地鐵工程勘察水域鉆探油桶筏鉆探平臺(tái)的設(shè)計(jì)與安全保障措施

王維獻(xiàn)

(北京市地質(zhì)工程勘察院，北京100048)

隨著城市發(fā)展，地鐵建設(shè)迅猛增長(zhǎng)，多數(shù)地鐵要下穿城市中的河流、湖泊等地表水體。鉆探是巖土工程勘察的基礎(chǔ)工作，水域鉆探油桶筏作為此類地表水體的一種鉆探平臺(tái)被廣泛應(yīng)用。本文對(duì)油桶筏鉆探平臺(tái)進(jìn)行了介紹和總結(jié)，以供大家參考。

1 工程概況

北京地鐵6號(hào)線是一條貫穿中心城區(qū)東西方向的軌道交通大動(dòng)脈，西起昆玉河西岸的五路站，東至東小營(yíng)站，線路全長(zhǎng)42.9 km。二期工程西起一期終點(diǎn)草房站，東至東小營(yíng)站，長(zhǎng)12.1 km，全部為地下線，線路下穿通惠河和北運(yùn)河。

北運(yùn)河是舉世聞名的京杭大運(yùn)河上游段，海河流域的主要水系之一，地鐵在線路里程K38+200處下穿該河，此處河水流向?yàn)橛晌鞅毕驏|南，河底高程15.43 m，水深3.0 m，流量500 m3/s，河底寬140 m，河面寬230 m。十年一遇設(shè)計(jì)洪水位19.26 m，五十年一遇設(shè)計(jì)洪水位22.03 m，一百年一遇設(shè)計(jì)洪水水位22.51 m，設(shè)計(jì)洪峰流量2030 m3/s。流量受季節(jié)影響較大，主要控制性工程是北關(guān)分洪樞紐。

地鐵下穿北運(yùn)河水域共設(shè)計(jì)勘探孔8個(gè)，孔間距30 m，孔深36 m。此次水域鉆探采用油桶筏鉆探平臺(tái)，平臺(tái)由94個(gè)油桶搭建而成，滿足了T14－200型鉆機(jī)在水上施工的要求，平臺(tái)平穩(wěn)、移動(dòng)靈活、搭建成本低，取得了較好的效果。

2 鉆探平臺(tái)的確定與設(shè)計(jì)

2．1 鉆探平臺(tái)的確定

水域勘察不同于陸地勘察，首先要根據(jù)場(chǎng)地環(huán)境條件選擇合適的鉆探平臺(tái)。適用于淺水水域的鉆探平臺(tái)有油桶筏、鉆探船、人工島、棧橋、桁架式構(gòu)架等，它們之間的最大區(qū)別在于對(duì)環(huán)境的適用性、搭建經(jīng)濟(jì)性和移動(dòng)靈活性，油桶筏的應(yīng)用最為廣泛。各類平臺(tái)的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

城市地鐵工程勘察水域鉆探具有多孔鉆探、移動(dòng)頻繁、鉆機(jī)體積及質(zhì)量小等特點(diǎn)。油桶筏結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易搭建，不需要專業(yè)工人操作，移動(dòng)靈活，可以重復(fù)使用;平臺(tái)材料容易獲得;平臺(tái)運(yùn)輸容易，小貨車即可;平臺(tái)搭建成本低。根據(jù)以上分析，油桶筏是此類工程適用性較強(qiáng)的鉆探平臺(tái)。

2．2 鉆探平臺(tái)的參數(shù)設(shè)計(jì)

鉆探平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要考慮平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定性。平臺(tái)工作中或錨定后，有6種運(yùn)動(dòng)，3種是直線運(yùn)動(dòng)，分別為前后進(jìn)退的縱移、左右橫移、上下起伏升降;3種是搖轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分別為左右搖晃的橫搖、前俯后仰的縱搖、左右轉(zhuǎn)動(dòng)的搖動(dòng)。水域環(huán)境引起油桶筏的這些運(yùn)動(dòng)，會(huì)隨著風(fēng)速和流速變化的高低而加劇和減弱，即使是非常明朗的天氣，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仍然存在，因此，盡可能地增加平臺(tái)的穩(wěn)定性，減弱平臺(tái)運(yùn)動(dòng)是鉆探作業(yè)最基本的要求。鉆探作業(yè)的各種工序，應(yīng)遵循平臺(tái)運(yùn)動(dòng)限制標(biāo)準(zhǔn)(見表2)，同時(shí)鉆探平臺(tái)設(shè)計(jì)必須全面考慮工作區(qū)域環(huán)境的復(fù)雜情況和人體所能承受的水平，才能保證作業(yè)的順利和安全。

