“汽油桶筏”在水上钻探中的应用

王丹彤

(山东省地质测绘院，山东济南 250002)

0 引言

近几年，随着我国交通业的迅速发展，在内地和南方沿海地区城市，铁路和公路这样的“线性工程”大都需要跨越水体，甚至是跨江入海。为了保证水上建(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岩土工程勘察。作为水上岩土工程勘察的重要组成部分——水上施工用的钻探平台，是水上钻探施工的基础。

水上钻探平台通常有2种类型，即漂浮式钻探平台和固定式钻探平台。漂浮式钻探平台一般有钻探船平台、浮筏式平台(竹筏、木筏、汽油桶筏);固定式钻探平台一般有水上固定平台、围堰筑岛平台。我国南方和沿海省份地区，河网密布、坑塘遍地，对于水流速度缓慢(或静止水域)和风浪小的浅水水域，进行钻探施工，采用浮筏式平台，在成本上、搭建时间上、方便程度上，更具实用性和灵活性。下面以“汽油桶筏”为例，介绍水上钻探施工平台的结构、应用原理、特点、适用范围、经济和社会效益及施工过程中应注意的事项。

1 “汽油桶筏”的结构

采用容量220 L(规格:直径60 cm，高90 cm)废旧、不漏水的汽油桶，5个一组，首尾相接(注意:所有油桶口一致朝上)，中间留大约10 cm的宽度，用2根长竹竿固定成一横排(组)，根据所需施工场地的大小，固定这样的汽油桶排8～12组(注:下面以8组为例说明)，用较长竹竿垂直横排组(横排组间隔10 cm)，竖向交叉固定;固定的软性材料用8号铁丝(Φ4 mm)或粗麻绳。使横、竖竹竿排成网状，汽油桶就卡在竹竿网格中。再在“汽油桶筏”上，顺着竖排油桶的方向，铺满长约6 m左右，厚0.05 m的宽木板，木板两头简单地固定在突出的垂直交叉的竹竿上，搭建成简单的水上钻探施工平台。

平台4个角竹竿垂直交叉部位用4根直径8～10 cm的铁管固定在水底(铁管具体长度根据水深确定)，固定竹筏且作为锚使用，从4个方向卡住油桶筏;同时，为了移动方便，还能再起到加固的作用，缆绳一头栓在“汽油桶筏”上，一头固定在岸边的树上或地锚上，防止它“随波逐流”，发生安全事故。具体组成结构见图1。

2 原理

当前，很多关于论述水上钻探方面的文章，都提及“汽油桶筏”当作钻探施工平台的实例，但是很少有理论证明，搭建“汽油桶筏”具体需要多少油桶才能满足施工和安全要求，笔者采用物理学知识予以验证。

图1 “汽油桶筏”俯视图

2.1 浮力计算

假设1个220 L的空油桶全部浸在水中，这时浮力最大，其计算公式如下:

前面举例的“汽油桶筏”共39(即5×8－1=39)个这样的油桶，其最大总浮力:

也就是“汽油桶筏”最大能承担9 700 kg的荷载。

2.2 荷载计算

以北京探矿机械厂出产的XY-1B型号的工程勘察钻机为例，施工一个深度60 m的钻孔，再搭配上3个施工人员、若干工具配件、泥浆材料等，计算其总载荷量，以下简称钻机荷载(表1)。

“汽油桶筏”长宽计算公式:

平台面积计算公式:

木材因为含水量、部位等条件的不同，密度也不同，其范围在0.44 ～0.57 之间，平均是 0.54，所以，在平台上铺满厚度0.05 m的宽木板的重量(钻孔位置的空缺木板重量忽略不计，G木板代表厚木板重量)，计算公式:

表1 荷载名称、型号、数量及重量统计

根据《供水水文地质钻探与凿井操作规程》(CJJ13-87)关于“全载时吃水线应低于甲板0.2～0.3 m”的规定［1］，取上限值 0.3 m，因为油桶直径是0.6 m，即油桶一半浮在水中。其浮力是4 850 kg，公式计算:(1/2×F总浮力=4 850 kg)＞(G钻机=3 588 kg);如果取下限值0.2 m，就是有大于2/3的油桶体积在水中，浮力大于2/3 ×F总浮力=6 466.66 kg，远大于3 588 kg的总荷重;因此，只从“汽油桶筏”的浮力和总荷重的对比来看，浮力足够大，满足要求，施工是安全的。

如果要求平台使用面积更大，安全系数更高，还可以把汽油桶组从8组增加到12组，由此，“汽油桶筏”长宽可变为:

平台面积计算公式:

最大浮力:

由此可知，符合安全操作规程的要求。完全能够满足施工要求。

3 特点及适用范围

3.1 特点

(1)简单容易搭建，不用专业工人操作，且在水中移动灵活，可以重复使用。

(2)平台设备组成材料简单，容易获得，如废旧的油桶、竹竿、麻绳、铁管或铁丝等物品。

(3)结构简单，重量轻，换场搬家不用全部拆散，拆成横排的5个油桶的单元油桶组，4个人就可以抬到小货车上，体积小，汽车运输次数少，节约运费。

3.2 适用范围

“汽油桶筏”当作钻探施工平台，因其牢固性和稳定性相对较差，且经不起大的风浪。因此，只能适用于河水较浅，流速慢且平稳，水位变幅不大的水域，设计钻孔深度小于100 m的水上钻探项目。如:池塘、小河中的施工项目。

4 效益分析

4.1 经济效益

应用“汽油桶筏”搭建钻探平台施工，在“京沪高速公路乐陵段”、“青龙(青岛至龙口)高速青岛城阳区互通立交桥”和“国华瑞丰(利津)风力发电”水上钻探中，具体应用过，效果比较理想，取得了较好的经济和社会效益。现以实施完成一个设计孔深60 m的钻孔，需要3天时间为例，对比搭建一个“汽油桶筏”平台和租船搭建钻探施工平台的成本，具体材料类别和费用见表2和表3(数据取自“天津曹妃甸首钢迁址项目”工程勘察水上钻探工程费用)。

表2 搭建“汽油桶筏”费用

表3 租船搭建钻探施工平台费用

租船搭建钻探施工平台所需费用:

对比表2和表3的费用总价:

综上可知，搭建“汽油桶筏”费用远远低于租船搭建施工平台费用，其经济效益可观。

4.2 社会效益

(1)节约时间:搭建上述“汽油桶筏”钻探平台，1个机台3个人1天时间就能完成，加上钻机及配件推、拉、抬上平台，3天时间，就可以完成1个60 m的全土层钻孔。

(2)操作方便:搭建简单，不需要专业工人;如果在同一条河中施工，放下钻塔，用缆绳就可把平台拖到钻孔位置;如果需要拆装平台，只要拆除竖向固定的竹竿，5个一组的空油桶较轻，4个人抬上轻卡运输汽车，就可到下一个钻孔的位置。

(3)低碳环保:“汽油桶筏”可以重复使用，长且厚的宽木板可以向当地的建筑部门求租，空汽油桶和竹竿施工完成后还可以就地再卖掉(价钱大约是买时的50%左右)，不占场地放置储存，能做到现用现买现租，施工结束后不产生建筑垃圾。

5 注意事项

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地钻探复杂的多，因此，在进行水上作业前必须做好安全应急预案，建立完善的安全保证措施，保证作业人员和设备的安全，必须注意以下几点:

(1)设备安装:由于筏面面积小，大约有5.5 m×4.9 m=26.95 m2的面积，所以安装设备应该紧凑;钻机的立轴应该安装在筏面的中心，泥浆泵和发电机组安装在靠近岸的左右两边，钻探材料沿着钻机方向、按照重量均匀分布在筏子的两边。

(2)钻机钻进:按照“断开离合器、启动动力机、合拢离合器、挂档、启动水泵、加压钻进”的程序操作［2］;提升钻具时不得强力起吊，不得将千斤顶抵在船上处理事故［3］。

(3)为保护勘探范围内水域水质，充分利用泥浆材料，须用薄铁皮加工U型泥浆循环槽，配合泥浆泵和导流装置形成泥浆循环系统［4］。

(4)气候条件:水上钻探有其特殊性，受自然条件的影响较大，所以要随时收听当地天气预报，观察河流水位情况;遇到大雨，发现水位变化幅度较大时，迅速撤离;遇到大风、大雾应该暂停工作。停钻停工时，平台上应该安排专人值班，负责监视水情，并清除挂在套管上的漂浮物［3］。

(5)钻探施工人员都必须穿救生衣施工，在明显地方放至足够多的救生圈，并适当配置应急医药箱、通讯设备、油桶堵漏剂和灭火器等［5］。

(6)筏面装载要保持平衡，不常用的器具和装满的岩心箱，要及时搬运上岸并妥善保管。

(7)筏面要保持平整，不留缝隙、漏洞，空档处一定盖严盖牢;钻具、工具必须摆放整齐，用后归位，禁止乱扔乱放;筏面四周应该设栏杆和缆绳，并且悬挂醒目的施工信号彩旗，起到警示作用［2］。

6 结语

该文在理论上论证了“汽油桶筏”的载重量，在实际应用中，可以根据钻机荷载的增减和现场情况，具体数量的增加或减少汽油桶个数以及改变油桶的排列方式。同时“汽油桶筏”结构简易，搭建方便，在简单的水上钻探中，同租船搭建钻探施工平台相比，更加经济实用，值得在类似的水上钻探工程中推广。

［1］CJJ13-87.供水水文地质钻探与凿井操作规程［S］.

［2］AQ2004-2005.地质勘探安全规程［S］.

［3］李尚华.浅谈水上钻探［J］.甘肃水利水电技术，2002，38(2):133-135.

［4］高建波.浅谈水上地质钻探方法选择与应用［J］.铁道勘察，2012，39(3):51-54.

［5］DB37/T1811-2011.地质钻探安全标准［S］.