海洋工程岩土工程勘察施工及其影响因素

刘志刚

(青岛市勘察测绘研究院，山东青岛 266032)

海洋工程岩土工程勘察施工及其影响因素

刘志刚∗

(青岛市勘察测绘研究院，山东青岛 266032)

随着经济的发展，我国近年来在造船、石油化工、码头等海洋工程方面发展迅速，与之相关的岩土工程勘察工作就显得尤为重要。本文对海洋工程岩土工程勘察的前期准备及施工过程进行了详细的阐述，并列举了影响海上正常钻探施工的因素及海洋钻探时的突发情况，结合自己的工作经验对钻探时遇到的突发情况提出了处理对策。

海洋工程；岩土工程勘察；海上定位；脱锚

1 引 言

海洋工程是指以开发、利用、保护海洋资源为目的，并且工程主体位于海岸线向海一侧的新建、改建、扩建工程，具体包括:港湾工程(港口、船厂等)；以海底石油为中心的海洋矿产资源开发工程(海洋石油钻探平台、海底输油管线等)；海底电缆工程；海底隧道工程等。根据海洋工程相应规范中有关规定，海洋工程建设在设计和施工之前，必须按基本建设程序进行岩土工程勘察工作。海洋岩土工程勘察是指利用水上钻探、取样、原位测试、工程物探、工程测绘等综合手段查明水下沉积物的成分、结构、物理力学性质及水下地形等，为拟建场地的选择和拟建筑物的结构设计提供可靠的地质资料，以确保海洋工程的安全。

2 海洋工程岩土工程勘察施工

2.1 施工前期准备工作

(1)明确勘察阶段，勘察目的和任务；明确拟建工程的基本信息，包括工程规模、基础底面设计标高、码头前沿设计水深等。

(2)需要有附带施工海域水深图的拟建工区平面图，并要知道工区内3个或3个以上基准点的具体位置，并且其实际位置需和平面图中的位置相对应。基准点的作用是用来静态比对差分GPS，获取GPS定位系统中坐标系和工区平面图中坐标系的关系及换算参数。

(3)选择一个靠近海面已知高程的基准点作为验潮点(需保证高潮或低潮时都有水)，其作用是在开钻前、施工中、施工完毕时，采用钢卷尺在验潮点同步测量即时潮高(船上的技术人员在测量即时水深的同时，打电话或通过对讲机通知岸上验潮人员测量及时潮高)。海域钻孔通过验潮点高程、即时潮高值、即时水深值的处理，可确定钻孔海底孔口高程值。

图1 钻孔海底孔口高程计算参数示意图

2.2 需要准备的仪器

(1)定位用的定位仪，即差分GPS，精度要求为亚米级(定位精度≤1.0 m，在施工之前需要做静态稳定性检验，检验其是否稳定)，其作用是进行钻孔单点导航定位与偏移监控，导航定位方式采用差分GPS系统目标点导航，施工船抛锚固定后定位的方式，钻探就位偏差控制在允许偏差范围内。

(2)测水深用的测深仪，海域施工水深测量的目的是对钻探孔深进行水深校正，确保孔深值准确，并提供钻孔海底孔口标高计算数据。水深测量要求在工作船就位之后测量一次(初始水深)，每次提钻时同步进行水深测量(即时水深)。

2.3 施工组织

(1)需要有专业的海上钻探施工队伍。

(2)钻探设备:GXY型工程钻机，需配置单独的且动力大的泥浆泵。

(3)钻具要求:在海洋钻探过程中，为保护海面以下的钻具，在钻探时须下套管。为应对涨潮和落潮时套管的升降问题，有条件的施工队伍还需要配备海洋钻探专用滑管。

(4)船只的租用

钻探船所必备的条件是:要有足够大的作业面积、要有绞锚设备、安全、不漏水、有动力。

钻探船必须准备的东西:4口或4口以上50 kg～100 kg的铁锚，每口锚需要配备不少于150 m的锚缆(锚缆长度可根据工区水深控制，一般长度不低于水深的10倍)。

