深谷河床水上钻探平台设计及应用

张成志 武相林 辛志相

(黄河勘测规划设计有限公司地质勘探院，河南 洛阳 471002)



深谷河床水上钻探平台设计及应用

张成志 武相林 辛志相

(黄河勘测规划设计有限公司地质勘探院，河南 洛阳 471002)

结合某工程实际情况，通过对不同钻探平台设计方法的比选，采用钢索吊桥钻探平台与钢结构钻探平台组合的方案搭建平台，计算分析了钻探平台工字钢弯矩及平台承载力，并对平台方案的实施及其施工要点进行了阐述，结果表明该平台设计方案获得了良好的应用效果。

水上钻探平台，钢梁结构，承载力，应用效果

0 引言

水上钻探又称水域钻探，一般根据不同水域、不同工程类型、不同施工要求，按照经济、简便、适用、安全的原则，并综合考虑各种影响因素选择合适的钻探平台。通常有漂浮钻探平台和架空式钻探平台[1，2]。漂浮式钻探平台主要有单体钻船平台、双体钻船平台、浮筒式钻探平台等，对于在海上钻探还有液压式钻探平台、底座浮动式钻探平台等；架空式钻探平台主要有木笼基脚钻探平台、钢结构钻探平台和索桥钻探平台等[3，4]。每个平台各有其优缺点和适用性，通常情况下，单一的某种钻探平台就可以满足需求，但在特殊条件下有些时候需要选择两种甚至三种复合型水上钻探平台才能满足钻探要求。

1 工程概况

该工程地理位置特殊，河谷深切约200 m，宽度仅30 m，河面狭窄，突石暗礁遍布，河水位和流速变化大，枯水期河底深浅不一，不具备行船条件。两个河床钻孔孔深为300 m，施工期预计要与汛期重合。钻探物资只能通过钢丝绳索道从山谷上部运输至峡谷底部转换场地，然后爆破修路运送至钻孔位置。

2 钻探平台设计

2.1 钻探平台分析

单体船平台。可以是木船或铁皮船，主要用于浅水区，水位变化不大，流速平稳的情况下钻探，比较适合池塘、库区钻探，通常钻孔深度较浅，一般不超过100 m。主要优点是搭建容易，在水中移动灵活。

双体船平台。主要用于河水较深，流速快，波浪大，钻孔较深，地层复杂以及地质要求孔径大的工程地质勘探。

浮筒式钻探平台。通常是将油桶按照一定组合固定放置在钢结构框架内，辅助以木板形成钻探平台。优点是材料来源广、结构简单，搭建简单，适用范围广[5]。

钢结构钻探平台可用在河谷狭窄、水利湍急、山洪水头高河段，通过各类钢材料管件组合、锚固、焊接形成跨河面的平台，根据河面跨度可选择是否增加平台支撑桩。适合钻孔较深、工期较长的水上作业。一般成本较高、搭建较慢。

索桥钻探平台多用在河谷狭窄、水流湍急、山洪水头高的河段，通过钢丝绳将钻探平台吊装起来。设计施工均较为麻烦，且要按照相关规定上报和检查验收。

本工程工区河谷狭窄、水流急、水位变化大、突石暗礁遍布、不能行船、设备运输困难。钻孔设计孔深300 m，要求配合物探、地质实施大量水文地质试验，工期预计与当地汛期交叉。综合分析各类客观因素，我们最终选择钢索吊桥钻探平台与钢结构钻探平台组合的方案搭建平台。

2.2 钻探平台结构

钻探平台高出水面5 m以应对汛期水位抬升。水上钻探平台主体由工字钢、槽钢铆接、焊接而成横跨于河面上，平台两端的工字钢分别坐落在两岸的人工平台上，且用数根φ28 mm螺纹钢作为地锚与工字钢焊接在一起固定整个平台。平台上面铺设木板，下面安装支撑桩，形成钢结构支撑桩平台。

通过钢丝绳连接平台与两岸山体形成钢索吊桥结构(见图1，图2)。

2.3 平台受力分析

2.3.1 钻探平台上所有设备器材重量

根据计算运行期间钻探工具器材G1、生产人员G2、平台本身重量G3，XY-2型钻机的最大提升力为G4=40 kN。当钻机以最大提升力与平台上所有设备的总重量共同作用于钻探平台时，作用于钻探平台上的最大重量为G。

G=G1+G2+G3+G4≈16 636 kg。

2.3.2 工字钢弯矩分析

根据钻探平台结构，平台依靠4根跨河工字钢承重，则相当于每根工字钢需承重：

F=(16 636 kg/4)×10 N/kg=41 590 N。

工作区域位于平台右侧，右侧为平台载荷集中区域，为简化计算，取极限值，可认为所有载荷均作用于此部分，根据平台结构、左岸支撑平台及河床中两支撑套管分布情况，得出平台简化受力情况如图3所示。

计算时，简化受力情况，认为载荷平均分布于受力区域，受力区域载荷与其长度成正比，故只需校核b区域即可。b区域承受载荷Fb：

Fb=F×4/(3.5+4+4+4)≈10 733 N。

则b区域每根工字钢所承受最大弯矩为：

Wmax=Fb×L=10 733 N×4 m=42.92×103N·m。

查表32Q热轧轻型工字钢的横截面积Wz=566.5 cm3。

故b区域工字钢所承受的弯曲应力：

σmax=Wmax/Wz=42.92×103N·m/(566.5×10-6)=75.6 MPa。

查得325号钢的容许弯曲应力σ=120 MPa～190 MPa。

σmax<σ。

根据计算，钻探平台工字钢的极限弯曲应力远小于工字钢本身的容许弯曲应力，因此，钻探平台的安全系数较高，完全可以满足生产需要。

2.3.3 平台承载力分析

工作区域位于平台右侧，右侧为平台载荷集中区域。按照极限分析法，可认为作用于钻探平台上的最大重量为G，全部作用在右侧平台上。先不考虑支撑桩的支撑作用，首先分析右侧的6根φ20 mm钢丝绳对平台向上的拉力，平台承载力分析可参考图3。

