海洋工程巖土工程勘察鉆探施工及其影響因素探究

楊光YANG Guang

（中海油田服務股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300459）

0 引言

海洋工程勘察鉆探的目的為獲取海底巖土樣本，分析其組分、各組分的厚度，進而判斷工程特性、制定施工技術(shù)方案。但海洋環(huán)境較為復雜，受到風浪的作用，鉆探載臺難以進行定位控制，鉆孔時海水可產(chǎn)生擾動，引發(fā)坍孔。研究海底地質(zhì)鉆探的施工技術(shù)，并且制定針對干擾因素的技術(shù)措施，具有重要的工程意義。

1 工程概況

某跨海高速公路的海上部分長度為1.4km，項目位于南海的濱海海域，平均海平面達到3.76m。海底標高在-5.1m到-10.2m 之間。當海水處于低潮位時，濱海區(qū)域的海水平均深度達到6～11m。該海域?qū)儆趶婏L區(qū)，全年超過8 級風的天數(shù)超過100 天，平均風速為8.43m/s。橋梁樁基設置在海船上，需要通過工程勘察確定地質(zhì)條件。

2 海洋巖土工程勘察鉆探施工技術(shù)要點

2.1 鉆探設備選型

2.1.1 鉆探平臺選型

在水上鉆探作業(yè)中，需要將鉆探設備安裝在載臺上，常用的載臺包括船舶、浮桶筏。由于海洋環(huán)境存在風浪、潮汐、浪涌等干擾因素，同時海上鉆探設備的重量較大，因此，通常將船舶作為主要載臺[1]。在該項目工程勘察作業(yè)中，選用單體船載臺，該船舶的基本性能參數(shù)見表1。在船艏和船尾分別設置了1.5、1.8t 重的抓力錨，對應的錨繩長度為800 和1000m。

表1 單體船鉆探平臺基本性能參數(shù)

2.1.2 鉆探設備選型及其工作原理

鉆探設備類型多樣，工作原理各有差異，在該項目中，采用HGD-300A 型全液壓動力頭鉆具，屬于所選工程船的配套設備，其主要性能參數(shù)見表2[2]。從結(jié)構(gòu)來看，鉆探設備由取芯鉆頭、巖芯筒、沖擊機構(gòu)、襯管、巖芯卡取機構(gòu)、超前鉆頭以及打撈機構(gòu)組成。根據(jù)工作原理，當鉆機進行鉆探時，取芯鉆頭進入旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，由巖芯卡取機構(gòu)對巖芯進行臨時固定，防止巖芯脫落，泥漿泵向沖擊機構(gòu)供應泥漿，當泥漿作用在鉆具時，對其產(chǎn)生一定的沖擊載荷，進而增強鉆孔施工的動力[3]。如果海底工程地質(zhì)為軟泥，可不開啟沖擊機構(gòu)，僅通過鉆頭回轉(zhuǎn)進行鉆進。鉆探設備配置有3 臺泥漿泵，2 臺為BW-250，1 臺為BW-320。

表2 鉆具性能參數(shù)

2.1.3 配套設備

海上鉆探的配套設備設施包括GPS 接收機、測深儀以及導航系統(tǒng)，GPS 用于船舶精準定位，測深儀能夠?qū)崟r檢測鉆頭深度[4]。測深儀的精度可達到1.0cm±0.1%水深值，測量范圍在0～200m 之間。

2.2 鉆探船定位

該型鉆探船在首尾各設置一個抓力錨，以錨泊方式固定載臺的位置。為了充分掌握海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)，作業(yè)之前應選擇具有代表性的勘測點，實施鉆探施工。鉆探船的定位精度直接影響勘測點的位置，應盡可能降低定位偏差[5]。鉆探船通過GPS 接收機確定錨泊位置，待工程船達到預定位置附近之后，拋下前后的抓力錨，拋錨時應選擇平潮期，降低潮汐、海浪對拋錨精度的干擾。完成拋錨后，應復核船舶的位置，以鉆機為參考點，通過調(diào)整錨繩的角度和張緊程度，實現(xiàn)精確對位。

2.3 鉆探取芯施工

2.3.1 制備循環(huán)泥漿

在鉆探施工中，泥漿具有兩個作用，其一是形成泥漿護壁，防止鉆探時孔壁坍塌，其二是在堅硬地質(zhì)鉆探時，為沖擊機構(gòu)提供沖擊載荷[6]。泥漿以膨潤土、水、外加劑攪拌而成，在海洋地質(zhì)鉆探中，可使用海水制備泥漿。但海水與淡水存在顯著的差異，因為海水中的Na+、Cl-濃度非常高，會影響泥漿的pH 值和穩(wěn)定性，進一步降低泥漿的流動性，增加設備能耗[7]。為了解決該問題，在制備泥漿時，可添加適量的聚丙烯酰胺和碳酸鈉，前者用于改善泥漿的分散性，后者可用于調(diào)節(jié)泥漿的酸堿性，使其達到規(guī)定的pH 值。

