洋山深水港区工程海上勘探关键技术实施

胡建平，冯蓓蕾

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

洋山深水港区工程海上勘探关键技术实施

胡建平，冯蓓蕾

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

洋山深水港区是上海国际航运中心的核心港区，海上勘探处于开敞海域，远离大陆30多公里，海况恶劣、自然条件复杂、工程量大、工期短，技术难度之高在我国乃至世界沿海勘探史上实属罕见。围绕一系列关键技术进行研究，所取得的技术成果可供我国各行业水上工程勘探时参考。

洋山深水港区;海上勘探;移动平台;采样技术;室内测试

洋山深水港区建设核心是具有15 m以上水深的航道和集装箱泊位。这是我国第一个依托外海多岛礁的多汊道地形，在强潮流、高含沙量海域，通过封堵汊道、围海造地建设的超大型建港工程［1］。

该工程处于开敞海域，远离大陆30多公里，海况恶劣、自然条件复杂、工程量大、工期短、难点多、技术难度高在我国沿海勘探史上实属罕见。由于码头基础采用新工艺新技术，对勘探成果要求高，技术难度大，外海施工依托条件差，许多技术问题无规范遵循或借签类似工程经验。历时8年的海上勘探研发了十多项关键技术，应对复杂海况水上勘探、原位测试、采样运输、室内试验、成果处理、后期监测等各环节，这些技术的应用标志着我国沿海勘探技术的突破，展示了先进的水上勘探综合技术水平，可为今后类似重大、特大型复杂海况港口、跨海大桥等海上勘探提供一定的参照［2］。本文重点介绍洋山深水港区海上勘探中的一些关键技术。

1 勘探背景

1.1 地形地貌复杂

洋山深水港区位于浙江嵊泗大、小洋山开敞海域。北岛链一侧主要有镬盖塘岛、大岩礁岛、小岩礁岛、大指头岛等岛礁60多座，属海蚀残丘礁岛地貌类型。由于潮流冲刷侵蚀和沉积作用，水下泥面标高起伏较大，局部基岩裸露，局部区域淤积严重［3-4］。

1.2 自然条件恶劣

场区潮汐呈非正规半日潮，岛礁附近流态复杂，施工海域风大浪高，主通道及汊道内涨、落潮流速大，潮流湍急多变，冬季寒流、夏季台风频发，施工作业条件较差，施工天数大为受限。潮流与岛礁作用，导致岛礁附近流态复杂，通道内涨落潮流速大。

1.3 工程地质条件复杂

场区发育有较完整的冲海相、坡洪积相、残积相沉积物，厚度变化大，局部区域基岩裸露海底，工程地质性质不均匀，局部有新抛填或淤积的淤泥质土、松散砂以及抛石。基岩面基起伏大，顶板标高为-3～-53 m，起伏差高达50 m。

1.4 勘察工作技术要求高

拟建码头采用高桩梁板结构，接岸结构采用斜顶桩板桩承台型式，接岸后方陆域吹填施工方案。设计拟采用大直径嵌岩桩和大直径斜顶桩嵌岩桩，在基岩浅埋区，桩基需进入基岩一定深度，才能满足码头及驳岸承载力、变形、稳定性要求，增加了钻探技术难度，对勘察工作提出了更高的要求。

2 关键技术

2.1 水上勘探平台设计

洋山海域水深流急、流向多变、浪高，普通勘探船抗风、抗流能力差，海上钻探作业容易发生摇晃，直接影响取土(取芯)质量，导致标准贯入试验击数失真，严重时可致钻杆断裂掉落、船舶走锚等事故发生，不能保障水上勘探的质量和进程，为此采用经过改装的自航式平底工程船，开发出一套海上移动式平台系统，克服了普通勘探平台深水区作业难，成本过高的问题，该平台具有如下特色:

1)平台模块化设计，积木式组装，产品通用性广，利用潮汐落差可实现滩地勘探，大幅降低勘探成本(见图1);

2)采用三台钻机混合快速钻进法，大幅缩短水上勘探时间，在处理孔内卡钻故障时，集三钻机的提引力，快速处理故障，从而增加了水上勘探的安全性;

3)独创锚链交叉米字法，使大抓力锚的锚爪嵌入土更深，定位牢固，大幅提升平台系统抗急流能力;

4)独具匠心的钻具与平台快速分离法设计，体现安全第一、以人为本的理念;

