平潭海峡公铁大桥海上钻探关键工序分析

2013-10-16王风华刘晓明

资源环境与工程 2013年6期

王风华，刘晓明

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉 430050)

0 引言

海上钻探一般采用水上浮动平台，工作进度受钻船选型、潮汐、水流、水深、风浪、地质等自然因素影响大，施工较陆地钻探困难、复杂。全面的调查与了解大桥桥址处的地形地貌、水文潮汐、气象及地层情况，以选择合适的勘察方案，是顺利进行大桥勘察工作的重要依据。

1 自然地理条件

平潭海峡公铁大桥是中国第一座位于海上的公铁两用大桥。大桥位于海坛海峡北部，桥位从长乐市松下镇入海经人屿岛，跨越元洪航道和鼓屿门水道分别到达长屿岛及小练岛，然后跨越小练—大练水道抵达大练岛，再跨越海坛海峡北东口水道抵达平潭岛。

大桥全长约16 km，桥址处海域宽度约12 km，海底地形起伏大，岛屿、礁石众多，将海域分割成多个狭长水道，涨、落潮波流在桥中线处相对强劲，潮差最大达7.7 m，实测最大流速达1.51 m/s，冲刷强烈，海底地形起伏大，海水深度约0.0～40.0 m。桥址处覆盖层厚0～40 m，顶部为厚约5 m的粉细砂，其下为软塑—可塑状黏性土为主，基岩为燕山期岩浆岩，风化差异大。

桥址区为典型的海洋性季风气候，年平均风速为9 m/s，≥7级大风天数为 238 d，≥8级大风天数125 d，台风年平均次数3.8次，最大波高4.3 m。

2 施工难点

针对桥址处的自然地理条件，我们确定了本次勘察工作的难点。

2.1 水深与流速

决定海域钻探施工难易程度的主要指标之一，水太浅，钻船无法到位;水太深，则钻船难以稳固，套管难以垂直打入海底地层。同时涨落潮时的流速直接影响钻船的稳固，过大的流速会导致钻船定位难以固定出现走锚现象。

2.2 潮汐

钻探时需考虑潮差和涨落潮流速的影响，大桥处最大潮差达7.7 m，必须充分利用涨落潮时间施工及确保涨落潮施工安全。

2.3 风浪

钻探船舶在7级风及以上时摇晃比较厉害，在8级风及以上时船舶必须进行避风，以确保人员设备的安全。桥址处≥8级大风日达125 d，需充分利用大风间隙时间进行钻探，方能保证勘察的安全及进度。

2.4 地质条件

海床上地层类型直接影响到隔水套管的稳定和钻船锚泊系统的稳定，如软土易于隔水套管的插入及锚的稳定，而裸露的基岩面易引起船舶溜锚导致钻孔报废。

3 关键工序分析

如何克服海坛海峡恶劣环境因素的影响，确保勘察工作的顺利进行，对重点工序进行了分析。

3.1 钻探船舶的选定

(1)针对桥址处水深大、水流急、风浪大的特点，钻船在满足承受钻探设备能力的同时，必须能抵抗8级大风，具备能够随时避风的能力，船舶甲板面积能够满足钻探施工的需要，并提供必要的生活场地。考虑到单体钻船结构安全性较双体钻船高，灵活性好，在风浪大的地区移动更为方便，依照经济、安全的原则，本次勘察选择了稳定性较好且具有自航能力的平底工程船作为施工平台，抗风能力达到8级，总吨位在500 t左右，船长≥40 m，船宽≥10 m(见照片1);

(2)选择的钻探船及交通辅助船均经过船检部门的安全鉴定，配有现代化的救生、通讯和导航设备，并配备相应级别的船员;

(3)船舶均配备绞锚机，可以更快地完成起抛锚工作，并降低施工人员的工作强度，提高工作效率。

3.2 钻探平台的拼装[1]

