日照黃海海域冷水團(tuán)勘察工程施工工藝探究

張 輝

(山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 日照 276800)

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的愈發(fā)重視，開(kāi)發(fā)資金投入大幅增加，海洋地質(zhì)勘探工作的需求不斷增多，對(duì)技術(shù)要求越來(lái)越高，施工難度逐漸加大，提升鉆探工藝技術(shù)水平、持續(xù)增強(qiáng)科技創(chuàng)新能力、實(shí)現(xiàn)綠色勘察施工成為了地質(zhì)人需要思考的重要任務(wù)及使命。

1 工程概況

日照萬(wàn)澤豐黃海冷水團(tuán)魚(yú)類養(yǎng)殖海域位于中韓海域交界處附近，距陸地約180海里，圓心半徑為1海里的海域(見(jiàn)圖1中紅色區(qū)域)。在養(yǎng)殖海域建設(shè)養(yǎng)殖網(wǎng)箱，養(yǎng)殖網(wǎng)箱周長(zhǎng)約180 m，直徑約60 m，主體高度約35 m。擬建場(chǎng)地水深約70 m，洋流流速約3 m/s，海面平均浪高8～10 m。

為查明場(chǎng)地地層分布情況、地形地貌、地基巖土種類及其分布特征，本次勘察共布置鉆孔3個(gè)，鉆孔編號(hào)為ZK1、ZK2和ZK3。鉆孔呈三角形分布，設(shè)計(jì)孔深50 m。

2 鉆探設(shè)備

2.1 鉆探平臺(tái)

2.1.1 鉆探施工船選取

施工區(qū)域位于深海區(qū)，且項(xiàng)目工作量少、鉆孔深度淺，經(jīng)分析采用鉆探船作為鉆探平臺(tái)較為合理，考慮到租賃專業(yè)鉆探船成本太高，經(jīng)與萬(wàn)澤豐漁業(yè)有限公司溝通協(xié)調(diào)，決定對(duì)其公司的大型養(yǎng)殖工船(魯嵐?jié)O養(yǎng)61699)進(jìn)行技術(shù)改造后作為鉆探施工用船，該船基本參數(shù)見(jiàn)表1，實(shí)踐證明該船性能參數(shù)能夠滿足該項(xiàng)目施工要求[14-15]。

圖1項(xiàng)目交通位置圖
Fig.1Project traffic location

表1 大型養(yǎng)殖工船基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of large farming boat

2.1.2 鉆探施工船改造[8]

養(yǎng)殖工船不具備鉆探功能，為此我院組織鉆探工藝、機(jī)械維修及工程勘察等方面的專業(yè)技術(shù)人員組成技術(shù)專家攻關(guān)小組，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的技術(shù)改造加工，搭建經(jīng)濟(jì)、實(shí)用和安全的臨時(shí)海上鉆探平臺(tái)。

在船舶尾部上下甲板垂向?qū)?yīng)位置采用切割方法，割開(kāi)直徑780 mm的圓孔，用直徑760 mm無(wú)縫鋼管焊接后形成鉆具上下通道。

平臺(tái)搭建在船體上，平臺(tái)高出甲板60 cm，其上用5 cm厚的木板鋪平、鋪牢，木板上面固定鉆塔和鉆機(jī)。

船艙內(nèi)裝滿壓艙淡水，增加鉆進(jìn)時(shí)船體的穩(wěn)定性。

圖2為施工現(xiàn)場(chǎng)圖，經(jīng)實(shí)際施工驗(yàn)證，技改效果良好。

圖2 施工現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.2 Construction site

2.2 鉆機(jī)及參數(shù)[1]

本次勘察受海域水深、洋流影響較大，孔徑較大(鉆孔開(kāi)孔口徑130 mm、終孔口徑110 mm)，海底地層復(fù)雜，缺少已有鉆探資料等因素影響，鉆探選用XY-4型鉆機(jī)，主要用于揭露場(chǎng)區(qū)勘察深度范圍內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)、分布規(guī)律，定性進(jìn)行巖土層的劃分，并進(jìn)行原位測(cè)試及取樣測(cè)試。鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 XY-4型鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of XY-4 drill

3 鉆探船錨泊定位技術(shù)[4-5,13]

(1)鉆探船頭頂流逆水停泊，采用紅外測(cè)距儀，配合步話機(jī)定位，隨時(shí)跟蹤鉆船，確保迅速準(zhǔn)確。

(2)船體正前后方拋主錨，左右兩側(cè)拋邊錨，邊錨每側(cè)為兩只，呈八字形拋置，錨繩選擇直徑25 mm的D型鋼絲繩，邊錨繩與主錨繩之間夾角為60°，錨總數(shù)量為6只，錨型為霍爾錨和大抓力錨。

