巖土工程水陸兩棲勘察平臺設計

胡建平 李孝杰

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

0 引言

在港口、橋梁、風電、海防等海岸工程建設中，工程勘察必定涉及灘涂或潮間帶區域。潮間帶——指最高潮位和最低潮位間的海岸，具有漲潮時淹沒退潮時露出的特點，通常土質疏松、承載力低，以粉細砂、粉質黏土居多。巖土工程勘察主要涉及勘探取樣及巖土測試［1］，其中，巖土測試包括十字板剪切試驗、圓錐動力觸探試驗、標準貫入試驗、靜力觸探試驗、旁壓試驗、扁鏟側脹試驗及波速測試等項目，現有的灘涂或潮間帶勘察通常采用［2-3］：①船載式勘察平臺利用漲潮進入灘區擱淺作業，下一次漲潮船退出，勘察作業受制于漲退潮時間以及船的吃水深度影響；②搭建固定作業平臺，則存在反復建、拆、遷的過程，耗時、耗力、效率低，并影響灘涂或潮間帶區域生態環境；③需采用水陸二套設備及人員完成勘探或巖土測試項目，以致成本居高不下；④低潮位兩棲交界處或泥質灘涂區存在著路不能修、車不能到、船不能進的勘察盲區，給勘探取樣及巖土測試造成困難。

我國技術人員進行了不斷嘗試，如：“一種潮間帶雙棲鉆探平臺裝置”［4］，該發明裝置由掛槳機、動力控制系統、鉆機等組成，通過平臺底部水陸兩棲行走裝置，解決了潮間帶地段勘探及自身轉場的難題，提高了作業效率，但受限于水域或潮間帶涉水狀態，難以實施基于固定平臺的巖土測試項目［5］。又“浮箱式水上勘探作業平臺”［6］，該發明有浮箱、托架、定位樁等組成，作業平臺上設有勘探鉆機、定位樁等，平臺移位及定位較為方便，可以解決水陸兩棲勘探取樣。但在水域狀態下：平臺無自航能力，轉場需輔助設備支持；且受海上風、浪、潮、涌影響，平臺上測試裝備隨之上下浮動，難以保證巖土測試數據的準確性。

隨著近海沿岸水工建筑、跨海橋隧、深水碼頭、海上風電、海防工程等質量要求不斷提升，巖土工程基礎設計離不開海域、灘涂、陸域一片完整區域的地質勘察資料。因此，業內迫切需要一種轉場靈活、安全性高、成本低的水陸兩棲勘察作業平臺，作業人員操縱平臺上不同用途的勘察裝備，不但能完成勘探取樣，而且能夠實施靜力觸探等一攬子巖土測試項目，滿足水運工程基礎設計發展的需要。

1 海岸灘涂特點

灘涂通常指江灘、河灘、湖灘、海灘、潮灘及其灘涂沼澤區域，其中海岸灘涂是灘涂的一種主要類型。海灘、潮灘是海岸灘涂的主要組成部分，海灘指砂質海岸潮間帶；潮灘指淤泥質海岸潮間帶，是高潮位與低潮位之間的灘地。海岸灘涂通常指處于淺海與內陸之間的過渡帶，具有漲潮時淹沒、落潮時露出的特征。隨著我國綜合國力的增強及沿海城市經濟的快速發展，這些區域的勘察技術越來越受到整個水運行業的關注。

1.1 灘涂主要分布

我國擁有約1045萬km2的國土面積，海岸線北起鴨綠江，南至北侖河口，約長18000 km，灘涂面積約13000 km2，擁有大小島嶼5000多個，島岸線長14000多km［7］。目前，我國四大海區海岸灘涂分布如下：

1）渤海區

0～—10 m的灘涂面積近800萬畝，絕大部分為現代沉積物覆蓋，其中，中央盆地區為細粉砂，而周圍遼東灣、萊州灣和渤海灣主要分布為粉砂質軟土。

2）黃海區

0～—20 m灘涂面積約800萬畝，表層主要以細砂及粉砂為主，部分為淤泥或粉砂質淤泥。

3）東海區

0～—10 m灘涂面積約700萬畝，其中北部長江下游三角洲沉積區，沉積物為細砂、粉細砂、泥粉砂、粉砂泥質等；閩浙近海沉積主要是黏土質淤泥及粉砂質淤泥。

4）南海區

0～—10 m沿海灘涂面積為約600萬畝，表層為砂礫、珊瑚礁、細粉砂、軟泥等。

我國四大海區0～—10 m，擁有約12700 km2范圍面積淺海灘涂，在這一特殊區域的工程勘察，已成為行業公認難點，而現有的勘察平臺已無法適應現代巖土工程基礎設計的需求。

