自航式水上移动平台关键技术

钮建定，胡建平

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

随着我国经济的高速发展，跨海大桥、港口码头及沿海各类基础设施等建设工程均涉及到水上勘探，这些工程的建设为地质勘探行业的发展提出了新的机遇和挑战。水上勘探主要是指在沿海、江河、湖泊等区域进行的钻孔工作，其中海域和江河上勘探施工难度较大，江河水流湍急，海上潮差大，风浪、涌浪多变，为此，对水上勘探平台及相关技术进行研究，以确保移动平台的稳泊，从而进行水上勘探、取样，查明地层分布、地质构造、岩体的风化程度、岩土的物理力学性质等，无疑对水上勘探平台及相关技术提出了更高、更严格的要求。

目前，国内外水上工程勘探存在着两大主要矛盾：工程勘探合同费用偏低；勘探作业受自然环境制约。因此，加快水上勘探技术的研究，开发一种低成本、高效率的移动平台系统及相关技术是关键[1-2]。本文重点介绍自航式水上移动平台系统中的关键技术。

1 常用勘探平台

目前在浅海潮汐区域、江河水域中常用勘探船实施钻探。在水深流急、流向多变、浪高等情况下进行水上勘探作业，受风、浪、流等各方面条件限制，勘探过程中钻杆易发生摇晃、抖动，影响取土（取芯）质量，导致标准贯入试验击数失真和岩芯脱落，严重时导致钻杆断裂、钻具损坏以及船舶走锚等安全事故[3-4]。为此，各种形式的水上勘探平台应运而生。

1.1 固定式勘探平台

固定平台大都建在近岸浅水中，主要有围堰筑岛法、伐式、木笼基脚式、桩基式平台等4种。

1）围堰筑岛法一般适应在1m以内水深，流速不大的江河浅水区或浅海潮汐区域及水塘中。可由草袋围堰、枕木垛、筑岛等方式建平台。

2）伐式平台适应水深在5m以内、水流平缓的水域或有一定水深的湖泊、滩地上，采用竹、木、废弃油桶等捆扎拼装而成。

3）木笼基脚式平台适应水深在3m以内，用数根圆木打入水下并入土一定深度，用竹片或柳条编织成筏笼，再用卵、碎石，外围大石块，形成木笼基脚，上面放置方木，铺设木板形成平台。

4）桩基式平台是借助导管架固定在水底而高出水面不再移动的装置，支撑固定平台的桩腿直接打入水下，并入土一定深度，平台上面铺设甲板用于放置钻机等设备。

固定式勘探平台的稳定性好，但因平台体积较大、移动困难、重复利用率低，易受潮汐涨落、流速等影响，且搭建和拆卸费事，故勘探成本较高，目前水上勘探不常采用。

1.2 自升式勘探平台

自升式勘探平台由平台、桩腿和升降机构组成，无自航能力。平台能沿桩腿升降，即不勘探时，把桩腿升高，平台浮在水面；勘探时，用拖轮把平台拖到作业区，利用驱动装置将桩腿插入海底一定深度，使平台升到不受潮、浪、涌的影响高度，实施水上勘探作业。自升式勘探平台皆为多腿式，四腿较多，升降机构驱动方式有葫芦滑轮组合、液压驱动及电动机驱动等方式。这种平台对水深适应性强，工作稳定性好，在我国水上勘探中有一定的应用。

但由于自升式勘探平台在建造过程中需较多的辅助设备，成本较高；在使用过程中，由于水底土质软硬不均，桩腿需随时调整，故单孔钻进时间较长；平台构件无法满足远距离运输，特别是境外工程勘探。鉴于以上多种原因影响了自升式勘探平台在水上勘探工程中的广泛应用。

1.3 浮船式勘探平台

浮船式勘探平台不固定在某水域作业，当一个钻孔完成后可迅速移到另外一个钻孔位置，能适应不同水域、水深、角度的水上勘探作业。这类平台通常在机动船或驳船上搭建，按其推进方式可分为自航式、非自航式；按其在船上的布置可分为端部式、两舷式和船中式平台，还有一种将勘探装置放在双体船上的浮动平台。浮船式勘探平台可用现有的船只进行改装，因而能以最快的速度投入使用。勘探船的排水量从数十吨到几百吨不等，一般采用锚泊定位。该类平台的缺点在于当遇到风、浪、潮时，会发生倾斜、摇摆、平移和升降现象，易走锚，稳定性相对较差，给勘探带来困难。

