近海工程勘探平台创新设计及应用

2020-12-28钮建定李孝杰胡建平

中国港湾建设 2020年12期

钮建定，李孝杰，胡建平

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

近海工程勘察取样或原位测试需依托海上勘探平台实施。常用的勘探平台有基于船载的“动”平台和基于海床的“静”平台2类。其中，船载式“动”平台易受风、浪、涌等海况影响，难以开展海上原位测试项目；海床式“静”平台桩腿基于海床或基座卧伏海床，能够获取Ⅰ～Ⅱ级原状土样和原位测试参数，但存在着高成本、低效益等难题。因此，需对中外勘探平台的现状进行研究与创新设计。

1 国内外现状

1）船载式“动”平台

船载式勘探平台通常采用工程船或驳船为载体搭建，按其推进能力，分自航与非自航2种，为了转场灵活，优选自航式工程船，无需拖轮及大型吊装设备。勘探平台按船型选择船中、端部、舷侧分布，采用积木式拼装搭建，安装简便，因而能以最快的速度投入海上勘察。船载式平台发展至今，具有安装简便、转场快、成本低的优势，已成为我国近海工程勘察首选。但它的缺陷也很明显，稳定性弱，表现在：基于勘探平台上的钻机及设备会随船上下运动，尽管研究人员采用多种波浪补偿技术，对动平台上的钻进设备进行波浪补偿，使之保持相对“静止”或使摇摆和升沉位移降低，仍难以取得高质量的原状土及进行原位测试，降低了我国企业参与国际竞争的能力。

2）海床式“静”平台

海床式平台通常由桩腿、桩靴、升降控制系统等组成，控制系统采用齿轮齿条或液压顶升方式，平台基于海床上。首先，控制系统将桩腿下部桩靴插入海床上，使平台整体沿桩腿上升出海面，从而避开浪、潮、涌等对勘探的影响。勘探孔完成后，将作业平台下降至海面，利用浮力及冲桩系统之间的配合将桩腿拔出海床，然后转场至另一孔位，继续作业。2011年，为承接喀麦隆克里比深水港工程，中交四航院采用自主研发的“理想”勘探平台，展现了我国海上勘察装备制造的技术水平。由于此类平台制造及维护成本高昂，影响了这类平台的发展[1]。

欧美等海洋强国拥有近海勘察三大技术：1）船载式定制化专用勘察平台，如：德国“METEOR”、美国“JOIDES Resolution”、荷兰Gusto MSC、西班牙“SUELO”等；2）海床贯入式平台，依靠水下动力设备将原位测试探头贯入至土层中，如：荷兰范登堡公司的ROSON海床式静力触探系统；3）井下贯入式平台，依靠海洋钻机，以钻孔的孔底为基准将原位测试探头贯入至土层中，如：英国BGS研制的“Rock Drill-2”、德国“Me Bo”，美国“Williamson&Associates”等。

国内在海洋勘察装备研究与制造方面存在重资源、轻工程的局面，用于工程方面的勘察技术研发投入较低，造成：1）专业化程度低，产品覆盖面窄，无法与国外相比；2）功能单一，勘察平台以导管架式、坐底式、自升式等结构为主，基本偏重资源勘察，功能单一，尤其控制系统（软件）与国外差距较大。

2 勘探平台创新设计

针对海上工程勘探技术发展趋势，分析了国内外现有的勘探平台优劣，开展了一系列勘探平台技术研究与自主创新。本文详细介绍用于海上勘察各类平台创新设计成果及工程应用。

2.1 船载式“动”平台

海上船载平台勘察由于风、浪、潮、涌的影响，产生上下浮动、左右摇摆，作业时间受海况限制，难以获取高质量的土样。为此创新设计了一种独具匠心的海上移动勘探平台系统[2]。

船载式“动”平台包括模块化装配设计、三钻机钻进法、泥浆循环设计等创新技术[1]，优点有：1）不受地域限制；2）作业范围广，勘探水域囊括潮间带—近海水域；3）勘探综合成本低于国外同类产品50%以上[3]。

2.2 海床式“静”平台

海床式平台基座或桩腿竖立于海床上，最常用的是自升式平台，该平台主要由作业平台和液压升降装置组成。升降装置将桩腿插入海床，使整个平台升至海平面以上，然后在平台上实施勘探取样或原位测试，作业完成之后，收起桩腿，使平台降至海面上，通过拖航进行转场。自升式平台适用于浅海域原位测试与勘探取样，具有良好的稳定性，使基于陆域的静力触探、旁压试验、十字板剪切等试验可延伸至海域。但自升式平台高投入、高成本的缺陷，限制了它们的应用[4-5]。针对这些问题，研发一种适宜近海勘探与原位测试的海床式“静”平台，如图1所示。

图1 海床式液压升降平台Fig.1 Seabed hydraulic lifting platform

2.2.1 荷载动态控制设计

海洋地质较为复杂，一些区域海床起伏较大，局部存在上硬（砂土）、下软（黏土）的“硬壳”铁板砂，若平台桩靴基于该“壳”层上，则存在着穿刺风险。为此在作业平台内设有若干中空排列组合的箱体，箱体内设有传感器与控制线路，软件控制电磁阀开关对箱体内注水或排水，实现平台荷载动态控制。基于海床的平台上升脱离海面后，作业平台箱体内开始注水增荷，缩短平台的稳定时间；作业人员上平台前，箱体内排水减荷，平衡作业荷载。荷载的动态控制，既可加速平台基础稳定，又可消除穿刺所带来的安全隐患。