2.3.2 埋設鋼套管

在海洋鉆孔施工中，孔口位置受到海水的壓力作用和沖蝕作用，容易出現(xiàn)坍塌，影響后續(xù)的鉆探作業(yè)。因此，在孔口處設置了鋼套管，用于保護孔口。船體定位之后，對海底鉆探點進行測量，平潮期風浪較小，可在平潮期埋設鋼套管[8]。載臺上安裝有吊裝設備，埋設鋼套管時，使用鋼絲繩進行牽引，使套管垂直入水，當其到達海床時，進行捶打作業(yè)，如果遇到堅硬的巖質(zhì)海床，可進行鉆孔[9]。套管埋入海床的深度為5～10m，在整個鉆探過程中，要求鋼套管的頂端始終高于船面。

2.3.3 實施鉆探

根據(jù)歷史資料，勘察海域海底地床的基巖層為花崗巖，風化程度為強風化或者中風化，因而基巖的整體硬度較大，故鉆探時采用合金鉆頭或者金剛鉆頭。鉆探過程的關(guān)鍵是獲得巖芯，在作業(yè)過程中，按照表3 控制取芯過程。

表3 鉆探取芯設計

3 海洋巖土工程勘察鉆探施工影響因素

3.1 錨泊定位控制不佳

3.1.1 問題描述

鉆探施工時，應該提高定位精度，通過錨泊系統(tǒng)確保船體的穩(wěn)定性。然而海洋作業(yè)環(huán)境較為復雜，風力作用、浪涌、潮汐都會影響船體姿態(tài)，嚴重時可干擾鉆探施工。

3.1.2 應對策略

為了提高工程載臺的定位控制效果，作業(yè)時應該著重加強錨泊收放線和錨泊布線控制。工程船通過改變收放鏈量調(diào)整船體的位置，從而控制定位精度[10]。因此，精確計算收放鏈量是保證定位精度的關(guān)鍵技術(shù)措施，相應的計算方法如下。

在拋錨之后，將船體發(fā)生位移時錨鏈在海平面上的投影向量記為s，船體位移過程著鏈點的水平位移向量記為d，初始錨鏈在海平面上的投影向量記為s0，則有s=d-s0。根據(jù)懸鏈理論，和海水中單根懸鏈的受力關(guān)系，可求解出以下參數(shù)。

式中：L 為水中懸起部分錨鏈的長度；h 為著鏈點和海底的垂直距離；a 為錨鏈的懸鏈參數(shù)，并且有a=T/q，其中T為錨鏈受到的水平拉力值，q 為錨鏈單位長度的重量；Ltol為計算得出的懸鏈總長度；S 為錨鏈在水平方向的投影長度；SL為錨鏈水平懸起部分的投影長度；arch（·）表示反雙曲線余弦函數(shù)[11]。船體受到多種作用力，為保持受力平衡，可按照式（4）確定安全出鏈的總抓力。

式中：P 為錨泊時的總抓力；Pa、Pc分別為錨和錨鏈的抓力；λa、λc為錨和錨鏈的抓力系數(shù)；Wa、Wc為錨和錨鏈在空氣中的單位重量；l 為錨鏈的計算長度；T0為水平外力[12]。通過式（4）可求解出臥底鏈長度的取值范圍，即l≥（T0-λa·Wa）/λc·Wc。為保證船體的穩(wěn)定性，在錨泊布線時，建議采用六錨鏈模型，其布線方式如圖1 所示，其中1～6表示分布在船體四周的六根錨鏈，根據(jù)該項目載臺的幾何特點，其對應的最佳角度分別為45°、0°、53°、45°、0°、40°。

圖1 六錨鏈布線模型

3.2 卡鋼套管

3.2.1 問題描述

根據(jù)鉆孔施工的工藝特點，下放鋼套管時，通常需要穿過較厚的上覆層，直至到達強風化層。上覆層以海底淤泥、砂礫為主，其質(zhì)地較軟，鋼套管插入時阻力較低。強風化層為花崗巖，質(zhì)地堅硬，鋼套管達到強風化層之后，通常難以繼續(xù)下放[13]。在工程實踐中，隨著鉆孔施工的持續(xù)進行，上覆層的厚度不斷增加，對鋼套管形成較大的包裹作用力，導致其難以繼續(xù)下放或者拔出，嚴重可造成鋼套管斷裂，堵塞孔位，將這一現(xiàn)象稱為卡鋼套管。