常用的钻探船包括铁制专用钻探施工船(单体、双体)和捆绑式渔船，每条施工船均需配备一条小船作为抛锚运输补给船。

(5)海上钻探安全措施

施工船作业平台四周需设置防护网，船上需配备灭火器、救生圈；施工及现场技术人员要穿救生衣，戴安全帽；船只上配备雾灯、航行信号灯等。

2.4 了解当地气象及水文情况

(1)了解当地经常刮的风向(一般工区的哪一个方向没有岸或者山阻挡着，从这一方向吹来的风对海上定位及钻探施工影响也最大)。

(2)了解当地水流方向及潮水涨落的规律，水流和潮水涨落的关系。

(3)了解工区内是否有渔网、养殖区、暗礁、浅滩、海上漂浮物、海底管线等内容。

3 施工过程

3.1 抛锚定位

在抛锚的过程中要同时考虑实时风向、流向和海水涨落潮的规律(主要考虑流向和风向)。定位时，使GPS天线位于钻机井口正上方，实时导航指挥施工船，根据流向和风向下锚。具体过程如下:在顶流并远离孔位60 m～80 m左右，下船艏前大锚，调整船头，使船头位于顶流的方向(如图2，同时考虑风向)，待船自由漂流至距孔位20 m左右时，收紧前缆，通过抛锚船下船艏的另外一口锚，然后下船尾的另外两口锚，尽量使4口锚的位置呈交叉垂直状(如图2)，然后通过绞缆设备收紧锚缆，调整船位至设计孔位，将船固定。核定实际就位坐标与设计孔位坐标误差在允许范围内，且船无漂移后，记录坐标值，而后开始钻探工作。

图2 施工船定位过程及锚缆相对位置示意图

3.2 海上钻探施工

采用套管隔水，冲击钻进与回转钻进(结合套管跟进与泥浆护壁)相结合的方式，确保地层结实连续。

3.3 海上钻探取样

淤泥质土、软粘性土和部分粉土原状样采用薄壁取土器匀速连续压入法采取；硬粘性土Ⅱ级原状样采用厚壁取土器以重锤少击法采取，硬粘性土Ⅲ级样及砂性土扰动样在钻进岩心管中采取，样品数量满足进行室内测试要求。取得土样之后及时密封，密封后每个土样均填贴标签(标签内容包括:工程名称及编号、钻孔编号、土样编号、取样深度、土类名称、取样日期、取样人姓名，用蓝色圆珠笔填写)，标签上下与土样上下一致，并牢固的粘贴于容器外壁。密封后将取得的土样置于温度及湿度变化小的环境中。待完成一部分钻孔后，将所取土样及时送回土工试验室进行试验。

3.4 原位测试

包括标准贯入试验(针对砂类土、粘性土、粉土等)、圆锥动力触探试验(针对碎石层和卵石层)、静力触探试验(针对软弱土)、原位十字板剪切试验(针对淤泥质软弱土，当现场条件不允许时，可采用室内十字板剪切试验代替)。

3.5 地质记录与施工班报记录

钻孔地质记录工作随同钻探进行，对钻探岩心按规定内容进行详细描述，并做到了记录清晰、描述准确。施工班报记录亦随钻探同时进行，对每一回次水深、钻具长度、机上余尺、岩心长度、采取率以及海况都进行了详细记录。钻探孔深＝钻具总长度＋主钻杆长度－钻机机高－机上余尺－平台至水面高度－实时水深。

4 影响海上正常施工的因素

4.1 风

风，即空气相对于地面的水平运动，是影响海上正常钻探施工最主要的因素。钻探船在出海作业的头一天，必须要知道第二天的天气预报，当天气预报海上风力在5级或5级以上(风向为对场地工区影响最大的风向)，或6级以上台风预警时，严禁出海作业。在海上钻探施工过程中突遇大风时，应立即停止施工，在无法坚持施工的情况下立即返港。

一般情况下，天气预报中，海上的风向和陆地上的风向是一致的，但风力要比陆地上的强1级～2级，如天气预报内陆风向及风力为东北风3级～4级，则海上的风向和风力为东北风4级～5级。同时应注意预报中的阵风，所谓阵风是指风速在短暂时间内，有突然出现忽大忽小变化的风，阵风的产生对海上钻探施工影响极大。

