平潭海峽公鐵大橋海上鉆探關鍵工序分析

王風華，劉曉明

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢 430050)

0 引言

海上鉆探一般采用水上浮動平臺，工作進度受鉆船選型、潮汐、水流、水深、風浪、地質等自然因素影響大，施工較陸地鉆探困難、復雜。全面的調查與了解大橋橋址處的地形地貌、水文潮汐、氣象及地層情況，以選擇合適的勘察方案，是順利進行大橋勘察工作的重要依據。

1 自然地理條件

平潭海峽公鐵大橋是中國第一座位于海上的公鐵兩用大橋。大橋位于海壇海峽北部，橋位從長樂市松下鎮入海經人嶼島，跨越元洪航道和鼓嶼門水道分別到達長嶼島及小練島，然后跨越小練—大練水道抵達大練島，再跨越海壇海峽北東口水道抵達平潭島。

大橋全長約16 km，橋址處海域寬度約12 km，海底地形起伏大，島嶼、礁石眾多，將海域分割成多個狹長水道，漲、落潮波流在橋中線處相對強勁，潮差最大達7.7 m，實測最大流速達1.51 m/s，沖刷強烈，海底地形起伏大，海水深度約0.0～40.0 m。橋址處覆蓋層厚0～40 m，頂部為厚約5 m的粉細砂，其下為軟塑—可塑狀黏性土為主，基巖為燕山期巖漿巖，風化差異大。

橋址區為典型的海洋性季風氣候，年平均風速為9 m/s，≥7級大風天數為 238 d，≥8級大風天數125 d，臺風年平均次數3.8次，最大波高4.3 m。

2 施工難點

針對橋址處的自然地理條件，我們確定了本次勘察工作的難點。

2.1 水深與流速

決定海域鉆探施工難易程度的主要指標之一，水太淺，鉆船無法到位;水太深，則鉆船難以穩固，套管難以垂直打入海底地層。同時漲落潮時的流速直接影響鉆船的穩固，過大的流速會導致鉆船定位難以固定出現走錨現象。

2.2 潮汐

鉆探時需考慮潮差和漲落潮流速的影響，大橋處最大潮差達7.7 m，必須充分利用漲落潮時間施工及確保漲落潮施工安全。

2.3 風浪

鉆探船舶在7級風及以上時搖晃比較厲害，在8級風及以上時船舶必須進行避風，以確保人員設備的安全。橋址處≥8級大風日達125 d，需充分利用大風間隙時間進行鉆探，方能保證勘察的安全及進度。

2.4 地質條件

海床上地層類型直接影響到隔水套管的穩定和鉆船錨泊系統的穩定，如軟土易于隔水套管的插入及錨的穩定，而裸露的基巖面易引起船舶溜錨導致鉆孔報廢。

3 關鍵工序分析

如何克服海壇海峽惡劣環境因素的影響，確保勘察工作的順利進行，對重點工序進行了分析。

3.1 鉆探船舶的選定

(1)針對橋址處水深大、水流急、風浪大的特點，鉆船在滿足承受鉆探設備能力的同時，必須能抵抗8級大風，具備能夠隨時避風的能力，船舶甲板面積能夠滿足鉆探施工的需要，并提供必要的生活場地。考慮到單體鉆船結構安全性較雙體鉆船高，靈活性好，在風浪大的地區移動更為方便，依照經濟、安全的原則，本次勘察選擇了穩定性較好且具有自航能力的平底工程船作為施工平臺，抗風能力達到8級，總噸位在500 t左右，船長≥40 m，船寬≥10 m(見照片1);

(2)選擇的鉆探船及交通輔助船均經過船檢部門的安全鑒定，配有現代化的救生、通訊和導航設備，并配備相應級別的船員;

(3)船舶均配備絞錨機，可以更快地完成起拋錨工作，并降低施工人員的工作強度，提高工作效率。

3.2 鉆探平臺的拼裝[1]

在船舶的一側搭建鉆探平臺，平臺伸出船舷2.5～3 m，采用長度≥10 m的20號槽鋼焊接在甲板上，伸出部分通過斜撐支承在鉆船龍骨上，鉆機底座焊接在槽鋼上，機頭伸出船舷約40 cm，槽鋼上擺放木板作為工作平臺。鉆船周圍焊接防護欄桿。甲板另一側用膨潤土及備用機具設備、套管配載，使鉆船保持平衡，勘察中經常檢查鉆探平臺的平衡，務使平臺傾斜。

平臺的外側垂直槽鋼方向(順船向)預留一豁口，當突遇大風浪無法起拔保護套管時，可將活動套管及孔口固定支架取出，將施工平臺上部木板掀開，鉆船可直接離開孔位避風，避免鉆船與保護套管的撞擊，在風平浪靜后又可以重新鉆探，避免廢孔的出現。

