海上橋梁工程地質(zhì)鉆探技術(shù)與措施

谷世平

(中交一公局廈門工程有限公司　福建廈門　361021)

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海上橋梁工程地質(zhì)鉆探技術(shù)與措施

谷世平

(中交一公局廈門工程有限公司福建廈門361021)

工程地質(zhì)鉆探是工程設(shè)計與施工順利開展的前提，文章結(jié)合松下跨海大橋工程的環(huán)境條件和鉆探要求，介紹了海上鉆探的平臺與設(shè)備選擇、孔位測量技術(shù)、鉆探施工技術(shù)等，并對海上鉆探施工可能出現(xiàn)的問題提出了合理的處理措施。

海上；地質(zhì)鉆探；鉆探平臺；鉆探施工

0　引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，越來越多的橋梁、隧道工程地質(zhì)勘察工作需要在江河湖海進(jìn)行，其中海上工程因存在潮汐、流速、風(fēng)浪、氣象、臺風(fēng)、地質(zhì)差異大等儲多影響因素，其地質(zhì)鉆探工作較陸地要艱難得多。并且，公路工程地質(zhì)勘察工作具有工期緊、任務(wù)重、經(jīng)費少的特點，使得海上工程地質(zhì)鉆探工作難度進(jìn)一步加大。

1　概述

福建省長平高速公路松下跨海特大橋(海上橋梁全長1.3km)位于福建省東部濱海海域，海島、礁嶼星棋羅布。本海域?qū)僬?guī)半日潮，多年平均潮差4.24m，平均高潮位5.84m，平均低潮位1.60m，平均海平面3.77m。該場區(qū)屬濱海地貌，海域海底地形標(biāo)高-5.0～-10.0m，低潮位平潮時海水深5～10m。全年平均風(fēng)速8.42m/s(5級)，全年大于8級大風(fēng)天數(shù)達(dá)107d，為福建省強(qiáng)風(fēng)區(qū)之一；并且7～9月多臺風(fēng)，10月至次年元月沿海多大風(fēng)。橋位處地質(zhì)由上至下基本為細(xì)砂層、粉質(zhì)粘土層、粗砂層、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。

2　海上地質(zhì)鉆探影響因素分析

如前言所述，海上地質(zhì)鉆探與陸上相比，因其環(huán)境條件的特殊性，決定了在鉆探平臺及設(shè)備的選擇、鉆探孔位測量、鉆探施工工藝等方面均有較大差異，需重點考慮以下影響因素：

(1)海域為正規(guī)半日潮，海平面每天兩次漲、落潮，影響平臺標(biāo)高，同時需采取措施保證成孔不受海水影響；

(2)工程區(qū)域風(fēng)浪、涌浪大，易造成平臺晃動，造成鋼套管固定不牢靠，同時影響有效作業(yè)時間；

(3)類似于外海作業(yè)，孔位定位不能通過全站儀進(jìn)行測量，需采取先進(jìn)測量技術(shù)；

(4)海水環(huán)境Na+、Cl-離子含量高，影響護(hù)壁泥漿質(zhì)量和穩(wěn)定性；

(5)覆蓋層有細(xì)砂、中砂層，長時間作業(yè)將使鋼套管抱裹力加大，影響鋼套管跟進(jìn)與拔出，要求快速完成單孔作業(yè)；

(6)惡劣天氣多，普遍存在二次接孔現(xiàn)象。

3　鉆探平臺及鉆探設(shè)備的選擇

3.1鉆探平臺的選擇

海上鉆探影響因素多，鉆探平臺的選擇將對鉆探施工人員、鉆探機(jī)械設(shè)備的安全產(chǎn)生重大的影響，甚至決定了鉆探質(zhì)量、鉆探效率、鉆探成本。鉆探平臺的選擇需綜合考慮平臺的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性，平臺需抵抗水流阻力、水流沖擊力、風(fēng)力以及鉆進(jìn)時的振動力等[1]。

