海底岩石静态处理技术研究

李 明 李 硕 崔志云 邵 斌 刘凭正 韩 影

中国石油管道局工程有限公司 天津 300272

随着国家海洋开发战略的不断扩大，海洋工程逐渐增多，尤其是海洋管道工程建设不断增加。然而，海洋管道下海点常常属于山体的延伸，因此管线下海一定范围内伴有大量的基岩。管道铺设之前，必须对其进行处理，形成管沟，以便进行管道埋设、保护。但是，随着国家对海洋环境保护的日趋严格，再加上部分海域近海点处存在大量的海洋生物养殖，要求基岩处理时必须做好保护措施，不能影响海洋生物的生长。传统的水下炸药爆破工艺因为会造成环境污染，影响周围海洋生物的养殖，已不再适用。而静态岩石处理就是针对类似工程的专用工艺。

可门海管项目就是典型的海底管道近岸端岩石静态处理项目。海底管道登陆点位置山体陡峭，水下基岩众多，属于较破碎坚硬岩，岩体基本质量等级为Ⅲ级，其单轴饱和抗压强度（Rc）推荐为67.3±20MPa。该区域鲍鱼等海洋生物养殖众多，且附近有野生黄花鱼保护区。炸药爆破必将造成大量的环境污染，严重影响鲍鱼等海洋生物的生长。这就要求必须使用静态破除的方式进行水下基岩处理，以减少对海洋环境的影响。

1 静态破除

静态破除也称物理破除，是采用抓斗挖泥船配备凿岩棒构成凿岩系统进行施工的工艺。其硬件设备包括抓斗挖泥船、凿岩棒和平板船等；软件包括DGPS 定位系统软件、Hypack 测量软件和疏浚工程电子显示系统等。

2 施工工艺

静态破除工艺主要由抓斗挖泥船、凿岩棒、钻孔船、平板船、抛锚艇，以及DGPS 定位系统和电子显示计算机系统构成。

2.1 平面控制点检验

将DGPS 天线放到各个控制点进行数据采集，把采集到的数据用XYPLOT 软件进行处理；然后将处理得到的平面坐标与控制点已知坐标进行比较，来验证平面控制点，以保证其误差符合《水运工程测量规范》要求。

2.2 施工区平面控制点的布设

按照施工要求，对待施工区域进行划分。各施工区选用最佳的定位控制点控制整个施工区。施工船定位采用GPS 定位系统，接收离工程施工区最近的差分站发射的固定频率数据链，以此作为定位的基准数据，精度为±1～3m。

施工测量定位系统工作流程如图1 所示。

图1 施工测量定位系统工作流程

3 施工方法

施工前，责任方主体必须进行各种手续办理，然后再开展相关工作。

3.1 船体定位

考虑到工程本身水域受限，且施工过程干扰较大，周边有海洋生物养殖及水下礁盘等影响船舶抛锚。因此，需要在岸上设置地锚，船舶采用一字锚，以减少水域使用面积。

3.2 钻孔船及抓斗挖泥船选择

水下岩石静态处理需要采用钻孔船进行钻孔（钻孔船钻机为移动式高风压钻机，钻孔效率高），钻孔船上配4 台钻机，以加快钻孔速度。孔距与排距按40cm×40cm控制，钻机钻头为129mm，超深1.5m，超宽2m。抓斗挖泥船配有30t 以上的重斗，斗容至少8m3。

3.3 凿岩棒选择

凿岩棒选择主要根据水下岩石形态、岩层的厚度和船舶设备的起重能力，并兼顾施工成本等因素。一般情况下，岩块硬度较大，岩层较厚时应采用重量较大的凿岩棒进行施工；岩层厚度较薄、岩石强度不大，并且只需凿一次就可以达到设计深度时，可选用重量较小的凿岩棒施工。

凿岩棒前端为斧头形状，因此对较大面积的岩盘有较好的效果。这种凿岩棒一般头部两侧呈楔形，并以弧形流线向凿岩棒中上部过渡，最后转变为直立式。这种形状有利于凿岩棒的能量只向两个方向传递，增加对岩土的破坏作用，并且在凿岩棒嵌入岩土过深时可减少棒身侧向的摩擦阻力，使凿岩棒更易提起来。详见图2。

