油桶筏式钻探平台在水域工程勘察项目中的应用

胡 飞，王亚凤，夏 勇，张重皓

(湖北省地质局第一地质大队，湖北黄石 435100)

随着城市建设的不断发展，各种穿越水域的工程，如铁路、公路、桥梁、港口、码头等项目越来越多，先期进行水域钻探是一种必不可少的工程勘察手段。而目前工程勘察项目竞争激烈，掌握水上钻探平台的搭建和降低水上钻探平台成本，或大大提高勘察单位市场竞争力，是新形势下勘察单位适应发展的必然趋势。本文重点介绍搭建成本较低、效率较高的油桶筏式钻探平台在水域工程勘察项目中应用的成功经验。

1 工程项目概况

武汉—九江客运专线铁路大冶湖特大桥地质勘察项目位于湖北省大冶市市区东约4 km处，桥长5 116．345 m，其中DK93+600～DK95+750跨大冶湖湖区，DK95+750～DK96+700跨多个为鱼塘，水深0．6～2．8 m。岩土层按其成因自上而下主要有:第四系人工填土层()素填土;第四系全新统湖泊沉积层():淤泥、淤泥质粉质粘土;第四系全新统冲洪积层():粉质粘土、粉砂、细砂、砾砂、细圆砾土;第四系上更新统冲洪积层():粉质粘土、角砾土;下伏为白垩—第三系(K-E)泥质粉砂岩、含砾砂岩、角砾岩;三叠系大冶组(T1d)灰岩。

2 水域工程勘察钻探平台特点

工程勘察项目钻孔设计孔深在80 m以内，基本可满足摩擦桩及端承桩的要求，采用钻探能力在100 m的工程勘察钻机均可进行施工。主要分为油桶筏式钻探平台、浮船式钻井平台、围堰式钻井平台、人工岛式钻井平台、栈桥式钻井平台、脚手架式钻井平台等。各种钻探平台主要区别在于对环境的适用性、搭建的经济性、移动的灵活性各不相同，并各有优缺点。

照片1 油桶筏式钻探平台施工实物相片Photo 1 Platform construction of raft drilling of oil drum

2．1 油桶筏式钻探平台

适用于工作水深0．4～5 m且流速较小的水域，具有成本低、制作方便、可移动的特点(照片1)。

2．2 浮船式钻井平台

可以用现有的船只进行改装，钻井船的排水量从几百吨到几千吨不等，因而能以最快的速度投入使用，适用于水深3～30 m且通航的水域，具有成本相对较高、荷载大、安全性能高、可移动等特点。

2．3 围堰式、人工岛式钻井平台

适用于工作水深浅、流速较慢的水域。在大规模钻孔施工中有一定优势，施工勘察阶段钻孔较密时具有成本与效率优势和承载力较大的特点。

2．4 栈桥式钻井平台、脚手架式钻井平台

适用于工作水深浅、钻孔距堤岸较近的水域，具有成本相对较高，不可移动的特点。

而大型的海上钻探平台，如坐底式钻探平台、自升式钻探平台、钻井浮船和半潜式钻探平台等因搭建成本极高，适用于水深较深，不适用于工程勘察项目。

3 油桶筏式钻探平台设计

3．1 受力情况

垂直方向运动:钻探平台在受钻进加减压操作、提下钻、原位测试试验、处理孔内事故强力起拔时，钻探平台会产生垂直方向的力。为保证能正常生产，油桶筏式钻探平台的浮力应该大于钻探平台自重及钻机最大强力提拔力，且钻探平台在最大受力工况下不会沉入水里。

水平方向运动:钻探平台在受到水流与风的影响时，会产生水平方向的力。为保证正常生产，油桶筏式钻探平台的锚固力应该大于水流与风对钻探平台的推力。

以钻孔为中心进行旋转运动:钻探平台在正常回转钻进、孔内遇阻强行转动、拧卸钻杆钻具时，会产生以钻孔为中心的旋转力矩。为保证正常生产，油桶筏式钻探平台的锚固力应该大于水流与风对钻探平台的推力。

