海洋岩土勘探施工及影响要素

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1引言

海洋工程是指以开发、利用、保护海洋资源为目的，并且工程主体位于海岸线向海一侧的新建、改建、扩建工程，具体包括：港湾工程(港口、船厂等)；以海底石油为中心的海洋矿产资源开发工程(海洋石油钻探平台、海底输油管线等)；海底电缆工程；海底隧道工程等。根据海洋工程相应规范中有关规定，海洋工程建设在设计和施工之前，必须按基本建设程序进行岩土工程勘察工作。海洋岩土工程勘察是指利用水上钻探、取样、原位测试、工程物探、工程测绘等综合手段查明水下沉积物的成分、结构、物理力学性质及水下地形等，为拟建场地的选择和拟建筑物的结构设计提供可靠的地质资料，以确保海洋工程的安全。

2海洋工程岩土工程勘察施工

2．1施工前期准备工作

(1)明确勘察阶段，勘察目的和任务；明确拟建工程的基本信息，包括工程规模、基础底面设计标高、码头前沿设计水深等。

(2)需要有附带施工海域水深图的拟建工区平面图，并要知道工区内3个或3个以上基准点的具体位置，并且其实际位置需和平面图中的位置相对应。基准点的作用是用来静态比对差分GPS，获取GPS定位系统中坐标系和工区平面图中坐标系的关系及换算参数。

(3)选择一个靠近海面已知高程的基准点作为验潮点(需保证高潮或低潮时都有水)，其作用是在开钻前、施工中、施工完毕时，采用钢卷尺在验潮点同步测量即时潮高(船上的技术人员在测量即时水深的同时，打电话或通过对讲机通知岸上验潮人员测量及时潮高)。海域钻孔通过验潮点高程、即时潮高值、即时水深值的处理，可确定钻孔海底孔口高程值。

2．2需要准备的仪器

(1)定位用的定位仪，即差分GPS，精度要求为亚米级(定位精度≤1．0m，在施工之前需要做静态稳定性检验，检验其是否稳定)，其作用是进行钻孔单点导航定位与偏移监控，导航定位方式采用差分GPS系统目标点导航，施工船抛锚固定后定位的方式，钻探就位偏差控制在允许偏差范围内。

(2)测水深用的测深仪，海域施工水深测量的目的是对钻探孔深进行水深校正，确保孔深值准确，并提供钻孔海底孑L口标高计算数据。水深测量要求在工作船就位之后测量一次(初始水深)，每次提钻时同步进行水深测量(即时水深)。

2．3施工组织

(1)需要有专业的海上钻探施工队伍。

(2)钻探设备：GXY型工程钻机，需配置单独的且动力大的泥浆泵。

(3)钻具要求：在海洋钻探过程中，为保护海面以下的钻具，在钻探时须下套管。为应对涨潮和落潮时套管的升降问题，有条件的施工队伍还需要配备海洋钻探专用滑管。

(4)船只的租用钻探船所必备的条件是：要有足够大的作业面积、要有绞锚设备、安全、不漏水、有动力。钻探船必须准备的东西：4口或4口以上50kg一100kg的铁锚，每口锚需要配备不少于150m的锚缆(锚缆长度可根据工区水深控制，一般长度不低于水深的1O倍)。常用的钻探船包括铁制专用钻探施工船(单体、双体)和捆绑式渔船，每条施工船均需配备一条小船作为抛锚运输补给船。

(5)海上钻探安全措施施工船作业平台四周需设置防护网，船上需配备灭火器、救生圈；施工及现场技术人员要穿救生衣，戴安全帽；船只上配备雾灯、航行信号灯等。

2．4了解当地气象及水文情况

(1)了解当地经常刮的风向(一般工区的哪一个方向没有岸或者山阻挡着，从这一方向吹来的风对海上定位及钻探施工影响也最大)。

(2)了解当地水流方向及潮水涨落的规律，水流和潮水涨落的关系。

(3)了解工区内是否有渔网、养殖区、暗礁、浅滩、海上漂浮物、海底管线等内容。

3施工过程

3．1抛锚定位

在抛锚的过程中要同时考虑实时风向、流向和海水涨落潮的规律(主要考虑流向和风向)。定位时，使GPS天线位于钻机井口正上方，实时导航指挥施工船，根据流向和风向下锚。具体过程如下：在顶流并远离孔位60nl～80m左右，下船艏前大锚，调整船头，使船头位于顶流的方向(如图2，同时考虑风向)，待船自由漂流至距孔位20m左右时，收紧前缆，通过抛锚船下船艏的另外一口锚，然后下船尾的另外两口锚，尽量使4口锚的位置呈交叉垂直状(如图2)，然后通过绞缆

