王丹彤

(山東省地質(zhì)測(cè)繪院，山東濟(jì)南 250002)

0 引言

近幾年，隨著我國(guó)交通業(yè)的迅速發(fā)展，在內(nèi)地和南方沿海地區(qū)城市，鐵路和公路這樣的“線性工程”大都需要跨越水體，甚至是跨江入海。為了保證水上建(構(gòu))筑物的設(shè)計(jì)安全，需要對(duì)水上建(構(gòu))筑物及其附近水域進(jìn)行詳細(xì)的巖土工程勘察。作為水上巖土工程勘察的重要組成部分——水上施工用的鉆探平臺(tái)，是水上鉆探施工的基礎(chǔ)。

水上鉆探平臺(tái)通常有2種類(lèi)型，即漂浮式鉆探平臺(tái)和固定式鉆探平臺(tái)。漂浮式鉆探平臺(tái)一般有鉆探船平臺(tái)、浮筏式平臺(tái)(竹筏、木筏、汽油桶筏);固定式鉆探平臺(tái)一般有水上固定平臺(tái)、圍堰筑島平臺(tái)。我國(guó)南方和沿海省份地區(qū)，河網(wǎng)密布、坑塘遍地，對(duì)于水流速度緩慢(或靜止水域)和風(fēng)浪小的淺水水域，進(jìn)行鉆探施工，采用浮筏式平臺(tái)，在成本上、搭建時(shí)間上、方便程度上，更具實(shí)用性和靈活性。下面以“汽油桶筏”為例，介紹水上鉆探施工平臺(tái)的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用原理、特點(diǎn)、適用范圍、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益及施工過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng)。

1 “汽油桶筏”的結(jié)構(gòu)

采用容量220 L(規(guī)格:直徑60 cm，高90 cm)廢舊、不漏水的汽油桶，5個(gè)一組，首尾相接(注意:所有油桶口一致朝上)，中間留大約10 cm的寬度，用2根長(zhǎng)竹竿固定成一橫排(組)，根據(jù)所需施工場(chǎng)地的大小，固定這樣的汽油桶排8～12組(注:下面以8組為例說(shuō)明)，用較長(zhǎng)竹竿垂直橫排組(橫排組間隔10 cm)，豎向交叉固定;固定的軟性材料用8號(hào)鐵絲(Φ4 mm)或粗麻繩。使橫、豎竹竿排成網(wǎng)狀，汽油桶就卡在竹竿網(wǎng)格中。再在“汽油桶筏”上，順著豎排油桶的方向，鋪滿長(zhǎng)約6 m左右，厚0.05 m的寬木板，木板兩頭簡(jiǎn)單地固定在突出的垂直交叉的竹竿上，搭建成簡(jiǎn)單的水上鉆探施工平臺(tái)。

平臺(tái)4個(gè)角竹竿垂直交叉部位用4根直徑8～10 cm的鐵管固定在水底(鐵管具體長(zhǎng)度根據(jù)水深確定)，固定竹筏且作為錨使用，從4個(gè)方向卡住油桶筏;同時(shí)，為了移動(dòng)方便，還能再起到加固的作用，纜繩一頭栓在“汽油桶筏”上，一頭固定在岸邊的樹(shù)上或地錨上，防止它“隨波逐流”，發(fā)生安全事故。具體組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2 原理

當(dāng)前，很多關(guān)于論述水上鉆探方面的文章，都提及“汽油桶筏”當(dāng)作鉆探施工平臺(tái)的實(shí)例，但是很少有理論證明，搭建“汽油桶筏”具體需要多少油桶才能滿足施工和安全要求，筆者采用物理學(xué)知識(shí)予以驗(yàn)證。

圖1 “汽油桶筏”俯視圖

2.1 浮力計(jì)算

假設(shè)1個(gè)220 L的空油桶全部浸在水中，這時(shí)浮力最大，其計(jì)算公式如下:

前面舉例的“汽油桶筏”共39(即5×8－1=39)個(gè)這樣的油桶，其最大總浮力:

也就是“汽油桶筏”最大能承擔(dān)9 700 kg的荷載。

2.2 荷載計(jì)算

以北京探礦機(jī)械廠出產(chǎn)的XY-1B型號(hào)的工程勘察鉆機(jī)為例，施工一個(gè)深度60 m的鉆孔，再搭配上3個(gè)施工人員、若干工具配件、泥漿材料等，計(jì)算其總載荷量，以下簡(jiǎn)稱(chēng)鉆機(jī)荷載(表1)。