4.2 雨

下雨时，钻探船严禁出海作业，在海上钻探施工过程中突遇大雨时，应立即停止施工。

4.3 雷电、闪电

由于海面空旷且没有障碍物，在闪电或雷电时，钻探船及设备很容易成为闪电击中的目标。在雷雨天时，钻探船严禁出海作业，在海上钻探施工过程中突遇雷电时，应立即停止施工，返港。

4.4 波浪

海洋中的波浪可分为风浪、涌浪、近岸浪等数种，其中最常见的就是风浪和涌浪。风浪是海水在风直接作用下产生的水面波动。涌浪是其他海区传来、或者当地风力迅速减小或风向改变后遗留下来的浪(海面在长时间刮同一风向的风时，容易产生涌浪)。涌浪传到浅水区域时便形成近岸浪，近岸浪受海底地形影响，往往能量巨大，在岸边会产生惊涛拍岸的景象。一般情况下，当海面浪高在1.5 m或以上时，会对海上钻探施工产生影响。在以往的海上钻探过程中，往往会出现海上风力很小，但涌浪很大的情况，无法正常施工，这是由于涌浪一般具有巨大的能量，只有随着时间的推移或海面刮起和涌浪传播方向相反的风时，其能量才会不断减小。

4.5 水流、潮汐

水流的大小、方向往往和当地的近岸地形有关，一般情况下水流是沿着海岸顺时针或逆时针循环流动的，并且海水涨潮时的流向和落潮时的流向是相反的。在海上定位时，如果锚抛的位置不好或者船头没有顶流，在水流长时间的冲击下，钻探船很容易偏离原始点位，影响正常的钻探施工。

4.6 海雾

海雾是海面低层大气中一种水蒸气凝结的天气现象，常呈乳白色，往往能见度小于1 km。大雾产生时，能见度很低，尤其是在海上航道内钻探时，容易产生撞船事故。解决方法:加强船艏和船尾的瞭望，在船桅杆上安置雾灯及信号灯，必要时要经常鸣笛。

4.7 过往船只的影响

钻探船在定位后会在海面以上留下4条锚缆，过往船只由于船速过快，较难发现锚缆的位置，其螺旋桨容易和锚缆绞到一起，使钻探船偏离原始点位。解决方法:加强船艏和船尾的瞭望，在锚缆靠近锚的一端拴上有鲜艳颜色的漂浮物，避免过往船只绞缆，影响钻探施工。

4.8 暗礁及浅滩

暗礁，指经常位于海面以下的岩体或礁体。多孤立地分布在海岸带的下部，是海上航行时的禁区，常对海上航运造成危害。在海上定位施工之前，应查找工区海图，并确定暗礁在海图上的确切位置，采取提前绕行的方法，并在航行过程中加强瞭望。

浅滩，指水深较周围海区有明显变浅，顶部较平坦的海底高地。如果在浅滩的位置有钻孔，由于其水深浅，不能满足钻探船的最小吃水深度，船只无法正常航行并定位。解决方法:计算好涨潮和高潮的时间，先使钻探船尽量靠近点位，等海水涨至能满足船只正常航行后，再进行导航定位，并争取赶在落潮之前完成勘探施工。如果以上方法仍解决不了问题，则可以在施工点位附近搭置脚手架，做成简易施工平台，组织钻机施工。

4.9 渔网、海带及海贝养殖区

海上定位和钻探施工时，尽量避开渔网及养殖区。如果有钻孔在渔网和养殖区内，则需要找到其所有人进行协商，在协商之前不可以到养殖区内定位及钻探，以免产生摩擦。

4.10 海底管线

海底管线包括海底光缆、海底电缆、海底输送油管道等。在海上钻探施工之前，通过甲方要海底管线分布图，在海上定位时，注意海面上的警示标识。

4.11 海上漂浮物

海上漂浮物包括生活垃圾、海冰、各种浮游植物等。这些漂浮物往往会随着海流漂移，钻探船会阻碍其漂移的路径，使漂浮物在钻探船的一侧越积越多，影响船只整体的稳定性。

5 钻探时突发情况及其处理

5.1 脱锚

如果发生脱锚事故，应立即停止钻探，提钻、提套管，及时找出脱锚的原因，并重新下锚定位。造成钻探船脱锚的原因有很多:①在下锚的过程中，锚的位置不当；②锚型选择不当；③风浪及水流过大；④过往船只绞缆。

