范懷斌　陸少鋒　刁　約　覃才勇　黃國松　李基銳

急流河段鉆機垂直導(dǎo)向技術(shù)的分析與應(yīng)用

范懷斌1陸少鋒1刁約2覃才勇1黃國松1李基銳1

（1.廣西新港灣工程有限公司，廣西 南寧 530200； 2.廣西大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，廣西 南寧 530004）

鉆機系統(tǒng)是炸礁工程船的配套設(shè)備。在急流河段中施工，水下礁石巖層較厚，水流湍急、水位變化大，鉆機套管壁與卡盤所受沖擊力變大，導(dǎo)致套管強烈震動無法進(jìn)行正常施工。文章通過實踐總結(jié)研發(fā)了鉆機垂直導(dǎo)向技術(shù)及鉆機桁架支撐系統(tǒng)，在鉆機卡盤的行程之外增加導(dǎo)向盤。按照急流灘最大流速計算套管所受極限工況，通過動平衡計算，確定卡盤推進(jìn)和提升套管的穩(wěn)定系統(tǒng)及導(dǎo)向盤之間的間距。通過使用鉆機垂直導(dǎo)向技術(shù)，當(dāng)流速達(dá)到6.5 m/s時，鉆機套管升降系統(tǒng)操作穩(wěn)定，垂直度偏差小于0.8%。

炸礁工程船；急流；鉆機；套管；垂直度

引言

工程船配套有成套的施工設(shè)備以完成特定的工作任務(wù)，在緩流河段及海上鉆孔爆破施工時，水流流速小于3.5 m/s，鉆孔時靠套管的自重就能保證垂直，不用其他輔助裝置就可進(jìn)行鉆孔作業(yè)。但在急流灘流速達(dá)到5 m/s時，套管進(jìn)入到水中2 m～3 m時，就不能繼續(xù)推進(jìn)，而且套管嚴(yán)重傾斜，無法進(jìn)行正常的施工。

國內(nèi)學(xué)者對模塊化船舶開展了一些相關(guān)研究，李博凌等[1]在水下基槽爆破中，根據(jù)基槽不同水深布置船位，設(shè)計孔網(wǎng)參數(shù)。李辰發(fā)等[2]通過增大船舶錨機噸位和六錨系統(tǒng)進(jìn)行船舶定位方法，采用漂浮式炸礁船的一種炸礁施工技術(shù)。譚紅瑩[3]對平臺上部組塊以及組塊鉆機模塊的常規(guī)工程管理模式進(jìn)行對比分析,探索組塊與鉆機分塊管理整合的優(yōu)勢。鄧錫斌[4]通過對海上鉆機和孔壓靜力觸探設(shè)備進(jìn)行技術(shù)分析，得出井下式孔壓靜力觸探設(shè)備更適用于近岸深水區(qū)作業(yè)。陸少鋒[5]提出在平板駁等水上平臺安置潛孔鉆機及相關(guān)設(shè)備。韋壯基[6]設(shè)計鉆機機架上段為折疊式，降低受風(fēng)面積和船舶重心，提高功效，提高了船舶通過能力。

基于以往的研究成果，本文設(shè)計了研發(fā)了鉆機垂直導(dǎo)向技術(shù)及鉆機桁架支撐系統(tǒng)，在鉆機卡盤的行程之外增加導(dǎo)向盤，可以實現(xiàn)急流灘河段穩(wěn)定施工。

1　鉆機套管導(dǎo)正鉆孔技術(shù)

1.1　施工船舶定位技術(shù)

鉆機船在剪刀水、泡水、旋渦、回流、橫流、風(fēng)等外界因素作用下，平面位置不穩(wěn)定，四錨纜定位系統(tǒng)發(fā)生前、后、左、右移位較大。五錨纜定位系統(tǒng)發(fā)生前、后移位較大，左、右移位困難。在回流、泡水區(qū)會發(fā)生前、后位移且變幅大，鉆機就位困難，孔位精度無法滿足爆破要求。六錨纜定位系統(tǒng)船舶平面位置穩(wěn)定，但船舶偏離前后兩主纜中心線后，受兩主纜的橫向力及水流力影響，船舶橫向移動困難，故其可作業(yè)的區(qū)域狹長，增加拋錨次數(shù)，降低施工效率。本方案使用七錨纜定位系統(tǒng)思路并進(jìn)行設(shè)計、研制，設(shè)計錨機布置方式，設(shè)計出合二為一錨機，減少錨機占位，便于集中控制系統(tǒng)，一個人就能夠完成船舶定位操作，解決船舶定位困難問題，施工作業(yè)得以正常開展。七錨纜定位系統(tǒng)如1所示。

圖1　七錨纜定位技術(shù)

