日照黃海海域冷水團勘察工程施工工藝探究

張 輝

(山東省第八地質礦產勘查院，山東 日照 276800)

0 引言

近年來，隨著國家對海洋經濟開發的愈發重視，開發資金投入大幅增加，海洋地質勘探工作的需求不斷增多，對技術要求越來越高，施工難度逐漸加大，提升鉆探工藝技術水平、持續增強科技創新能力、實現綠色勘察施工成為了地質人需要思考的重要任務及使命。

1 工程概況

日照萬澤豐黃海冷水團魚類養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(見圖1中紅色區域)。在養殖海域建設養殖網箱，養殖網箱周長約180 m，直徑約60 m，主體高度約35 m。擬建場地水深約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，鉆孔編號為ZK1、ZK2和ZK3。鉆孔呈三角形分布，設計孔深50 m。

2 鉆探設備

2.1 鉆探平臺

2.1.1 鉆探施工船選取

施工區域位于深海區，且項目工作量少、鉆孔深度淺，經分析采用鉆探船作為鉆探平臺較為合理，考慮到租賃專業鉆探船成本太高，經與萬澤豐漁業有限公司溝通協調，決定對其公司的大型養殖工船(魯嵐漁養61699)進行技術改造后作為鉆探施工用船，該船基本參數見表1，實踐證明該船性能參數能夠滿足該項目施工要求[14-15]。

圖1項目交通位置圖
Fig.1Project traffic location

表1 大型養殖工船基本參數Table 1 Basic parameters of large farming boat

2.1.2 鉆探施工船改造[8]

養殖工船不具備鉆探功能，為此我院組織鉆探工藝、機械維修及工程勘察等方面的專業技術人員組成技術專家攻關小組，經過簡單的技術改造加工，搭建經濟、實用和安全的臨時海上鉆探平臺。

在船舶尾部上下甲板垂向對應位置采用切割方法，割開直徑780 mm的圓孔，用直徑760 mm無縫鋼管焊接后形成鉆具上下通道。

平臺搭建在船體上，平臺高出甲板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。

船艙內裝滿壓艙淡水，增加鉆進時船體的穩定性。

圖2為施工現場圖，經實際施工驗證，技改效果良好。

圖2 施工現場圖Fig.2 Construction site

2.2 鉆機及參數[1]

本次勘察受海域水深、洋流影響較大，孔徑較大(鉆孔開孔口徑130 mm、終孔口徑110 mm)，海底地層復雜，缺少已有鉆探資料等因素影響，鉆探選用XY-4型鉆機，主要用于揭露場區勘察深度范圍內的地層結構、分布規律，定性進行巖土層的劃分，并進行原位測試及取樣測試。鉆機主要技術參數見表2。

表2 XY-4型鉆機主要技術參數Table 2 Main technical parameters of XY-4 drill

3 鉆探船錨泊定位技術[4-5,13]

(1)鉆探船頭頂流逆水停泊，采用紅外測距儀，配合步話機定位，隨時跟蹤鉆船，確保迅速準確。

(2)船體正前后方拋主錨，左右兩側拋邊錨，邊錨每側為兩只，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定以及錨體的起、下作業安全與質量，專門租賃一小船輔助拋錨作業。

4 鉆探工作遇到的難題及措施

4.1 風浪影響

勘察海域季風8～10級，浪高8～10 m，極大地影響施工平臺的穩定。

采取措施：增大施工平臺的抗風浪能力。采用大型海水養殖工船一艘，船舶總長度86 m，型寬16 m，通過技術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，影響鉆探質量。

采取措施：結合工程的特征及現場工況，設計合理施工方案。采用重力導向裝置，首先將直徑40 cm，長度80 cm的圓鋼加工成紡錘形重錘，一端連接直徑25 mm鋼絲繩，用養殖工船拋錨機將重錘下入海底，待沉入淤泥層固定后，將上部鋼絲繩用卷揚拉直固定，將?146 mm套管，沿垂向固定的鋼絲繩逐節下放，為防止洋流及涌浪打斷套管，在套管連接處部采用3根短鋼筋進行現場焊接，確保套管接頭處的穩定性。