2.2.2 自航模块设计

自航模块有浆毂、叶片、舵叶、驱动等组成，固定在平台舷侧。自航模块上端设有方向舵，下端与舵叶连接，通过电机与调速开关，以全回转方式控制方向舵，实现平台自航转场。自航模块的应用，可解决同类产品无法自航转场的难题，实现降低勘探成本之目的。

2.2.3 桩靴环喷冲桩系统

海上工程勘探会出现频繁转场，即1个钻孔完成后转到另1个位置继续作业，转场之前需进行拔桩。由于海床地层复杂，拔桩过程存在桩腿埋置深度、土体特性、平台浮力、海况等变化因素，将桩靴从土体中拔出会产生巨大的摩阻力，降低拔桩阻力已成为海洋工程亟需解决的技术难题。创新一种桩靴内设冲桩水力分配器，冲桩分上中下3路支管，分别与靴顶、靴侧、靴底三面喷水口相连（图2）。拔桩腿时，高压泵通过水力分配器将水分别压入冲桩支管，使桩靴上部四周淤积土冲散，底部喷冲使靴土之间形成润滑层，从而减低桩靴底部吸附力。冲桩结构新颖设计，降低了桩腿提升过程中拔桩阻力，提升了勘探平台转场的效率。

图2 环喷冲桩结构图Fig.2 Structuraldrawing ofjetgrouting pile

海床式平台创新设计所具有的现场组装、自航转场，一次集成即可完成整片海区勘探作业，体现了转场便利、循环使用的节约理念，为海上工程基础设计提供了符合国际标准的土体物理及力学参数[6]。

2.3 “动-静”式双平台

为解决船载式“动”平台取样质量不高、海床式“静”平台成本高这对矛盾体，开发了一套基于船载的“动-静”组合双勘探平台，形成基于船载的“动-静”双作业平台模式，从而使陆域勘察装备和技术依托本创新成果而延伸至海域[7]。

双平台创新设计弥补了船载“动”平台无法开展原位测试项目的缺陷[8]，它的新颖性体现在：1）稳，“静”桁架平台安全性高；2）快，拆卸便利，转场快；3）省，双平台“动-静”设计，既能勘探取样，又能原位测试，体现出低成本技术优势。

2.4 一种卧于海床的勘探平台

现有的海床贯入式或井下贯入式平台，基于海床勘探取样或原位测试，若海床不平整或高低起伏，只能通过移位调整。钻进过程中，海床冲刷、钻进振动、土体液化等会产生基座倾斜，这种倾斜轻者使水下勘探路径偏移，使采集的地层数据真实性和可靠性降低；重者造成钻杆扭曲、折断及设备故障；更为甚者将导致设备倾覆事故，这些问题严重限制了这类平台在海上工程勘察中的应用[9]。

一种智能化实时调平海床式平台由数据、控制、通讯等模块组成，海床式平台内安装水下勘探或原位测试设备（图3）。数据模块用于采集作业面倾角传感器及支腿压力传感器实时数据；控制模块接收数据模块信号后，控制各支腿的升降，使平台作业面始终保持水平；通信模块通过上位机对水下平台状态进行实时监控和远程控制。

图3 海床式勘察平台结构示意图Fig.3 Structuraldrawing ofseabed survey platform

海床式平台具有远程智能化监控、自适应调平模式，可解决海床起伏及钻进过程，钻杆受海况影响造成径向扭损的难题，大幅降低恶劣环境导致的安全风险。

2.5 两栖勘察平台

近海工程覆盖范围涉及海陆两栖交接地带，这一区域通常称潮间带。潮间带具有涨潮时淹没退潮时裸露的特点，通常土质疏松、承载力低，以粉细砂、黏质粉土居多，形成路不能铺设、车无法到、船不能进、人与设备难以进入的勘察盲区，给原状取样及原位测试造成很大的困难。为此亟需一种专用于潮间带—浅海域的两栖勘探平台[10]。

两栖勘察平台的研发，具有滩涂行走、海域自航、两栖勘探作业。当两栖平台依靠履带驶入水中，具有2种方式：1）锚泊定位，勘探取样；2）平台升降，则可实施静态作业的原位测试项目。能有效解决这一区域工程勘察项目，同样，本创新也可用于江、河水域及砂质海岸、泥质海岸及潮间带区域勘察，用途广泛。

3 工程应用

勘探平台系列研究及应用关键技术主要针对近海域作业环境，以实现海上勘察高安全、高效率、低成本及保障工程质量为目标[11]，项目经过成果转换及一系列工程实践与验证，已应用于国内工程，如：洋山深水港区工程、中广核东海350 MW海上风电场勘察、福州港松下牛头湾泊位工程、华能太仓电厂工程、广西北部湾钦州码头工程、长江南京以下12.50 m航道整治工程、厦门新机场工程、辽宁盘锦和营口工程、漳州古雷半岛东侧港区等百余项工程勘察中。2007年开始，项目成果开始用于国外工程，如：马来西亚槟城二桥、吉布提LNG码头、墨西哥曼萨尼约集装箱码头、越南河静台塑钢厂码头、文莱PMB大桥、刚果（布）黑角港区、印度尼西亚巴淡岛电厂工程、柬埔寨西港电厂工程、刚果（金）马塔迪国际港、圣多美集装箱码头等20多项工程勘察中。