钻探平台在各种工况的组合情况下还会产生曲面方向的挠动，但在加强油桶筏整体刚性的情况下可以轻松克服。

综合分析，钻探平台设计时应重点考虑垂直方向的力，因钻机功率较小，对以钻孔为中心的旋转力矩可以不予考虑，而水流与风所产生的水平方向力是变化的，当有大风等恶劣天气时做好提前预警，钻探平台设计时应主要考虑平台的垂直承载力。

3．2 自重分析

搭建油桶筏式钻探平台的材料主要由油桶、竹跳板、钢管、连接扣件等组成，重量见表1。

3．3 浮力计算

根据阿基米德原理，浸在液体里的物体受到向上的浮力，浮力大小等于物体排开液体所受重力，即F浮=G液排=ρ液gV排。

表1 油桶筏式钻探平台、钻探设备、工具、人员自重表Table 1 Deadweight of raft drilling platform of oil drum，drilling equipment，tool and personnel

式中:ρ液表示液体的密度;V排表示物体排开液体的体积;g为重力加速度，取9．8。

当物体上浮时，F浮＞G物且 ρ物＜ ρ液;

当物体下沉时，F浮＜G物且 ρ物＞ ρ液;

当物体悬浮时，F浮=G物且 ρ物=ρ液。

为满足《岩土工程勘察安全规程》(GB50585—2010)水上钻探安全规定［1］，计算在最大荷载情况下，钻探平台处于上浮的状态所需的最少油桶数。计算根据表1所列的搭建平台及钻探平台设备、工具、人员自重表，钻机为长沙探矿机械厂GY-150型钻机，其升降机提升力24 kN，油缸最大上顶力30 kN。处理强力提拔不良最大工况取30 kN。

式中:Vmix桶为满足正常安全生产要求的最少油桶数;G物为油桶筏式钻探平台自重=钻探平台设备、工具、人员自重=35．427 kN;G不良为最大不良工况下上拔力30 kN取值;210=单个油桶的体积为0．21 m3，浮力为210 kg;g 为重力加速度，取9．8 m/s2。

经计算，最小油桶数 Vmix桶为31．79个，即最少油桶数不少于32个时，竖向承载力刚好略大于总重力+钻机立轴最大上拔力，油桶筏式钻探产生的上浮力基本满足正常安全生产的要求［2］。因此，在搭建钻探平台时，还要考虑钻探平台的左右平衡，油桶数应该为2的整数倍，组合油桶数应该在32个以上。考虑地层等其它因素，本次勘察采用36个油桶完全符合《岩土工程勘察安全规程》(GB50585—2010)水上钻探安全规定。

3．4 载荷安全系数计算

油桶筏式钻探平台荷载的类型主要分为静、动、偶然载荷等，参考《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载效应组合，并取最不利的效应进行设计，油桶筏式钻探平台荷载按规范安全系数取1．4。

经计算，采用36个油桶的钻探平台总浮力为74．088 kN，钻探平台、整套设备、工具及人员总重力为35．427 kN，其安全系数为2．09满足规范要求。

4 钻探平台结构设计

钻探平台共由36个油桶组成，其中横向4个一排，纵向9个，搭建成6(宽)m×9(长)m的长方形钻探平台，总面积54 m2，符合钻探场地的平面要求(图1、图2)。

图1 油桶筏式钻探平台结构图Fig．1 Structure diagram of raft drilling platform of oil drum

5 钻探平台搭建

5．1 按地层确定油桶数量

搭建钻探平台首先要确定油桶个数，对于冲洗液

图2 油桶筏式钻探平台剖面图Fig．2 Profile of raft drilling platform of oil drum

中岩粉较细或能自行造浆的地层，如粘性土、灰岩、大理岩、白云岩、泥岩、粉砂质泥岩等地层，不易发生卡埋钻事故，选32～36个油桶就能满足工程勘察要求。对于冲洗液中岩粉颗粒较粗或强风化层较厚的地层，如砂砾层、花岗岩、片麻岩、闪长岩、矽卡岩等地层，易发生掉块卡埋钻事故，选36个以上油桶基本就能满足工程勘察要求。

