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)

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)

隨著經濟的發(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備及施工過程進行了詳細的闡述，并列舉了影響海上正常鉆探施工的因素及海洋鉆探時的突發(fā)情況，結合自己的工作經驗對鉆探時遇到的突發(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、保護海洋資源為目的，并且工程主體位于海岸線向海一側的新建、改建、擴建工程，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資源開發(fā)工程(海洋石油鉆探平臺、海底輸油管線等)；海底電纜工程；海底隧道工程等。根據海洋工程相應規(guī)范中有關規(guī)定，海洋工程建設在設計和施工之前，必須按基本建設程序進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、結構、物理力學性質及水下地形等，為擬建場地的選擇和擬建筑物的結構設計提供可靠的地質資料，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 施工前期準備工作

(1)明確勘察階段，勘察目的和任務；明確擬建工程的基本信息，包括工程規(guī)模、基礎底面設計標高、碼頭前沿設計水深等。

(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3個或3個以上基準點的具體位置，并且其實際位置需和平面圖中的位置相對應。基準點的作用是用來靜態(tài)比對差分GPS，獲取GPS定位系統(tǒng)中坐標系和工區(qū)平面圖中坐標系的關系及換算參數。

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

圖1 鉆孔海底孔口高程計算參數示意圖

2.2 需要準備的儀器

(1)定位用的定位儀，即差分GPS，精度要求為亞米級(定位精度≤1.0 m，在施工之前需要做靜態(tài)穩(wěn)定性檢驗，檢驗其是否穩(wěn)定)，其作用是進行鉆孔單點導航定位與偏移監(jiān)控，導航定位方式采用差分GPS系統(tǒng)目標點導航，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。

(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行水深校正，確保孔深值準確，并提供鉆孔海底孔口標高計算數據。水深測量要求在工作船就位之后測量一次(初始水深)，每次提鉆時同步進行水深測量(即時水深)。

2.3 施工組織

(1)需要有專業(yè)的海上鉆探施工隊伍。

(2)鉆探設備:GXY型工程鉆機，需配置單獨的且動力大的泥漿泵。

(3)鉆具要求:在海洋鉆探過程中，為保護海面以下的鉆具，在鉆探時須下套管。為應對漲潮和落潮時套管的升降問題，有條件的施工隊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、要有絞錨設備、安全、不漏水、有動力。

鉆探船必須準備的東西: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輸補給船。

(5)海上鉆探安全措施

施工船作業(yè)平臺四周需設置防護網，船上需配備滅火器、救生圈；施工及現場技術人員要穿救生衣，戴安全帽；船只上配備霧燈、航行信號燈等。

2.4 了解當地氣象及水文情況

(1)了解當地經常刮的風向(一般工區(qū)的哪一個方向沒有岸或者山阻擋著，從這一方向吹來的風對海上定位及鉆探施工影響也最大)。

(2)了解當地水流方向及潮水漲落的規(guī)律，水流和潮水漲落的關系。

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

3 施工過程

3.1 拋錨定位

在拋錨的過程中要同時考慮實時風向、流向和海水漲落潮的規(guī)律(主要考慮流向和風向)。定位時，使GPS天線位于鉆機井口正上方，實時導航指揮施工船，根據流向和風向下錨。具體過程如下:在頂流并遠離孔位60 m～80 m左右，下船艏前大錨，調整船頭，使船頭位于頂流的方向(如圖2，同時考慮風向)，待船自由漂流至距孔位20 m左右時，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)，然后通過絞纜設備收緊錨纜，調整船位至設計孔位，將船固定。核定實際就位坐標與設計孔位坐標誤差在允許范圍內，且船無漂移后，記錄坐標值，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，沖擊鉆進與回轉鉆進(結合套管跟進與泥漿護壁)相結合的方式，確保地層結實連續(xù)。

3.3 海上鉆探取樣

淤泥質土、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級原狀樣采用厚壁取土器以重錘少擊法采取，硬粘性土Ⅲ級樣及砂性土擾動樣在鉆進巖心管中采取，樣品數量滿足進行室內測試要求。取得土樣之后及時密封，密封后每個土樣均填貼標簽(標簽內容包括:工程名稱及編號、鉆孔編號、土樣編號、取樣深度、土類名稱、取樣日期、取樣人姓名，用藍色圓珠筆填寫)，標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，將所取土樣及時送回土工試驗室進行試驗。

3.4 原位測試

包括標準貫入試驗(針對砂類土、粘性土、粉土等)、圓錐動力觸探試驗(針對碎石層和卵石層)、靜力觸探試驗(針對軟弱土)、原位十字板剪切試驗(針對淤泥質軟弱土，當現場條件不允許時，可采用室內十字板剪切試驗代替)。

