1、 收稿日期:2 0 1 2 - 0 7 - 3 1作者简介:郭培国( 1 9 6 8 - ) ,男(汉族) ,湖北武穴人,湖北地矿建设工程承包集团有限公司成都分公司副经理兼总工程师,高级工程师,探矿工程专业,从事地基与基础工程、岩土工程勘察设计、地质灾害防治工程等方面技术和管理工作。 p e g i o n g u o 1 6 3 . c o m工程勘察的水上钻探施工技术郭培国(湖北地矿建设工程承包集团有限公司,湖北武汉4 3 0 0 7 0)摘 要:水上勘察相较一般工程勘察有着诸多复杂影响因素,本文结合工程实例简单地介绍了水上钻探的施工流程、施工技术及施工安全等方面的内容,希望能为广大同行提
2、供借鉴。关键词:水上钻探;锚泊;定位;安全中图分类号:T U 4 4 3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 2 - 7 4 2 8 ( 2 0 1 2 ) S 1 - 0 0 8 0 - 0 3WaterDrillingTechnologyofEngineeringSurvey/GUOPei-guo( H u b e i G e o l o g y A n c h o r ; L o c a t e ; S e c u r i t y0 引言随着我国经济的发展,国家路网建设发展迅猛,大多数公路和铁路需要跨越江河湖泊,有些甚至需要跨越长长的海域。国家对电力的强盛需求也促使水力水电项目近几年发
3、展迅速,水上建筑物也在逐年增多,为保证建(构)筑物的设计安全,需要对水上建(构)筑物及其附近水域进行详细的勘察。水上勘探作为工程地质勘察的一部分,其施工技术和施工方法在工勘市场需求的推动下也日趋成熟。本文结合宜宾纸业有限公司整体搬迁技改项目取排水工程的岩土工程勘察实践,对水上钻探手续的办理、设备的选择、钻探技术要求以及施工安全等进行介绍和总结,以供大家参考。1 工程概况宜宾纸业股份有限公司整体搬迁技改项目位于长江上游的宜宾市南溪县,区内总体地势较平坦,为河流冲积形成的漫滩及长江级阶地。取排水管线的勘察工作共设计钻孔2 7个,其中水上钻孔6个。取水管线孔距为6 5 . 5 m ,取水泵房孔距为8
4、 m ,取水头孔距为2 4 3 0 m ;排水管线孔距为6 0 m 。场区地层为第四系全新统冲积( Q a l4 )砂卵层构成,下伏基岩为侏罗系中统遂宁组( J 2sn)砂岩。勘察水域水深为5 . 0 m 9 . 2 m 。2 施工准备水上勘察工程的准备工作和陆上勘察工程的施工准备有着很大的不同,工程进场后首先必须到航道管理部门办理各种手续以及施工许可证。同时着手钻探设备的选型和船舶的改装工作,在船舶出航前对参与水上钻探的人员进行技术和安全培训。2 . 1 手续办理由于是在长江航道上施工,开工前须先与航运、航务、水上公安部门联系,取得水上施工许可证,并向相关机构学习、了解施工期间维护航行的措施
5、和钻探过程中应注意的安全事项。航运监管部门在施工水域范围确定后,发布安全通告。作业船舶按有关规定须悬挂施工信号旗,固定船只的锚索上下游须设置浮标,并配备交通航运安全警示灯。2 . 2 平台选择水上钻探施工平台的选择可以根据施工水域水文条件确定,常用的有围堰筑岛平台、漂浮式平台、木笼或桁架平台、索桥平台和船舶平台等。一般在静水或水流流速不大、水深较浅的河道、池塘、湖泊中采用围堰筑岛平台、漂浮式平台。木笼钻探平台多用于靠近水边的水上钻探施工,其特点是稳定、安全、坚固。桁架式钻探平台一般用于浅水靠近岸边,水流较急的施工水域,要求钻孔浅,钻机体积小,重量轻。索桥平台属架空式钻探平台,一般在河水深,水流
6、急,钻船无法到位,木笼和桁架无法搭建的08探矿工程(岩土钻掘工程) 2 0 1 2年第3 9卷(增刊1 )地区使用。船舶平台适合水深1 0 m以上、水流急、浪大、航运频繁的江河、湖泊、水库或海洋上钻探施工。船舶平台有单体钻船和双体钻船平台。水上钻探采用船舶平台时必须考虑船体承受水流阻力、水流冲击力、风力以及钻进时的振动力。其计算公式如下 1 :( 1 )水流阻力R1 =FSV2式中,F为水流阻力系数,根据经验,一般铁船取0 . 1 7 ;S为船的湿润面积,可按S=L( 2T+ 0.8 5B)计算;L为船长;T为吃水深度;B为船底宽;V为水流速度。( 2 )水流冲击力R2 =FV2 / ( 2g