1.2 灘涂類型

1）泥灘

又稱潮灘，特指淤泥質海岸潮間帶灘涂，占我國灘涂總面積的80%以上［8］。泥灘岸線大約4000 km，其中：平原型灘涂分布在遼東灣、渤海灣、黃海岸線、杭州灣等江河入海沿岸；港灣型灘涂分布在浙、閩、粵沿岸的一些港灣內。泥灘一般有黏性，灘面軟，承載力小，灘面寬度大（5～10 km）。其組成物質顆粒徑細，包括粉砂質和淤泥質兩類。

2）沙灘

又稱海灘，是砂質海岸的潮間帶淺灘，與巖灘同時出現，同屬基巖海岸。在我國主要分布于遼寧老鷹嶼—城山頭、龍頭—飲馬河口，山東虎頭崖—雙島灣，兩域河口—江蘇辛莊河口，錢塘江南岸的鎮海，福建梅花角—江田，臺灣西海岸，廣東海豐—惠來、吳川—電白，海南東、西岸，廣西北海等岸段。由于沙灘物質多來源于沿岸流與海域來砂，面積一般較小，出露面較窄。

3）巖灘

又稱巖礁灘，多位于基巖海岸的迎風向浪場所，是基巖海岸受強烈海水動力作用侵蝕不斷后退形成。全國巖灘岸線總長約5000 km，占全國海岸線總長的1/3以上，主要分布于遼東半島南端、山海關—葫蘆島、膠東半島、連云港及杭州灣以南沿海，以及臺灣東部沿海。巖灘灘面較陡，在基巖底質上覆蓋薄層細砂或基巖礫石、碎塊。因巖性、地貌等因素差異，各地巖灘寬窄不一，從幾十米至幾千米不等。

2 總體設計及結構

為了解決上述技術問題，采用以下技術方案：設計一種適應于海岸灘涂為主的巖土工程水陸兩棲勘察平臺，平臺具有灘涂行走、斜坡調平、海域自航、海上升降等功能。作業人員操作平臺上不同用途的勘察設備，如采用鉆機用于勘探取樣，又如采用靜探儀進行靜力觸探試驗等，完成海岸灘涂、砂質海岸、泥質海岸及潮間帶兩棲區域各類勘察項目，滿足水運工程基礎設計的要求。

2.1 主要部件結構設計

設計的巖土工程兩棲勘察綜合作業平臺（簡稱平臺），主要模塊包括：作業平臺，用于固定勘察項目所需的鉆機或巖土測試設備；升降模塊，針對海域勘察作業時可將整個平臺提升出海面，形成一個“靜態”固定平臺，使陸域開展的各類勘察作業延伸至海域；行走模塊，設計的動力裝置驅動履帶式勘察平臺陸域行駛，使現有的勘察從一般平原延伸至崎嶇、斜坡、灘涂及軟弱土層帶區域；推進模塊，設計將馬達動力轉換成推力，推動整個平臺自航，解決了海上終孔后轉場，無需輔助船舶拖航；調平模塊，用于解決作業平臺處于斜坡或崎嶇處，設計的液壓支腿可調，克服了作業平臺上勘察設備傾斜造成鉆孔偏離的難題?？刂婆_，設計有方向盤、輪舵、操縱桿及一組按鈕，方向盤和輪舵分別控制平臺兩棲行駛/航行方向；操縱桿用于海上作業時，控制平臺樁腿升降；按鈕用于控制液壓支腿升降，確?；谧鳂I平臺的勘察設備處于垂直狀態。平臺總體設計如圖1所示。

圖1 平臺設計總體結構圖

2.1.1 作業平臺

作業平臺由桁架式框架和鋪設在上面的甲板構成，框架內裝滿排列整齊的浮箱（筒），為平臺水上航行或錨泊提供所需浮力；浮箱（筒）為中空矩形體、柱體、長方體等形態，平臺四角各安裝一個錨樁，用于平臺錨泊定位。作業平臺上設有控制臺，控制整個平臺兩棲行駛、升降、調平等操作。

作業平臺四周用護欄圍起，為勘察人員提供一個兩棲勘察作業安全區；作業平臺上設有月池，勘探設備將鉆桿或套管沿月池鉆或放入土中，開展勘探取樣或巖土測試項目。如圖2所示。

