浅谈水上地质钻探方法选择与应用

2012-05-14高建波

铁道勘察 2012年4期

高建波

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

与陆地上钻探不同，水上钻探不确定因素很多，实际钻探中要考虑水深、水面宽度、季节、流速、风力、潮水、通航条件等众多因素的影响。如何在保证钻探施工作业中人员及机械设备的安全、钻探质量、钻探进度的同时控制成本，钻探方法的选择和水上移动钻探平台设计尤为重要。介绍了对拼船、浮箱、汽油桶筏等方案进行比选，对钻探平台的安全性、稳定性、经济性、灵活性等多方面进行对比分析，最终采用汽油桶筏搭建钻探平台，解决了地质工程勘察钻机顺利到达江、河、湖、海等水域中指定位置的运输问题。

1 工程概况

黄河特大桥是新建东乌铁路线上的重要工程，对该段工程范围内地层、岩性的掌握，直接影响到本次工程整体线路的走向、工程造价投资、施工方案等一系列问题。必须通过科学、合理、周密的组织安排，在保证安全施工、控制现场勘察质量的前提下，通过搭建水上移动钻探平台，解决地质工程勘察钻机顺利到达水域中指定位置的运输及稳固问题，保证地质钻探工作顺利开展。工程区位于内蒙古自治区乌海市海南区曙光村与宁夏回族自治区石嘴山市惠农区农场交界的河段处。地形情况为两岸高河面低，河东岸为卵砾石陡坎，高约20 m，西岸相对平坦，河面宽度200～220 m。

工程区地层岩性主要以卵石、砾石、粉细砂、黏性土及粉土为主，河底表层主要卵石层覆盖，部分地段覆盖层为砂类土或粉土。

此次任务勘探时间在2011年3～4月，正值冬末春初，是天气、风力、河水变化最大的时间段。工程区自然因素、气象条件恶劣。水流方向自南向北，水深4～5 m，流速一般为2～3 m/s，河水中随流漂浮大量柴草杂物，河水涨落时间、涨落高度无规律，偶遇猛涨。风向以西北风为主，时有西南或东南风，一般风力3～4级，最大6级，持续时间较长，时有扬尘或沙尘暴天气。

2 钻探平台的选择

本阶段勘察，水中设计有两个墩台，每个墩台上布置有4个钻孔，工作量为8个钻孔，单孔深度为85 m。预计每孔的钻探时间大约6～8 d，辅助时间1～2 d，每个墩台的完成时间大约需要25～30 d。只有选择合理的钻探方法，尽快保质量的完成钻探，才能为后续设计提供准确、合理的参考依据。

2.1 钻探影响因素

此次勘察时间紧、任务重，自然环境恶劣，钻探平台的选择要综合考虑各种影响因素。通过仔细研究工程场地各类地质、气象条件，主要影响因素如下:

①工程区河水流量较大，风浪极大，易造成钻孔套管固定不稳，导致钻孔倾斜，影响钻探质量。

②水流中夹杂大量的柴草、杂物，极易缠绕主锚和锚绳，增加水上平台的阻力迫使平台移位。

③钻探中黄河水涨落时间、涨落高度不规律，起伏较大，易造成平台紊乱移位，很容易发生套管折断或孔内事故。

2.2 平台需满足条件

(1)浮力大:平台需具备足够大的浮力，来承担钻机、器械、附属设备、工作人员等的重量。

(2)稳定性好:良好的稳定性才能保证钻进有序进行，保证钻孔不倾斜。

(3)灵活的移动性:工程区范围内平台要具备较好的移动性，移孔的过程中节约时间，提高效率。

(4)空间大:平台应有足够的空间，保证钻机、钻杆、岩芯、泥浆池的合理摆放，保证钻探人员的安全。

2.3 平台方案选择

针对前述存在的问题、困难及影响因素，对拼船、浮箱、汽油桶筏进行对比分析，选择经济、合理的方法。

(1)拼船:采用拼船的方法搭建钻探平台，其优点是稳定性好，安全系数高，缺点是造价高，时间周期长。根据《安全规则》、《铁路工程地质钻探规程》规定，钻深100 m钻机每个平台要选用两只12 t以上的船只，当地条件每只船的租赁费为1.5万元/d，两只船的费用3万元/d，勘探时间按一个月计算，共计需90～100万元人民币的租船费。此外，本河段不通航，当地附近没有船只可供选择，需从呼和浩特附近调集船只，距离大约300 km，船只调遣也需要较大的费用。而且调遣船只的时间至少需要一个月以上，势必会严重影响工期，造成更大损失。

