洋山深水港區工程海上勘探關鍵技術實施

胡建平，馮蓓蕾

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

洋山深水港區工程海上勘探關鍵技術實施

胡建平，馮蓓蕾

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

洋山深水港區是上海國際航運中心的核心港區，海上勘探處于開敞海域，遠離大陸30多公里，海況惡劣、自然條件復雜、工程量大、工期短，技術難度之高在我國乃至世界沿海勘探史上實屬罕見。圍繞一系列關鍵技術進行研究，所取得的技術成果可供我國各行業水上工程勘探時參考。

洋山深水港區;海上勘探;移動平臺;采樣技術;室內測試

洋山深水港區建設核心是具有15 m以上水深的航道和集裝箱泊位。這是我國第一個依托外海多島礁的多汊道地形，在強潮流、高含沙量海域，通過封堵汊道、圍海造地建設的超大型建港工程［1］。

該工程處于開敞海域，遠離大陸30多公里，海況惡劣、自然條件復雜、工程量大、工期短、難點多、技術難度高在我國沿海勘探史上實屬罕見。由于碼頭基礎采用新工藝新技術，對勘探成果要求高，技術難度大，外海施工依托條件差，許多技術問題無規范遵循或借簽類似工程經驗。歷時8年的海上勘探研發了十多項關鍵技術，應對復雜海況水上勘探、原位測試、采樣運輸、室內試驗、成果處理、后期監測等各環節，這些技術的應用標志著我國沿海勘探技術的突破，展示了先進的水上勘探綜合技術水平，可為今后類似重大、特大型復雜海況港口、跨海大橋等海上勘探提供一定的參照［2］。本文重點介紹洋山深水港區海上勘探中的一些關鍵技術。

1 勘探背景

1.1 地形地貌復雜

洋山深水港區位于浙江嵊泗大、小洋山開敞海域。北島鏈一側主要有鑊蓋塘島、大巖礁島、小巖礁島、大指頭島等島礁60多座，屬海蝕殘丘礁島地貌類型。由于潮流沖刷侵蝕和沉積作用，水下泥面標高起伏較大，局部基巖裸露，局部區域淤積嚴重［3-4］。

1.2 自然條件惡劣

場區潮汐呈非正規半日潮，島礁附近流態復雜，施工海域風大浪高，主通道及汊道內漲、落潮流速大，潮流湍急多變，冬季寒流、夏季臺風頻發，施工作業條件較差，施工天數大為受限。潮流與島礁作用，導致島礁附近流態復雜，通道內漲落潮流速大。

1.3 工程地質條件復雜

場區發育有較完整的沖海相、坡洪積相、殘積相沉積物，厚度變化大，局部區域基巖裸露海底，工程地質性質不均勻，局部有新拋填或淤積的淤泥質土、松散砂以及拋石。基巖面基起伏大，頂板標高為-3～-53 m，起伏差高達50 m。

1.4 勘察工作技術要求高

擬建碼頭采用高樁梁板結構，接岸結構采用斜頂樁板樁承臺型式，接岸后方陸域吹填施工方案。設計擬采用大直徑嵌巖樁和大直徑斜頂樁嵌巖樁，在基巖淺埋區，樁基需進入基巖一定深度，才能滿足碼頭及駁岸承載力、變形、穩定性要求，增加了鉆探技術難度，對勘察工作提出了更高的要求。

2 關鍵技術

2.1 水上勘探平臺設計

洋山海域水深流急、流向多變、浪高，普通勘探船抗風、抗流能力差，海上鉆探作業容易發生搖晃，直接影響取土(取芯)質量，導致標準貫入試驗擊數失真，嚴重時可致鉆桿斷裂掉落、船舶走錨等事故發生，不能保障水上勘探的質量和進程，為此采用經過改裝的自航式平底工程船，開發出一套海上移動式平臺系統，克服了普通勘探平臺深水區作業難，成本過高的問題，該平臺具有如下特色:

1)平臺模塊化設計，積木式組裝，產品通用性廣，利用潮汐落差可實現灘地勘探，大幅降低勘探成本(見圖1);

2)采用三臺鉆機混合快速鉆進法，大幅縮短水上勘探時間，在處理孔內卡鉆故障時，集三鉆機的提引力，快速處理故障，從而增加了水上勘探的安全性;

3)獨創錨鏈交叉米字法，使大抓力錨的錨爪嵌入土更深，定位牢固，大幅提升平臺系統抗急流能力;

4)獨具匠心的鉆具與平臺快速分離法設計，體現安全第一、以人為本的理念;

5)獨特的泥漿回收系統(見圖2)，泥漿經雙層過濾后得以循環使用，節約了資源，減少了對環境的污染，有效保護了洋山港海域自然環境、生態環境、社會環境。

圖1 海上移動平臺局部示意Fig.1 Partial drawing of offshore platform

圖2 泥漿回收循環裝置Fig.2 Mud reclamation setting

集多項關鍵技術的海上移動平臺解決了水上勘探手段落后、成本高、易走錨等難題，并將氣象影響因素大為降低，可比一般普通鉆探平臺有效作業時間提高30%以上。平臺構件:槽鋼、木板、木方、三角鉆塔等拼裝式設計(Component Design)，積木式組裝，產品通用性廣和運輸便利。平臺的拆卸和搭建基本在一天內完成，平臺構件可以方便存放、搬運及重復使用，有效地控制了勘探成本。

2.2 原位測試技術

為了使十字板試驗能適應海域的作業條件，使其能在洋山港區海上勘探中得到應用，急需發明一種高效、低成本、可行的水上十字板試驗裝置，擺脫目前國內水上十字板剪切試驗只能依賴高成本固定平臺的局面。

以本院研發的海上移動平臺為介質，創造一種動、靜態相結合的辦法，在海域淺水區或灘地上進行十字板剪切試驗［5］。這種動、靜相結合的辦法是依托海上移動平臺，把十字板剪切儀連接在入土固定的套管上，同時使海上移動平臺與入土的固定套管脫開，該發明裝置使十字板剪切試驗處于靜態，避免了入土固定的套管受鉆探船隨潮汐漲落動態的影響，并在試驗孔泥面處的套管部位設計了穩定控制板吸附于泥面，增強了套管作為支架的穩定性、支承力和抗拔力，如圖3所示。解決了水域軟粘性土原位不排水抗剪強度的測試問題，解決了目前國內在浮動平臺上無法進行水上十字板剪切試驗的難題。

圖3 十字板剪切穩定裝置Fig.3 Vane-shear steady setting

2.3 采樣技術

洋山港區淺部發育深厚的淤泥及淤泥質軟土層，最大厚度可達40 m以上，是港區天然淺基的主要不良地基土層，準確獲取該軟粘性土層的物理、力學性質指標，對于港區大范圍地基處理方案的選取、設計將起到關鍵性作用。為提高取土質量，并準確測得淤泥質軟粘性土的物理、力學指標，獨創ABS工業塑料加表面活性劑配方硫水處理法，使襯筒內壁形成耐腐蝕、抗沾污保護層，保證了試樣原狀結構。較好地解決了鍍鋅鐵皮襯筒和一些其它襯筒由于腐蝕、變形、沾土、滲水等問題，對原狀土樣造成的擾動影響，且清洗養護方便，周轉使用壽命長，性價比高，適合回轉壓入取土器和其它擊、壓入取土器使用，以及海上勘探取土。

目前，國內外巖土工程勘察取樣，一般采用無芯間隔取樣和全斷面間隔取樣兩種勘探工藝。這兩種勘探工藝方法，都存在較大的缺陷。無芯間隔取樣法:無法全斷面取芯，不能了解兩個土樣之間間隔段土層的確切情況;全斷面間隔取樣法:土樣的原始結構易受破壞，易造成縮孔、塌孔、土芯脫落等。自主研制的“雙管單動活門式取芯取土器”，能成功采集淺表部流泥和淤泥土樣，以進行回淤成分分析，使土芯采樣率達到65% ～100%，原狀土樣達到Ⅰ、Ⅱ級的質量要求，鉆進效率及鉆進工藝提高50%以上，性能優于國內外同類產品［6］。