3.5 地質記錄與施工班報記錄

鉆孔地質記錄工作隨同鉆探進行，對鉆探巖心按規(guī)定內容進行詳細描述，并做到了記錄清晰、描述準確。施工班報記錄亦隨鉆探同時進行，對每一回次水深、鉆具長度、機上余尺、巖心長度、采取率以及海況都進行了詳細記錄。鉆探孔深＝鉆具總長度＋主鉆桿長度－鉆機機高－機上余尺－平臺至水面高度－實時水深。

4 影響海上正常施工的因素

4.1 風

風，即空氣相對于地面的水平運動，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報，當天氣預報海上風力在5級或5級以上(風向為對場地工區(qū)影響最大的風向)，或6級以上臺風預警時，嚴禁出海作業(yè)。在海上鉆探施工過程中突遇大風時，應立即停止施工，在無法堅持施工的情況下立即返港。

一般情況下，天氣預報中，海上的風向和陸地上的風向是一致的，但風力要比陸地上的強1級～2級，如天氣預報內陸風向及風力為東北風3級～4級，則海上的風向和風力為東北風4級～5級。同時應注意預報中的陣風，所謂陣風是指風速在短暫時間內，有突然出現忽大忽小變化的風，陣風的產生對海上鉆探施工影響極大。

4.2 雨

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

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，鉆探船及設備很容易成為閃電擊中的目標。在雷雨天時，鉆探船嚴禁出海作業(yè)，在海上鉆探施工過程中突遇雷電時，應立即停止施工，返港。

4.4 波浪

海洋中的波浪可分為風浪、涌浪、近岸浪等數種，其中最常見的就是風浪和涌浪。風浪是海水在風直接作用下產生的水面波動。涌浪是其他海區(qū)傳來、或者當地風力迅速減小或風向改變后遺留下來的浪(海面在長時間刮同一風向的風時，容易產生涌浪)。涌浪傳到淺水區(qū)域時便形成近岸浪，近岸浪受海底地形影響，往往能量巨大，在岸邊會產生驚濤拍岸的景象。一般情況下，當海面浪高在1.5 m或以上時，會對海上鉆探施工產生影響。在以往的海上鉆探過程中，往往會出現海上風力很小，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，只有隨著時間的推移或海面刮起和涌浪傳播方向相反的風時，其能量才會不斷減小。

4.5 水流、潮汐

水流的大小、方向往往和當地的近岸地形有關，一般情況下水流是沿著海岸順時針或逆時針循環(huán)流動的，并且海水漲潮時的流向和落潮時的流向是相反的。在海上定位時，如果錨拋的位置不好或者船頭沒有頂流，在水流長時間的沖擊下，鉆探船很容易偏離原始點位，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的天氣現象，常呈乳白色，往往能見度小于1 km。大霧產生時，能見度很低，尤其是在海上航道內鉆探時，容易產生撞船事故。解決方法:加強船艏和船尾的瞭望，在船桅桿上安置霧燈及信號燈，必要時要經常鳴笛。

4.7 過往船只的影響

鉆探船在定位后會在海面以上留下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位。解決方法:加強船艏和船尾的瞭望，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，是海上航行時的禁區(qū)，常對海上航運造成危害。在海上定位施工之前，應查找工區(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:計算好漲潮和高潮的時間，先使鉆探船盡量靠近點位，等海水漲至能滿足船只正常航行后，再進行導航定位，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，則可以在施工點位附近搭置腳手架，做成簡易施工平臺，組織鉆機施工。

4.9 漁網、海帶及海貝養(yǎng)殖區(qū)

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

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，注意海面上的警示標識。

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。這些漂浮物往往會隨著海流漂移，鉆探船會阻礙其漂移的路徑，使漂浮物在鉆探船的一側越積越多，影響船只整體的穩(wěn)定性。

5 鉆探時突發(fā)情況及其處理

5.1 脫錨

如果發(fā)生脫錨事故，應立即停止鉆探，提鉆、提套管，及時找出脫錨的原因，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；②錨型選擇不當；③風浪及水流過大；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；根據海底地層的軟硬選擇合適的錨型；加強船艏及船尾的瞭望，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，會使原來收緊的錨纜變松，鉆探船會移位。解決方法:加強船艏及船尾的瞭望，如發(fā)現錨纜變松，應立即收緊。

5.3 埋鉆

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

5.4 突遇大風、大浪、大霧等極端天氣

海上鉆探施工時，海況變化莫測。在突遇大風、大浪、大霧等極端天氣時，應立即停止施工，在無法堅持施工時起錨回港。

6 結 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)狀況等方面更為復雜，本文的目的是確保海洋工程巖土工程勘察質量的同時，避免事故的發(fā)生。

[1] 嚴愷，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] 《工程地質手冊》編寫委員會.《工程地質手冊》(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.海洋調查規(guī)范第1部分:總則[S].

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

京津滬渝四直轄市勘察交流會順利召開

(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在重慶順利召開。

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

與會各單位就新技術應用、新業(yè)務拓展、企業(yè)管理、人才隊伍建設等問題進行了交流探討。會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)新技術的推廣應用與跨區(qū)域合作交流起到了重要的推動作用。

(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工作。