淺海塔式海上勘探平臺穩定性技術開發研究

羅濤LUO Tao；孔秋平KONG Qiu-ping；羅承浩LUO Cheng-hao；郭瓊玲GUO Qiong-ling

（①龍巖學院資源工程學院，龍巖364012；②福建永強巖土股份有限公司，龍巖364000）

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，近年來在海上風電、跨海大橋、人工島、海洋戰略設施等領域都有很大的突破。隨著海上風電場建設不斷遠離海岸，以及水深的不斷增加，對擬建風機樁塔基礎的要求也越來越高。由于受風、浪、潮、涌等不確定因素影響，海上勘探工作的難度遠超陸域及江河水域，需要提供穩定的勘測平臺提高勘測效率，供使用者在勘測前進行中轉和準備性工作，并根據海域的使用需求進行一定程度的調節。

海上勘探平臺是近海工程勘察作業的基礎平臺，原位測試及深巖取樣都要在平臺上進行作業，平臺的穩定性直接影響著作業的質量。目前有船載平臺和塔架式平臺兩種常用于勘探作業。船載平臺受風浪的影響很大，在原位測試時很難保證作業工況。塔式平臺基礎底座著底海床上，相對船載式平臺有更好的穩定性，能有有效獲取原狀土樣和原位測試參數。但相對于船載平臺，塔式平臺的作業率低，轉場繁瑣，底座和海床的起伏有沖突，需要進行深入研究和創新設計。

1 國內外現狀

1.1 船載勘探平臺

利用工程船為基礎載體的勘探平臺按轉場動力方式有自主航行式和拖拽式。其中自航式的勘探平臺自身帶有動力和其他附屬設施，方便轉場并取消了輔助拖船和吊裝船等輔助裝備，轉場靈活操作方便，施工效率要高于拖拽平臺。拖拽平臺由于不具備動力和吊裝裝備，需要拖船和吊裝船進行輔助作業，雖然單體平臺費用低，但總體投資費用更高，需要利用租賃等方式進行成本優化，長期作業成本很難控制。

船載式平臺是目前我國近海工程勘察常用的平臺方式，由于自身裝備了吊裝及其他輔助裝備，具有操作方便、轉場迅速且成本低的優勢。但作為載體的船體穩定性很差，受風浪和氣候的影響較嚴重，在海上作業時很難保證自身穩定性，維持穩定的成本過高。波浪補償技術除了耗能大意外，難以保證平臺的絕對靜止，很難保證原狀土取樣的質量和原位測試的效果。

1.2 塔式勘探平臺

在近海勘探技術上，歐美有很長的歷史積累和技術儲備。①船載式定制化專用勘察平臺，如：德國“METEOR”、美國“JOIDES Resolution”、荷蘭Gusto MSC、西班牙“SUELO”等；[1]②海床貫入式平臺，依靠水下動力設備將原位測試探頭貫入至土層中，如：荷蘭范登堡公司的ROSON海床式靜力觸探系統；[2]③井下貫入式平臺，依靠海洋鉆機，以鉆孔的孔底為基準將原位測試探頭貫入至土層中，如：英國BGS 研制的“Rock Drill－2”、德國“Me Bo”，美國“Williamson ＆ Associates”等[4]。

國內在海洋勘察裝備研究與制造上用于工程方面的勘察技術研發投入較低，造成：

①和國外的專業技術設備相比，我們的設備產品單一，專業技術儲備少，缺少國際競爭力；[5]

②國內的塔架式勘探平臺多以導管架式、坐底式、自升式等結構為主，集中在資源勘察功能，尤其控制系統（軟件）與國外差距較大。

2 工程施工中存在的問題分析

目前海上勘探底座往往只是通過上下基座的可調性實現底座范圍內的固定，而海域不同位置的環境不同，隨著海浪、海風的沖擊，安裝在海底的勘探底座自調平臺在橫向上受到較大的阻力，使得長期用于海上的勘探平臺缺乏穩定性，如圖1。

圖1 目前海上勘探平臺施工現場圖

另外，目前海上勘探平臺在安裝的過程中，由于海底不平，安裝容易傾斜，需要進行多次的調試調整后才能對平臺進行水平的安裝，安裝時間長，過程繁瑣，并且平臺的安裝效果不佳，如圖2。

圖2 海上勘探平臺調平現場

3 勘探平臺創新設計研究

針對海上工程勘探技術發展趨勢，分析了國內外現有的勘探平臺優劣，開展了一系列勘探平臺技術研究與自主創新。本文詳細介紹用于海上勘察各類平臺創新設計成果及工程應用。

為了解決勘探平臺在橫向上受到較大的阻力，缺乏穩定性的技術問題，利用多重穩定機構進行配合，協調工作以滿足平臺穩定性，保證勘探工作的順利實施。

由定桿、配重塊、墊板、限制桿、擋桿等構建組成底座穩定機構，如圖3 所示。

圖3 底座穩定機構配件示意圖

定桿通過鉸鏈連接在安裝塊靠近頂部的四周外壁上，并固定連接在墊板頂部外壁的四角處，配重塊套接在限制桿和擋桿的外壁上，且定桿的另一端通過鉸鏈連接在配重塊的頂部外壁上。如圖4 所示，隨著電機驅動轉桿轉動，對四個墊板進行調節時，定桿支撐配重塊在墊板上下降，隨著配重塊下降，不僅降低了配重的中心，還帶動了配重塊底部的固定釘從墊板上通孔內穿出，深深插入海底，每一個墊板都增加了抓附力，起到了很好的穩固作用。