巖芯采取率的高低，對于準確查明基巖風化層的分布發育規律及其物理力學性質，設計時嵌巖樁嵌巖深度的確定至關重要。洋山工程海域浪高流急，巖芯采取時，鉆桿及巖芯管晃動、碰撞厲害，巖芯極易掉落。為提高巖芯采取率，使用雙管單動金剛石鉆具多次變徑技術，巖芯卡取時視巖層破碎情況分別采用卡料或卡環卡取法，使巖芯采取率提高到80%以上。

2.4 室內土工測試技術

室內土工試驗全部采用自動化采集、處理。試驗采用無人值守全自動加、卸荷系統，通過機電一體化傳感器采集數據，實現了自動化、智能化數據采集、處理，提高了試驗精度，縮短了試驗周期。

室內土工試驗涉及到取土器推土，目前國內普遍采用臥式手動或電動推土器來推出試樣。前者勞動強度大，工作效率低;后者機械裝置易磨損，土樣易受震動，直接影響土樣質量。由于是臥式，土樣在推出過程中會產生彎曲變形，對于含水率較高的軟、流塑狀態土，極易擾動。影響了室內土工試驗成果數據，以致不能正確反映出地基土層的真實性，結果導致設計對土質的評價減低，影響到設計方案，無形中會增加建設投資。

開發了無級、勻速“直立式電動液壓推土器”［7］，該裝置有:油箱、濾油器、油泵、調速節流閥、換向閥等部件，通過管道連接，依靠液體介質的靜壓力，完成能量的積壓、傳遞、放大，結構原理如圖4所示。該產品采用了三項關鍵技術:液壓驅動技術、節能降耗技術、一機多用設計，具有推出速率均勻穩定，土樣直立不變形保持飽和軟土的原狀性，土體不扭曲，并保持試樣與地下時的直立狀態一致，確保了土體結構的原狀性，避免試樣二次擾動。經洋山工程對軟土的三軸不固結不排水剪切、三軸固結不排水剪切試驗、前期固結壓力試驗、次固結系數、靜止側壓力系數等特殊性力學試驗等大量數據對比，結果表明試驗精度、試驗質量明顯提高，確保了試驗的有效性、可靠性，同時滿足了試驗子樣數和規范要求。

獨創一種新的測試方法“室內測定軟土次固結系數的方法及測量裝置”。根據“測定沉降速率”要求及軟土特性，打破常規24小時測定法，利用全自動固結儀硬件控制系統自動加荷、增加測試時間、延長次固結系數e～lgt曲線、結合計算機動態實時采集軟件處理等綜合技術，能有效、便捷、準確地得到次固結系數。解決了目前國內外常規測試法無法得到準確的次固結系數難題。

K0系數的取得是使用靜止側壓力儀通過試驗獲得。靜止側壓力儀內的橡膠圈用來控制土體原狀試樣的側向有效壓力。由于原狀試樣直徑與橡膠圈一致，安裝土樣時土體側面與橡膠圈的側壁易產生摩擦，而橡膠圈與土的試樣之間的凹隙存在著空氣，二者造成試驗中獲得的K0值偏小，數據不準。發明一種由油缸、活塞、注液筒、壓力表、輸水管、通接頭等組成的“側向變形控制技術”［8］，解決了軸向有效應力與側向有效應力關系曲線不過坐標原點的缺陷，該發明解決了目前國內無法有效直接取得K0準確值的難題，得到了更客觀、真實的土的靜止側壓力系數K0指標，為工程設計參數的確定提供了精確、可靠的依據。