表1 鉆探平臺(tái)比較

表2 平臺(tái)主要運(yùn)動(dòng)限制標(biāo)準(zhǔn)

油桶筏水域鉆探平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，宜驗(yàn)算平臺(tái)所承受的水流阻力、水流沖擊力、風(fēng)力以及鉆進(jìn)時(shí)的振動(dòng)力，必須驗(yàn)算其豎向承載能力，平臺(tái)的豎向承載能力主要由油桶、方木和木板在水中所受的浮力提供，驗(yàn)算公式如下:

式中:K——安全系數(shù)，K≥4.5;ρ——水的密度，取 1×103kg/m3;g——重力加速度，取 9.8 m/s2;n——綁扎的油桶總數(shù)，個(gè);v1——單個(gè)油桶的體積，m3;v2——方木與木板的總體積，m3;m1——鉆探平臺(tái)的質(zhì)量，kg;m2——鉆機(jī)整套設(shè)備、工具的質(zhì)量，kg;m3——施工作業(yè)人員的質(zhì)量，kg。

北京地鐵6號(hào)線北運(yùn)河水域工程勘察油桶筏鉆探平臺(tái)所采用單個(gè)油桶的體積為0.21 m3，所綁扎的油桶總數(shù)為94個(gè)，鉆探平臺(tái)的質(zhì)量為4252.2 kg(見表3)，鉆機(jī)整套設(shè)備、工具的質(zhì)量為1162.08 kg(見表4)，施工作業(yè)人員4人，其質(zhì)量取300 kg。結(jié)合上述公式和原理，進(jìn)行本鉆探平臺(tái)豎向承載能力的驗(yàn)算。

表3 鉆探平臺(tái)質(zhì)量組成分析

經(jīng)計(jì)算其安全系數(shù)K=4.56＞4.5，滿足油桶筏水域鉆探平臺(tái)豎向承載能力的要求，完全符合安全操作規(guī)程的規(guī)定。

2.3 鉆探平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)計(jì)算，鉆探平臺(tái)縱向由16個(gè)油桶組成單縱排油桶和橫向6組油桶排綁扎固定搭建成長(zhǎng)8 m、寬6 m、總面積為48 m2的油桶筏，符合鉆探場(chǎng)地的平面要求。油桶筏水域鉆探平臺(tái)的結(jié)構(gòu)見圖1，施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物見圖2。

圖1 油桶筏水域鉆探平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖2 施工現(xiàn)場(chǎng)油桶筏水域鉆探平臺(tái)實(shí)物照片

3 鉆探平臺(tái)的搭建方案

3．1 搭建步驟

第一步:根據(jù)計(jì)算確定橫、縱向油桶數(shù)量，準(zhǔn)備物資、材料。認(rèn)真檢查油桶有無(wú)漏水現(xiàn)象，確保油桶下水后不滲漏，組裝時(shí)油桶口應(yīng)朝上。

第二步:固定單縱排油桶，然后入水。將16個(gè)油桶用8號(hào)鐵絲擰在兩根10 cm×10 cm方木上，鐵絲要擰緊，方木位于油桶下方，間距0.6 m，形成單縱排油桶。共組建6組單縱排油桶，其中第3組和第4組在第6個(gè)油桶的位置留出1個(gè)油桶的空檔，此處作為預(yù)留鉆探口位置。將6組綁扎好的油桶放入水中，用繩索固定，以防被水沖走。

第三步:水中組合縱排油桶組。在水中排列固定好的單縱排油桶組，中間兩排為第6個(gè)油桶空缺的油桶組，然后綁扎固定在四周5 cm的固定鋼管上，鋼管間用扣件連接，鋼管與方木間用8號(hào)鐵絲綁扎。

