鈕建定,李孝杰,胡建平
(中交第三航務工程勘察設計院有限公司,上海 200032)
近海工程勘察取樣或原位測試需依托海上勘探平臺實施。常用的勘探平臺有基于船載的“動”平臺和基于海床的“靜”平臺2類。其中,船載式“動”平臺易受風、浪、涌等海況影響,難以開展海上原位測試項目;海床式“靜”平臺樁腿基于海床或基座臥伏海床,能夠獲?、瘛蚣壴瓲钔翗雍驮粶y試參數(shù),但存在著高成本、低效益等難題。因此,需對中外勘探平臺的現(xiàn)狀進行研究與創(chuàng)新設計。
1)船載式“動”平臺
船載式勘探平臺通常采用工程船或駁船為載體搭建,按其推進能力,分自航與非自航2種,為了轉(zhuǎn)場靈活,優(yōu)選自航式工程船,無需拖輪及大型吊裝設備??碧狡脚_按船型選擇船中、端部、舷側(cè)分布,采用積木式拼裝搭建,安裝簡便,因而能以最快的速度投入海上勘察。船載式平臺發(fā)展至今,具有安裝簡便、轉(zhuǎn)場快、成本低的優(yōu)勢,已成為我國近海工程勘察首選。但它的缺陷也很明顯,穩(wěn)定性弱,表現(xiàn)在:基于勘探平臺上的鉆機及設備會隨船上下運動,盡管研究人員采用多種波浪補償技術,對動平臺上的鉆進設備進行波浪補償,使之保持相對“靜止”或使搖擺和升沉位移降低,仍難以取得高質(zhì)量的原狀土及進行原位測試,降低了我國企業(yè)參與國際競爭的能力。
2)海床式“靜”平臺
海床式平臺通常由樁腿、樁靴、升降控制系統(tǒng)等組成,控制系統(tǒng)采用齒輪齒條或液壓頂升方式,平臺基于海床上。首先,控制系統(tǒng)將樁腿下部樁靴插入海床上,使平臺整體沿樁腿上升出海面,從而避開浪、潮、涌等對勘探的影響??碧娇淄瓿珊?,將作業(yè)平臺下降至海面,利用浮力及沖樁系統(tǒng)之間的配合將樁腿拔出海床,然后轉(zhuǎn)場至另一孔位,繼續(xù)作業(yè)。2011年,為承接喀麥隆克里比深水港工程,中交四航院采用自主研發(fā)的“理想”勘探平臺,展現(xiàn)了我國海上勘察裝備制造的技術水平。由于此類平臺制造及維護成本高昂,影響了這類平臺的發(fā)展[1]。
歐美等海洋強國擁有近海勘察三大技術:1)船載式定制化專用勘察平臺,如:德國“METEOR”、美國“JOIDES Resolution”、荷蘭Gusto MSC、西班牙“SUELO”等;2)海床貫入式平臺,依靠水下動力設備將原位測試探頭貫入至土層中,如:荷蘭范登堡公司的ROSON海床式靜力觸探系統(tǒng);3)井下貫入式平臺,依靠海洋鉆機,以鉆孔的孔底為基準將原位測試探頭貫入至土層中,如:英國BGS研制的“Rock Drill-2”、德國“Me Bo”,美國“Williamson&Associates”等。
國內(nèi)在海洋勘察裝備研究與制造方面存在重資源、輕工程的局面,用于工程方面的勘察技術研發(fā)投入較低,造成:1)專業(yè)化程度低,產(chǎn)品覆蓋面窄,無法與國外相比;2)功能單一,勘察平臺以導管架式、坐底式、自升式等結構為主,基本偏重資源勘察,功能單一,尤其控制系統(tǒng)(軟件)與國外差距較大。
針對海上工程勘探技術發(fā)展趨勢,分析了國內(nèi)外現(xiàn)有的勘探平臺優(yōu)劣,開展了一系列勘探平臺技術研究與自主創(chuàng)新。本文詳細介紹用于海上勘察各類平臺創(chuàng)新設計成果及工程應用。
海上船載平臺勘察由于風、浪、潮、涌的影響,產(chǎn)生上下浮動、左右搖擺,作業(yè)時間受海況限制,難以獲取高質(zhì)量的土樣。為此創(chuàng)新設計了一種獨具匠心的海上移動勘探平臺系統(tǒng)[2]。
船載式“動”平臺包括模塊化裝配設計、三鉆機鉆進法、泥漿循環(huán)設計等創(chuàng)新技術[1],優(yōu)點有:1)不受地域限制;2)作業(yè)范圍廣,勘探水域囊括潮間帶—近海水域;3)勘探綜合成本低于國外同類產(chǎn)品50%以上[3]。