另外，采用輕質防震隔熱材質組成的“土樣運輸箱”［9］，模塊化設計、標準化結構，成本低，且各部件間連接、拆卸、沖洗方便，如圖5所示。選用輕質塑料取代木材，既符合經濟及環保要求，又達到抗震、保溫、保濕作用，同時解決了土樣運輸和貯存中土樣易擾動，無法保持其原始結構的難題。

正是這一系列關鍵技術，包括試樣數據自動化采集、測定手段、試樣運輸等，保證了原始資料數據的準確性。

圖4 推土器結構原理Fig.4 Push sample set structure principle

圖5 土樣運輸箱結構Fig.5 Sample box structure

2.5 數據采集及成果處理技術

開發出擁有自主知識產權的“三航自動化采集系統接口數據轉換軟件V1.0”(簡稱:接口轉換)等系列軟件多項。“接口轉換”能自動讀取華勘自動化采集系統采集的各類原始土工試驗二進制格式接口動態數據，實時屏幕顯示，自動實現數據格式轉換，生成各類土工數據成果表;與公司開發的適合大型港口工程的地質軟件包銜接，實現土工與地質數據共享;使許多具有一定規律的重復性工作自動執行，提高了工作效率。軟件采用基于控件的快速開發思想，ADODC與Data Grid的綁定，ADO數據訪問技術;ADODC與SQL語言的聯合使用，資源與代碼重用，編碼量少;通過OLE技術，VFP與Excel軟件共享數據，達到數據互相轉換［10］。

采用一種組合算法:“逐點插入和局部幾何最優法”快速生成Delaunay三角網［11］，等高線追蹤、等高線光滑處理、消影處理等項技術綜合應用，解決了洋山工程大面積地形海量數據等高線機助成圖。提出“空間三角棱柱體累加法”［12］，該算法較為準確地建立了洋山海域水下沖淤量及三維變化趨勢模型。

各類算法及軟件技術在工程上的應用，產學研結合，解決了工程難題，確保了工程品質。

2.6 后期監測技術

目前國內外對于變形觀測精度達到一級或特級的監測點，要求采用強制歸心裝置，使歸心誤差小于0.1mm(建設部《建筑變形測量規范》JGJ8-2007)。強制歸心裝置需澆筑砼墩，而且占有一定的平面位置;存在澆筑砼墩時間長、造價高、不回收等弊端;而有的需觀測部位無澆筑砼墩的條件。

采用自主研制的“隱蔽式強制歸心測量覘標”［13］，獨創隱式測量覘標關鍵技術，一種可在各類監測點上使用的覘標，且觀測精度不受各種不穩定因素的影響。此覘標的標芯由于埋設于地面下，對建筑物的正常運營沒有任何影響，可無人值守，提高了操作人員的安全性;另外已強制歸心，不需要三腳架，使覘標的中心與監測點處于同一水平、鉛垂線上，避免整平、對中等誤差。該產品成本低、精度高、重量輕、攜帶方便，不需要澆筑強制歸心的砼墩，從根本上改變了傳統的工作模式。該發明首次用于洋山工程碼頭變形、沉降位移監測(如圖6所示)。由于采用隱式設計技術，在國內外相關文獻中，未見報道，具有創新性［14］。

圖6 隱蔽覘標結構及工程應用Fig.6 Hidden survey target structure and application in engineering

3 實施效果

洋山深水港區工程自2002年6月開工建設以來，先后封堵了北港區的大烏龜～顆珠山汊道、小洋山～鑊蓋堂汊道、鑊蓋堂～小巖礁汊道，封堵前后完成勘探孔4千多個，鉆探總進尺約14萬m。正是這一整套核心技術的綜合使用，解決了復雜海況下工程勘探的“瓶頸”問題，大大提高了質量與效率，從而為設計施工提供了更可靠翔實的工程地質依據，海上勘探技術上的重大突破，對我國沿海及水上勘探具有示范、參照作用。