5．2 油桶筏钻探平台绑扎

首先在岸上绑扎横向油桶，将油桶每间隔40 cm摆放8个，上下各放置一根6 m长的钢管，采用8#铁丝固定，绑扎油桶时有油桶盖的一面朝上。所有绑扎好的油桶间隔按图1所示，在每条横向油桶上垂直轴线放置2根钢管，采用扣件与横向钢管固定，在上面均匀铺上竹跳板，预留好钻孔位置，然后采用铁丝将每块竹跳板与钢管固定，检查油桶筏绑扎无误后将油桶筏推入水中。油桶筏初步搭建好后，将钻探设备等抬上钻探平台，再安装安全防护栏与防护网，安全防护栏与防护网要比钻探平台高出1．0 m，拉上醒目的彩色警示条，悬挂安全生产警示标牌和救生器材，全部准备工作做好后可将油桶筏钻探平台移至预定孔位。

5．3 定位测量与锚泊

钻孔定位可采用全站仪或GPS进行定位测量，孔位定好后将套管砸入淤泥中，将油桶筏钻探平台四周插入钢管锚定，并将锚固钢管与油桶筏上的钢管采用扣件固定，油桶筏钻探平台四角采用绷绳固定。

5．4 运输筏制作

油桶筏钻探平台移至孔位后，为保证人员、钻探材料、样品、岩心等运输，必须制作运输筏。运输筏可采用3～4个油桶进行制作，承载力为540～720 kg，运输筏大小可按2 m×2 m进行搭建，可一次性运输3人。

6 施工中应注意的细节

(1)水域钻探施工安全风险较大，施工前一定要对施工人员进行安全培训与安全交底。开工前要进行安全隐患排查，所有施工人员必须戴安全帽外，还应该穿救生衣，进场人员必须购买意外伤害保险，水域钻探施工不得用电［3］。

(2)水域钻探施工要根据设计孔深考虑油桶数量。通过计算，孔深40 m时，正常情况下有32个油桶即可;孔深增加至80 m时，钻杆增加重量约200 kg，选36个油桶可满足工程勘察要求。

(3)油桶筏钻探平台搭建好后，应严格控制其重量的大幅增加，如上钻探平台的人员大幅增多，岩心的不断增加等。对于钻探平台上的人员，要严格控制在6人以下;对钻取的岩心，摆满1箱后应及时用运输筏运送到岸上进行摆放，要尽量减少油桶筏钻探平台上的重量，确保安全。

(4)水域工程勘察钻探施工冲洗液通常采用清水，冲洗液排放为直排，钻探冲洗液对水体无化学污染，但养殖有鱼苗、虾的池塘，水质要求较高，施工前应与养殖户签署水域勘察施工协议，规避可能出现的风险。

(5)施工若要采用泥浆钻探时，应采用泥浆循环钻进，严禁直排，钻孔完成后，将循环泥浆运出处理。

(6)钻孔完成后，要认真做好封孔工作，对于有溶洞的钻孔，尤其要做好封孔工作，防止渔塘、藕塘水通过钻孔大量漏入地下，造成不必要的经济纠纷与损失。

(7)开工前应检查机械设备情况，严禁发生油污泄漏，施工时应在钻机底部垫一层吸水的毛毡，用于防止钻机卡盘，卷扬机、变速箱、柴油机等部位发生柴油或润滑油泄漏。

(8)要注意收听天气预报，当有大风、暴雨等恶劣天气时要提前预警，必要时要停止生产，并将油桶筏钻探平台拖到安全位置固定好。

7 结语

实践表明，该项目共搭建油桶筏式钻探平台3个，同时上钻机3台，共施工水上钻孔44孔1 513．2 m，平均孔深34．39 m，最深钻孔46．4 m，采用油桶搭建钻探平台成本低，效率高，安全性与稳定性较好，在武九铁路大冶湖特大桥水上地质勘察项目应用中是成功的。

［1］ 任良治．汛期江上工程钻探施工实践［J］．探矿工程，2010，37(9):58-60．

［2］ 王维献．地铁工程勘察水域钻探油桶筏式钻探平台的设计与安全保障措施［J］．探矿工程，2015，42(4):40-43．

［3］ 王德强．岩土工程勘察外业工作的技术与措施［J］．探矿工程，2014，41(5):69-71．