(3)為保證施工期間孔位穩(wěn)定以及錨體的起、下作業(yè)安全與質(zhì)量，專門(mén)租賃一小船輔助拋錨作業(yè)。

4 鉆探工作遇到的難題及措施

4.1 風(fēng)浪影響

勘察海域季風(fēng)8～10級(jí)，浪高8～10 m，極大地影響施工平臺(tái)的穩(wěn)定。

采取措施：增大施工平臺(tái)的抗風(fēng)浪能力。采用大型海水養(yǎng)殖工船一艘，船舶總長(zhǎng)度86 m，型寬16 m，通過(guò)技術(shù)改造滿足鉆探施工要求。

4.2 洋流影響[9]

洋流最大流速3 m/s，對(duì)所下鉆具形成很大的沖力，容易使套管、鉆具傾斜，影響鉆探質(zhì)量。

采取措施：結(jié)合工程的特征及現(xiàn)場(chǎng)工況，設(shè)計(jì)合理施工方案。采用重力導(dǎo)向裝置，首先將直徑40 cm，長(zhǎng)度80 cm的圓鋼加工成紡錘形重錘，一端連接直徑25 mm鋼絲繩，用養(yǎng)殖工船拋錨機(jī)將重錘下入海底，待沉入淤泥層固定后，將上部鋼絲繩用卷?yè)P(yáng)拉直固定，將?146 mm套管，沿垂向固定的鋼絲繩逐節(jié)下放，為防止洋流及涌浪打斷套管，在套管連接處部采用3根短鋼筋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接，確保套管接頭處的穩(wěn)定性。

通過(guò)施工人員的嚴(yán)謹(jǐn)操作，順利完成了套管下放工作，套管下入海底約5 m，累計(jì)下放套管78 m，為本次施工任務(wù)順利完成奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。具體施工方法見(jiàn)圖3。

圖3 重力導(dǎo)向裝置下放套管示意圖Fig.3 Lowering casing with gravity guiding device

4.3 通訊不暢

施工海域沒(méi)有手機(jī)信號(hào)，施工現(xiàn)場(chǎng)與外界聯(lián)系不便。

采取措施：現(xiàn)場(chǎng)配備2部衛(wèi)星電話，確保通訊暢通，及時(shí)交流溝通施工進(jìn)度、洋流流向、天氣情況等。

5 鉆探施工工藝

5.1 鉆進(jìn)工藝[6-7]

工程鉆遇地層大多為淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土、中砂、礫砂等，鉆探過(guò)程中鉆孔易坍塌，直接影響施工進(jìn)度及質(zhì)量。因此，鉆孔設(shè)計(jì)開(kāi)孔直徑為130 mm，終孔直徑為110 mm，鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4；在淤泥、砂層等易坍塌孔段實(shí)行跟管鉆進(jìn)技術(shù)，雙管鉆進(jìn)工藝；當(dāng)淤泥、砂層厚度較大，跟管鉆進(jìn)受限制時(shí)，采取大密度沖洗液護(hù)壁鉆進(jìn)，沖洗液密度控制在1.3 g/cm3左右；減少回次進(jìn)尺長(zhǎng)度，回次進(jìn)尺≯2.0 m。

海上鉆進(jìn)與陸地的主要不同在于受海浪波動(dòng)的影響較大。為補(bǔ)償波動(dòng)的影響，鉆進(jìn)中松開(kāi)液壓卡盤(pán)，靠鉆具自重加壓鉆進(jìn)，避免出現(xiàn)壓彎或壓斷孔內(nèi)鉆具的現(xiàn)象。

圖4 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Diagram of borehole structure

5.2 沖洗液技術(shù)

5.2.1 沖洗液循環(huán)

沖洗液循環(huán)系統(tǒng)的建立要由鉆遇地層特點(diǎn)、施工周期長(zhǎng)短、沖洗液的環(huán)保程度等多種因素決定。由于本項(xiàng)目地層簡(jiǎn)單、孔淺，采取小泵量無(wú)泵取心鉆進(jìn)，沖洗液用量少，沒(méi)有必要建立沖洗液循環(huán)系統(tǒng)，也可以簡(jiǎn)化鉆探船場(chǎng)地布置[12]。

5.2.2 沖洗液配方

為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)條件，采用低固相海水沖洗液，配方為：1 m3海水+30～40 kg鈉膨潤(rùn)土+5 kg抗鹽共聚物，該沖洗液具有環(huán)保、較低的濾失量，泥皮質(zhì)量好，良好的流變性能和抑制性能等特點(diǎn)，經(jīng)鉆探驗(yàn)證，效果非常好。