“汽油桶筏”長(zhǎng)寬計(jì)算公式:

平臺(tái)面積計(jì)算公式:

木材因?yàn)楹俊⒉课坏葪l件的不同，密度也不同，其范圍在0.44 ～0.57 之間，平均是 0.54，所以，在平臺(tái)上鋪滿厚度0.05 m的寬木板的重量(鉆孔位置的空缺木板重量忽略不計(jì)，G木板代表厚木板重量)，計(jì)算公式:

表1 荷載名稱(chēng)、型號(hào)、數(shù)量及重量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)《供水水文地質(zhì)鉆探與鑿井操作規(guī)程》(CJJ13-87)關(guān)于“全載時(shí)吃水線應(yīng)低于甲板0.2～0.3 m”的規(guī)定［1］，取上限值 0.3 m，因?yàn)橛屯爸睆绞?.6 m，即油桶一半浮在水中。其浮力是4 850 kg，公式計(jì)算:(1/2×F總浮力=4 850 kg)＞(G鉆機(jī)=3 588 kg);如果取下限值0.2 m，就是有大于2/3的油桶體積在水中，浮力大于2/3 ×F總浮力=6 466.66 kg，遠(yuǎn)大于3 588 kg的總荷重;因此，只從“汽油桶筏”的浮力和總荷重的對(duì)比來(lái)看，浮力足夠大，滿足要求，施工是安全的。

如果要求平臺(tái)使用面積更大，安全系數(shù)更高，還可以把汽油桶組從8組增加到12組，由此，“汽油桶筏”長(zhǎng)寬可變?yōu)?

平臺(tái)面積計(jì)算公式:

最大浮力:

由此可知，符合安全操作規(guī)程的要求。完全能夠滿足施工要求。

3 特點(diǎn)及適用范圍

3.1 特點(diǎn)

(1)簡(jiǎn)單容易搭建，不用專(zhuān)業(yè)工人操作，且在水中移動(dòng)靈活，可以重復(fù)使用。

(2)平臺(tái)設(shè)備組成材料簡(jiǎn)單，容易獲得，如廢舊的油桶、竹竿、麻繩、鐵管或鐵絲等物品。

(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，換場(chǎng)搬家不用全部拆散，拆成橫排的5個(gè)油桶的單元油桶組，4個(gè)人就可以抬到小貨車(chē)上，體積小，汽車(chē)運(yùn)輸次數(shù)少，節(jié)約運(yùn)費(fèi)。

3.2 適用范圍

“汽油桶筏”當(dāng)作鉆探施工平臺(tái)，因其牢固性和穩(wěn)定性相對(duì)較差，且經(jīng)不起大的風(fēng)浪。因此，只能適用于河水較淺，流速慢且平穩(wěn)，水位變幅不大的水域，設(shè)計(jì)鉆孔深度小于100 m的水上鉆探項(xiàng)目。如:池塘、小河中的施工項(xiàng)目。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

應(yīng)用“汽油桶筏”搭建鉆探平臺(tái)施工，在“京滬高速公路樂(lè)陵段”、“青龍(青島至龍口)高速青島城陽(yáng)區(qū)互通立交橋”和“國(guó)華瑞豐(利津)風(fēng)力發(fā)電”水上鉆探中，具體應(yīng)用過(guò)，效果比較理想，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益?，F(xiàn)以實(shí)施完成一個(gè)設(shè)計(jì)孔深60 m的鉆孔，需要3天時(shí)間為例，對(duì)比搭建一個(gè)“汽油桶筏”平臺(tái)和租船搭建鉆探施工平臺(tái)的成本，具體材料類(lèi)別和費(fèi)用見(jiàn)表2和表3(數(shù)據(jù)取自“天津曹妃甸首鋼遷址項(xiàng)目”工程勘察水上鉆探工程費(fèi)用)。

表2 搭建“汽油桶筏”費(fèi)用

表3 租船搭建鉆探施工平臺(tái)費(fèi)用

租船搭建鉆探施工平臺(tái)所需費(fèi)用:

對(duì)比表2和表3的費(fèi)用總價(jià):

綜上可知，搭建“汽油桶筏”費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于租船搭建施工平臺(tái)費(fèi)用，其經(jīng)濟(jì)效益可觀。