(2)汽油桶筏:采用汽油桶筏作为水上移动钻探平台，其优点是简单易行、操作方便、省时省力、就地取材、造价低廉、辅助时间短等，缺点是稳定性和牢固性不如拼船好，但通过对汽油桶筏平台加固完全可以满足本次钻探任务安全要求。搭建汽油桶筏的技术比较成熟，以前在很多坑、塘、湖泊或流速不大风力较小的水面上经常运用，但在象黄河上这样的流速、风力较大，杂物较多，水位涨落频繁且没有规律的水面上进行钻探还从未采用过。汽油桶筏所需要的材料可以就地解决，可采用租、买相结合的办法，费用大约在10万元左右;而且可以边进料边搭建，可大大缩短辅助周期，每个水上平台从购料到组建完成一般用时在5～7 d左右，比选用船只节省很多时间。

(3)浮箱:采用浮箱作为水上移动钻探平台，其稳定性和牢固性与汽油桶筏基本相同，但费用高于汽油桶筏，而且对焊接技术要求较高，如发生渗漏其后果不堪设想，再有就是装卸、运输也不方便，现场还需要焊接设备及操作人员，操作相对复杂。

综合考虑上述三种方案的特点、造价、工期等因素，本工程采用汽油桶筏拼装水上移动钻探平台的方法进行黄河水上钻探任务。

3 平台的搭建

3.1 结构与浮力的计算

通过对本次钻探机具、人员及附属设施进行计算，总质量大约为3.5 t(见表1)。按照钻探场地的平面要求，所建场地应满足摆放钻机、钻杆及相关附属设施。经计算，平台纵向由15个油桶组成油桶排，横向用5组油桶排，绑扎固定组建成长9 m、宽6 m(总面积达54 m2)的油桶筏，符合对钻探场地的平面要求。搭建水上钻探平台所用油桶总数为74个(减少预留一个油桶位置作为孔口)，单桶浮力为180 kg，总浮力为74×180 kg=13.32 t，安全系数 13.32 ÷3.5=3.8，完全符合安全操作规程规定。

表1 钻探机具及人员总质量

3.2 平台的组装搭建

平台的组装主要包括以下几个方面:

①组装汽油桶排之前必须认真检查油桶盖有无漏水现象，确保油桶排下水后不渗漏，检查每个油桶口必须朝上。

②使用直径50 mm的钢铁管及扣件，将15个汽油桶分上下两层加固筋固定连接，再用8号或10号铅丝在每个油桶之间的间隙处将油桶和铁管绞紧加固，组建成油桶排(需要组建5排)，其中，将1组油桶排在第6个油桶的位置留出1个油桶的空挡(此处为预留钻探孔口位置)。

③将5组绑扎好的汽油桶排在水中对齐，用绳索固定，以防被水流冲走。每组油桶排之间留0.3～0.5 m的间隙，以便于水流通过，减少对钻探平台的冲击。

④在组建完成的整体油桶排最外侧油桶排上部，用12～14根钢铁管与油桶排上的铁管通过扣件横向固定，油桶排下部横向通过不少于6根，上下两层铁管与汽油桶排用8号铅丝绞紧，作为安全护栏。

⑤为了增加平台的牢固性及刚性，保证安全性能，在钻探平台上横向铺设6根大头直径不小于20 mm、小头直径不小于16 mm的圆木，采用8号铅丝与油桶排上的铁管固定，对钻探平台进一步加固。

⑥为保证钻探作业人员的安全和平整工作面，在圆木上铺设不小于4.0 mm厚的木板，接口要交错对接，接口处用铁钉固定。

⑦在钻探平台四周设立护栏立柱，间距不大于2 m为宜，设上、下两层横向杆，上层横杆高度不低于1.2 m，护栏必须与平台固定、牢靠结实，护栏也可作为挂放救生圈的支架。

