浅海塔式海上勘探平台稳定性技术开发研究

罗涛LUO Tao；孔秋平KONG Qiu-ping；罗承浩LUO Cheng-hao；郭琼玲GUO Qiong-ling

（①龙岩学院资源工程学院，龙岩364012；②福建永强岩土股份有限公司，龙岩364000）

0 引言

随着我国经济的高速发展，近年来在海上风电、跨海大桥、人工岛、海洋战略设施等领域都有很大的突破。随着海上风电场建设不断远离海岸，以及水深的不断增加，对拟建风机桩塔基础的要求也越来越高。由于受风、浪、潮、涌等不确定因素影响，海上勘探工作的难度远超陆域及江河水域，需要提供稳定的勘测平台提高勘测效率，供使用者在勘测前进行中转和准备性工作，并根据海域的使用需求进行一定程度的调节。

海上勘探平台是近海工程勘察作业的基础平台，原位测试及深岩取样都要在平台上进行作业，平台的稳定性直接影响着作业的质量。目前有船载平台和塔架式平台两种常用于勘探作业。船载平台受风浪的影响很大，在原位测试时很难保证作业工况。塔式平台基础底座着底海床上，相对船载式平台有更好的稳定性，能有有效获取原状土样和原位测试参数。但相对于船载平台，塔式平台的作业率低，转场繁琐，底座和海床的起伏有冲突，需要进行深入研究和创新设计。

1 国内外现状

1.1 船载勘探平台

利用工程船为基础载体的勘探平台按转场动力方式有自主航行式和拖拽式。其中自航式的勘探平台自身带有动力和其他附属设施，方便转场并取消了辅助拖船和吊装船等辅助装备，转场灵活操作方便，施工效率要高于拖拽平台。拖拽平台由于不具备动力和吊装装备，需要拖船和吊装船进行辅助作业，虽然单体平台费用低，但总体投资费用更高，需要利用租赁等方式进行成本优化，长期作业成本很难控制。

船载式平台是目前我国近海工程勘察常用的平台方式，由于自身装备了吊装及其他辅助装备，具有操作方便、转场迅速且成本低的优势。但作为载体的船体稳定性很差，受风浪和气候的影响较严重，在海上作业时很难保证自身稳定性，维持稳定的成本过高。波浪补偿技术除了耗能大意外，难以保证平台的绝对静止，很难保证原状土取样的质量和原位测试的效果。

1.2 塔式勘探平台

在近海勘探技术上，欧美有很长的历史积累和技术储备。①船载式定制化专用勘察平台，如：德国“METEOR”、美国“JOIDES Resolution”、荷兰Gusto MSC、西班牙“SUELO”等；[1]②海床贯入式平台，依靠水下动力设备将原位测试探头贯入至土层中，如：荷兰范登堡公司的ROSON海床式静力触探系统；[2]③井下贯入式平台，依靠海洋钻机，以钻孔的孔底为基准将原位测试探头贯入至土层中，如：英国BGS 研制的“Rock Drill－2”、德国“Me Bo”，美国“Williamson ＆ Associates”等[4]。

国内在海洋勘察装备研究与制造上用于工程方面的勘察技术研发投入较低，造成：

①和国外的专业技术设备相比，我们的设备产品单一，专业技术储备少，缺少国际竞争力；[5]

②国内的塔架式勘探平台多以导管架式、坐底式、自升式等结构为主，集中在资源勘察功能，尤其控制系统（软件）与国外差距较大。

2 工程施工中存在的问题分析

目前海上勘探底座往往只是通过上下基座的可调性实现底座范围内的固定，而海域不同位置的环境不同，随着海浪、海风的冲击，安装在海底的勘探底座自调平台在横向上受到较大的阻力，使得长期用于海上的勘探平台缺乏稳定性，如图1。

图1 目前海上勘探平台施工现场图

另外，目前海上勘探平台在安装的过程中，由于海底不平，安装容易倾斜，需要进行多次的调试调整后才能对平台进行水平的安装，安装时间长，过程繁琐，并且平台的安装效果不佳，如图2。

图2 海上勘探平台调平现场

3 勘探平台创新设计研究

针对海上工程勘探技术发展趋势，分析了国内外现有的勘探平台优劣，开展了一系列勘探平台技术研究与自主创新。本文详细介绍用于海上勘察各类平台创新设计成果及工程应用。

为了解决勘探平台在横向上受到较大的阻力，缺乏稳定性的技术问题，利用多重稳定机构进行配合，协调工作以满足平台稳定性，保证勘探工作的顺利实施。

由定杆、配重块、垫板、限制杆、挡杆等构建组成底座稳定机构，如图3 所示。

图3 底座稳定机构配件示意图

定杆通过铰链连接在安装块靠近顶部的四周外壁上，并固定连接在垫板顶部外壁的四角处，配重块套接在限制杆和挡杆的外壁上，且定杆的另一端通过铰链连接在配重块的顶部外壁上。如图4 所示，随着电机驱动转杆转动，对四个垫板进行调节时，定杆支撑配重块在垫板上下降，随着配重块下降，不仅降低了配重的中心，还带动了配重块底部的固定钉从垫板上通孔内穿出，深深插入海底，每一个垫板都增加了抓附力，起到了很好的稳固作用。