7、)式中,为冲击系数,流线型船只取0 . 7 5 ,直角型船只取1 ;为水的密度;F为船头挡水面积,等于船宽乘以吃水深度;G为重力加速度;V为水流速度。( 3 )风力R3 = 0.0 0 4AV2式中,A为受风面积;V为风速( 4 )钻进振动力钻进振动力没有确定的公式。一般应根据钻机的大小、动力类型、钻孔深度、钻孔口径、开动转速等因素综合考虑,特别应考虑是否使用吊锤冲击跟管等动荷载因素。本项目水上钻探施工水域水深9 1 3 m ,孔深1 2 1 4 m ,终孔直径不小于 9 1 m m 。因钻探点位处长江上游,水流湍急,因此选用6 0吨级采砂船改装为钻探船,钻探设备安装固定在钻探船上。2 . 3
8、 钻探设备选择水上钻探的施工设备应根据勘察设计要求的钻孔直径、深度,水域位置、工程地质条件、地形地貌以及施工水域具体情况等因素综合选择,合理搭配。( 1 )单体钻船钻探设备选择主要在满足钻孔要求的情况下,选用体积小,重量轻,拆卸方便,易吊运的设备。常用设备有X Y - 2 P C钻机, X Y - 1钻机, B W - 2 5 0 / 5 0泥浆泵, S 1 9 5柴油机, 3 k W柴油发电机组,管子三角塔架等。( 2 )双体钻船钻探设备的选择原则与单体钻船相同,都是在满足钻孔要求的前提下选小不选大。常用设备有X Y - 2钻机, X U - 3 0 0 - 2型钻机,B W 2 5 0 /
9、 5 0泥浆泵, S 1 9 5柴油机或S 1 1 1 5柴油机,8 k W和1 2 k W柴油发电机组,管子三角钻塔等。( 3 )索桥、木笼、桁架平台钻探设备的选择和漂浮式平台钻探设备的选择相同,木笼式平台一般对设备的选择并不严格,木笼内都是用各种重物垫实而成的,它的承受量较大;索桥和桁架式钻台要求比漂浮式钻台的设备要严格,由于索桥和桁架都不稳定,承受力有限,在条件许可的情况下,其他设备尽可能安装在岸上。根据施工要求及现场地质情况,本项目选用设备如下: X Y - 2型油压钻机1台套; B W 2 5 0 / 5 0型变量泵1台套;泥浆搅拌机1台;全站仪1台。3 锚泊定位水上钻探的定位包括钻
10、探平台定位和钻孔孔位定位,钻孔孔位确定后还需测定孔口标高。影响水上钻探孔位准确性的因素包括施工水域的水文条件、气候条件、平台的稳定性、作业人员的操作熟练程度、测量仪器的精度以及附近航道的船只吨位和繁忙程度等。3 . 1 平台锚泊平台定位前由技术人员根据钻孔的设计坐标制定出四个锚的位置坐标,并和航道管理人员一起确定平台定位方案,由航道管理人员指导,施工人员组织实施。平台锚泊前先做好相关准备工作,所有工作就绪后钻探船驶入孔位上游。钻探船可以通过自航初定位,陆上测量员利用全站仪进行方位和距离测量。当钻探船驶到孔位上游计算的锚定点时抛下前主锚,然后平行江岸顺流而下。与此同时,船上人员配合岸上全站仪的测
11、量人员注意观测,当船尾行至设计孔位时,停船抛锚,而后将后主锚、左右侧锚用抛锚船送至计算的锚位抛下。抛锚成功后,在锚绳上拴好浮漂,并且在浮漂上和锚绳上贴上反光膜和涂上反光漆,防止夜间行船时,误撞在浮漂和锚绳上。3 . 2 钻孔定位水上钻探钻孔定位方法较多,常见的有中心轴线标杆法和极坐标放样法,对于水流湍急的水域,也可采用G P S定位。水上钻探的孔位因水的流动性及船舶定位的复杂性等因素影响,一般完成一个测定一个。陆上测量员使用全站仪测定,通过对讲机和船上技术人员一起确定孔位,通过调整钻探船前后左右锚绳,使钻机立轴对正钻孔中心。然后下入 1 4 6 m m套管固定,并将套管砸入淤泥至基岩面。通过套