目前水上鉆探常用平臺有浮箱、油桶筏、單體船舶、雙體船舶等。浮箱、油桶筏鉆探平臺搭建簡單，可就地取材，造價低，本應(yīng)是水平鉆探平臺的首選，但是這兩種平臺穩(wěn)定性、牢固性均較差，大風(fēng)、高浪情況下難以保證鉆探質(zhì)量和鉆探效率，甚至不能保證平臺的安全性，更難以保證鉆探施工的經(jīng)濟(jì)性。雙體船舶與單體船舶相比而言，雙體船舶整體穩(wěn)定性要高于單體船舶，而單體船舶靈活性較強(qiáng)，具備隨時移位避風(fēng)的能力。

松下跨海特大橋橋位處全年風(fēng)大、水深、浪高、正規(guī)半日潮，其中風(fēng)大為最突出特征。且全橋鉆探工作量大，鉆探平臺移動次數(shù)多，最終本橋選擇采用單體船舶鉆探平臺。海上鉆探平臺單體船舶的噸位需根據(jù)水文情況、鉆孔深度及鉆探設(shè)備等確定，一般采用150～200t的鐵駁船或水泥船。松下跨海特大橋選用180t鉆探船，船體長38m，寬8m，配有柴油發(fā)電機(jī)組、電氣焊設(shè)備和全套水上作業(yè)工具。該船重心低，受外力作用影響相對較小，穩(wěn)定性好，可在無涌浪情況下抵御7級左右大風(fēng)，保證了地質(zhì)鉆探能夠正常施工鉆進(jìn)。

在鉆探船的一側(cè)通過工字鋼搭建鉆探作業(yè)平臺，平臺伸出船舷3m左右，平臺周圍焊接防護(hù)欄桿。鉆探船的另一側(cè)設(shè)置泥漿箱，通過泥漿原材料及備用機(jī)具設(shè)備、套管等形成配載，使鉆探船保持平衡穩(wěn)定。平臺外側(cè)設(shè)置活動墊板(蓋板)，當(dāng)突遇大風(fēng)浪等情況需保留套管時，可將活動墊板掀開，鉆探船可離開孔位避風(fēng)，避免鉆探船與套管的撞擊，在風(fēng)平浪靜后可重新鉆探，避免出現(xiàn)廢孔。

3.2鉆探設(shè)備的選擇

鉆探設(shè)備的選擇主要考慮在滿足鉆孔要求的情況下，盡量選用體積小、重量輕、折卸方便、易吊運的設(shè)備。橋位處地質(zhì)鉆探鉆孔深度基本在80m以內(nèi)，基巖為中風(fēng)化花崗巖，巖石強(qiáng)度高。根據(jù)海上類似工程鉆探經(jīng)驗，本次鉆探設(shè)備采用重慶探礦機(jī)械廠GX-50型立軸式巖芯鉆機(jī)，該鉆機(jī)終孔直徑75～150mm，最大終孔深度100m，最大扭矩620N·m，能夠滿足本項目海上鉆探施工各項指標(biāo)要求。

為加快鉆孔施工中的鉆桿安裝與拆卸速度，提高鉆探取芯施工效率，在鉆探船上配備鋼管三角架、2臺1t卷揚相互機(jī)配合使用。為加快造泥漿速度和保證泥漿質(zhì)量，鉆探船上配備一臺BW-200/40攪漿機(jī)和兩臺泥漿泵，在一臺泥漿泵出現(xiàn)故障時，另一臺可以備用。

4　鉆探船拋錨定位(圖1)

為了能使水上平臺在到達(dá)指定鉆孔位置后不產(chǎn)生移位和錯動，根據(jù)河(海)床表層地層情況、水流速度、風(fēng)力大小和風(fēng)向等具體情況，選擇錨的類型、錨繩的直徑和長度等[2]。橋位處海床表層為細(xì)砂層，海軍錨特別適合于砂、硬泥及礫石等底質(zhì)位置的錨固，所以鉆探船的船頭船尾均設(shè)置海軍錨，錨繩采用Φ26mm鋼絲繩。

橋位處風(fēng)浪較大，漲落潮時流速較大，不易于對鉆探船進(jìn)行精確定位。因此鉆探船拋錨定位時盡量選在高潮或低潮時的平潮期，此時水流速度最小，拋錨定位較容易，花費時間短，能更好地保證套管打入水下的垂直度及鉆探質(zhì)量。拋錨時注意使鉆探船的中心線方向與水流方向一致，且船首朝向主流(或主要風(fēng)浪)方向拋主錨。