照片1 鉆探平臺現場照片Photo 1 Scene photograph of drilling platform

3.3 錨固系統

針對海壇海峽風大浪急的特點，我們采用了由主錨、邊錨、錨繩、錨鏈、絞錨機及錨標組成的錨固系統[2]。主錨采用改進后的犁錨，邊錨采用犁錨或兔子錨，2只主錨重約1～2 t，4只前后邊錨重約1 t，呈*字形分布;每個錨對應1個絞錨機，錨與絞錨機之間采用直徑Φ 28 mm鋼絲繩連接，繩長200～300 m，錨上采用Φ 22 mm鋼絲繩系上浮標，方便起錨。對于基巖裸露地段則采用錨鏈及連環錨連接，確保鉆探平臺的穩定(見圖1)。由于完成1個鉆孔需要3～4 d，期間需經過多次潮漲潮落，鉆進過程中需根據潮汐、風浪的變化適時調整每根錨繩的松緊度。

圖1 鉆船拼裝及錨固系統示意圖Fig.1 Schematic diagrarm of drilling ship assembling and anchorage system

3.4 鉆探平臺定位

鉆孔定位采用GPS實時差分系統進行，一般選擇在平潮期進行，此時水流速度相對較小。同一墩內定位可不受漲落潮的控制，但一般安排在最低潮時進行，方便起拔套管。根據GPS顯示的坐標將鉆船開至預定地點拋下前主錨，然后順潮水流向航行至孔位附近，由錨艇按照先主錨后邊錨的順序依次將剩余的5只錨拋出，然后由絞錨機收緊錨繩，移動鉆船，慢慢向孔位靠近，在GPS的監測下絞錨到位。

3.5 套管安裝

在鉆探平臺到達孔位后即進行套管安裝，套管安裝一般選擇在流速緩慢的平潮期進行，由于潮汐的往返流動極易使套管順水流擺動，導致套管絲扣松動，引起套管折斷[3]。安裝時采用Φ 17 mm鋼絲繩將Φ 180 mm套管牽引到船頭、船尾的系纜樁上，并與下沉的套管同步下放，以保證套管垂直進入海床，并通過錘擊進入海床面以下5～10 m;當水較深時，在套管的下部及中部分別設置套管夾板并系保護繩，增強套管的剛度(見圖2)。

由于鉆探平臺隨潮水漲落而上下升降，剛開工時，現場施工采用直接接卸Φ 180 mm套管及單層活動套管法。

直接接卸套管法即在鉆船到達指定孔位后，將高強度的Φ 180 mm厚壁套管直接作為保護套管及泥漿循環套管，根據潮水漲落情況隨時接卸套管，它的特點就是通過設置在套管外側的水位漲落標志能直接觀察到潮水的漲落，但需在鉆進中停鉆以接卸套管，耗時耗力，大大降低了工作效率，并易導致套管損壞。雙層活動套管法。即在Φ 180 mm套管外嵌套直徑Φ 273 mm套管，其長度為8～9 m，較最大潮差略長，漲落潮時Φ 273 mm套管與Φ 146套管同時隨著鉆船一起上下移動，對鉆具具有良好的導向作用，減小了勞動強度，增加了鉆進時間，大大提高了工作效率。

圖2 套管安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of casing installation

4 結語

單層活動套管法選用Φ 180 mm厚壁套管做隔水保護及導向套管，內層套管采用直徑Φ 146 mm套管，Φ 180 mm套管與內層Φ146 mm套管之間設置3道密封圈，便于泥漿循環。Φ 146 mm套管通過孔口固定支架隨著鉆船一起上下升降。

現場勘察表明:由于海壇海峽風大浪急，潮水對套管的沖擊力大，Φ 146 mm套管易發生折斷或彎曲現象，其剛度及抗彎強度不能滿足鉆探的要求。在后期勘察中，我們對單層活動套管法進行了改進，采用了

(1)選擇的500 t位鉆船能滿足最大水深40 m、7級風力的近海域鉆探施工需要。

(2)合理的錨固系統有助于提高效率，避免溜錨廢孔事件發生。

(3)先進的套管固定及連接方案可以克服較大的潮差影響，增長有效施鉆時間，提高工作效率。

[1] 常士驃，張蘇民.工程地質手冊[M].4版.北京:中國建筑工業出版社，2007:115 －116.

[2] 梁子山.南流江出海口海上工程地質鉆探施工方法[J].廣西地質，1992(3):89－93.

[3] 謝小榮.水上鉆探的若干技術問題[J].廣州建筑，2009(5):42－44.