海底巖石靜態處理技術研究

李 明 李 碩 崔志云 邵 斌 劉憑正 韓 影

中國石油管道局工程有限公司 天津 300272

隨著國家海洋開發戰略的不斷擴大，海洋工程逐漸增多，尤其是海洋管道工程建設不斷增加。然而，海洋管道下海點常常屬于山體的延伸，因此管線下海一定范圍內伴有大量的基巖。管道鋪設之前，必須對其進行處理，形成管溝，以便進行管道埋設、保護。但是，隨著國家對海洋環境保護的日趨嚴格，再加上部分海域近海點處存在大量的海洋生物養殖，要求基巖處理時必須做好保護措施，不能影響海洋生物的生長。傳統的水下炸藥爆破工藝因為會造成環境污染，影響周圍海洋生物的養殖，已不再適用。而靜態巖石處理就是針對類似工程的專用工藝。

可門海管項目就是典型的海底管道近岸端巖石靜態處理項目。海底管道登陸點位置山體陡峭，水下基巖眾多，屬于較破碎堅硬巖，巖體基本質量等級為Ⅲ級，其單軸飽和抗壓強度（Rc）推薦為67.3±20MPa。該區域鮑魚等海洋生物養殖眾多，且附近有野生黃花魚保護區。炸藥爆破必將造成大量的環境污染，嚴重影響鮑魚等海洋生物的生長。這就要求必須使用靜態破除的方式進行水下基巖處理，以減少對海洋環境的影響。

1 靜態破除

靜態破除也稱物理破除，是采用抓斗挖泥船配備鑿巖棒構成鑿巖系統進行施工的工藝。其硬件設備包括抓斗挖泥船、鑿巖棒和平板船等；軟件包括DGPS 定位系統軟件、Hypack 測量軟件和疏浚工程電子顯示系統等。

2 施工工藝

靜態破除工藝主要由抓斗挖泥船、鑿巖棒、鉆孔船、平板船、拋錨艇，以及DGPS 定位系統和電子顯示計算機系統構成。

2.1 平面控制點檢驗

將DGPS 天線放到各個控制點進行數據采集，把采集到的數據用XYPLOT 軟件進行處理；然后將處理得到的平面坐標與控制點已知坐標進行比較，來驗證平面控制點，以保證其誤差符合《水運工程測量規范》要求。

2.2 施工區平面控制點的布設

按照施工要求，對待施工區域進行劃分。各施工區選用最佳的定位控制點控制整個施工區。施工船定位采用GPS 定位系統，接收離工程施工區最近的差分站發射的固定頻率數據鏈，以此作為定位的基準數據，精度為±1～3m。

施工測量定位系統工作流程如圖1 所示。

圖1 施工測量定位系統工作流程

3 施工方法

施工前，責任方主體必須進行各種手續辦理，然后再開展相關工作。

3.1 船體定位

考慮到工程本身水域受限，且施工過程干擾較大，周邊有海洋生物養殖及水下礁盤等影響船舶拋錨。因此，需要在岸上設置地錨，船舶采用一字錨，以減少水域使用面積。

3.2 鉆孔船及抓斗挖泥船選擇

水下巖石靜態處理需要采用鉆孔船進行鉆孔（鉆孔船鉆機為移動式高風壓鉆機，鉆孔效率高），鉆孔船上配4 臺鉆機，以加快鉆孔速度。孔距與排距按40cm×40cm控制，鉆機鉆頭為129mm，超深1.5m，超寬2m。抓斗挖泥船配有30t 以上的重斗，斗容至少8m3。

3.3 鑿巖棒選擇

鑿巖棒選擇主要根據水下巖石形態、巖層的厚度和船舶設備的起重能力，并兼顧施工成本等因素。一般情況下，巖塊硬度較大，巖層較厚時應采用重量較大的鑿巖棒進行施工；巖層厚度較薄、巖石強度不大，并且只需鑿一次就可以達到設計深度時，可選用重量較小的鑿巖棒施工。

鑿巖棒前端為斧頭形狀，因此對較大面積的巖盤有較好的效果。這種鑿巖棒一般頭部兩側呈楔形，并以弧形流線向鑿巖棒中上部過渡，最后轉變為直立式。這種形狀有利于鑿巖棒的能量只向兩個方向傳遞，增加對巖土的破壞作用，并且在鑿巖棒嵌入巖土過深時可減少棒身側向的摩擦阻力，使鑿巖棒更易提起來。詳見圖2。