拋錨定位前根據(jù)設(shè)計孔位坐標(biāo)先計算出鉆探船的坐標(biāo)，鉆探船利用自帶的GPS測量系統(tǒng)測出并行駛至大概位置，由交通船依次送出主前錨、左前和右前錨至預(yù)定錨位下拋，再由交通船送出兩只船尾邊側(cè)錨。通過收緊前后各錨繩使鉆探船上的鉆機(jī)逐漸向設(shè)計孔位靠攏，將手持式GPS置于鉆機(jī)立軸處，通過多次測量和調(diào)整錨繩，使鉆機(jī)精確對位并固定鉆探船。

鉆探船定位錨固后應(yīng)設(shè)置施工作業(yè)標(biāo)志的旗幟及信號燈，錨頭上應(yīng)拴系撈繩，撈繩長度需大于水深1～2m，其尾部拴系浮筒、旗幟或信號燈，避免往來船只靠近作業(yè)區(qū)域拖斷錨繩。鉆探作業(yè)時應(yīng)隨時檢查錨繩及保護(hù)繩的松緊情況，并根據(jù)水位的漲落及時調(diào)整其長度，放置鉆具要隨時考慮到鉆探船的平衡穩(wěn)定，防止偏重失穩(wěn)。

完成一個鉆孔需要較長時間，期間需經(jīng)歷多次漲落潮，在鉆進(jìn)過程中需根據(jù)潮汐、風(fēng)浪的變化適時調(diào)整每根錨繩的松緊度以保持鉆探船始終平衡穩(wěn)定。

5　鉆探取芯施工技術(shù)

水上鉆探取芯采取鋼套管護(hù)孔、改良護(hù)壁泥漿，實現(xiàn)泥漿循環(huán)使用，可高效優(yōu)質(zhì)地完成鉆探取芯施工。

5.1泥漿制備及循環(huán)

一般鉆孔用泥漿由水、膨潤土或粘土組成，水是泥漿的重要組成部分，泥漿性能受水質(zhì)的影響很大，陸地鉆探一般采用淡水，海上鉆探最方便的水源則是海水，海水與淡水的最大區(qū)別為海水中富含Na+、Cl-離子。海水中的Na+離子會把泥漿中的H+離子置換出來，從而降低泥漿的pH值，使得泥漿穩(wěn)定性、流動性變差；而Cl-離子則會使膨潤土或粘土聚結(jié)成團(tuán)而下沉，泥漿失水量加大，穩(wěn)定性變差[3]。

為使海水所制泥漿滿足鉆孔護(hù)壁要求，需在常規(guī)泥漿基礎(chǔ)上增加碳酸鈉(Na2CO3)和聚丙烯酰胺組分。碳酸鈉可使pH值增大，使粘土顆粒進(jìn)行分散，粘粒表面負(fù)電荷增加，為粘土吸收外界的正離子顆粒提供條件，可增加水化膜厚度，提高泥漿的膠體率和穩(wěn)定性，降低失水率；聚丙烯酰胺則是使泥漿成為不分散的紊凝狀態(tài)，從而使泥漿能保持不分散的低固相、低相對密度、低粘度的優(yōu)良性能。通過增加碳酸鈉(Na2CO3)和聚丙烯酰胺后海水所制泥漿，與淡水泥漿相比同樣具有造漿體積大、相對密度低、含砂量少等特點，能在鉆孔內(nèi)形成穩(wěn)定的泥皮，起到良好的護(hù)壁效果，提高鉆孔質(zhì)量。

泥漿原漿的拌制必須通過強(qiáng)勁的攪動才能形成膠體，在泥漿箱內(nèi)加入相應(yīng)比例的原料，而后利用電機(jī)強(qiáng)勁攪動形成泥漿。泥漿箱內(nèi)的泥漿通過泥漿泵壓入鉆機(jī)，鉆機(jī)鉆孔后回流至泥漿箱，從而形成泥漿的循環(huán)使用。

5.2鋼套管埋設(shè)