解决方法:在下锚的过程中尽量使4口锚的位置呈交叉垂直状；根据海底地层的软硬选择合适的锚型；加强船艏及船尾的瞭望，在锚缆靠近锚的一端拴上有鲜艳颜色的漂浮物，起到警示作用。

5.2 缆绳变松

由于海水的涨、落潮及水流方向的改变，会使原来收紧的锚缆变松，钻探船会移位。解决方法:加强船艏及船尾的瞭望，如发现锚缆变松，应立即收紧。

5.3 埋钻

由于海底地层多为海相沉积的砂、碎石及卵石层，埋钻现象经常发生。为防止埋钻，在海上钻探过程中，应使用套管跟进并结合泥浆护壁的方法。如果发现埋钻，应立即停止施工，查找埋钻原因，根据不同的原因采取不同的处理方法。

5.4 突遇大风、大浪、大雾等极端天气

海上钻探施工时，海况变化莫测。在突遇大风、大浪、大雾等极端天气时，应立即停止施工，在无法坚持施工时起锚回港。

6 结 语

海洋工程岩土工程勘察和陆地工程岩土工程勘察相比较，在施工过程、影响因素及遇到的突发状况等方面更为复杂，本文的目的是确保海洋工程岩土工程勘察质量的同时，避免事故的发生。

[1] 严恺，梁其荀.海港工程[M].北京:海洋出版社，1996

[2] 韩理安，席与耀.港口水工建筑物(Ⅰ)[M].北京:人民交通出版社，2000

[3] 《工程地质手册》编写委员会.《工程地质手册》(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社，2006，682～692

[4] JTS 133－1－2010.港口岩土工程勘察规范[S].

[5] GB/T 12763.1－2007.海洋调查规范第1部分:总则[S].

[6] GB/T 12763.11－2007.海洋调查规范第11部分:海洋工程地质调查[S].

京津沪渝四直辖市勘察交流会顺利召开

(本刊讯)2011年9月16日至17日，京津沪渝四直辖市勘察单位第四次交流会在重庆顺利召开。

此次交流会由重庆市勘测院主办，北京市勘察设计研究院有限公司、天津市勘察院、上海岩土工程勘察设计研究院有限公司等单位参加了会议。重庆市规划局副局长邱建林出席会议并讲话，他对勘察工作在城市建设中所起的作用以及交流会的意义予以了充分肯定。

与会各单位就新技术应用、新业务拓展、企业管理、人才队伍建设等问题进行了交流探讨。会议的成功召开为各单位的未来发展提供了更为广阔的思路，为各城市勘察单位架起了相互沟通的桥梁和纽带，对于勘察行业新技术的推广应用与跨区域合作交流起到了重要的推动作用。

(重庆市勘测院 向华林供稿)

The Process of Marine Geotechnical Investigation and Factors

Liu Zhigang
(Qingdao Surveying and Mapping Research Institute，Qingdao 266032，China)

In recent years，with the development of economy，our country’s marine engineering in shipbuilding、petroleum chemical industry and wharf，developed very quickly.So，the work of geotechnical investigation are particularly important.In this paper，elaborates the preparation and construction process of marine engineering geotechnical investigation in detail，lists the factors of impacting normal marine geotechnical exploration，and the emergency situations of marine geotechnical exploration，with mine work experience，proposes measures to deal with unexpected situations of marine geotechnical exploration.

Marine Engineering；Geotechnical Investigation；Marine Positioning；Anchor off

2011—07—29

刘志刚(1982—)，男，助理工程师，主要从事岩土工程勘察技术工作。