5.2.3 沖洗液維護(hù)與管理

充分利用現(xiàn)場(chǎng)條件，合理安放泥漿池。為保證沖洗液性能參數(shù)可控，現(xiàn)場(chǎng)配備密度計(jì)、漏斗粘度計(jì)、濾失量?jī)x、含砂量?jī)x和pH值試紙等沖洗液性能測(cè)試工具。每班至少測(cè)定一次沖洗液的常規(guī)性能，并填入班報(bào)表中，保持沖洗液性能穩(wěn)定。更換沖洗液類型時(shí)，應(yīng)事先試驗(yàn)、優(yōu)化配方，確定更換程序。施工中應(yīng)根據(jù)沖洗液性能的變化和鉆遇地層及時(shí)調(diào)整、補(bǔ)充處理劑?，F(xiàn)場(chǎng)沖洗液配制及循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)防雨、防污染。沖洗液材料及堵漏材料應(yīng)分類、妥善保管。

6 鉆探主要成果

6.1 施工情況

海上勘察施工時(shí)間從2018年3月23日開(kāi)始到2018年4月14日結(jié)束，歷時(shí)23 d，共計(jì)完成鉆孔3個(gè)，完成工作量136.5 m，粘土巖心采取率95%，粉土巖心采取率85%，砂土巖心采取率80%，巖心采取率滿足規(guī)范要求。本次勘察滿足了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需要，查明了該工程所在位置處土層分布和巖土物理、力學(xué)指標(biāo)，為養(yǎng)殖工程設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。

6.2 取得成果

6.2.1 原位測(cè)試

依據(jù)巖心特性，確定了巖土的分層界限。采用雙橋靜力觸探儀進(jìn)行靜力觸探，取得了土的側(cè)阻力、錐頭阻力數(shù)據(jù)[3]。

6.2.2 取樣和室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果

淤泥和淤泥質(zhì)土采用固定活塞薄壁取土器，連續(xù)靜壓法采取Ⅱ級(jí)原狀樣，粉土采用單動(dòng)三重管回轉(zhuǎn)取土器，連續(xù)回轉(zhuǎn)法采取Ⅰ級(jí)不擾動(dòng)樣；粉砂采用厚壁敞口取土器，重錘少擊法采?、蠹?jí)顯著擾動(dòng)樣。對(duì)不擾動(dòng)樣品進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)，提供了地層物理力學(xué)指標(biāo)；對(duì)顯著擾動(dòng)樣品進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，提供了砂土的各級(jí)顆粒組成百分比。取海水水樣分析，評(píng)價(jià)了海水對(duì)建筑材料的腐蝕性[2，10]。

取得的巖土物理力學(xué)指標(biāo)包括：質(zhì)量密度、天然含水量、土粒比重、液限、塑限、液性指數(shù)、塑性指數(shù)、內(nèi)摩擦角、粘聚力、空隙壓力指數(shù)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試、壓縮系數(shù)、壓縮模量等。

依據(jù)鉆探情況、室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)估算各巖土層地基承載力及相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

7 安全保障措施

7.1 鉆探安全生產(chǎn)管理

(1)鉆探船安裝避雷針。

(2)各種機(jī)械設(shè)備的防護(hù)設(shè)施、安全裝置應(yīng)齊全完好，外露的轉(zhuǎn)動(dòng)部位應(yīng)設(shè)置可靠的防護(hù)罩或防護(hù)套。

(3)發(fā)電機(jī)組、電動(dòng)機(jī)、配電箱、電器開(kāi)關(guān)等采取了防潮防護(hù)；配電箱或開(kāi)關(guān)箱安裝漏電保護(hù)裝置。

(4)現(xiàn)場(chǎng)配備10個(gè)5 kg干粉滅火器材，在消防風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)高的部位合理安放。

(5)所有臨空臨海處安放防護(hù)設(shè)施，欄桿、護(hù)鏈、護(hù)網(wǎng)。

(6)遇有重霧視線不清時(shí)(能見(jiàn)度<2級(jí))，遇有暴雨雷電天氣和能見(jiàn)度小于鉆塔高度的濃霧天氣停止作業(yè)。

表3 巖土層地基承載力及相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Bearing capacity of foundation and related physical and mechanical parameters of rock layer

7.2 海上作業(yè)安全生產(chǎn)管理[11]