设备收紧锚缆，调整船位至设计孔位，将船固定。核定实际就位坐标与设计孔位坐标误差在允许范围内，且船无漂移后，记录坐标值，而后开始钻探工作。

3．2海上钻探施工采用套管隔水，冲击钻进与回转钻进(结合套管跟进与泥浆护壁)相结合的方式，确保地层结实连续。

3．3海上钻探取样

淤泥质土、软粘性土和部分粉土原状样采用薄壁取土器匀速连续压人法采取；硬粘性土Ⅱ级原状样采用厚壁取土器以重锤少击法采取，硬粘性土Ⅲ级样及砂性土扰动样在钻进岩心管中采取，样品数量满足进行室内测试要求。取得土样之后及时密封，密封后每个土样均填贴标签(标签内容包括：工程名称及编号、钻孔编号、土样编号、取样深度、土类名称、取样日期、取样人姓名，用蓝色圆珠笔填写)，标签上下与土样上下一致，并牢固的粘贴于容器外壁。密封后将取得的土样置于温度及湿度变化小的环境中。待完成一部分钻孔后，将所取土样及时送回土工试验室进行试验。

3．4原位测试

包括标准贯人试验(针对砂类土、粘性土、粉土等)、圆锥动力触探试验(针对碎石层和卵石层)、静力触探试验(针对软弱土)、原位十字板剪切试验(针对淤泥质软弱土，当现场条件不允许时，可采用室内十字板剪切试验代替)。

3．5地质记录与施工班报记录

钻孔地质记录工作随同钻探进行，对钻探岩心按规定内容进行详细描述，并做到了记录清晰、描述准确。施工班报记录亦随钻探同时进行，对每一回次水深、钻具长度、机上余尺、岩心长度、采取率以及海况都进行了详细记录。钻探孔深=钻具总长度+主钻杆长度一钻机机高一机上余尺一平台至水面高度一实时水深。

4影响海上正常施工的因素

4．1风

风，即空气相对于地面的水平运动，是影响海上正常钻探施工最主要的因素。钻探船在出海作业的头一天，必须要知道第二天的天气预报，当天气预报海上风力在5级或5级以上(风向为对场地工区影响最大的风向)，或6级以上台风预警时，严禁出海作业。在海上钻探施工过程中突遇大风时，应立即停止施工，在无法坚持施工的情况下立即返港。一般情况下，天气预报中，海上的风向和陆地上的风向是一致的，但风力要比陆地上的强1级～2级，如天气预报内陆风向及风力为东北风3级～4级，则海上的风向和风力为东北风4级～5级。同时应注意预报中的阵风，所谓阵风是指风速在短暂时间内，有突然出现忽大忽小变化的风，阵风的产生对海上钻探施工影响极大。

4．2雨

下雨时，钻探船严禁出海作业，在海上钻探施工过程中突遇大雨时，应立即停止施工。

4．3雷电、闪电

由于海面空旷且没有障碍物，在闪电或雷电时，钻探船及设备很容易成为闪电击中的目标。在雷雨天时，钻探船严禁出海作业，在海上钻探施工过程中突遇雷电时，应立即停止施工，返港。

4．4波浪

海洋中的波浪可分为风浪、涌浪、近岸浪等数种，其中最常见的就是风浪和涌浪。风浪是海水在风直接作用下产生的水面波动。涌浪是其他海区传来、或者当地风力迅速减小或风向改变后遗留下来的浪(海面在长时间刮同一风向的风时，容易产生涌浪)。涌浪传到浅水区域时便形成近岸浪，近岸浪受海底地形影响，往往能量巨大，在岸边会产生惊涛拍岸的景象。一般情况下，当海面浪高在1．5m或以上时，会对海上钻探施工产生影响。在以往的海上钻探过程中，往往会出现海上风力很小，但涌浪很大的情况，无法正常施工，这是由于涌浪一般具有巨大的能量，只有随着时间的推移或海面刮起和涌浪传播方向相反的风时，其能量才会不断减小。