通過施工人員的嚴謹操作，順利完成了套管下放工作，套管下入海底約5 m，累計下放套管78 m，為本次施工任務順利完成奠定了堅實基礎。具體施工方法見圖3。

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

4.3 通訊不暢

施工海域沒有手機信號，施工現場與外界聯系不便。

采取措施：現場配備2部衛星電話，確保通訊暢通，及時交流溝通施工進度、洋流流向、天氣情況等。

5 鉆探施工工藝

5.1 鉆進工藝[6-7]

工程鉆遇地層大多為淤泥、淤泥質土、粉土、中砂、礫砂等，鉆探過程中鉆孔易坍塌，直接影響施工進度及質量。因此，鉆孔設計開孔直徑為130 mm，終孔直徑為110 mm，鉆孔結構示意圖見圖4；在淤泥、砂層等易坍塌孔段實行跟管鉆進技術，雙管鉆進工藝；當淤泥、砂層厚度較大，跟管鉆進受限制時，采取大密度沖洗液護壁鉆進，沖洗液密度控制在1.3 g/cm3左右；減少回次進尺長度，回次進尺≯2.0 m。

海上鉆進與陸地的主要不同在于受海浪波動的影響較大。為補償波動的影響，鉆進中松開液壓卡盤，靠鉆具自重加壓鉆進，避免出現壓彎或壓斷孔內鉆具的現象。

圖4 鉆孔結構示意圖Fig.4 Diagram of borehole structure

5.2 沖洗液技術

5.2.1 沖洗液循環

沖洗液循環系統的建立要由鉆遇地層特點、施工周期長短、沖洗液的環保程度等多種因素決定。由于本項目地層簡單、孔淺，采取小泵量無泵取心鉆進，沖洗液用量少，沒有必要建立沖洗液循環系統，也可以簡化鉆探船場地布置[12]。

5.2.2 沖洗液配方

為適應現場條件，采用低固相海水沖洗液，配方為：1 m3海水+30～40 kg鈉膨潤土+5 kg抗鹽共聚物，該沖洗液具有環保、較低的濾失量，泥皮質量好，良好的流變性能和抑制性能等特點，經鉆探驗證，效果非常好。

5.2.3 沖洗液維護與管理

充分利用現場條件，合理安放泥漿池。為保證沖洗液性能參數可控，現場配備密度計、漏斗粘度計、濾失量儀、含砂量儀和pH值試紙等沖洗液性能測試工具。每班至少測定一次沖洗液的常規性能，并填入班報表中，保持沖洗液性能穩定。更換沖洗液類型時，應事先試驗、優化配方，確定更換程序。施工中應根據沖洗液性能的變化和鉆遇地層及時調整、補充處理劑。現場沖洗液配制及循環系統應防雨、防污染。沖洗液材料及堵漏材料應分類、妥善保管。

6 鉆探主要成果

6.1 施工情況

海上勘察施工時間從2018年3月23日開始到2018年4月14日結束，歷時23 d，共計完成鉆孔3個，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%，巖心采取率滿足規范要求。本次勘察滿足了項目的設計需要，查明了該工程所在位置處土層分布和巖土物理、力學指標，為養殖工程設計提供了可靠的依據。

6.2 取得成果

6.2.1 原位測試

依據巖心特性，確定了巖土的分層界限。采用雙橋靜力觸探儀進行靜力觸探，取得了土的側阻力、錐頭阻力數據[3]。

6.2.2 取樣和室內土工試驗結果

淤泥和淤泥質土采用固定活塞薄壁取土器，連續靜壓法采?、蚣壴瓲顦?，粉土采用單動三重管回轉取土器，連續回轉法采取Ⅰ級不擾動樣；粉砂采用厚壁敞口取土器，重錘少擊法采?、蠹夛@著擾動樣。對不擾動樣品進行物理力學性能試驗，提供了地層物理力學指標；對顯著擾動樣品進行顆粒分析試驗，提供了砂土的各級顆粒組成百分比。取海水水樣分析，評價了海水對建筑材料的腐蝕性[2，10]。