(1)海上作業(yè)人員應(yīng)經(jīng)過(guò)安全培訓(xùn)，考試合格后，按照相關(guān)安全要求持證上崗。

(2)施工作業(yè)前，應(yīng)向日照市海事部門(mén)報(bào)告并備案。

(3)鉆探船和輔助船應(yīng)配備可充足的救生食品、飲用水及救生圈、救生衣、救生艇等逃生急救器材。

7.3 應(yīng)急安全管理

(1)按照相關(guān)海域海事管理規(guī)定設(shè)置航行交通警示標(biāo)志。

(2)建立以船長(zhǎng)和機(jī)長(zhǎng)為組長(zhǎng)的安全應(yīng)急指揮領(lǐng)導(dǎo)小組，全面負(fù)責(zé)組織實(shí)施安全預(yù)案。

(3)配置了必要的應(yīng)急資源，準(zhǔn)備和保存一份應(yīng)急通訊表(包括日照市應(yīng)急救援服務(wù)機(jī)構(gòu)、日照市政府機(jī)構(gòu)和聯(lián)系部門(mén)、我院和萬(wàn)澤豐公司安全管理部門(mén)等)，按照規(guī)定的時(shí)間組織應(yīng)急計(jì)劃演練。

(4)設(shè)立應(yīng)急值班，保持與現(xiàn)場(chǎng)指揮聯(lián)絡(luò)暢通?，F(xiàn)場(chǎng)24 h配有值班輔助船，以備緊急情況下撤離，陸上備有值班車(chē)輛。

(5)加強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)資料收集，與日照市的水文、氣象部門(mén)保持密切聯(lián)系，每天至少4次接收天氣預(yù)報(bào)信息，掌握準(zhǔn)確、及時(shí)的水文和氣象情況。當(dāng)接受到大風(fēng)預(yù)警或其他惡劣天氣狀況時(shí)，應(yīng)立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。

8 綠色勘察

(1)鉆探平臺(tái)應(yīng)配備以下環(huán)保設(shè)施：沖洗液凈化循環(huán)系統(tǒng)，泥漿泵、柴油機(jī)冷卻水噴淋循環(huán)系統(tǒng)，廢油品回收專用罐，沖洗液等化學(xué)材料儲(chǔ)備房，容量足夠的污水池、廢漿池。

(2)發(fā)電機(jī)組、柴油機(jī)組、油罐、鉆具區(qū)等易污染的地方四周應(yīng)有環(huán)形污水槽，并配備污油回收罐，污水槽外緣應(yīng)高出平臺(tái)10 cm。

(3)鉆探平臺(tái)應(yīng)進(jìn)行清污分流，雨水排水系統(tǒng)及設(shè)施應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧v年降雨量情況進(jìn)行設(shè)計(jì)；雨水可直接外排，污水應(yīng)流入鉆孔廢水池。

(4)在循環(huán)罐區(qū)、沖洗液材料庫(kù)區(qū)等搭設(shè)防雨篷的生產(chǎn)區(qū)，防雨篷的外緣應(yīng)超過(guò)污水槽的外緣。

(5)不許向施工作業(yè)及周邊海域傾倒工業(yè)廢水、廢油、廢渣和生活垃圾；不許在鉆探平臺(tái)焚燒廢棄物。

(6)不可使用劇毒或含有重金屬等國(guó)家禁止使用的沖洗液材料。

(7)充分做到污水回收利用，泥漿泵、水剎車(chē)的冷卻水應(yīng)循環(huán)使用，沖洗鉆臺(tái)等污水，經(jīng)污水池沉淀后也應(yīng)循環(huán)使用；污水不能回收利用的部分，存放在污水池中，必須外排時(shí)，外排水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合國(guó)家規(guī)定。

(8)鉆探平臺(tái)產(chǎn)生的生活垃圾應(yīng)集中堆存，定期消毒，不可降解的，分揀、分置處理。鉆探竣工后，按日照市政府環(huán)保部門(mén)的要求處理，做到工完料凈、作業(yè)區(qū)域海域清潔。

(9)禁止鉆探作業(yè)人員乘船或下海采集珊瑚、捕撈海洋生物。

9 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用大型養(yǎng)殖工船搭建鉆探平臺(tái)，創(chuàng)新性地采用重力導(dǎo)向裝置下放套管，克服了海洋鉆探過(guò)程存在的強(qiáng)風(fēng)浪、強(qiáng)洋流及海水深度影響。圓滿完成了本次勘察任務(wù)。為初步設(shè)計(jì)提供了詳實(shí)的巖土數(shù)據(jù)及地基基礎(chǔ)方案建議，積累了深海地區(qū)勘察的寶貴經(jīng)驗(yàn)。為山東省新舊動(dòng)能重點(diǎn)項(xiàng)目提供了技術(shù)服務(wù)，對(duì)類似項(xiàng)目有很好的借鑒作用。