測量定位完成后，要充分利用平潮期進(jìn)行鋼套管埋設(shè)，否則由于潮汐的水流影響，容易使得鋼套管的垂直度難以保證，使鉆孔施工無法順利進(jìn)行。鋼套管埋設(shè)時采用較細(xì)鋼絲繩將鋼套管牽引到船頭、船尾的系纜樁上，鋼絲繩與下沉的套管同步下放，以保證鋼套管進(jìn)入海床的垂直度。鋼套管通過錘擊進(jìn)入海床面覆蓋層內(nèi)，在遇到地質(zhì)層較硬而難以下埋時，采取三葉鉆頭進(jìn)行鉆孔以輔助埋設(shè)，保證鋼套管入海床5～10m。鋼套管下放時，必須通過大扭力扳手將鋼套管連接牢靠，避免潮汐往復(fù)作用、鉆孔振動使得鋼套管絲扣出現(xiàn)松動。個別墩位海床覆蓋層較薄時，隨著鉆孔時鉆具回轉(zhuǎn)振動，鋼套管會隨孔深加大而下沉，此時應(yīng)準(zhǔn)備各種長度的短鋼套管，視鋼套管下沉情況逐漸加長，使鋼套管頂口始終超過船面。

5.3鉆探施工

松下跨海橋地質(zhì)鉆探覆蓋層為細(xì)砂層、粉質(zhì)粘土層、粗砂層，基巖層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。為提高鉆孔效率，覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化基巖層采用合金鉆頭，而中風(fēng)化基巖層因其強(qiáng)度極高而采用金剛鉆頭。

覆蓋層在鋼套管埋設(shè)完成后采用Φ108mm合金鉆頭加巖芯管取芯，采取泥漿護(hù)壁，每次取樣孔深1.5m。根據(jù)地質(zhì)勘探大綱要求，單編號孔采取厚壁取土器取原狀土樣，雙編號孔采取標(biāo)貫取土器取標(biāo)貫土樣。厚壁取土器與大錘配合使用，標(biāo)貫取土器與自由落錘配合使用。

待合金鉆頭穿過覆蓋層進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層后，當(dāng)鉆孔進(jìn)尺已變得緩慢或者不再進(jìn)尺時，提鉆取樣并更換為Φ108mm金剛鉆頭加巖芯管取芯。更換為金剛鉆頭即表明將到達(dá)中風(fēng)化基巖層，提鉆后若巖芯管內(nèi)保存的巖樣較少，則是由于尚未完全穿過強(qiáng)風(fēng)化基巖層。

本次地質(zhì)鉆探覆蓋層每1.5m左右自然取芯一次，每鉆耗時0.3～0.5h；強(qiáng)風(fēng)化基巖層每1.5m左右自然取芯一次，每鉆耗時0.5～1h；中風(fēng)化基巖層每2m左右取芯一次，每鉆耗時2～3h。

6　常見問題處理措施

海上鉆探施工影響因素多，常會出現(xiàn)各種突發(fā)情況，只有采取針對性的應(yīng)對措施才能使鉆探施工得以完成，避免廢孔，減少經(jīng)濟(jì)損失。

6.1卡鋼套管

由于海上作業(yè)覆蓋層較厚，取芯孔位較深，為保證取芯過程少擾動、不塌孔，采取埋設(shè)鋼套管加泥漿護(hù)壁措施。鋼套管一般下至地質(zhì)較硬的強(qiáng)風(fēng)化層，不能繼續(xù)下放為止。當(dāng)遇砂層較厚或鉆孔時間持續(xù)較長時，容易因覆蓋層抱裹力過大而出現(xiàn)卡鋼套管現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼套管無法繼續(xù)下放或拔出，甚至使鋼套管扭斷，留在孔位中。

為避免出現(xiàn)卡鋼套管現(xiàn)象，需加快鉆進(jìn)工作，縮短鋼套管埋置時間。出現(xiàn)卡鋼套管后，可利用鉆機(jī)多次上下提動鋼套管或用大錘砸進(jìn)，至松動為止。在實際施工過程中，采取了自制清理工具，通過清理鋼套管外圍結(jié)構(gòu)層，減小對鋼套管的抱裹力使鋼套管松動，讓鋼套管可繼續(xù)下放或拔出。