12、管和锚182 0 1 2年第3 9卷(增刊1 ) 探矿工程(岩土钻掘工程)绳稳定的船体在开钻前再次复测孔位,保证孔位误差满足设计要求。由于长江水面标高每天都在变化,导致套管口与钻井平台平面相对高度也经常发生变化,因此孔口标高也要经常进行校正。钻机就位后由岸边标高引测点测量即时水位的标高,进而确定孔口标高,每个回次前后均需量测水位的变化来修正孔口标高。必要时也可采用观潮站资料对水位进行修正。4 施工技术根据地层情况,采用多种不同的钻进方法。松散层采取单管硬质合金钻进、泥浆护壁、弹子钻头取心;破碎层钻进,为了提高岩芯采取率,改用双动双管钻具或孔底反循环钻进;进入完整岩层,岩石坚硬、孔壁完整不漏浆,
13、改用金刚石钻头清水钻进。4 . 1 套管水上钻探经常受水流影响而导致套管的垂直度难以保证,从而导致钻孔倾斜,使钻进无法顺利进行。为了保证套管的垂直下入,可以采用“上固下拉”法下套管 2 。所谓“上固” ,就是在机台平面上用套管夹将套管的上端固定, “下拉”就是用钢丝绳逆水流方向拉住套管脚,边放钢丝绳边下套管,钢丝绳不要放太快,必须保证套管垂直下入。4 5 . 2 泥浆制备本项目钻机安装在钻探船的前部,正好利用中间的船舱作为泥浆池制备泥浆。由于条件限制,本项目选用宜宾当地粘土作为固相介质,搅拌后加入纯碱搅拌均匀,然后加入溶解好的P W植物胶溶液。泥浆性能指标分别达到如下标准:比重1 . 1 5
14、1 . 2 0 ,粘度2 5 3 0 s ,失水量2 0 3 0 m l / 3 0 m i n , P H值8 9 。4 . 3 岩芯采取率对于上覆松软土层:采用孔底干钻加投珠的方法采取。将单管钻具下入孔内,通泥浆冲洗液回转钻到接近孔底后,关掉泥浆泵进行干钻,稍后投入钢珠。提钻后,将变径接头内钢珠倒出,用泥浆泵冲压,即可将管内土样压出,每回次进尺应控制在2 m内。通过这种方法,土芯采取率可达到9 0 %以上。对于卵石层的取芯:卵石层取芯一直是工程勘察中的一个难点,不同的地层厚度、不同粒径的卵石、不同的胶结物必须采用不同的取芯方法。常用的方法有:跟管钻进取芯、多重管跟管金刚石钻进取芯、特殊泥浆
15、护壁钻进取芯、反循环钻进取芯等方法。由于本项目钻孔孔深较浅,采用跟管钻进,为了提高岩芯采取率,保证砂卵石级配不被破坏,在硬质合金钻头上钻6个 1 5 m m的小孔,将废钢丝绳割成8 0 1 0 0 m m长,穿入钻头小孔用电焊焊牢,依靠钢丝绳的弹性使岩芯进入钻头达到取芯的目的。为提高岩芯采取率,控制回次进尺,一般为0 . 4 m 0 . 7 m 。本项目岩层为侏罗系中风化砂岩,硬度低,直接采用硬质合金钻头钻进取芯,钻进效果好,取芯率基本上达到8 5 % 。5 施工安全水上钻探平台作为一个独立的特殊作业单元对安全的要求远比陆上钻探复杂得多,因此在进行水上作业前必须做好安全应急预案,建立完善的安全
16、保证措施,以确保作业人员与财产的安全。( 1 )项目开始后,对所有船上作业人员进行安全教育,特别是水上基本安全知识及安全操作规程教育,并与每个作业人员签订安全协议。( 2 )钻探船上备有足够的救生衣、救生圈、医药箱、通信设备、船只堵漏和消防器材,并放置在明显的位置。( 3 )钻探船四周安设牢固的防护栏杆,栏杆上悬挂醒目的施工信号旗。钻探船定位锚绳上方设置浮标,并配有交通航运安全警示灯。( 4 )夜间无论是否施工都必须开启照明灯,为过往船只引航,以免发生撞船事故。( 5 )随时监听气象预报,观察水位情况,如遇大风,暴雨大汛,迅速撤离。6 经验总结水上钻探受作业场地和作业环境诸多因素的影响,勘察施工和陆上作业有着完全不同的工艺办法。从平台的选择和定位、钻探设备的选型、合理钻进工艺的使用到水上作业安全事项等等都给施工单位提出了更高的要求。参考文献: 1 任良治.汛期江上工程钻探施工实践.探矿工程(岩土钻掘工程) , 2 0 1 0 , 3 7 ( 9 ) : 5 8 - 5 9 . 2 李维滔,李安军.珠江八大出海口门整治工程水上钻探技术.西部探矿工程, 2 0 0 5 , 1 1 ( 7 ) : 6 3 .28探矿工程(岩土钻掘工程) 2 0 1 2年第3 9卷(增刊1 )