⑧设备安装及钻具摆放必须保持平稳，暂时不用的钻具摆放在岸上，随用随取，尽量减少钻探平台的承重。

3.3 锚的选择及抛锚、定位

(1)锚的选用

为了能使水上平台在到达指定钻孔位置后不产生移位和错动，根据河床表层地层情况，水流速度，风力大小、风向等具体情况，选择锚的类型、数量、重量，锚链、锚绳的直径和长度等。

每只铁锚的重量一般不小于70 kg，锻造锚或焊接锚均可，本次采用的是焊接锚;锚的形状可根据河床的具体情况选择，本次选用的是焊接的四齿尖锚，这种铁锚利于抓紧河床，可增加钻探平台的稳定性。根据实践经验，锚梁直径60～80 mm，长度0.5～0.7 m，锚齿直径不小于30 mm;锚链每根长6～10 m(锚链的主要作用是增加锚的抓地阻力)，锚环的钢筋直径16～20 mm;前主锚、前锚钢丝绳直径14 mm，后锚钢丝绳直径10 mm，长度100～120 m。

(2)抛锚、定位

根据设计孔位坐标、锚绳长度、水深和预抛方向，先计算出锚位坐标，由钻探船依次送出主前锚、左前和右前锚至预定锚位下抛，然后钻探移动平台顺水流航行至孔位附近停泊;再由交通船送出2只下游边侧锚。在每根锚绳上用两个紧线器与平台连接，用于调整平台位置。

利用岸边的控制桩位置与钻孔之间的距离，使用细钢丝绳大致测量出钻孔位置，使移动平台初步定位;调整各条锚绳上的紧线器调整锚绳的长度，用RTK进行精准定位，固定平台。

4 钻机安装及钻具的摆放

(1)搭建平台时预先在平台横向的中间、纵向的三分之一处留出孔口位置，便于安装钻机。

(2)平台搭建完成后，进行钻机的安装工作，将钻机的底梁与平台的横梁连接在一起，必须做到牢固结实，不能晃动、移位。

(3)必须用的钻具应均匀的摆放在平台上，尽量保持水上平台承重均匀，暂时不用的或不常用的钻具等物品可以暂时存放在岸上，随用随取尽量减少水上平台的负重。救生衣、灭火器放在方便易取之处。

(4)为了勘察范围内水域的环境保护及钻探护壁泥浆的循环利用，事先加工好泥浆循环槽，作业过程中将泥浆循环槽固定在钻探平台的靠近钻孔位置，采用泥浆泵及导流装置形成泥浆循环利用。

5 平台的影响因素及维护措施

根据水上钻探的特殊性，结合本工程特点，造成水上钻探平台移位及影响安全的因素主要表现在以下几个方面。

(1)随流漂移的杂草、杂物:本次水上钻探时值冬末春初，河水中漂浮着大量的杂草，经常缠挂在锚绳及平台上，如果柴草缠绕在主锚、前边锚的锚绳上，会使锚绳的长度发生变化(缩短)，迫使水上平台向前移动;如果柴草缠绕在水上平台的迎水面、后边锚上，也会使锚绳的长度发生变化，会产生一股向后的拉力，迫使水上平台向后移动。

解决措施:为了保证水上平台不发生移位，解决柴草缠绕锚绳的问题，设立专人负责对即将漂浮来的杂草和缠绕在锚绳上及平台上的柴草进行及时清理。

(2)河水不规律的涨落:冬初和冬末春初正是农田灌溉用水的季节，黄河沿岸用水量很大促使河水涨落不稳定起伏较大，导致水上平台升降产生移位，很容易发生套管折断或钻探孔内事故。

解决措施:设专人观测河水的涨落变化，及时调整锚绳;使用短节套管，根据河水的涨落情况随时增、减套管;尽可能采用厚壁套管隔离江水，并在一定水深所对应的套管部位逆水流斜拉钢丝绳;钻进不同的地层采用各异的钻具、泥浆。

(3)大风天气:此季节正是经常刮风季节，每隔3～5 d刮一次5～6级的大风，风力太大同样会造成水上平台移位。

解决措施:尽量减少水上平台上的挡风物体，以减小平台受风的阻力;在经常刮风的方向再增加边锚，稳定平台。