2.1.2 升降模塊

圖2 作業平臺結構圖

升降模塊由液壓升降、樁腿、樁靴等組成，升降裝置設置在作業平臺和樁腿的交接處，通過加勁板連接板與作業平臺形成一體，起到把平臺固定于樁腿某一位置的作用，使樁腿和平臺做上下相對運動。平臺上升：插銷從圈梁插入樁腿銷孔中，液壓驅動活塞桿下降一個節距，樁腿帶著平臺隨之上升一個節距，然后將插銷從圈梁中拔出，活塞桿與圈梁一起上升，再將插銷插到樁腿的圈梁中，循環這一過程，直至整個平臺離開水面。同樣，平臺下降至水面，進行下一步自航轉場，操作過程與平臺上升操作類似。樁腿不但要支承平臺的自身質量和可變載荷，還要接受各種環境載荷的考驗［7］，如波、浪、潮、涌對作業的影響。

2.1.3 行走模塊

灘涂行走主要涉及潮間帶、沼澤、離岸沙洲等有水無水交替露出的軟弱土層上，用于灘涂上運輸兩棲勘察平臺及作業人員，依托平臺上勘探設備，實施勘探取樣或巖土測試。針對以上應用工況要求，滿足額定載重的情況下，整個平臺質量盡可能小，以減小土體擾動，并要求具有一定的爬坡能力，轉場靈活，通行性強。

按照上述要求，設計的行走模塊由發動機、履帶、驅動輪、導向輪、支重輪及車架組成，發動機控制泵控馬達將力傳遞給驅動輪，帶動履帶轉動，從而使平臺在灘涂區行駛。根據平臺幾何尺寸及推進模塊基本構成，采用履式底盤行走方式，框架組合，在滿足載荷的要求下，降低整個平臺的自重。

2.1.4 推進模塊

一種水陸兩棲勘察作業平臺所設計的推進模塊，由馬達、漿轂、葉片、舵葉組成，馬達產生的動力轉換成推力，推動整個平臺系統水上航行，實施一個鉆孔完成后下一個鉆孔的自航轉場。勘察作業人員通過控制臺上方向舵控制航向，通過按鈕調速開關，以全回轉方式控制平臺航速與航向。推進模塊固定在車架上，車架上設有4根液壓支腿，鉆孔定位后，啟動控制臺上按鈕，分別控制液壓支腿的升降，使作業平臺在鉆孔定位處保持水平狀態，確保鉆孔垂直。如圖3所示。

圖3 推進模塊結構示意圖

2.1.5 調平模塊

調平模塊主要有4根液壓支腿，支腿由液壓缸與活塞桿構成，固定在車架四周，作業人員操作控制臺上按鈕，分別控制支腿上活塞桿升降，使處于斜坡或崎嶇處作業平臺能夠保持水平狀態。

本發明各模塊獨立設計，按需組裝，便于運輸。所發明的兩棲勘察平臺克服了潮汐漲落間歇性淹沒對灘涂勘察造成的影響，無需筑路、圍堤或建造固定平臺，有效保護灘涂或潮間帶生態環境。

2.2 安裝及運輸

本發明平臺采用模塊組裝化設計，可獨立分解成：履帶集成模塊、車架模塊、作業平臺模塊及液壓升降裝置，分別采用螺栓、螺桿、螺母旋緊連接，并在相應位置安裝鉆機、鉆架及巖土測試裝備后形成整個平臺系統，維護及更換快捷便利，利于長途運輸。如圖4所示。

圖4 平臺整體裝配示意圖

平臺整體運輸如圖5所示。首先，將樁腿與樁靴分離，并將樁腿從液壓升降裝置中取出，固定放置在作業平臺上。同樣，可將護欄、錨樁取下，橫放在作業平臺上，并將勘察設備安置固定在作業平臺上。作業人員啟動控制臺上按鈕與方向盤，沿斜面將平臺駛入車、船或集裝箱等載體上，整體固定后，實施長途運輸。由于出發前預先裝載各模塊于平臺上，實現了快速整體遷移，克服了灘涂上固定勘察平臺裝、拆、遷的難題，大幅縮短了勘察工期。