右岸钢索在山体上的锚固点离平台的高差约为h，钢索与平台之间的角度为β，φ20 mm钢丝绳的抗拉断力为F1。右岸平台上下游共6根钢丝绳，角度分别为β1，β2，…，β5，β6，角度均大于45°，可全部按照45°计算。高差h=25 m，抗拉断力F1约为200 kN，则6根钢丝绳对平台向上的极限拉力F可通过三角函数计算。

F=6×F1×sinβ=6×200 kN×sin45°=848.5 kN。

作用于钻探平台上的最大重量为G=16 636 kg，最大负荷为F负，F负=10G≈166.36 kN。

F≈5F负。

根据承载力分析结构，钻探平台的安全系数很高，完全可以满足生产需要。

3 平台方案的实施

3.1 修两岸平台、搭架子管

在两岸通过开凿、爆破、预埋锚桩、水泥浇筑等方式，在崖壁基岩上修建约4 m宽，2 m长的平台。平台修建完成后，使用φ42 mm架子管搭建脚手架框架。脚手架只是在搭建钻探平台初期起到支撑钢梁的作用，同时为搭建平台提供工作面。

汛期时，河水流速增加、杂草树枝等漂浮物众多，为避免脚手架框架产生的水阻作用影响平台稳定，脚手架不能作为平台的永久支撑。平台搭建完成后，需全部拆除。

3.2 铺设钢梁

首先将7根14b槽钢铺设在脚手架上，槽钢根据平台载荷分布情况铺设，安置钻机等承载较大区域槽钢铺设相对稠密。然后在7根槽钢上铺设横跨于河面的20a工字钢，4根工字钢在孔位两侧4 m宽度内对称铺设。

现场使用的工字钢长度均为6 m，需5根对接在一起才能横跨河面搭接在两岸平台上。

3.3 搭建钢索吊桥结构

钢结构平台搭建完毕后,使用φ20 mm钢丝绳一端连接在钢结构平台上，一端锚固在平台上方两岸山体上，对钢结构平台形成斜拉的效果。平台右侧为荷载集中区域连接6根钢丝绳，分布在平台的两侧，上下游各3根。平台左侧连接2根钢丝绳起到辅助作用，上下游两侧各1根。

使用φ20 mm钢丝绳2根,一端连接钢结构平台，一端锚固在平台侧方两岸山体上，对钢结构平台形成侧拉的效果。最终形成钢索吊桥与钢结构相结合的钻探平台。钢索吊桥结构示意图见图1,图2。

3.4 打入厚壁套管，支撑平台

使用钻机在钻孔孔位及孔位左侧3.5 m处各打入φ168 mm厚壁套管，套管打入基岩至少0.5 m，形成钢结构平台的支撑桩。

4 应用效果

根据项目最终确定的河床孔钻探平台搭建方案，两个钻探平台在预期内完成搭建工作，并投入使用。

该平台综合利用了钢索吊桥平台及钢结构支撑平台特点，保证了在钻孔施工期间平台的稳定性。施工期间河水数次涨水，均未对水上作业造成任何影响。确保了河床孔钻探任务在规定工期内顺利完成，提供了宝贵的地质及水文资料。

5 结语

水利水电勘探作业区绝大部分位于交通不便，施工环境恶劣的地区。勘探任务难度大，工期紧，不同的项目都有其不同的特点和难点，如何在保证质量和安全的前提下合理选择施工方案以达到提高生产效率、降低劳动强度和生产成本，是水利水电勘探行业一直在努力的方向。

本次勘探工作水上孔施工的制约因素很多，许多使用组建简洁便利、使用效果良好的平台方案无法实施。在现有条件下，我们选用的这个方案未必是最优的，希望对水利水电勘探同行们在特殊环境下水上孔施工作业有一定的借鉴意义。

[1] 王 达，何远信.地质钻探手册[M].长沙：中南大学出版社，2014.

[2] 郑长斌.常规工程勘察水上钻探实用安全技术[J].资源与环境工程，2014(7)：80-81.

[3] 李尚华.浅谈水上钻探[J].甘肃水利水电技术，2002，38(2)：133-135.

[4] 王 珊.岩土工程新技术实用全书[M].长春：银声音像出版社，2004.

[5] 王丹彤.“汽油桶筏”在水上钻探中的应用[J].山东国土资源，2014，30(7)：58-61.

Design and application of over-water drilling platform of deep-valley riverbed

Zhang Chengzhi Wu Xianglin Xin Zhixiang

(GeologicalExplorationInstitute,TheYellowRiverSurvey&PlanningDesignCo.,Ltd,Luoyang471002,China)

Combining with the actual engineering conditions, through comparing different drilling platform design methods, the paper establishes the platform by integrating steel cable hoisting bridge drilling platform with steel structure drilling platform composite scheme, calculates and analyzes the platform I-shape steel bending moment and the platform bearing capacity, and describes the platform scheme implementation and construction points. Results show that: the platform design scheme achieves great application effect.

over-water drilling platform, steel-beam structure, bearing capacity, application effect

1009-6825(2016)05-0234-03

2015-12-07

张成志(1982- )，男，工程师； 武相林(1966- )，男，技师； 辛志相(1987- )，男，工程师

TV512

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