5)独特的泥浆回收系统(见图2)，泥浆经双层过滤后得以循环使用，节约了资源，减少了对环境的污染，有效保护了洋山港海域自然环境、生态环境、社会环境。

图1 海上移动平台局部示意Fig.1 Partial drawing of offshore platform

图2 泥浆回收循环装置Fig.2 Mud reclamation setting

集多项关键技术的海上移动平台解决了水上勘探手段落后、成本高、易走锚等难题，并将气象影响因素大为降低，可比一般普通钻探平台有效作业时间提高30%以上。平台构件:槽钢、木板、木方、三角钻塔等拼装式设计(Component Design)，积木式组装，产品通用性广和运输便利。平台的拆卸和搭建基本在一天内完成，平台构件可以方便存放、搬运及重复使用，有效地控制了勘探成本。

2.2 原位测试技术

为了使十字板试验能适应海域的作业条件，使其能在洋山港区海上勘探中得到应用，急需发明一种高效、低成本、可行的水上十字板试验装置，摆脱目前国内水上十字板剪切试验只能依赖高成本固定平台的局面。

以本院研发的海上移动平台为介质，创造一种动、静态相结合的办法，在海域浅水区或滩地上进行十字板剪切试验［5］。这种动、静相结合的办法是依托海上移动平台，把十字板剪切仪连接在入土固定的套管上，同时使海上移动平台与入土的固定套管脱开，该发明装置使十字板剪切试验处于静态，避免了入土固定的套管受钻探船随潮汐涨落动态的影响，并在试验孔泥面处的套管部位设计了稳定控制板吸附于泥面，增强了套管作为支架的稳定性、支承力和抗拔力，如图3所示。解决了水域软粘性土原位不排水抗剪强度的测试问题，解决了目前国内在浮动平台上无法进行水上十字板剪切试验的难题。

图3 十字板剪切稳定装置Fig.3 Vane-shear steady setting

2.3 采样技术

洋山港区浅部发育深厚的淤泥及淤泥质软土层，最大厚度可达40 m以上，是港区天然浅基的主要不良地基土层，准确获取该软粘性土层的物理、力学性质指标，对于港区大范围地基处理方案的选取、设计将起到关键性作用。为提高取土质量，并准确测得淤泥质软粘性土的物理、力学指标，独创ABS工业塑料加表面活性剂配方硫水处理法，使衬筒内壁形成耐腐蚀、抗沾污保护层，保证了试样原状结构。较好地解决了镀锌铁皮衬筒和一些其它衬筒由于腐蚀、变形、沾土、渗水等问题，对原状土样造成的扰动影响，且清洗养护方便，周转使用寿命长，性价比高，适合回转压入取土器和其它击、压入取土器使用，以及海上勘探取土。

目前，国内外岩土工程勘察取样，一般采用无芯间隔取样和全断面间隔取样两种勘探工艺。这两种勘探工艺方法，都存在较大的缺陷。无芯间隔取样法:无法全断面取芯，不能了解两个土样之间间隔段土层的确切情况;全断面间隔取样法:土样的原始结构易受破坏，易造成缩孔、塌孔、土芯脱落等。自主研制的“双管单动活门式取芯取土器”，能成功采集浅表部流泥和淤泥土样，以进行回淤成分分析，使土芯采样率达到65% ～100%，原状土样达到Ⅰ、Ⅱ级的质量要求，钻进效率及钻进工艺提高50%以上，性能优于国内外同类产品［6］。

岩芯采取率的高低，对于准确查明基岩风化层的分布发育规律及其物理力学性质，设计时嵌岩桩嵌岩深度的确定至关重要。洋山工程海域浪高流急，岩芯采取时，钻杆及岩芯管晃动、碰撞厉害，岩芯极易掉落。为提高岩芯采取率，使用双管单动金刚石钻具多次变径技术，岩芯卡取时视岩层破碎情况分别采用卡料或卡环卡取法，使岩芯采取率提高到80%以上。

2.4 室内土工测试技术

室内土工试验全部采用自动化采集、处理。试验采用无人值守全自动加、卸荷系统，通过机电一体化传感器采集数据，实现了自动化、智能化数据采集、处理，提高了试验精度，缩短了试验周期。

室内土工试验涉及到取土器推土，目前国内普遍采用卧式手动或电动推土器来推出试样。前者劳动强度大，工作效率低;后者机械装置易磨损，土样易受震动，直接影响土样质量。由于是卧式，土样在推出过程中会产生弯曲变形，对于含水率较高的软、流塑状态土，极易扰动。影响了室内土工试验成果数据，以致不能正确反映出地基土层的真实性，结果导致设计对土质的评价减低，影响到设计方案，无形中会增加建设投资。