在船舶的一侧搭建钻探平台，平台伸出船舷2.5～3 m，采用长度≥10 m的20号槽钢焊接在甲板上，伸出部分通过斜撑支承在钻船龙骨上，钻机底座焊接在槽钢上，机头伸出船舷约40 cm，槽钢上摆放木板作为工作平台。钻船周围焊接防护栏杆。甲板另一侧用膨润土及备用机具设备、套管配载，使钻船保持平衡，勘察中经常检查钻探平台的平衡，务使平台倾斜。

平台的外侧垂直槽钢方向(顺船向)预留一豁口，当突遇大风浪无法起拔保护套管时，可将活动套管及孔口固定支架取出，将施工平台上部木板掀开，钻船可直接离开孔位避风，避免钻船与保护套管的撞击，在风平浪静后又可以重新钻探，避免废孔的出现。

照片1 钻探平台现场照片Photo 1 Scene photograph of drilling platform

3.3 锚固系统

针对海坛海峡风大浪急的特点，我们采用了由主锚、边锚、锚绳、锚链、绞锚机及锚标组成的锚固系统[2]。主锚采用改进后的犁锚，边锚采用犁锚或兔子锚，2只主锚重约1～2 t，4只前后边锚重约1 t，呈*字形分布;每个锚对应1个绞锚机，锚与绞锚机之间采用直径Φ 28 mm钢丝绳连接，绳长200～300 m，锚上采用Φ 22 mm钢丝绳系上浮标，方便起锚。对于基岩裸露地段则采用锚链及连环锚连接，确保钻探平台的稳定(见图1)。由于完成1个钻孔需要3～4 d，期间需经过多次潮涨潮落，钻进过程中需根据潮汐、风浪的变化适时调整每根锚绳的松紧度。

图1 钻船拼装及锚固系统示意图Fig.1 Schematic diagrarm of drilling ship assembling and anchorage system

3.4 钻探平台定位

钻孔定位采用GPS实时差分系统进行，一般选择在平潮期进行，此时水流速度相对较小。同一墩内定位可不受涨落潮的控制，但一般安排在最低潮时进行，方便起拔套管。根据GPS显示的坐标将钻船开至预定地点抛下前主锚，然后顺潮水流向航行至孔位附近，由锚艇按照先主锚后边锚的顺序依次将剩余的5只锚抛出，然后由绞锚机收紧锚绳，移动钻船，慢慢向孔位靠近，在GPS的监测下绞锚到位。

3.5 套管安装

在钻探平台到达孔位后即进行套管安装，套管安装一般选择在流速缓慢的平潮期进行，由于潮汐的往返流动极易使套管顺水流摆动，导致套管丝扣松动，引起套管折断[3]。安装时采用Φ 17 mm钢丝绳将Φ 180 mm套管牵引到船头、船尾的系缆桩上，并与下沉的套管同步下放，以保证套管垂直进入海床，并通过锤击进入海床面以下5～10 m;当水较深时，在套管的下部及中部分别设置套管夹板并系保护绳，增强套管的刚度(见图2)。

由于钻探平台随潮水涨落而上下升降，刚开工时，现场施工采用直接接卸Φ 180 mm套管及单层活动套管法。

直接接卸套管法即在钻船到达指定孔位后，将高强度的Φ 180 mm厚壁套管直接作为保护套管及泥浆循环套管，根据潮水涨落情况随时接卸套管，它的特点就是通过设置在套管外侧的水位涨落标志能直接观察到潮水的涨落，但需在钻进中停钻以接卸套管，耗时耗力，大大降低了工作效率，并易导致套管损坏。双层活动套管法。即在Φ 180 mm套管外嵌套直径Φ 273 mm套管，其长度为8～9 m，较最大潮差略长，涨落潮时Φ 273 mm套管与Φ 146套管同时随着钻船一起上下移动，对钻具具有良好的导向作用，减小了劳动强度，增加了钻进时间，大大提高了工作效率。