圖5 平臺運輸圖

3 平臺操作實例

3.1 作業流程

1）裝/卸：將行走模塊、推進裝置、作業平臺連接固定，并將勘察設備，如勘探取樣（鉆機，鉆具）、靜力觸探（貫入裝置、觸探儀）等，按需安裝固定在作業平臺上。

2）運輸：采用平臺整體吊裝或作業人員操作控制臺上方向盤，行駛到載體上（如車、船等），運輸到達目的地附近，駛下載體，在作業平臺四周安裝升降模塊、護欄、錨樁及鉆架等所需設備。

3）陸域勘察：作業人員操縱控制臺上方向盤，將平臺行駛到鉆孔位置，進行平臺調平處理，然后開始勘探取樣或巖土測試項目。

4）水域勘察：作業人員將平臺從陸域/灘涂駛入水中，然后操縱控制臺上輪舵，將平臺航行到預定位置，準備開始作業。

5）錨泊定位：勘探，鉆孔準確定位后，錨泊固定平臺，開始循環執行鉆進、取樣這一過程，直至鉆到孔深預定位置止。

6）平臺升降：巖土測試，首先作業人員操作控制臺上操縱桿，將樁腿逐節下降，樁靴插入海床，持續壓樁直至平臺遠離水面。然后開始巖土測試，如靜力觸探試驗，則以靜壓力將探頭按一定速率壓入土中，采集其貫入阻力值（如錐頭阻力、側壁摩阻力等），可連續壓入或清孔與壓入交叉進行，直至將探頭壓到預定位置止，然后降平臺，為下一個孔做準備。

7）轉場：單個勘察孔結束，起錨；單個巖土測試孔完成，則進行樁腿上拔，整個過程與壓入類似，持續拔樁、卸樁，直至平臺浮在水面上，平臺自航至下一個位置，繼續執行5）或6）步驟，直至整個區域勘察作業完成。

8）勘察結束：水域，作業人員操縱控制臺上輪舵，將平臺駛回陸上；陸域，將平臺行駛到指定區域，執行1）或2）步驟，將平臺返回出發地，本工程勘察結束，整個作業流程如圖6所示。

圖6 勘察作業流程

本發明平臺具有灘涂行走、水域自航、水陸兩棲勘察作業。當平臺依靠履帶駛入水中后，具有二種方式：錨泊定位，勘探取樣；平臺升降，則可實施各類巖土測試項目。

3.2 工程實例

3.2.1 海上勘察

首先，平臺自航至鉆孔定位處，作業人員操縱控制臺，將平臺上升離開海面，開始作業，如本項目為靜力觸探試驗，則靜力觸探儀將鉆桿及探頭放入孔內，將圓錐形探頭按一定速率勻速壓入土中，實時采集貫入阻力，并按其所受阻力的大小劃分土層，確定土的工程性質。單孔完成后，下降平臺，拔樁，開始轉場，實施下一個靜力觸探孔試驗，如此循環直至整片海域靜力觸探孔試驗完成。（見圖7）

圖7 海上巖土測試實例

3.2.2 陸上勘察

首先，駕駛平臺進入鉆孔預定位置，若預定位置處于斜坡或地面不平處，則可操作控制臺上按鈕分別調準4根液壓支腿高度，使作業平臺上勘察設備鉆進垂直。至于勘探取樣或巖土測試的整個過程，與海上勘察（見圖7）操作類似，單孔完成后，將平臺轉場到下一個鉆孔位置，反復這一過程，直至陸域勘察作業完成。（見圖8）

圖8 陸上勘察實例

（）（）

4 結論

我國海岸線長，灘涂面積廣，水陸兩棲勘察平臺的研發，可有效解決這一區域巖土工程勘探取樣和各類巖土測試；本發明也可滿足于江、河、湖、塘、水域及砂質海岸、泥質海岸、河口潮間帶區域勘察，用途廣泛。

1）行走模塊，將陸域勘察從平原擴展至近海灘涂及軟弱土層帶區域。

2）調平模塊，解決了斜坡或崎嶇處勘察造成鉆孔傾斜的難題。

3）推進模塊，平臺具有自航能力，無需輔助船舶拖航，提升作業效率，降低勘察成本。

4）升降模塊，形成一個海上固定勘察平臺，使現有的巖土測試依托本發明而延伸至海域。

5）平臺模塊獨立設計，按需組裝，便于運輸，克服了灘涂區勘察筑路、圍堤、建造平臺的難題，最有效地保護海岸生態環境。

上述針對海岸灘涂勘察開發的一種兩棲平臺，為今后我國水運勘察裝備一體化研究提供了有益參考。

收稿日期：2018-08-24