6.2巖芯掉落

在中風(fēng)化基巖層鉆進(jìn)過程中，鉆孔進(jìn)尺與巖芯長度有時會出現(xiàn)較大偏差，提鉆時巖芯沒卡住而掉落。

不合格泥漿對巖芯有沖刷、浸潤作用，巖芯中的松散破碎細(xì)顆粒成分會被潰散而導(dǎo)致巖芯掉落。為此在鉆孔過程中要控制泥漿指標(biāo)，使其保持不分散的紊凝狀態(tài)和低固相、低相對密度、低粘度性能。同時，鉆進(jìn)施工時的鉆進(jìn)參數(shù)亦會影響巖芯掉落，需控制好鉆進(jìn)時的壓力、轉(zhuǎn)速和泥漿循環(huán)量，鉆進(jìn)控制時宜采用較小的泥漿循環(huán)量，且保持泥漿循環(huán)相對均衡。此外，還應(yīng)控制鉆孔傾斜度，傾斜度過大亦導(dǎo)致容易出現(xiàn)巖芯掉落。

6.3涌浪太大

海面常見的浪有風(fēng)浪和涌浪，風(fēng)浪是由風(fēng)力作用產(chǎn)生的，對地質(zhì)鉆探施工影響較??；涌浪是指海面上由其他海區(qū)傳來的波動，對地質(zhì)鉆探施工影響較大，會使船舶搖晃厲害，影響鉆探施工。

本項目所選用鉆探船在無涌浪情況下，能抵御7級左右大風(fēng)條件下繼續(xù)正常鉆進(jìn)施工。當(dāng)涌浪過大導(dǎo)致鉆探船搖晃厲害時，應(yīng)迅速停鉆并提出孔內(nèi)鉆具，移開作業(yè)平臺上的活動墊板將鉆探船移出鋼套管，以免鉆桿、鋼套管折斷或引起施工人員墜海溺亡事故，特殊情況下可考慮鉆探船開至港灣避風(fēng)。

6.4二次接孔

海上地質(zhì)鉆探施工受各項因素制約，并非每孔都是一氣呵成，如當(dāng)天不能終孔、遇臺風(fēng)天氣、大風(fēng)天氣、涌浪過大等情況，均需中斷施工，導(dǎo)致需要二次接力繼續(xù)鉆孔。

在特殊工況需中斷鉆孔時，在提出孔內(nèi)鉆桿、鉆具后應(yīng)移開作業(yè)平臺活動墊板，將鋼套管加長至不被高潮位海水淹沒位置后撤出。鋼套管頂部采用密封蓋板蓋住，并栓系好信號燈，防止過往船只碰撞。待能繼續(xù)鉆進(jìn)施工時，在鉆探船拋錨后通過調(diào)整各錨繩使作業(yè)平臺二次就位，拆除鋼套管接長管，重新接力鉆孔。

7　結(jié)語

雖然海上工程地質(zhì)鉆探制約因素多，施工難度大，但是通過松下跨海特大橋地質(zhì)鉆探施工實踐表明，在選取了合理的鉆探平臺、機(jī)具設(shè)備和鉆探方法后，完全能夠高效、安全、經(jīng)濟(jì)地完成地質(zhì)鉆探工作。本工程所采用的鉆探平臺、機(jī)具設(shè)備和鉆探工藝，可為同類型工程提供參考與借鑒。

[1]任良治.汛期江上工程鉆探施工實踐[J].探礦工程，2010，37(9)：58-60.

[2]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，2012，3：51-54.

[3]周慶禮、譚海軍.海域工程地質(zhì)鉆探中泥漿循環(huán)工藝的應(yīng)用[J].港工技術(shù)，2011，48(4)：61-63.

Offshore Bridge Engineering Geological Drilling Technology And Measures

GU Shiping

(CCCC First Highway Xiamen Engineering CO.Ltd.,Xiamen 361021)

Engineering geological drilling is a prerequisite for engineering design and construction smoothly,in this paper,combined with environment conditions and drilling requirements of Songxia cross-sea bridge engineering,introduced platform and equipment selection,hole measurement technology and drilling technology of offshore drilling,and put forward the reasonable treatment measures to deal with offshore drilling construction problems that may arise.

Offshore；Geological drilling；Drilling platform；Drilling construction

谷世平(1976.02-)，男，工程師。

E-mail:183906381@qq.com

2016-03-06

U44

A

1004-6135(2016)04-0097-04