4．5水流、潮汐

水流的大小、方向往往和当地的近岸地形有关，一般情况下水流是沿着海岸顺时针或逆时针循环流动的，并且海水涨潮时的流向和落潮时的流向是相反的。在海上定位时，如果锚抛的位置不好或者船头没有顶流，在水流长时间的冲击下，钻探船很容易偏离原始点位，影响正常的钻探施工。

4．6海雾

海雾是海面低层大气中一种水蒸气凝结的天气现象，常呈乳白色，往往能见度小于lkm。大雾产生时。能见度很低，尤其是在海上航道内钻探时，容易产生撞船事故。解决方法：加强船艏和船尾的嘹望，在船桅杆上安置雾灯及信号灯，必要时要经常鸣笛。

4．7过往船只的影响

钻探船在定位后会在海面以上留下4条锚缆，过往船只由于船速过快，较难发现锚缆的位置，其螺旋桨容易和锚缆绞到一起，使钻探船偏离原始点位。解决方法：加强船艏和船尾的嘹望，在锚缆靠近锚的一端拴上有鲜艳颜色的漂浮物，避免过往船只绞缆，影响钻探施工。

4．8暗礁及浅滩

暗礁，指经常位于海面以下的岩体或礁体。多孤立地分布在海岸带的下部，是海上航行时的禁区，常对海上航运造成危害。在海上定位施工之前，应查找工区海图，并确定暗礁在海图上的确切位置，采取提前绕行的方法，并在航行过程中加强嘹望。浅滩，指水深较周围海区有明显变浅，顶部较平坦的海底高地。如果在浅滩的位置有钻孔，由于其水深浅，不能满足钻探船的最小吃水深度，船只无法正常航行并定位。解决方法：计算好涨潮和高潮的时问，先使钻探船尽量靠近点位，等海水涨至能满足船只正常航行后，再进行导航定位，并争取赶在落潮之前完成勘探施工。如果以上方法仍解决不了问题，则可以在施工点位附近搭置脚手架，做成简易施工平台，组织钻机施工。

4．9渔网、海带及海贝养殖区

海上定位和钻探施工时，尽量避开渔网及养殖区。如果有钻孔在渔网和养殖区内，则需要找到其所有人进行协商，在协商之前不可以到养殖区内定位及钻探，以免产生摩擦。

4．10海底管线

海底管线包括海底光缆、海底电缆、海底输送油管道等。在海上钻探施工之前，通过甲方要海底管线分布图，在海上定位时，注意海面上的警示标识。

4．11海上漂浮物

海上漂浮物包括生活垃圾、海冰、各种浮游植物等。这些漂浮物往往会随着海流漂移，钻探船会阻碍其漂移的路径，使漂浮物在钻探船的-N越积越多，影响船只整体的稳定性。

5钻探时突发情况及其处理

5．1脱锚

如果发生脱锚事故，应立即停止钻探，提钻、提套管，及时找出脱锚的原因，并重新下锚定位。造成钻探船脱锚的原因有很多：①在下锚的过程中，锚的位置不当；②锚型选择不当；③风浪及水流过大；④过往船只绞缆。解决方法：在下锚的过程中尽量使4口锚的位置呈交叉垂直状；根据海底地层的软硬选择合适的锚型；加强船艏及船尾的嘹望，在锚缆靠近锚的一端拴上有鲜艳颜色的漂浮物，起到警示作用。

5．2缆绳变松

由于海水的涨、落潮及水流方向的改变，会使原来收紧的锚缆变松，钻探船会移位。解决方法：加强船艏及船尾的嘹望，如发现锚缆变松，应立即收紧。

5．3埋钻

由于海底地层多为海相沉积的砂、碎石及卵石层，埋钻现象经常发生。为防止埋钻，在海上钻探过程中，应使用套管跟进并结合泥浆护壁的方法。如果发现埋钻，应立即停止施工，查找埋钻原因，根据不同的原因采取不同的处理方法。

5．4突遇大风、大浪、大雾等极端天气

海上钻探施工时，海况变化莫测。在突遇大风、大浪、大雾等极端天气时，应立即停止施工，在无法坚持施工时起锚回港。

6结语

海洋工程岩土工程勘察和陆地工程岩土工程勘察相比较，在施工过程、影响因素及遇到的突发状况等方面更为复杂，本文的目的是确保海洋工程岩土工程勘察质量的同时，避免事故的发生。