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structuraldrawing ofjetgrouting pile

海床式平臺創(chuàng)新設(shè)計所具有的現(xiàn)場組裝、自航轉(zhuǎn)場，一次集成即可完成整片海區(qū)勘探作業(yè)，體現(xiàn)了轉(zhuǎn)場便利、循環(huán)使用的節(jié)約理念，為海上工程基礎(chǔ)設(shè)計提供了符合國際標準的土體物理及力學參數(shù)[6]。

2.3 “動-靜”式雙平臺

為解決船載式“動”平臺取樣質(zhì)量不高、海床式“靜”平臺成本高這對矛盾體，開發(fā)了一套基于船載的“動-靜”組合雙勘探平臺，形成基于船載的“動-靜”雙作業(yè)平臺模式，從而使陸域勘察裝備和技術(shù)依托本創(chuàng)新成果而延伸至海域[7]。

雙平臺創(chuàng)新設(shè)計彌補了船載“動”平臺無法開展原位測試項目的缺陷[8]，它的新穎性體現(xiàn)在：1）穩(wěn)，“靜”桁架平臺安全性高；2）快，拆卸便利，轉(zhuǎn)場快；3）省，雙平臺“動-靜”設(shè)計，既能勘探取樣，又能原位測試，體現(xiàn)出低成本技術(shù)優(yōu)勢。

2.4 一種臥于海床的勘探平臺

現(xiàn)有的海床貫入式或井下貫入式平臺，基于海床勘探取樣或原位測試，若海床不平整或高低起伏，只能通過移位調(diào)整。鉆進過程中，海床沖刷、鉆進振動、土體液化等會產(chǎn)生基座傾斜，這種傾斜輕者使水下勘探路徑偏移，使采集的地層數(shù)據(jù)真實性和可靠性降低；重者造成鉆桿扭曲、折斷及設(shè)備故障；更為甚者將導致設(shè)備傾覆事故，這些問題嚴重限制了這類平臺在海上工程勘察中的應(yīng)用[9]。

一種智能化實時調(diào)平海床式平臺由數(shù)據(jù)、控制、通訊等模塊組成，海床式平臺內(nèi)安裝水下勘探或原位測試設(shè)備（圖3）。數(shù)據(jù)模塊用于采集作業(yè)面傾角傳感器及支腿壓力傳感器實時數(shù)據(jù)；控制模塊接收數(shù)據(jù)模塊信號后，控制各支腿的升降，使平臺作業(yè)面始終保持水平；通信模塊通過上位機對水下平臺狀態(tài)進行實時監(jiān)控和遠程控制。

圖3 海床式勘察平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structuraldrawing ofseabed survey platform

海床式平臺具有遠程智能化監(jiān)控、自適應(yīng)調(diào)平模式，可解決海床起伏及鉆進過程，鉆桿受海況影響造成徑向扭損的難題，大幅降低惡劣環(huán)境導致的安全風險。

2.5 兩棲勘察平臺

近海工程覆蓋范圍涉及海陸兩棲交接地帶，這一區(qū)域通常稱潮間帶。潮間帶具有漲潮時淹沒退潮時裸露的特點，通常土質(zhì)疏松、承載力低，以粉細砂、黏質(zhì)粉土居多，形成路不能鋪設(shè)、車無法到、船不能進、人與設(shè)備難以進入的勘察盲區(qū)，給原狀取樣及原位測試造成很大的困難。為此亟需一種專用于潮間帶—淺海域的兩棲勘探平臺[10]。

兩棲勘察平臺的研發(fā)，具有灘涂行走、海域自航、兩棲勘探作業(yè)。當兩棲平臺依靠履帶駛?cè)胨?，具?種方式：1）錨泊定位，勘探取樣；2）平臺升降，則可實施靜態(tài)作業(yè)的原位測試項目。能有效解決這一區(qū)域工程勘察項目，同樣，本創(chuàng)新也可用于江、河水域及砂質(zhì)海岸、泥質(zhì)海岸及潮間帶區(qū)域勘察，用途廣泛。

3 工程應(yīng)用

勘探平臺系列研究及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)主要針對近海域作業(yè)環(huán)境，以實現(xiàn)海上勘察高安全、高效率、低成本及保障工程質(zhì)量為目標[11]，項目經(jīng)過成果轉(zhuǎn)換及一系列工程實踐與驗證，已應(yīng)用于國內(nèi)工程，如：洋山深水港區(qū)工程、中廣核東海350 MW海上風電場勘察、福州港松下牛頭灣泊位工程、華能太倉電廠工程、廣西北部灣欽州碼頭工程、長江南京以下12.50 m航道整治工程、廈門新機場工程、遼寧盤錦和營口工程、漳州古雷半島東側(cè)港區(qū)等百余項工程勘察中。2007年開始，項目成果開始用于國外工程，如：馬來西亞檳城二橋、吉布提LNG碼頭、墨西哥曼薩尼約集裝箱碼頭、越南河靜臺塑鋼廠碼頭、文萊PMB大橋、剛果（布）黑角港區(qū)、印度尼西亞巴淡島電廠工程、柬埔寨西港電廠工程、剛果（金）馬塔迪國際港、圣多美集裝箱碼頭等20多項工程勘察中。

4 結(jié)語

集多項創(chuàng)新設(shè)計的勘探平臺系列技術(shù)為解決海上勘探成本高、質(zhì)量低等難題提供了有益參考，并將海況影響勘察的因素大為降低，提升了我國海洋工程勘察走向世界的能力。

1）船載式“動”平臺模塊化裝配、拼裝式組裝、三鉆機鉆進法、泥漿循環(huán)系統(tǒng)等設(shè)計，突破了我國現(xiàn)有規(guī)范（≤5級海況）的限制，使“動”平臺海上勘探作業(yè)時間延長30%以上。

2）海床式“靜”平臺載荷動態(tài)控制、自航轉(zhuǎn)場、樁靴環(huán)噴沖樁等創(chuàng)新設(shè)計，構(gòu)成集模塊化、多功能、易運輸?shù)纳凳狡脚_，形成了一套海上“靜”作業(yè)勘探解決方法。

3）海上“動-靜”雙平臺新穎設(shè)計，實現(xiàn)了一船多用、資源共享、成本最低、效益最大的勘察作業(yè)模式，既滿足海上勘探原狀取樣，又解決原位測試的需求。

4）海床式勘察平臺具有遠程監(jiān)控、自適應(yīng)調(diào)平，開創(chuàng)了水下勘探作業(yè)新模式，降低了海床沖刷與鉆進振動導致勘察平臺傾斜的風險。

5）兩棲勘察平臺提供了潮間帶、灘涂至淺海域一體化勘察能力，解決了目前勘察涉水受制于漲退潮，涉灘則存在筑路、圍堤、建拆平臺的反復過程，有效降低勘察成本。

上述創(chuàng)新于針對潮間帶—淺海水域勘察，也為今后我國建設(shè)工程跨向遠海、深海技術(shù)開發(fā)提供了有益參考。