1.2　船舶受力部位分析

選取最大垂線平均流速處斷面，航道寬度50 m，河面寬度60 m，最高施工水位水深11 m。鉆機船受水流沖擊力和風(fēng)力的部位有錨纜、定位樁、套管及其他附屬設(shè)備，通過受力分析計算，選擇定位錨機、錨纜直徑提供依據(jù)，風(fēng)荷載計算時取最大風(fēng)速作用，船舶水面以上部分迎風(fēng)面積包括船體、鉆架、駕駛樓、樁、套管及其他上層結(jié)構(gòu)。水流力動水荷載：船舶水下部分取最大流速進(jìn)行計算，摩擦阻力、興波阻力較小可以不考慮。套管、定位樁水下部分取最大垂線平均流速計算。詳細(xì)計算如下：

（1）風(fēng)荷載計算。

Wk——風(fēng)荷載（kPa），Wk=μsμzW ；

Μs——風(fēng)荷載體型系數(shù)；

Μz——風(fēng)荷載高度變化系數(shù)；

Wo——基本風(fēng)壓（kPa），Wo=（1/1600）V2；

V——最大風(fēng)速；

Ff——船舶所受風(fēng)荷載乘船舶迎風(fēng)面積（kPa）。風(fēng)速與船舶所受風(fēng)力的關(guān)系如表1所示：

因為OA = OB = 1,所以△OAB為等腰三角形.取AB中點M,連結(jié)OM,則OM為∠AOB的平分線,因此OM是鏡面的垂線.又OI是水平面的垂線,所以,OI與OM所成的角∠IOM即為鏡面與水平面所成的角.取BH中點N,連結(jié)MN,可知∠OMN = ∠IOM.

表1　水下套管與所受垂點流速、水流力的關(guān)系表

1.3　套管垂直導(dǎo)向系統(tǒng)

套管垂直導(dǎo)向系統(tǒng)是在原鉆機卡盤的行程之外增加導(dǎo)向盤，其由上部、下部導(dǎo)向盤組成，上部導(dǎo)向盤由左右擺臂組成，左右擺臂與鉆架連接，右擺臂上安裝彈性導(dǎo)輪、液壓裝置，左擺臂上安裝固定導(dǎo)輪，上部導(dǎo)向盤可以牢固抱緊套管或比較松弛的抱住套管或完全松開套管；下部導(dǎo)向盤由U形槽、彈性導(dǎo)輪組成，下部導(dǎo)向盤支撐套管。套管入水后，受動水壓力作用，通過套管將力傳遞到下部導(dǎo)向盤的彈性導(dǎo)輪和上部導(dǎo)向盤的彈性導(dǎo)輪。根據(jù)作用在套管上的最大主流方向上的垂線平均流速計算套管所受動水壓力的大小及作用點。通過力矩平衡計算，求出導(dǎo)向盤的彈性導(dǎo)輪壓力，再計算彈性導(dǎo)輪與套管之間摩擦力大小，確定卡盤推進(jìn)和提升套管需要的推動力大小，并合理選定卡盤動力以及上部、下部導(dǎo)向盤之間的間距。結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2　套管垂線導(dǎo)向系統(tǒng)

2　套管垂直導(dǎo)向系統(tǒng)受力分析

采用6點法測量水深H=11 m處套管垂線流速，測點位置的水深分別為表面、0.2 H、0.4 H、0.6 H、0.8 H、底層，套管上垂線流速分布如圖3所示。

圖3　套管垂線流速分布

根據(jù)各垂線點的流速，采用取兩點的平均流速、兩點間套管在垂直水流方向上的投影面積計算兩點間的水流力[7]，見表2所示。

表2 水下套管與所受垂點流速、水流力的關(guān)系表

套管受力分析如圖4所示。

圖4　套管受力分布

套管水下部分受水力矩[8]計算表3所示。

表3　套管水下部分受水力矩計算表

套管水上部分受力計算，上、下導(dǎo)向盤主要受力點為上、下導(dǎo)向盤的導(dǎo)向輪，上、下導(dǎo)向輪的受力與上、下導(dǎo)向盤之間的間距有關(guān)，其受力情況計算見表4所示。

表4　上下部導(dǎo)向盤間距與上下部導(dǎo)向輪受力計算表

從表4可以看出，本技術(shù)上、下部導(dǎo)向盤間距選擇在3 m～5 m比較合適，下部導(dǎo)向輪受力約65 KN，依據(jù)上下部導(dǎo)向輪的受力情況，再合理選取卡盤的推進(jìn)力和提升力，即可保證套管垂直并能順利完成拆裝。

3　套管垂直穩(wěn)定系統(tǒng)