图4 底座稳定机构配件连接示意图

塔身稳定机构包括扰流板、滑杆、连接锥、反向钩块、引导块和拖板，扰流板滑动连接在立架的外壁上，且扰流板的另一侧与滑杆的一侧外壁相连接，扰流板设置为弧面挡板结构，且弧面挡板结构设置为上窄下宽，而拖板等距离设置在扰流板用于正面风浪的一侧外壁上，拖板的长度尺寸与扰流板的横向尺寸一致，引导板设置在扰流板一侧外壁的两边，连接锥通过铰链连接在滑杆的底端，反向钩块等距离安装在连接锥的一侧外壁上。

随着风浪从各个面的冲击，给横向设置的扰流板一个推力，这个推力在挡板板弧面凹陷的一侧被引导块和拖板影响，而整个扰流板设置为上窄下宽，随着风浪的冲击，横向的力逐渐倾斜向下施压，这压力在立架竖直层面的限制下，逐渐挤压滑杆向下嵌插，通过嵌插进入海底的连接锥，保证了装置整体竖直向下插入的更加稳定。

图5 塔身稳定机构

稳定性结构协调工作关系如图6 所示。

图6 勘探平台稳定机构协调工作示意图

4 工程应用

塔式海上勘探平台研究及应用关键技术主要针对近海域作业环境。

4.1 在综合测井工程上的应用

基于船载勘探平台时，钻探岩芯采取率很难满足相关技术要求，利用我们研发的塔式平台能很好的满足工程需要，利用平台的自稳优势可以提高剪切波速及视电阻率的测试精度，从而有效提高划分地层确定地层参数，并大大提高精度。

4.2 钻探及取样工程上的应用

在钻孔采样过程中，我们的平台有很好的稳定性，能很好的保证岩样、土样的采集质量。近海钻孔取样，针对淤泥质、粉质类粘性土，在塔式勘探平台上可以有效利用薄壁取土器，在探井的基础上采用静压采非扰动土样即Ⅰ级土样。针对砂质粘土，我们可以采用厚壁取土器，在塔式勘探平台上利用锤击法采得扰动Ⅱ级土样，对于扰动土Ⅲ、Ⅳ级土样同样有较好的效果和实验取样精度。相关操作中对比其他类平台，我们的平台有很好的施工稳定性和高效率优点。

4.3 原位测试中静力触探技术应用

海床式静力触探、交替式静力触探及平台式静力触探是目前常采用的静力触探模式，采用我们的平台能很好的满足施工需要。

利用自稳性塔式勘探平台平台操作方便效率高的优势，综合钻探和静力触探的有点，通过两种方式交替进行作业的方法避免海床式单独静力触探的局限性，能起到很好的效果。

利用自稳性塔式海上勘探平台所提供的反力将探头垂直地压入土中进行触探试验的平台式静力触探，相对前两种触探测试系统有设备简单、操作方便，关联设备少，稳定性好的诸多优点，充分体现自稳塔式平台的优越性。

4.4 圆锥动力触探试验和标准贯入试验应用

在福建沿海的重型圆锥动力触探和标准贯入试验试验工程勘探中，一般利用船式平台进行操作，受风浪影响探杆倾斜和侧向晃动难以避免，锤击数普遍偏大。在塔式勘探平台上进行重型圆锥动力触探试验和标准贯入试验时，有效避免了这些问题，进一步提高了试验精度和可靠度。

4.5 十字板剪切试验应用

由于十字板剪切试要求剪切板压入试验所需深度后静止一段时间，这对海上塔式勘探平台提出更高要求，一般会很少使用。通过在我们的塔式平台上测试，相关实验数据有闭环验证的稳定性支撑，能够满足工程勘探的需要，拓宽了试验方式。

4.6 旁压试验应用

自钻式旁压试验对勘探平台的稳定性要求较高，通过工程验证，我们的塔式平台能够很好的满足工程施工需求。通过我们在福建等风浪较大的工程现场使用充分验证了相关技术的有效性和稳定性，能有效提高勘探效率和质量。工期节省10%左右，转场操作更加节省人力物力，具有很好的市场适用性。

5 结语

基于高稳定性的勘探平台技术的研发，为解决海上勘探成本高、质量低等难题提供了有益参考，并将海况影响勘察的因素大为降低，提升了我国海洋工程勘察走向世界的能力。针对潮间带—浅海水域勘察，也为今后我国建设工程跨向远海、深海技术开发提供了有益参考。