2.4.5 血清样本中游离脂肪酸含量测定 取大鼠血清样本50 μL，按“2.4.2”项下方法预处理，并按“2.4.3”项下色谱与质谱条件进样测定，再按标准曲线法计算其中游离脂肪酸含量。

4 工程施工

工程施工中，使用钻孔船进行钻孔。钻孔船上配4台液压潜孔钻机，钻机钻头直径为129mm，钻孔船上配有GPS 导航定位系统。

图2 斧头型凿岩棒

钻孔船进场后先在合适的位置抛下尾锚，尾锚选择的位置应当不影响后续抓斗船的抛锚、凿岩和清礁等工作，尽可能降低交叉干扰，尽可能在不移动尾锚的前提下将施工区域的钻孔全部完成。由于近岸作业，钻孔船的前锚绑在事先在岸上预埋好的地锚上，形成前后一字锚，保证施工安全及效率。

钻孔船钻孔进行到一定阶段时，抓斗船进场。抓斗船安装35t 斧型凿岩棒，锤面焊齿，开始从海侧向岸按照一定的施工顺序进行锤击破碎已钻孔区域。

钻孔凿岩过程中，一定要注意布点的间距。布点间距要综合考虑凿岩棒的大小、形状，以及岩盘的层厚及硬度。一般情况下，凿岩棒的布点距离控制在斧头型凿岩棒厚度的1.5～2 倍左右。同时，要注意以下问题：

（1）详细了解分析岩层分布、潮流方向和大小，以及风向、风力等因素，再确定施工操作方法。

（2）备主机以及相关机电设备，确认操作气压表的空气压力；暖机运转时要确认发动机、液力变矩器、减速机和各鼓筒无异常响声和振动，发动机的排气颜色有无异常，燃油、润滑油、油压工作油、冷却水和操作气体等有无泄漏现象。

（3）查验GPS 定位电子显示系统上的方位数据及施工区数据；检查操作台上所有指示灯是否正常（报警指示灯全部熄灭），以及控制开关所处位置状态是否符合碎岩操作；检查各操作仪表指示值是否在正常范围。

（5）根据计算机屏幕的施工画面，将凿岩棒吊至开凿点位置（根据水流急缓程度和方向等因素进行位置的微调）；扳动手柄，松脱离合器，凿岩棒自由落下。

（6）注视仪表显示的落下深度，在撞击底岩前的适当距离及时制动（制动时间、距离与提棒高度有关，高度越高，则制动越早）。

（7）观察凿岩棒撞击底岩后吊缆的松出状态，以便根据情况对制动的深度值进行调整，避免出现钢丝过度松出或者过度绷紧的现象；手柄扳至离合器合上位置，起吊凿岩棒，一般（必须）将凿岩棒吊起露出水面，以便观察棒体和连接钢丝的状况。

（8）根据GPS 导航画面和仪表指示，旋转（起伏）吊臂至下一个凿岩布点。

（9）与集控室保持联系，根据施工位置的变化情况进行船位移动。

5 凿岩冲击能计算

假设冲击锤锤岩时，从岩层上20m 处自由落下撞击岩石，其动能通过公式（1）进行计算。

式中：E——冲击锤自由落体撞击岩石的动能；

m——物体的重量；

g——重力加速度；

h——冲击锤的落高。

根据项目拟选用的各设备重量和高度等信息，计算确定E 为784 万J。

1m3空气的压力为0.1MPa，其能量为10 万J。因此，784 万J 能量可以产生7.84MPa 的压力，即冲击锤从20m 落下撞击岩石产生的压力为7.84MPa。

1kg 的TNT 炸药爆破产生的能量为419 万J。40t型重凿岩棒从20m 处落下撞击岩石产生的能量为784万J，相当于1.87kg 的TNT 炸药爆破产生的能量。

图3 凿岩棒自由落体示意图

图4 抓斗船采用凿岩棒水下作业图

6 总结

随着海洋工程的不断增多，海洋环境保护的要求日趋严格，静态岩石处理必将成为未来海洋岩石处理的主要施工方式。该工艺的应用，将为后续更多环保要求高的区域水下岩石处理提供参考。