近海工程勘探平臺創新設計及應用

鈕建定，李孝杰，胡建平

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

0 引言

近海工程勘察取樣或原位測試需依托海上勘探平臺實施。常用的勘探平臺有基于船載的“動”平臺和基于海床的“靜”平臺2類。其中，船載式“動”平臺易受風、浪、涌等海況影響，難以開展海上原位測試項目；海床式“靜”平臺樁腿基于海床或基座臥伏海床，能夠獲?、瘛蚣壴瓲钔翗雍驮粶y試參數，但存在著高成本、低效益等難題。因此，需對中外勘探平臺的現狀進行研究與創新設計。

1 國內外現狀

1）船載式“動”平臺

船載式勘探平臺通常采用工程船或駁船為載體搭建，按其推進能力，分自航與非自航2種，為了轉場靈活，優選自航式工程船，無需拖輪及大型吊裝設備?？碧狡脚_按船型選擇船中、端部、舷側分布，采用積木式拼裝搭建，安裝簡便，因而能以最快的速度投入海上勘察。船載式平臺發展至今，具有安裝簡便、轉場快、成本低的優勢，已成為我國近海工程勘察首選。但它的缺陷也很明顯，穩定性弱，表現在：基于勘探平臺上的鉆機及設備會隨船上下運動，盡管研究人員采用多種波浪補償技術，對動平臺上的鉆進設備進行波浪補償，使之保持相對“靜止”或使搖擺和升沉位移降低，仍難以取得高質量的原狀土及進行原位測試，降低了我國企業參與國際競爭的能力。

2）海床式“靜”平臺

海床式平臺通常由樁腿、樁靴、升降控制系統等組成，控制系統采用齒輪齒條或液壓頂升方式，平臺基于海床上。首先，控制系統將樁腿下部樁靴插入海床上，使平臺整體沿樁腿上升出海面，從而避開浪、潮、涌等對勘探的影響?？碧娇淄瓿珊?，將作業平臺下降至海面，利用浮力及沖樁系統之間的配合將樁腿拔出海床，然后轉場至另一孔位，繼續作業。2011年，為承接喀麥隆克里比深水港工程，中交四航院采用自主研發的“理想”勘探平臺，展現了我國海上勘察裝備制造的技術水平。由于此類平臺制造及維護成本高昂，影響了這類平臺的發展[1]。

歐美等海洋強國擁有近?？辈烊蠹夹g：1）船載式定制化專用勘察平臺，如：德國“METEOR”、美國“JOIDES Resolution”、荷蘭Gusto MSC、西班牙“SUELO”等；2）海床貫入式平臺，依靠水下動力設備將原位測試探頭貫入至土層中，如：荷蘭范登堡公司的ROSON海床式靜力觸探系統；3）井下貫入式平臺，依靠海洋鉆機，以鉆孔的孔底為基準將原位測試探頭貫入至土層中，如：英國BGS研制的“Rock Drill-2”、德國“Me Bo”，美國“Williamson&Associates”等。

國內在海洋勘察裝備研究與制造方面存在重資源、輕工程的局面，用于工程方面的勘察技術研發投入較低，造成：1）專業化程度低，產品覆蓋面窄，無法與國外相比；2）功能單一，勘察平臺以導管架式、坐底式、自升式等結構為主，基本偏重資源勘察，功能單一，尤其控制系統（軟件）與國外差距較大。

2 勘探平臺創新設計

針對海上工程勘探技術發展趨勢，分析了國內外現有的勘探平臺優劣，開展了一系列勘探平臺技術研究與自主創新。本文詳細介紹用于海上勘察各類平臺創新設計成果及工程應用。

2.1 船載式“動”平臺

海上船載平臺勘察由于風、浪、潮、涌的影響，產生上下浮動、左右搖擺，作業時間受海況限制，難以獲取高質量的土樣。為此創新設計了一種獨具匠心的海上移動勘探平臺系統[2]。

船載式“動”平臺包括模塊化裝配設計、三鉆機鉆進法、泥漿循環設計等創新技術[1]，優點有：1）不受地域限制；2）作業范圍廣，勘探水域囊括潮間帶—近海水域；3）勘探綜合成本低于國外同類產品50%以上[3]。