2.4.5 血清樣本中游離脂肪酸含量測定 取大鼠血清樣本50 μL，按“2.4.2”項下方法預處理，并按“2.4.3”項下色譜與質譜條件進樣測定，再按標準曲線法計算其中游離脂肪酸含量。

4 工程施工

工程施工中，使用鉆孔船進行鉆孔。鉆孔船上配4臺液壓潛孔鉆機，鉆機鉆頭直徑為129mm，鉆孔船上配有GPS 導航定位系統。

圖2 斧頭型鑿巖棒

鉆孔船進場后先在合適的位置拋下尾錨，尾錨選擇的位置應當不影響后續抓斗船的拋錨、鑿巖和清礁等工作，盡可能降低交叉干擾，盡可能在不移動尾錨的前提下將施工區域的鉆孔全部完成。由于近岸作業，鉆孔船的前錨綁在事先在岸上預埋好的地錨上，形成前后一字錨，保證施工安全及效率。

鉆孔船鉆孔進行到一定階段時，抓斗船進場。抓斗船安裝35t 斧型鑿巖棒，錘面焊齒，開始從海側向岸按照一定的施工順序進行錘擊破碎已鉆孔區域。

鉆孔鑿巖過程中，一定要注意布點的間距。布點間距要綜合考慮鑿巖棒的大小、形狀，以及巖盤的層厚及硬度。一般情況下，鑿巖棒的布點距離控制在斧頭型鑿巖棒厚度的1.5～2 倍左右。同時，要注意以下問題：

（1）詳細了解分析巖層分布、潮流方向和大小，以及風向、風力等因素，再確定施工操作方法。

（2）備主機以及相關機電設備，確認操作氣壓表的空氣壓力；暖機運轉時要確認發動機、液力變矩器、減速機和各鼓筒無異常響聲和振動，發動機的排氣顏色有無異常，燃油、潤滑油、油壓工作油、冷卻水和操作氣體等有無泄漏現象。

（3）查驗GPS 定位電子顯示系統上的方位數據及施工區數據；檢查操作臺上所有指示燈是否正常（報警指示燈全部熄滅），以及控制開關所處位置狀態是否符合碎巖操作；檢查各操作儀表指示值是否在正常范圍。

（5）根據計算機屏幕的施工畫面，將鑿巖棒吊至開鑿點位置（根據水流急緩程度和方向等因素進行位置的微調）；扳動手柄，松脫離合器，鑿巖棒自由落下。

（6）注視儀表顯示的落下深度，在撞擊底巖前的適當距離及時制動（制動時間、距離與提棒高度有關，高度越高，則制動越早）。

（7）觀察鑿巖棒撞擊底巖后吊纜的松出狀態，以便根據情況對制動的深度值進行調整，避免出現鋼絲過度松出或者過度繃緊的現象；手柄扳至離合器合上位置，起吊鑿巖棒，一般（必須）將鑿巖棒吊起露出水面，以便觀察棒體和連接鋼絲的狀況。

（8）根據GPS 導航畫面和儀表指示，旋轉（起伏）吊臂至下一個鑿巖布點。

（9）與集控室保持聯系，根據施工位置的變化情況進行船位移動。

5 鑿巖沖擊能計算

假設沖擊錘錘巖時，從巖層上20m 處自由落下撞擊巖石，其動能通過公式（1）進行計算。

式中：E——沖擊錘自由落體撞擊巖石的動能；

m——物體的重量；

g——重力加速度；

h——沖擊錘的落高。

根據項目擬選用的各設備重量和高度等信息，計算確定E 為784 萬J。

1m3空氣的壓力為0.1MPa，其能量為10 萬J。因此，784 萬J 能量可以產生7.84MPa 的壓力，即沖擊錘從20m 落下撞擊巖石產生的壓力為7.84MPa。

1kg 的TNT 炸藥爆破產生的能量為419 萬J。40t型重鑿巖棒從20m 處落下撞擊巖石產生的能量為784萬J，相當于1.87kg 的TNT 炸藥爆破產生的能量。

圖3 鑿巖棒自由落體示意圖

圖4 抓斗船采用鑿巖棒水下作業圖

6 總結

隨著海洋工程的不斷增多，海洋環境保護的要求日趨嚴格，靜態巖石處理必將成為未來海洋巖石處理的主要施工方式。該工藝的應用，將為后續更多環保要求高的區域水下巖石處理提供參考。