取得的巖土物理力學指標包括：質量密度、天然含水量、土粒比重、液限、塑限、液性指數、塑性指數、內摩擦角、粘聚力、空隙壓力指數、無側限抗壓強度測試、壓縮系數、壓縮模量等。

依據鉆探情況、室內土工試驗結果及經驗估算各巖土層地基承載力及相關物理力學參數見表3。

7 安全保障措施

7.1 鉆探安全生產管理

(1)鉆探船安裝避雷針。

(2)各種機械設備的防護設施、安全裝置應齊全完好，外露的轉動部位應設置可靠的防護罩或防護套。

(3)發電機組、電動機、配電箱、電器開關等采取了防潮防護；配電箱或開關箱安裝漏電保護裝置。

(4)現場配備10個5 kg干粉滅火器材，在消防風險點高的部位合理安放。

(5)所有臨空臨海處安放防護設施，欄桿、護鏈、護網。

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

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

7.2 海上作業安全生產管理[11]

(1)海上作業人員應經過安全培訓，考試合格后，按照相關安全要求持證上崗。

(2)施工作業前，應向日照市海事部門報告并備案。

(3)鉆探船和輔助船應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 應急安全管理

(1)按照相關海域海事管理規定設置航行交通警示標志。

(2)建立以船長和機長為組長的安全應急指揮領導小組，全面負責組織實施安全預案。

(3)配置了必要的應急資源，準備和保存一份應急通訊表(包括日照市應急救援服務機構、日照市政府機構和聯系部門、我院和萬澤豐公司安全管理部門等)，按照規定的時間組織應急計劃演練。

(4)設立應急值班，保持與現場指揮聯絡暢通。現場24 h配有值班輔助船，以備緊急情況下撤離，陸上備有值班車輛。

(5)加強天氣預報資料收集，與日照市的水文、氣象部門保持密切聯系，每天至少4次接收天氣預報信息，掌握準確、及時的水文和氣象情況。當接受到大風預警或其他惡劣天氣狀況時，應立即啟動應急預案。

8 綠色勘察

(1)鉆探平臺應配備以下環保設施：沖洗液凈化循環系統，泥漿泵、柴油機冷卻水噴淋循環系統，廢油品回收專用罐，沖洗液等化學材料儲備房，容量足夠的污水池、廢漿池。

(2)發電機組、柴油機組、油罐、鉆具區等易污染的地方四周應有環形污水槽，并配備污油回收罐，污水槽外緣應高出平臺10 cm。

(3)鉆探平臺應進行清污分流，雨水排水系統及設施應根據當地歷年降雨量情況進行設計；雨水可直接外排，污水應流入鉆孔廢水池。

(4)在循環罐區、沖洗液材料庫區等搭設防雨篷的生產區，防雨篷的外緣應超過污水槽的外緣。

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

(6)不可使用劇毒或含有重金屬等國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、水剎車的冷卻水應循環使用，沖洗鉆臺等污水，經污水池沉淀后也應循環使用；污水不能回收利用的部分，存放在污水池中，必須外排時，外排水質排放標準應符合國家規定。

(8)鉆探平臺產生的生活垃圾應集中堆存，定期消毒，不可降解的，分揀、分置處理。鉆探竣工后，按日照市政府環保部門的要求處理，做到工完料凈、作業區域海域清潔。

(9)禁止鉆探作業人員乘船或下海采集珊瑚、捕撈海洋生物。

9 結語

通過采用大型養殖工船搭建鉆探平臺，創新性地采用重力導向裝置下放套管，克服了海洋鉆探過程存在的強風浪、強洋流及海水深度影響。圓滿完成了本次勘察任務。為初步設計提供了詳實的巖土數據及地基基礎方案建議，積累了深海地區勘察的寶貴經驗。為山東省新舊動能重點項目提供了技術服務，對類似項目有很好的借鑒作用。