开发了无级、匀速“直立式电动液压推土器”［7］，该装置有:油箱、滤油器、油泵、调速节流阀、换向阀等部件，通过管道连接，依靠液体介质的静压力，完成能量的积压、传递、放大，结构原理如图4所示。该产品采用了三项关键技术:液压驱动技术、节能降耗技术、一机多用设计，具有推出速率均匀稳定，土样直立不变形保持饱和软土的原状性，土体不扭曲，并保持试样与地下时的直立状态一致，确保了土体结构的原状性，避免试样二次扰动。经洋山工程对软土的三轴不固结不排水剪切、三轴固结不排水剪切试验、前期固结压力试验、次固结系数、静止侧压力系数等特殊性力学试验等大量数据对比，结果表明试验精度、试验质量明显提高，确保了试验的有效性、可靠性，同时满足了试验子样数和规范要求。

独创一种新的测试方法“室内测定软土次固结系数的方法及测量装置”。根据“测定沉降速率”要求及软土特性，打破常规24小时测定法，利用全自动固结仪硬件控制系统自动加荷、增加测试时间、延长次固结系数e～lgt曲线、结合计算机动态实时采集软件处理等综合技术，能有效、便捷、准确地得到次固结系数。解决了目前国内外常规测试法无法得到准确的次固结系数难题。

K0系数的取得是使用静止侧压力仪通过试验获得。静止侧压力仪内的橡胶圈用来控制土体原状试样的侧向有效压力。由于原状试样直径与橡胶圈一致，安装土样时土体侧面与橡胶圈的侧壁易产生摩擦，而橡胶圈与土的试样之间的凹隙存在着空气，二者造成试验中获得的K0值偏小，数据不准。发明一种由油缸、活塞、注液筒、压力表、输水管、通接头等组成的“侧向变形控制技术”［8］，解决了轴向有效应力与侧向有效应力关系曲线不过坐标原点的缺陷，该发明解决了目前国内无法有效直接取得K0准确值的难题，得到了更客观、真实的土的静止侧压力系数K0指标，为工程设计参数的确定提供了精确、可靠的依据。

另外，采用轻质防震隔热材质组成的“土样运输箱”［9］，模块化设计、标准化结构，成本低，且各部件间连接、拆卸、冲洗方便，如图5所示。选用轻质塑料取代木材，既符合经济及环保要求，又达到抗震、保温、保湿作用，同时解决了土样运输和贮存中土样易扰动，无法保持其原始结构的难题。

正是这一系列关键技术，包括试样数据自动化采集、测定手段、试样运输等，保证了原始资料数据的准确性。

图4 推土器结构原理Fig.4 Push sample set structure principle

图5 土样运输箱结构Fig.5 Sample box structure

2.5 数据采集及成果处理技术

开发出拥有自主知识产权的“三航自动化采集系统接口数据转换软件V1.0”(简称:接口转换)等系列软件多项。“接口转换”能自动读取华勘自动化采集系统采集的各类原始土工试验二进制格式接口动态数据，实时屏幕显示，自动实现数据格式转换，生成各类土工数据成果表;与公司开发的适合大型港口工程的地质软件包衔接，实现土工与地质数据共享;使许多具有一定规律的重复性工作自动执行，提高了工作效率。软件采用基于控件的快速开发思想，ADODC与Data Grid的绑定，ADO数据访问技术;ADODC与SQL语言的联合使用，资源与代码重用，编码量少;通过OLE技术，VFP与Excel软件共享数据，达到数据互相转换［10］。

采用一种组合算法:“逐点插入和局部几何最优法”快速生成Delaunay三角网［11］，等高线追踪、等高线光滑处理、消影处理等项技术综合应用，解决了洋山工程大面积地形海量数据等高线机助成图。提出“空间三角棱柱体累加法”［12］，该算法较为准确地建立了洋山海域水下冲淤量及三维变化趋势模型。

各类算法及软件技术在工程上的应用，产学研结合，解决了工程难题，确保了工程品质。

2.6 后期监测技术

目前国内外对于变形观测精度达到一级或特级的监测点，要求采用强制归心装置，使归心误差小于0.1mm(建设部《建筑变形测量规范》JGJ8-2007)。强制归心装置需浇筑砼墩，而且占有一定的平面位置;存在浇筑砼墩时间长、造价高、不回收等弊端;而有的需观测部位无浇筑砼墩的条件。

采用自主研制的“隐蔽式强制归心测量觇标”［13］，独创隐式测量觇标关键技术，一种可在各类监测点上使用的觇标，且观测精度不受各种不稳定因素的影响。此觇标的标芯由于埋设于地面下，对建筑物的正常运营没有任何影响，可无人值守，提高了操作人员的安全性;另外已强制归心，不需要三脚架，使觇标的中心与监测点处于同一水平、铅垂线上，避免整平、对中等误差。该产品成本低、精度高、重量轻、携带方便，不需要浇筑强制归心的砼墩，从根本上改变了传统的工作模式。该发明首次用于洋山工程码头变形、沉降位移监测(如图6所示)。由于采用隐式设计技术，在国内外相关文献中，未见报道，具有创新性［14］。