2 自航式移动平台关键技术

针对以上各类勘探平台所存在的较多问题，本着经济、合理、技术可行的原则，经在工程实践中不断改进、优化，研制一种新型水上勘探平台系统显得尤为重要。

经过多年的实践，选用一艘普通有自航能力的工程船舶或驳船（平底船舶为佳）作为浮体，配上我院研发的勘探平台系统构成的自航式移动平台，利用涨、落潮搁滩作业，有效降低了勘探成本。该系统运用多项关键技术应对海况恶劣、多岛礁、多汊道、强潮流、高含沙的外海海域水上钻探，不但获得了较好的效果，还填补了多项国内大型港口工程水上勘探的技术空白。其创新性、先进性成果具体如下[6-8]：

1）平台模块化设计（如图1）、积木式组装，使产品的通用性、移植性更强。利用潮汐落差可实现滩地勘探，降低了勘探成本；

图1 水上移动平台局部示意图

2）首创水上多钻机混合快速钻进法。主动力钻机仅承担水下钻进，双台辅助多级变速卷扬钻机，轮流上下提引，达到不间断提、卸、下钻杆，各司其职，从而大幅度缩短水上勘探时间。在处理钻孔卡钻故障时，集中主、辅多台钻机的提引力，从而快速处理故障，增加了水上勘探的安全性；

3）独创锚链交叉米字抛锚法。船艏、艉顺水流方向各抛1组锚，每组锚呈120°交叉状态，顺、逆水流方向，再抛1组锚。配备抓力大、锚爪嵌土深、稳定性强、收藏方便、起锚附着泥沙少、冲洗方便的大抓力锚，使得锚泊牢固，从而大幅提升平台系统抗流能力；

4）钻具与平台快速分离法设计。遇突发事件时，勘探平台系统能迅速与入土套管、钻杆分离，体现了安全第一、以人为本的理念；

5）独特设计的泥浆再利用循环辅助回收系统（如图2所示）。该装置由旁通套管接头、管道、双层网状粗细过滤网、回收池、泥浆泵组成。泥浆泵从过滤池中吸入泥浆压入管道，管道中泥浆通过钻杆、套管、取土器，使孔底砂沿钻杆外孔壁内上溢，流回泥浆池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。

图2 泥浆回收再利用循环装置

3 实施效果

自航式水上移动平台系统选用普通自航平底船为基础，平台构件模块化设计、积木式组装，产品通用性和移植性强。平台的拆卸和搭建基本在1 d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。

该平台系统不仅可以在滩地浅水区搁浅作业，而且可以满足水深达50m内的深水区作业，从而克服了普通平台深水区作业难，成本过高的问题；基本能满足江、河、沿海各种基础设施建设工程勘探的需要，如应用于上海国际航运中心洋山深水港区工程设计与勘察中。该工程处于开敞海域，远离陆地30多km，海况恶劣、自然条件复杂、工程量大、工期短、难点多、技术要求高，在我国乃至世界沿海勘探史上实属罕见。在该工程的勘探中，集多项关键技术的自航式水上移动平台解决了水上勘探手段落后、成本高、易走锚等一系列难题，并将气候因素大为降低。泥浆回收系统使泥浆经双层过滤后得以循环使用，不但节约了资源，还有效保护洋山港区海域自然环境和生态环境。该系统的成功应用，大大提高了工程质量与工作效率，从而为设计与施工提供了更可靠翔实的岩土参数，为今后走向更深水域水上勘探奠定了基础，标志着我国沿海水上勘探技术的重大突破。

4 结论与建议

随着科技进步，水上勘探技术也在飞速发展，人们现在已向更深的海域进军，无论是勘探孔深、勘探水深、勘探效率都有新的纪录出现。水上勘探的核心技术是低成本、抗风浪的移动平台及相关技术，因此科技创新是关键。

1）在天气和海况恶劣的作业环境下，要在较长一段时间内比较精确地保持水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。开发一种小型、价廉、大抓力锚，能够迅速、简便地抛入海中，便于收藏和运送，解决水上移动平台锚泊稳定的课题值得研究[9-10]。

2）一种安全、低成本有自航能力的自升式平台，工作时桩腿下放插入水底，平台被抬到离开水面的安全高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到大风浪时桩腿不下陷，水上勘探完成后平台下移至水面，提升所有桩腿，自航到另外的钻孔位置，继续作业[11-12]。该项技术的研究有待进一步的尝试。

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