第四步:綁扎上層方木。為增加平臺(tái)的牢固性和整體剛性，保證安全，在油桶上方橫向綁扎9根10 cm×10 cm的方木，并在鉆機(jī)作業(yè)區(qū)域適當(dāng)加密方木。用8號(hào)鐵絲將上層方木、油桶下方的縱向方木和固定鋼管綁扎在一起，對(duì)鉆探平臺(tái)進(jìn)一步加固。

第五步:鋪設(shè)上層木板。為保證作業(yè)面的平整和鉆探人員的安全，在上層方木上面鋪設(shè)10 cm厚的木板。接口交錯(cuò)對(duì)接，用鐵釘與上層方木固定。

第六步:設(shè)置護(hù)欄及防護(hù)網(wǎng)。為保證鉆探安全，在平臺(tái)上部應(yīng)設(shè)置護(hù)欄及防護(hù)網(wǎng)，護(hù)欄立柱間距≯2 m，上層橫桿的高度＞1.2 m，護(hù)欄與平臺(tái)應(yīng)固定結(jié)實(shí)、牢靠，并在護(hù)欄的外側(cè)掛防護(hù)網(wǎng)。

3．2 安裝鉆機(jī)、擺放鉆具

選用T14－200型鉆機(jī)，搭建平臺(tái)后，進(jìn)行安裝鉆機(jī)、擺放鉆具工作，首先讓油桶筏靠近岸邊，把鉆機(jī)拖拽至平臺(tái)上，將鉆機(jī)底梁與平臺(tái)的橫梁連接在一起，鉆機(jī)立軸應(yīng)安裝在筏面中心處。鉆機(jī)安裝應(yīng)做到牢固結(jié)實(shí)，不能晃動(dòng)、移位。

鉆具及原位測(cè)試設(shè)備應(yīng)均勻地?cái)[放在平臺(tái)上，保持平臺(tái)承重均衡，救生衣放在方便易取之處。為保護(hù)環(huán)境及鉆孔護(hù)壁，泥漿池應(yīng)采用泥漿循環(huán)槽，并放在靠近鉆孔的位置。

3．3 定位測(cè)量

采用GPS進(jìn)行鉆孔的定位測(cè)量，由于水域鉆探孔位受水流的流動(dòng)性及油桶筏定位的復(fù)雜性等因素的影響，一般測(cè)定一個(gè)，施工一個(gè)。陸上和油桶筏上的工作人員通過對(duì)講機(jī)溝通，然后調(diào)整油桶筏前后左右的纜繩，使鉆機(jī)的立軸對(duì)正鉆孔中心，接著下套管固定，并將套管砸入淤泥。水面標(biāo)高的變化會(huì)導(dǎo)致套管口與平臺(tái)平面的相對(duì)高度隨之發(fā)生變化，因此孔口標(biāo)高要經(jīng)常地進(jìn)行校正。

3．4 錨泊定位

3．5 制作運(yùn)輸筏

運(yùn)輸筏同樣采用油桶搭建。將3個(gè)油桶用8號(hào)鐵絲擰在兩根10 cm×10 cm方木上，形成單縱排油桶，共組建3組單縱排油桶。在水中排列好單縱排油桶組，然后綁扎固定在四周5 cm的固定鋼管上，接著在運(yùn)輸筏四周設(shè)置護(hù)欄和防護(hù)網(wǎng)。運(yùn)輸筏通過纜繩與岸邊的樹或地錨相連，拖拽纜繩形成運(yùn)輸筏的動(dòng)力。運(yùn)輸筏只能運(yùn)輸鉆探相關(guān)人員、工具和樣品等較輕的物品。筏上人員應(yīng)穿救生衣，并配備救生圈及救生繩。

4 安全保障措施

(1)施工前必須向河湖管理部門提出申請(qǐng)，說明施工占用河道的區(qū)域，施工周期，施工方案，安全措施等，按照要求辦理各種相關(guān)手續(xù)后才能開始作業(yè)。

(2)工作開始前，對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行安全教育，特別是水上安全知識(shí)及安全操作規(guī)程的教育，并簽訂安全生產(chǎn)協(xié)議。