图6 隐蔽觇标结构及工程应用Fig.6 Hidden survey target structure and application in engineering

3 实施效果

洋山深水港区工程自2002年6月开工建设以来，先后封堵了北港区的大乌龟～颗珠山汊道、小洋山～镬盖堂汊道、镬盖堂～小岩礁汊道，封堵前后完成勘探孔4千多个，钻探总进尺约14万m。正是这一整套核心技术的综合使用，解决了复杂海况下工程勘探的“瓶颈”问题，大大提高了质量与效率，从而为设计施工提供了更可靠翔实的工程地质依据，海上勘探技术上的重大突破，对我国沿海及水上勘探具有示范、参照作用。

4 结论与建议

深水港口将向外海、深水、大型化发展，水上勘探的核心技术是低成本、抗风浪的海上移动平台及相关技术，因此科技创新是关键。

1)海上波浪起伏，常伴有狂风和潮水，在天气和海况恶劣的作业环境下，想要在较长一段时间内比较精确地保持海上勘探作业的相对稳定，这无疑对安装其上的锚泊定位装置提出了更高、更严格的要求。在不增加锚重的条件下提高抓力，能够迅速、简便地抛入海中，便于收藏和运送，解决海上作业锚泊稳定的课题。

2)一种安全、低成本、有自航能力的升降式移动平台，工作时桩腿下放插入海底，平台被抬到离开海面的安全高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到大风浪时桩腿不至下陷，勘探完成后平台下移至海面，提升所有桩腿，自航到另外的钻孔位置，继续作业，该项技术有待进一步研究。

［1］程泽坤.洋山深水港区工程设计关键技术［J］.水运工程，2011，(1):17-23.

［2］钮建定，胡建平，冯蓓蕾，等.洋山港区水上勘探成套(关键)技术开发研究报告［R］.上海:中交第三航务工程勘察设计院有限公司，2011.

［3］钮建定，胡振明，陈智勇，等.洋山深水港区一～三期岩土工程勘察报告［R］.上海:中交第三航务工程勘察设计院有限公司，2008.

［4］乌孟庄，胡振明.洋山深水港管理中心工程岩土工程勘察［J］.港工技术，2007，(5):52-55.

［5］唐忠庆，钮建定，王海龙，等.十字板剪切试验装置:中国，ZL 200920070230.X［P］.2010-03-03.

［6］张蓓文.双管单动活门式取芯取土器水平查新检索报告［R］.上海:上海科学技术情报研究所，2008.

［7］冯蓓蕾，王照明，胡建平，等.直立式电动液压推土器:中国，ZL200920073912.6［P］.2010-04-07.

［8］钮建定，冯蓓蕾，胡建平.静止侧压仪侧向变形控制与研究［J］.中国港湾建设，2010，(6):61-63.

［9］胡建平.轻质防震隔热式土样运输箱:中国，ZL201020161438.5［P］.2010-04-06.

［10］冯蓓蕾.KTG全自动系统在土工试验中的应用［J］.水运工程，2008，(10):207-210.

［11］胡建平，虞祖培.基于AutoCAD的等高线自动绘制程序设计［J］.测绘通报，2008，(5):65-67.

［12］胡建平，吴卫平.Delaunay三角网在河床冲淤计算中的应用［J］.海洋测绘，2009，29(6):68-70.

［13］钮建定，虞祖培，胡建平，等.隐蔽式强制归心测量觇标:中国，ZL200920073912.6［P］.2010-04-07.

［14］朱文韵.隐蔽式强制归心测量觇标查新报告［R］.上海:上海科学技术情报研究所，2009.

Key technology for overwater drilling of Yangshan Deepwater Port Project

HU Jian-ping，FENG Bei-lei
(CCCC Third Harbor Consultants Co.，Ltd.，Shanghai 200032，China)

Yangshan Deep Water Port is the essential port of Shanghai International Shipping Center.Offshore exploration is on the open seas，more than 30 kilometers away from the mainland.The bad sea conditions，the complicated natural conditions，the heavy workloads，the short project time and many difficulties in the construction should be considered，and the high technology，rarely found in China，even in global coastal exploration history，is needed.The research on a series of key technology and the technological achievements will provide the reference for the water projects of China＇s various industries.

Yangshan Deep Water Port;offshore exploration;moveable platform;technologies of sampling;indoor test

U652.2

A

1005-9865(2012)03-0164-06

2011-10-24

胡建平(1956-)，男，江苏溧阳人，教授级高工，主要从事港口工程勘察技术开发与管理。E-mail:hu_jp2004@163.com