4 結論與建議

深水港口將向外海、深水、大型化發展，水上勘探的核心技術是低成本、抗風浪的海上移動平臺及相關技術，因此科技創新是關鍵。

1)海上波浪起伏，常伴有狂風和潮水，在天氣和海況惡劣的作業環境下，想要在較長一段時間內比較精確地保持海上勘探作業的相對穩定，這無疑對安裝其上的錨泊定位裝置提出了更高、更嚴格的要求。在不增加錨重的條件下提高抓力，能夠迅速、簡便地拋入海中，便于收藏和運送，解決海上作業錨泊穩定的課題。

2)一種安全、低成本、有自航能力的升降式移動平臺，工作時樁腿下放插入海底，平臺被抬到離開海面的安全高度，并對樁腿進行預壓，以保證平臺遇到大風浪時樁腿不至下陷，勘探完成后平臺下移至海面，提升所有樁腿，自航到另外的鉆孔位置，繼續作業，該項技術有待進一步研究。

［1］程澤坤.洋山深水港區工程設計關鍵技術［J］.水運工程，2011，(1):17-23.

［2］鈕建定，胡建平，馮蓓蕾，等.洋山港區水上勘探成套(關鍵)技術開發研究報告［R］.上海:中交第三航務工程勘察設計院有限公司，2011.

［3］鈕建定，胡振明，陳智勇，等.洋山深水港區一～三期巖土工程勘察報告［R］.上海:中交第三航務工程勘察設計院有限公司，2008.

［4］烏孟莊，胡振明.洋山深水港管理中心工程巖土工程勘察［J］.港工技術，2007，(5):52-55.

［5］唐忠慶，鈕建定，王海龍，等.十字板剪切試驗裝置:中國，ZL 200920070230.X［P］.2010-03-03.

［6］張蓓文.雙管單動活門式取芯取土器水平查新檢索報告［R］.上海:上海科學技術情報研究所，2008.

［7］馮蓓蕾，王照明，胡建平，等.直立式電動液壓推土器:中國，ZL200920073912.6［P］.2010-04-07.

［8］鈕建定，馮蓓蕾，胡建平.靜止側壓儀側向變形控制與研究［J］.中國港灣建設，2010，(6):61-63.

［9］胡建平.輕質防震隔熱式土樣運輸箱:中國，ZL201020161438.5［P］.2010-04-06.

［10］馮蓓蕾.KTG全自動系統在土工試驗中的應用［J］.水運工程，2008，(10):207-210.

［11］胡建平，虞祖培.基于AutoCAD的等高線自動繪制程序設計［J］.測繪通報，2008，(5):65-67.

［12］胡建平，吳衛平.Delaunay三角網在河床沖淤計算中的應用［J］.海洋測繪，2009，29(6):68-70.

［13］鈕建定，虞祖培，胡建平，等.隱蔽式強制歸心測量覘標:中國，ZL200920073912.6［P］.2010-04-07.

［14］朱文韻.隱蔽式強制歸心測量覘標查新報告［R］.上海:上海科學技術情報研究所，2009.

Key technology for overwater drilling of Yangshan Deepwater Port Project

HU Jian-ping，FENG Bei-lei
(CCCC Third Harbor Consultants Co.，Ltd.，Shanghai 200032，China)

Yangshan Deep Water Port is the essential port of Shanghai International Shipping Center.Offshore exploration is on the open seas，more than 30 kilometers away from the mainland.The bad sea conditions，the complicated natural conditions，the heavy workloads，the short project time and many difficulties in the construction should be considered，and the high technology，rarely found in China，even in global coastal exploration history，is needed.The research on a series of key technology and the technological achievements will provide the reference for the water projects of China＇s various industries.

Yangshan Deep Water Port;offshore exploration;moveable platform;technologies of sampling;indoor test

U652.2

A

1005-9865(2012)03-0164-06

2011-10-24

胡建平(1956-)，男，江蘇溧陽人，教授級高工，主要從事港口工程勘察技術開發與管理。E-mail:hu_jp2004@163.com