海床式平臺基座或樁腿豎立于海床上,最常用的是自升式平臺,該平臺主要由作業(yè)平臺和液壓升降裝置組成。升降裝置將樁腿插入海床,使整個平臺升至海平面以上,然后在平臺上實施勘探取樣或原位測試,作業(yè)完成之后,收起樁腿,使平臺降至海面上,通過拖航進行轉(zhuǎn)場。自升式平臺適用于淺海域原位測試與勘探取樣,具有良好的穩(wěn)定性,使基于陸域的靜力觸探、旁壓試驗、十字板剪切等試驗可延伸至海域。但自升式平臺高投入、高成本的缺陷,限制了它們的應用[4-5]。針對這些問題,研發(fā)一種適宜近??碧脚c原位測試的海床式“靜”平臺,如圖1所示。
圖1 海床式液壓升降平臺Fig.1 Seabed hydraulic lifting platform
2.2.1 荷載動態(tài)控制設計
海洋地質(zhì)較為復雜,一些區(qū)域海床起伏較大,局部存在上硬(砂土)、下軟(黏土)的“硬殼”鐵板砂,若平臺樁靴基于該“殼”層上,則存在著穿刺風險。為此在作業(yè)平臺內(nèi)設有若干中空排列組合的箱體,箱體內(nèi)設有傳感器與控制線路,軟件控制電磁閥開關對箱體內(nèi)注水或排水,實現(xiàn)平臺荷載動態(tài)控制?;诤4驳钠脚_上升脫離海面后,作業(yè)平臺箱體內(nèi)開始注水增荷,縮短平臺的穩(wěn)定時間;作業(yè)人員上平臺前,箱體內(nèi)排水減荷,平衡作業(yè)荷載。荷載的動態(tài)控制,既可加速平臺基礎穩(wěn)定,又可消除穿刺所帶來的安全隱患。
2.2.2 自航模塊設計
自航模塊有漿轂、葉片、舵葉、驅(qū)動等組成,固定在平臺舷側(cè)。自航模塊上端設有方向舵,下端與舵葉連接,通過電機與調(diào)速開關,以全回轉(zhuǎn)方式控制方向舵,實現(xiàn)平臺自航轉(zhuǎn)場。自航模塊的應用,可解決同類產(chǎn)品無法自航轉(zhuǎn)場的難題,實現(xiàn)降低勘探成本之目的。
2.2.3 樁靴環(huán)噴沖樁系統(tǒng)
海上工程勘探會出現(xiàn)頻繁轉(zhuǎn)場,即1個鉆孔完成后轉(zhuǎn)到另1個位置繼續(xù)作業(yè),轉(zhuǎn)場之前需進行拔樁。由于海床地層復雜,拔樁過程存在樁腿埋置深度、土體特性、平臺浮力、海況等變化因素,將樁靴從土體中拔出會產(chǎn)生巨大的摩阻力,降低拔樁阻力已成為海洋工程亟需解決的技術難題。創(chuàng)新一種樁靴內(nèi)設沖樁水力分配器,沖樁分上中下3路支管,分別與靴頂、靴側(cè)、靴底三面噴水口相連(圖2)。拔樁腿時,高壓泵通過水力分配器將水分別壓入沖樁支管,使樁靴上部四周淤積土沖散,底部噴沖使靴土之間形成潤滑層,從而減低樁靴底部吸附力。沖樁結構新穎設計,降低了樁腿提升過程中拔樁阻力,提升了勘探平臺轉(zhuǎn)場的效率。
圖2 環(huán)噴沖樁結構圖Fig.2 Structuraldrawing ofjetgrouting pile
海床式平臺創(chuàng)新設計所具有的現(xiàn)場組裝、自航轉(zhuǎn)場,一次集成即可完成整片海區(qū)勘探作業(yè),體現(xiàn)了轉(zhuǎn)場便利、循環(huán)使用的節(jié)約理念,為海上工程基礎設計提供了符合國際標準的土體物理及力學參數(shù)[6]。
為解決船載式“動”平臺取樣質(zhì)量不高、海床式“靜”平臺成本高這對矛盾體,開發(fā)了一套基于船載的“動-靜”組合雙勘探平臺,形成基于船載的“動-靜”雙作業(yè)平臺模式,從而使陸域勘察裝備和技術依托本創(chuàng)新成果而延伸至海域[7]。
雙平臺創(chuàng)新設計彌補了船載“動”平臺無法開展原位測試項目的缺陷[8],它的新穎性體現(xiàn)在:1)穩(wěn),“靜”桁架平臺安全性高;2)快,拆卸便利,轉(zhuǎn)場快;3)省,雙平臺“動-靜”設計,既能勘探取樣,又能原位測試,體現(xiàn)出低成本技術優(yōu)勢。
現(xiàn)有的海床貫入式或井下貫入式平臺,基于海床勘探取樣或原位測試,若海床不平整或高低起伏,只能通過移位調(diào)整。鉆進過程中,海床沖刷、鉆進振動、土體液化等會產(chǎn)生基座傾斜,這種傾斜輕者使水下勘探路徑偏移,使采集的地層數(shù)據(jù)真實性和可靠性降低;重者造成鉆桿扭曲、折斷及設備故障;更為甚者將導致設備傾覆事故,這些問題嚴重限制了這類平臺在海上工程勘察中的應用[9]。