圖4 底座穩定機構配件連接示意圖

塔身穩定機構包括擾流板、滑桿、連接錐、反向鉤塊、引導塊和拖板，擾流板滑動連接在立架的外壁上，且擾流板的另一側與滑桿的一側外壁相連接，擾流板設置為弧面擋板結構，且弧面擋板結構設置為上窄下寬，而拖板等距離設置在擾流板用于正面風浪的一側外壁上，拖板的長度尺寸與擾流板的橫向尺寸一致，引導板設置在擾流板一側外壁的兩邊，連接錐通過鉸鏈連接在滑桿的底端，反向鉤塊等距離安裝在連接錐的一側外壁上。

隨著風浪從各個面的沖擊，給橫向設置的擾流板一個推力，這個推力在擋板板弧面凹陷的一側被引導塊和拖板影響，而整個擾流板設置為上窄下寬，隨著風浪的沖擊，橫向的力逐漸傾斜向下施壓，這壓力在立架豎直層面的限制下，逐漸擠壓滑桿向下嵌插，通過嵌插進入海底的連接錐，保證了裝置整體豎直向下插入的更加穩定。

圖5 塔身穩定機構

穩定性結構協調工作關系如圖6 所示。

圖6 勘探平臺穩定機構協調工作示意圖

4 工程應用

塔式海上勘探平臺研究及應用關鍵技術主要針對近海域作業環境。

4.1 在綜合測井工程上的應用

基于船載勘探平臺時，鉆探巖芯采取率很難滿足相關技術要求，利用我們研發的塔式平臺能很好的滿足工程需要，利用平臺的自穩優勢可以提高剪切波速及視電阻率的測試精度，從而有效提高劃分地層確定地層參數，并大大提高精度。

4.2 鉆探及取樣工程上的應用

在鉆孔采樣過程中，我們的平臺有很好的穩定性，能很好的保證巖樣、土樣的采集質量。近海鉆孔取樣，針對淤泥質、粉質類粘性土，在塔式勘探平臺上可以有效利用薄壁取土器，在探井的基礎上采用靜壓采非擾動土樣即Ⅰ級土樣。針對砂質粘土，我們可以采用厚壁取土器，在塔式勘探平臺上利用錘擊法采得擾動Ⅱ級土樣，對于擾動土Ⅲ、Ⅳ級土樣同樣有較好的效果和實驗取樣精度。相關操作中對比其他類平臺，我們的平臺有很好的施工穩定性和高效率優點。

4.3 原位測試中靜力觸探技術應用

海床式靜力觸探、交替式靜力觸探及平臺式靜力觸探是目前常采用的靜力觸探模式，采用我們的平臺能很好的滿足施工需要。

利用自穩性塔式勘探平臺平臺操作方便效率高的優勢，綜合鉆探和靜力觸探的有點，通過兩種方式交替進行作業的方法避免海床式單獨靜力觸探的局限性，能起到很好的效果。

利用自穩性塔式海上勘探平臺所提供的反力將探頭垂直地壓入土中進行觸探試驗的平臺式靜力觸探，相對前兩種觸探測試系統有設備簡單、操作方便，關聯設備少，穩定性好的諸多優點，充分體現自穩塔式平臺的優越性。

4.4 圓錐動力觸探試驗和標準貫入試驗應用

在福建沿海的重型圓錐動力觸探和標準貫入試驗試驗工程勘探中，一般利用船式平臺進行操作，受風浪影響探桿傾斜和側向晃動難以避免，錘擊數普遍偏大。在塔式勘探平臺上進行重型圓錐動力觸探試驗和標準貫入試驗時，有效避免了這些問題，進一步提高了試驗精度和可靠度。

4.5 十字板剪切試驗應用

由于十字板剪切試要求剪切板壓入試驗所需深度后靜止一段時間，這對海上塔式勘探平臺提出更高要求，一般會很少使用。通過在我們的塔式平臺上測試，相關實驗數據有閉環驗證的穩定性支撐，能夠滿足工程勘探的需要，拓寬了試驗方式。

4.6 旁壓試驗應用

自鉆式旁壓試驗對勘探平臺的穩定性要求較高，通過工程驗證，我們的塔式平臺能夠很好的滿足工程施工需求。通過我們在福建等風浪較大的工程現場使用充分驗證了相關技術的有效性和穩定性，能有效提高勘探效率和質量。工期節省10%左右，轉場操作更加節省人力物力，具有很好的市場適用性。

5 結語

基于高穩定性的勘探平臺技術的研發，為解決海上勘探成本高、質量低等難題提供了有益參考，并將海況影響勘察的因素大為降低，提升了我國海洋工程勘察走向世界的能力。針對潮間帶—淺海水域勘察，也為今后我國建設工程跨向遠海、深海技術開發提供了有益參考。