3.2.2 應對策略

在工程實踐中，鋼套管的埋設是一項關(guān)鍵性的技術(shù)任務，涉及到眾多環(huán)節(jié)，例如鉆孔、安裝、調(diào)試等。在施工過程中，受到各種內(nèi)外部因素的影響，施工人員可能會遇到一些問題，例如鋼套管卡住、覆蓋層堆積，當出現(xiàn)這些問題之后，如果工作人員無法在第一時間進行有效的解決，可能會造成“窩工”“返工”等問題，對整個工程的施工進度以及工程造價產(chǎn)生直接影響。為了預防以上問題的出現(xiàn)，相關(guān)工作人員需要采取一系列的技術(shù)措施，以確保工程的順利進行。在鉆孔過程中，施工人員盡量縮短時間，減少鉆孔過程中的摩擦，從而降低鋼套管卡住的可能性。此外，通過提高鉆孔速度，減少鋼套管在鉆孔過程中的磨損，延長其使用壽命。針對鋼套管卡住的問題，施工人員采取控制鉆機多次上、下運動的措施。通過這種方式令鋼套管出現(xiàn)松動，從而解決卡管問題[14]。在實際操作中，施工人員還要注意鉆機的力度以及鉆進的頻率，既要保證鋼套管能夠順利松動，又要注意避免對鋼套管和鉆機造成損壞。針對套管外上覆層堆積的問題，相關(guān)工作人員需要制作專門的清理工具。例如常見的刮刀或者旋轉(zhuǎn)刷，前者用于刮除套管外表面的附著物，可根據(jù)需要設計成不同形狀的刮刀或刮板；后者則通過旋轉(zhuǎn)的方式清理套管外表面，適用于較大面積的清理工作。在鋼套管埋設過程中，定期對套管外覆蓋層進行清理，防止套管被抱死[15]。實際工作中，為了進一步保障鋼套管埋設的順利進行，相關(guān)工作人員還應加強施工現(xiàn)場的管理和監(jiān)督。通過對施工過程的嚴格把控，確保各項技術(shù)措施的落實，從而降低施工風險，提高工程質(zhì)量。

3.3 巖心掉落

3.3.1 問題描述

工程鉆探的核心任務為獲取基巖層的巖芯，判斷海底地層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及工程特點。上覆層以淤泥和砂層為主，其內(nèi)部的黏聚力較大，鉆孔時不易出現(xiàn)松散、脫落的問題[16]。但強風化層和中風化層以花崗巖為主，其內(nèi)部黏聚力較小，容易出現(xiàn)巖芯脫落，導致取樣失敗。另一方面，鉆孔過程的泥漿需要循環(huán)使用，基巖鉆孔為鉆探施工的中后期，泥漿性能有可能已經(jīng)劣化，對巖心產(chǎn)生較大的沖刷阻力，增加了巖芯脫落的風險[17]。

3.3.2 應對策略

為了有效預防巖心脫落，在整個作業(yè)過程中，必須經(jīng)常檢查泥漿性能，檢測指標包括密度、pH 值、粘度，確保泥漿處于低固相、不分散狀態(tài)[18]。與此同時，鉆進控制參數(shù)也能影響巖芯的固定效果，壓力過大、速度過快可產(chǎn)生擾動，使巖芯脫落，過大的泥漿循環(huán)量會增加沖擊作用。鑒于此，施工時應該將鉆進速度、泥漿循環(huán)量以及鉆進壓力控制在合理范圍內(nèi)。

4 研究結(jié)論

①該項目為海上橋梁工程，在樁基施工之前，需要通過鉆探勘察海床的地質(zhì)特點，以評價其工程特性[19]。鉆探載臺選用單體船，鉆探設備為HGD-300A 型鉆機，配套有GPS 定位裝置和測深儀。

②海上鉆探施工的實施要點為載臺和鉆機定位、制備循環(huán)泥漿、埋設鋼套管、鉆進、巖芯采樣。載臺以錨泊方式進行定位，通過泥漿保護孔壁，鋼套管用于保護孔口。

③對于錨泊定位控制能力不足的問題，應該精確計算收放鏈量，同時推薦采用六錨鏈布線方式，全面提高載臺的穩(wěn)定性和抗風浪能力[20]。

④對于卡鋼套管的問題，應該及時清理套管外堆積的上覆層，通過上提鉆機松動被抱死的鋼套管。

⑤對于巖芯脫落問題，在鉆孔施工的中后期，需確保泥漿的性能參數(shù)，及時更換已經(jīng)劣化的泥漿。同時合理設置鉆進速度、鉆進壓力以及泥漿循環(huán)量。

5 結(jié)語

該項目為海洋橋梁工程，工程地質(zhì)勘探的目的為獲取海底巖芯，制定橋梁基礎(chǔ)施工方案。鉆探時采用單體船載臺，配備HGD-300A 型鉆機，施工技術(shù)要點為載臺錨泊定位、埋設鋼套管、制備循環(huán)泥漿、鉆進、獲取芯樣。作用時存在較多的干擾性因素，包括定位控制水平不足、巖芯脫落、卡鋼套管，針對這三類問題制定了具體的應對策略，保證鉆孔施工能夠順利實施。