炸礁船在急流灘施工時，水流和風(fēng)對作業(yè)的影響較大，而通常需水下鉆孔爆破的巖層較厚，需要使用十幾米的鉆桿。套管垂直穩(wěn)定系統(tǒng)布置于炸礁船的一側(cè)船舷，受限于船體尺寸，為保證船體在被風(fēng)情況下的橫搖穩(wěn)定性，采用桁架式鋼結(jié)構(gòu)機架系統(tǒng)如圖5所示。

圖5　桁架式鋼結(jié)構(gòu)機架系統(tǒng)

3.1　軌道式平行鉆機機架系統(tǒng)

3.2　軌道式平行鉆機機架結(jié)構(gòu)

軌道式平移鉆機鉆架包括鉆架板、滑輪組、固定卡扣、軌道底座。鉆架板分別與滑輪組及固定卡扣焊接，軌道底座固定在船上，通過滑動上方的滑輪組及操控固定卡扣，鉆架板上安裝鉆機，從而實現(xiàn)鉆機隨鉆架板在軌道底座的移動，軌道式平行鉆機機架如圖5所示。

圖6　軌道式平行鉆機機架

3.3　鉆機錨機安裝調(diào)試

船體組裝完成后，連接動力線路、照明線路、安裝鉆機、錨機設(shè)備等，鉆機由鉆架模塊、動力接入模塊、鉆進(jìn)模塊、導(dǎo)向模塊、操作平臺模塊組成。錨機由卷揚機、導(dǎo)覽器、錨纜、錨組成。

鉆機安裝：安裝順序鉆架模塊、操作平臺模塊、鉆進(jìn)模塊、導(dǎo)向模塊，檢查鉆架模塊垂直度，確保鉆孔垂直。安裝各模塊后，連接動力線路，對各模塊進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)，使其正常工作。

錨機安裝：安裝順序卷揚機、導(dǎo)覽器，連接動力線路，使錨機正常工作。

鉆機船調(diào)試：船上GPS測量定位系統(tǒng)導(dǎo)入調(diào)試區(qū)的電子放樣圖，測量鉆機的鉆孔中心位置坐標(biāo)，用另外一套GPS校核船上GPS測量定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，確保定位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。根據(jù)電子放樣圖上預(yù)設(shè)的錨位坐標(biāo)，指揮錨艇依次將主錨及錨纜、橫錨及錨纜拋設(shè)到預(yù)定的錨位，7門錨全部拋好后，緩慢收緊錨纜使船舶相對固定，觀察計算電子放樣圖上船舶位移幅度大小，繼續(xù)收緊錨纜，直至船舶位移幅度小于20 cm。指揮船舶移動使船上鉆機的鉆位與電子放樣圖的設(shè)計孔位重合，觀察鉆位與孔位位移變幅小于20 cm后，開啟導(dǎo)向模塊下套管，啟動鉆進(jìn)模塊鉆孔，鉆孔過程中監(jiān)控鉆位與孔位位移變幅情況，直至鉆孔合格，鉆機船調(diào)試完成。

3.4　制作錨固點及安裝系纜裝置

錨固點制作及埋設(shè)，錨固點有混凝土塊、石頭、鋼樁等等，混凝土塊錨固點是將帶鋼絲繩、系纜環(huán)的混凝土塊埋入土中，鋼絲繩另一端系快速脫纜鉤，鉆機船出纜時將纜繩系到快速脫纜鉤上，即可進(jìn)行移船定位；石頭錨固點是將纜繩直接繞在牢固的石頭上，引出鋼絲繩系上快速脫纜鉤，供船舶掛纜；鋼樁錨固點是用風(fēng)炮在巖石上鉆孔，將鋼樁埋入孔內(nèi)澆筑砼，鋼樁頭部安裝系纜環(huán)和快速脫纜鉤，供船舶掛纜。

3.5　定孔位

鉆機船駛?cè)胧┕^(qū)，在施工區(qū)上游按預(yù)設(shè)的錨位將兩門前主錨拋好，固定船舶，然后用錨艇將橫纜掛到預(yù)設(shè)的錨固點上。通過電子放樣圖控制錨纜使船舶移動到需要鉆孔的位置附近，停下船舶拋設(shè)后主錨。七錨纜布置好，指揮船舶移動使鉆機的鉆位與設(shè)計孔位重合，完成定孔位的工作。