一種智能化實時調(diào)平海床式平臺由數(shù)據(jù)、控制、通訊等模塊組成,海床式平臺內(nèi)安裝水下勘探或原位測試設備(圖3)。數(shù)據(jù)模塊用于采集作業(yè)面傾角傳感器及支腿壓力傳感器實時數(shù)據(jù);控制模塊接收數(shù)據(jù)模塊信號后,控制各支腿的升降,使平臺作業(yè)面始終保持水平;通信模塊通過上位機對水下平臺狀態(tài)進行實時監(jiān)控和遠程控制。
圖3 海床式勘察平臺結構示意圖Fig.3 Structuraldrawing ofseabed survey platform
海床式平臺具有遠程智能化監(jiān)控、自適應調(diào)平模式,可解決海床起伏及鉆進過程,鉆桿受海況影響造成徑向扭損的難題,大幅降低惡劣環(huán)境導致的安全風險。
近海工程覆蓋范圍涉及海陸兩棲交接地帶,這一區(qū)域通常稱潮間帶。潮間帶具有漲潮時淹沒退潮時裸露的特點,通常土質(zhì)疏松、承載力低,以粉細砂、黏質(zhì)粉土居多,形成路不能鋪設、車無法到、船不能進、人與設備難以進入的勘察盲區(qū),給原狀取樣及原位測試造成很大的困難。為此亟需一種專用于潮間帶—淺海域的兩棲勘探平臺[10]。
兩棲勘察平臺的研發(fā),具有灘涂行走、海域自航、兩棲勘探作業(yè)。當兩棲平臺依靠履帶駛?cè)胨?,具?種方式:1)錨泊定位,勘探取樣;2)平臺升降,則可實施靜態(tài)作業(yè)的原位測試項目。能有效解決這一區(qū)域工程勘察項目,同樣,本創(chuàng)新也可用于江、河水域及砂質(zhì)海岸、泥質(zhì)海岸及潮間帶區(qū)域勘察,用途廣泛。
勘探平臺系列研究及應用關鍵技術主要針對近海域作業(yè)環(huán)境,以實現(xiàn)海上勘察高安全、高效率、低成本及保障工程質(zhì)量為目標[11],項目經(jīng)過成果轉(zhuǎn)換及一系列工程實踐與驗證,已應用于國內(nèi)工程,如:洋山深水港區(qū)工程、中廣核東海350 MW海上風電場勘察、福州港松下牛頭灣泊位工程、華能太倉電廠工程、廣西北部灣欽州碼頭工程、長江南京以下12.50 m航道整治工程、廈門新機場工程、遼寧盤錦和營口工程、漳州古雷半島東側(cè)港區(qū)等百余項工程勘察中。2007年開始,項目成果開始用于國外工程,如:馬來西亞檳城二橋、吉布提LNG碼頭、墨西哥曼薩尼約集裝箱碼頭、越南河靜臺塑鋼廠碼頭、文萊PMB大橋、剛果(布)黑角港區(qū)、印度尼西亞巴淡島電廠工程、柬埔寨西港電廠工程、剛果(金)馬塔迪國際港、圣多美集裝箱碼頭等20多項工程勘察中。
集多項創(chuàng)新設計的勘探平臺系列技術為解決海上勘探成本高、質(zhì)量低等難題提供了有益參考,并將海況影響勘察的因素大為降低,提升了我國海洋工程勘察走向世界的能力。
1)船載式“動”平臺模塊化裝配、拼裝式組裝、三鉆機鉆進法、泥漿循環(huán)系統(tǒng)等設計,突破了我國現(xiàn)有規(guī)范(≤5級海況)的限制,使“動”平臺海上勘探作業(yè)時間延長30%以上。
2)海床式“靜”平臺載荷動態(tài)控制、自航轉(zhuǎn)場、樁靴環(huán)噴沖樁等創(chuàng)新設計,構成集模塊化、多功能、易運輸?shù)纳凳狡脚_,形成了一套海上“靜”作業(yè)勘探解決方法。
3)海上“動-靜”雙平臺新穎設計,實現(xiàn)了一船多用、資源共享、成本最低、效益最大的勘察作業(yè)模式,既滿足海上勘探原狀取樣,又解決原位測試的需求。
4)海床式勘察平臺具有遠程監(jiān)控、自適應調(diào)平,開創(chuàng)了水下勘探作業(yè)新模式,降低了海床沖刷與鉆進振動導致勘察平臺傾斜的風險。
5)兩棲勘察平臺提供了潮間帶、灘涂至淺海域一體化勘察能力,解決了目前勘察涉水受制于漲退潮,涉灘則存在筑路、圍堤、建拆平臺的反復過程,有效降低勘察成本。
上述創(chuàng)新于針對潮間帶—淺海水域勘察,也為今后我國建設工程跨向遠海、深海技術開發(fā)提供了有益參考。