(3)針對(duì)水域周邊環(huán)境條件，編寫行之有效的水域鉆探安全應(yīng)急預(yù)案。

(4)測(cè)量水深與觀察急流的方向，在地形上先觀察較大面積的水深和急流方向，然后仔細(xì)核對(duì)，確定鉆孔區(qū)域內(nèi)是否有深坑或急流沖擊的地方;用浮標(biāo)法測(cè)定水流的流速，同時(shí)了解歷年洪水情況，以便采取預(yù)防措施。

(5)與河道管理部門溝通，發(fā)布安全通航公告，在平臺(tái)上懸掛紅旗，晚上配備照明、警示燈標(biāo)識(shí)。

(6)作業(yè)人員必須穿救生衣，平臺(tái)上應(yīng)配備足夠的救生衣、救生圈、救生繩、通訊設(shè)備、滅火器等器材。

(7)不得強(qiáng)力起吊鉆具，不得將千斤頂直接放在平臺(tái)上處理鉆探事故。

(8)隨時(shí)檢查垂直錨撐、斜錨撐鋼管及纜繩的松緊情況，并根據(jù)水位的漲落調(diào)整其長(zhǎng)度。

(9)隨時(shí)收聽天氣預(yù)報(bào)，監(jiān)測(cè)河流水位情況。遇到大雨、大風(fēng)、大霧和發(fā)現(xiàn)水位變化幅度較大時(shí)，應(yīng)迅速撤離，暫停工作。停鉆后，應(yīng)監(jiān)測(cè)水情，及時(shí)清除套管上雜物。

(10)筏面應(yīng)保持平整、平衡，不得留有縫隙和漏洞，不常用的器具和裝滿的巖心箱要及時(shí)搬運(yùn)上岸。鉆具和測(cè)試設(shè)備應(yīng)擺放整齊，用后歸位，禁止亂扔亂放。筏面四周應(yīng)設(shè)置護(hù)欄和防護(hù)網(wǎng)，并懸掛警示彩旗。

(11)水域鉆探影響因素較多，應(yīng)嚴(yán)格鉆探操作規(guī)程，斷開離合器后才能啟動(dòng)動(dòng)力機(jī)，不得強(qiáng)力起吊、提升鉆具。需將套管的絲扣全部擰緊，最上面一節(jié)的絲扣要裝上護(hù)圈，防止河水進(jìn)入套管。必要時(shí)應(yīng)采取措施，防止鉆孔受水流的影響而導(dǎo)致套管傾斜。嚴(yán)格控制回次進(jìn)尺，保證鉆探質(zhì)量和巖心采取率。

5 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)內(nèi)陸、沿海地區(qū)，鐵路、公路、管道、城市地鐵、城市道路、隧道等線性工程建設(shè)中一般都需要進(jìn)行跨越地表水體的巖土工程勘察工作。油桶筏水域鉆探平臺(tái)以其獨(dú)特的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性值得被廣泛地推廣應(yīng)用于此類工程，水域鉆探影響因素較多，并應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，從平臺(tái)設(shè)計(jì)、平臺(tái)搭建、安全保障措施等方面靈活應(yīng)用。

［1］ 劉廣志，湯鳳林．特種鉆探工藝學(xué)［M］．上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，2005．

［2］ 王光輝，陳必超．淺水海域工程勘察鉆探方法和技術(shù)措施［J］．探礦工程，2003，(4):9 －11．

［3］ 周必清．水上鉆探的經(jīng)驗(yàn)［J］．探礦工程，1958，(11):7 －8．

［4］ 高建波．淺談水上地質(zhì)鉆探方法選擇與應(yīng)用［J］．鐵道勘察，2012，38(4):51 －54．

［5］ 邵景林，祁建忠，高杰．西氣東輸管道通過長(zhǎng)江工程地質(zhì)勘察水上鉆探工藝合理性分析［J］．工程勘察，2002，(2):54 －56．

［6］ 任良治．汛期江上工程鉆探施工實(shí)踐［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(9):58 －60．

［7］ TB 10014—2012，鐵路工程地質(zhì)鉆探規(guī)程［S］．

［8］ JGJ/T 87—2012，建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程［S］．