2.2 海床式“靜”平臺

海床式平臺基座或樁腿豎立于海床上，最常用的是自升式平臺，該平臺主要由作業平臺和液壓升降裝置組成。升降裝置將樁腿插入海床，使整個平臺升至海平面以上，然后在平臺上實施勘探取樣或原位測試，作業完成之后，收起樁腿，使平臺降至海面上，通過拖航進行轉場。自升式平臺適用于淺海域原位測試與勘探取樣，具有良好的穩定性，使基于陸域的靜力觸探、旁壓試驗、十字板剪切等試驗可延伸至海域。但自升式平臺高投入、高成本的缺陷，限制了它們的應用[4-5]。針對這些問題，研發一種適宜近?？碧脚c原位測試的海床式“靜”平臺，如圖1所示。

圖1 海床式液壓升降平臺Fig.1 Seabed hydraulic lifting platform

2.2.1 荷載動態控制設計

海洋地質較為復雜，一些區域海床起伏較大，局部存在上硬（砂土）、下軟（黏土）的“硬殼”鐵板砂，若平臺樁靴基于該“殼”層上，則存在著穿刺風險。為此在作業平臺內設有若干中空排列組合的箱體，箱體內設有傳感器與控制線路，軟件控制電磁閥開關對箱體內注水或排水，實現平臺荷載動態控制?；诤４驳钠脚_上升脫離海面后，作業平臺箱體內開始注水增荷，縮短平臺的穩定時間；作業人員上平臺前，箱體內排水減荷，平衡作業荷載。荷載的動態控制，既可加速平臺基礎穩定，又可消除穿刺所帶來的安全隱患。

2.2.2 自航模塊設計

自航模塊有漿轂、葉片、舵葉、驅動等組成，固定在平臺舷側。自航模塊上端設有方向舵，下端與舵葉連接，通過電機與調速開關，以全回轉方式控制方向舵，實現平臺自航轉場。自航模塊的應用，可解決同類產品無法自航轉場的難題，實現降低勘探成本之目的。

2.2.3 樁靴環噴沖樁系統

海上工程勘探會出現頻繁轉場，即1個鉆孔完成后轉到另1個位置繼續作業，轉場之前需進行拔樁。由于海床地層復雜，拔樁過程存在樁腿埋置深度、土體特性、平臺浮力、海況等變化因素，將樁靴從土體中拔出會產生巨大的摩阻力，降低拔樁阻力已成為海洋工程亟需解決的技術難題。創新一種樁靴內設沖樁水力分配器，沖樁分上中下3路支管，分別與靴頂、靴側、靴底三面噴水口相連（圖2）。拔樁腿時，高壓泵通過水力分配器將水分別壓入沖樁支管，使樁靴上部四周淤積土沖散，底部噴沖使靴土之間形成潤滑層，從而減低樁靴底部吸附力。沖樁結構新穎設計，降低了樁腿提升過程中拔樁阻力，提升了勘探平臺轉場的效率。

圖2 環噴沖樁結構圖Fig.2 Structuraldrawing ofjetgrouting pile

海床式平臺創新設計所具有的現場組裝、自航轉場，一次集成即可完成整片海區勘探作業，體現了轉場便利、循環使用的節約理念，為海上工程基礎設計提供了符合國際標準的土體物理及力學參數[6]。

2.3 “動-靜”式雙平臺

為解決船載式“動”平臺取樣質量不高、海床式“靜”平臺成本高這對矛盾體，開發了一套基于船載的“動-靜”組合雙勘探平臺，形成基于船載的“動-靜”雙作業平臺模式，從而使陸域勘察裝備和技術依托本創新成果而延伸至海域[7]。

雙平臺創新設計彌補了船載“動”平臺無法開展原位測試項目的缺陷[8]，它的新穎性體現在：1）穩，“靜”桁架平臺安全性高；2）快，拆卸便利，轉場快；3）省，雙平臺“動-靜”設計，既能勘探取樣，又能原位測試，體現出低成本技術優勢。

2.4 一種臥于海床的勘探平臺

現有的海床貫入式或井下貫入式平臺，基于海床勘探取樣或原位測試，若海床不平整或高低起伏，只能通過移位調整。鉆進過程中，海床沖刷、鉆進振動、土體液化等會產生基座傾斜，這種傾斜輕者使水下勘探路徑偏移，使采集的地層數據真實性和可靠性降低；重者造成鉆桿扭曲、折斷及設備故障；更為甚者將導致設備傾覆事故，這些問題嚴重限制了這類平臺在海上工程勘察中的應用[9]。