3.6　垂直導(dǎo)向鉆孔

開啟套管垂直導(dǎo)向系統(tǒng)，其上部導(dǎo)向盤、下部導(dǎo)向盤分別抱住套管，控制上、下部導(dǎo)向盤抱緊力量，使套管緩慢入水，當(dāng)套管入水一定深度后，受水流力作用，套管與導(dǎo)向輪摩擦力逐步增大，套管靠自重不能往下，這時卡盤，上升至上部導(dǎo)向盤下，然后卡緊套管，給卡盤向下推進(jìn)力，卡盤帶著往下移動至下部導(dǎo)向盤，卡盤松開套管，上、下部導(dǎo)向盤抱緊套管，卡盤上升至上部導(dǎo)向盤，卡緊套管，同時上、下部導(dǎo)向盤放松抱緊套管的力量，給卡盤向下推進(jìn)力，卡盤帶著往下移動至下部導(dǎo)向盤。如此反復(fù)推進(jìn)，直至將套管壓至巖面，套管安裝完成，接著下鉆桿，鉆桿上連接著鉆頭、沖擊器，鉆頭接觸到巖面后，給沖擊器提供動力，使沖擊器工作，鉆頭沖擊巖石。先采用吊打的方法打出一個可以放套管的凹槽，套管嵌入凹槽在卡盤持續(xù)向下的推進(jìn)力作用下，套管能夠很好地護(hù)住炮孔孔口。垂直導(dǎo)向裝置鉆孔如圖7所示。

圖7　鉆機導(dǎo)正裝置工作圖

4　工程實踐

瀾滄江244界碑至臨滄港四級航道建設(shè)工程第4標(biāo)段項目，本項目位于景洪大橋下游39.0 km，河段長33.8 km，為Ⅳ級航道，航道尺度為2.5 m×50 m×330 m（航深×航寬×彎曲半徑），通航保證率為95%。主要灘險：三道拐、曼丙、鬼門關(guān)、那官、官木上灘、官木下灘、賀寬上灘、賀寬下灘、南班河口灘、梭欏灘、西瓜灘、無名灘、繡花灘、勐宋灘、大翻水灘、小哈灘、界碑灘共17個灘險，為枯水期彎道急流險灘兼有彎、險、窄、急等礙航特征，流速在 3.5 m/s～6.5 m/s。炸礁工程量42萬m3，設(shè)計計劃工期三年。通過研發(fā)應(yīng)用該技術(shù)，使項目順利完成灘險的施工任務(wù)。

圖8　灘險分布示意圖

5 結(jié)論

在鉆爆施工中，由于急流河段船舶定位困難，鉆爆船鉆機系統(tǒng)下套管沖擊力較大，只能采用裸露爆破工藝。采用急流河段鉆機垂直導(dǎo)向技術(shù)后急流河段水下鉆孔爆破才得以實施，避免了采用裸露爆破工藝。

（1）相對于裸露爆破，炸藥單位消耗量比鉆孔爆破使用炸藥量降低14倍左右，工作量大幅提高；

（2）在急流狀態(tài)下裸露藥包很難定位到設(shè)計位置上，爆破效果控制困難。使用急流河段鉆機垂直導(dǎo)向技術(shù)適應(yīng)性強、定位精確、節(jié)能降耗，是水運工程解決急流條件下礁石清除的新技術(shù)，有力推動了水運工程建設(shè)施工的發(fā)展。

[1]李博凌. 大連港進(jìn)口原油碼頭海底深水深孔炸礁技術(shù)研究[D]. 長沙: 長沙理工大學(xué)，2021.

[2]李辰發(fā)，何勇芳，應(yīng)海劍，等. 深海急流域薄盤礁的炸礁施工技術(shù)[J]. 爆破，2020，37(2): 103-105，120.

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[7]張堃元，金志光. 流體動力學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社，2019.

[8]JTS 144-1-2010. 港口工程荷載規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社，2010.

Analysis and Application of Vertical Guidance Technology of Drilling Rig in Rapids Reach

The drilling rig system is the supporting equipment of reef blasting engineering ship. During construction in the rapids, the underwater reef rock layer is thick, the water flow is turbulent, the water level changes greatly, and the impact force on the casing wall and chuck of the drilling rig becomes larger, resulting in strong vibration of the casing and failure of normal construction. Through practice, this paper summarizes and develops the drilling rig vertical guidance technology and drilling rig truss support system, and adds the guide plate outside the travel of the drilling rig chuck. The limit condition of casing is calculated according to the maximum flow velocity of rapids, and the distance between the stability system and guide plate of casing is determined by dynamic balance calculation. Using the rig's vertical steering technology, the rig's casing lift system operated stably at a flow rate of 6.5m/s, with a verticality deviation of less than 0.8%.

reef blasting engineering ship; rapids; drilling rig; branch pipe; verticality

U615

A

1008-1151(2022)06-0075-04

2022-03-15

廣西科技基地和人才專項（桂科AD20238084）；廣西重點研發(fā)計劃（桂科AB20297050）。

范懷斌（1984－），男，供職于廣西新港灣工程有限公司，碩士，從事港口與航道工程研究。

李基銳（1987－），男，廣西新港灣工程有限公司高級工程師，從事港口航道工程施工管理工作。