一種智能化實時調平海床式平臺由數據、控制、通訊等模塊組成，海床式平臺內安裝水下勘探或原位測試設備（圖3）。數據模塊用于采集作業面傾角傳感器及支腿壓力傳感器實時數據；控制模塊接收數據模塊信號后，控制各支腿的升降，使平臺作業面始終保持水平；通信模塊通過上位機對水下平臺狀態進行實時監控和遠程控制。

圖3 海床式勘察平臺結構示意圖Fig.3 Structuraldrawing ofseabed survey platform

海床式平臺具有遠程智能化監控、自適應調平模式，可解決海床起伏及鉆進過程，鉆桿受海況影響造成徑向扭損的難題，大幅降低惡劣環境導致的安全風險。

2.5 兩棲勘察平臺

近海工程覆蓋范圍涉及海陸兩棲交接地帶，這一區域通常稱潮間帶。潮間帶具有漲潮時淹沒退潮時裸露的特點，通常土質疏松、承載力低，以粉細砂、黏質粉土居多，形成路不能鋪設、車無法到、船不能進、人與設備難以進入的勘察盲區，給原狀取樣及原位測試造成很大的困難。為此亟需一種專用于潮間帶—淺海域的兩棲勘探平臺[10]。

兩棲勘察平臺的研發，具有灘涂行走、海域自航、兩棲勘探作業。當兩棲平臺依靠履帶駛入水中，具有2種方式：1）錨泊定位，勘探取樣；2）平臺升降，則可實施靜態作業的原位測試項目。能有效解決這一區域工程勘察項目，同樣，本創新也可用于江、河水域及砂質海岸、泥質海岸及潮間帶區域勘察，用途廣泛。

3 工程應用

勘探平臺系列研究及應用關鍵技術主要針對近海域作業環境，以實現海上勘察高安全、高效率、低成本及保障工程質量為目標[11]，項目經過成果轉換及一系列工程實踐與驗證，已應用于國內工程，如：洋山深水港區工程、中廣核東海350 MW海上風電場勘察、福州港松下牛頭灣泊位工程、華能太倉電廠工程、廣西北部灣欽州碼頭工程、長江南京以下12.50 m航道整治工程、廈門新機場工程、遼寧盤錦和營口工程、漳州古雷半島東側港區等百余項工程勘察中。2007年開始，項目成果開始用于國外工程，如：馬來西亞檳城二橋、吉布提LNG碼頭、墨西哥曼薩尼約集裝箱碼頭、越南河靜臺塑鋼廠碼頭、文萊PMB大橋、剛果（布）黑角港區、印度尼西亞巴淡島電廠工程、柬埔寨西港電廠工程、剛果（金）馬塔迪國際港、圣多美集裝箱碼頭等20多項工程勘察中。

4 結語

集多項創新設計的勘探平臺系列技術為解決海上勘探成本高、質量低等難題提供了有益參考，并將海況影響勘察的因素大為降低，提升了我國海洋工程勘察走向世界的能力。

1）船載式“動”平臺模塊化裝配、拼裝式組裝、三鉆機鉆進法、泥漿循環系統等設計，突破了我國現有規范（≤5級海況）的限制，使“動”平臺海上勘探作業時間延長30%以上。

2）海床式“靜”平臺載荷動態控制、自航轉場、樁靴環噴沖樁等創新設計，構成集模塊化、多功能、易運輸的升降式平臺，形成了一套海上“靜”作業勘探解決方法。

3）海上“動-靜”雙平臺新穎設計，實現了一船多用、資源共享、成本最低、效益最大的勘察作業模式，既滿足海上勘探原狀取樣，又解決原位測試的需求。

4）海床式勘察平臺具有遠程監控、自適應調平，開創了水下勘探作業新模式，降低了海床沖刷與鉆進振動導致勘察平臺傾斜的風險。

5）兩棲勘察平臺提供了潮間帶、灘涂至淺海域一體化勘察能力，解決了目前勘察涉水受制于漲退潮，涉灘則存在筑路、圍堤、建拆平臺的反復過程，有效降低勘察成本。

上述創新于針對潮間帶—淺海水域勘察，也為今后我國建設工程跨向遠海、深海技術開發提供了有益參考。