4.2 社會(huì)效益

(1)節(jié)約時(shí)間:搭建上述“汽油桶筏”鉆探平臺(tái)，1個(gè)機(jī)臺(tái)3個(gè)人1天時(shí)間就能完成，加上鉆機(jī)及配件推、拉、抬上平臺(tái)，3天時(shí)間，就可以完成1個(gè)60 m的全土層鉆孔。

(2)操作方便:搭建簡(jiǎn)單，不需要專(zhuān)業(yè)工人;如果在同一條河中施工，放下鉆塔，用纜繩就可把平臺(tái)拖到鉆孔位置;如果需要拆裝平臺(tái)，只要拆除豎向固定的竹竿，5個(gè)一組的空油桶較輕，4個(gè)人抬上輕卡運(yùn)輸汽車(chē)，就可到下一個(gè)鉆孔的位置。

(3)低碳環(huán)保:“汽油桶筏”可以重復(fù)使用，長(zhǎng)且厚的寬木板可以向當(dāng)?shù)氐慕ㄖ块T(mén)求租，空汽油桶和竹竿施工完成后還可以就地再賣(mài)掉(價(jià)錢(qián)大約是買(mǎi)時(shí)的50%左右)，不占場(chǎng)地放置儲(chǔ)存，能做到現(xiàn)用現(xiàn)買(mǎi)現(xiàn)租，施工結(jié)束后不產(chǎn)生建筑垃圾。

5 注意事項(xiàng)

水上鉆探平臺(tái)作為一個(gè)獨(dú)立的特殊作業(yè)單元，對(duì)安全的要求遠(yuǎn)比陸地鉆探復(fù)雜的多，因此，在進(jìn)行水上作業(yè)前必須做好安全應(yīng)急預(yù)案，建立完善的安全保證措施，保證作業(yè)人員和設(shè)備的安全，必須注意以下幾點(diǎn):

(1)設(shè)備安裝:由于筏面面積小，大約有5.5 m×4.9 m=26.95 m2的面積，所以安裝設(shè)備應(yīng)該緊湊;鉆機(jī)的立軸應(yīng)該安裝在筏面的中心，泥漿泵和發(fā)電機(jī)組安裝在靠近岸的左右兩邊，鉆探材料沿著鉆機(jī)方向、按照重量均勻分布在筏子的兩邊。

(2)鉆機(jī)鉆進(jìn):按照“斷開(kāi)離合器、啟動(dòng)動(dòng)力機(jī)、合攏離合器、掛檔、啟動(dòng)水泵、加壓鉆進(jìn)”的程序操作［2］;提升鉆具時(shí)不得強(qiáng)力起吊，不得將千斤頂?shù)衷诖咸幚硎鹿剩?］。

(3)為保護(hù)勘探范圍內(nèi)水域水質(zhì)，充分利用泥漿材料，須用薄鐵皮加工U型泥漿循環(huán)槽，配合泥漿泵和導(dǎo)流裝置形成泥漿循環(huán)系統(tǒng)［4］。

(4)氣候條件:水上鉆探有其特殊性，受自然條件的影響較大，所以要隨時(shí)收聽(tīng)當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)，觀察河流水位情況;遇到大雨，發(fā)現(xiàn)水位變化幅度較大時(shí)，迅速撤離;遇到大風(fēng)、大霧應(yīng)該暫停工作。停鉆停工時(shí)，平臺(tái)上應(yīng)該安排專(zhuān)人值班，負(fù)責(zé)監(jiān)視水情，并清除掛在套管上的漂浮物［3］。

(5)鉆探施工人員都必須穿救生衣施工，在明顯地方放至足夠多的救生圈，并適當(dāng)配置應(yīng)急醫(yī)藥箱、通訊設(shè)備、油桶堵漏劑和滅火器等［5］。

(6)筏面裝載要保持平衡，不常用的器具和裝滿的巖心箱，要及時(shí)搬運(yùn)上岸并妥善保管。

(7)筏面要保持平整，不留縫隙、漏洞，空檔處一定蓋嚴(yán)蓋牢;鉆具、工具必須擺放整齊，用后歸位，禁止亂扔亂放;筏面四周應(yīng)該設(shè)欄桿和纜繩，并且懸掛醒目的施工信號(hào)彩旗，起到警示作用［2］。

6 結(jié)語(yǔ)

該文在理論上論證了“汽油桶筏”的載重量，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)鉆機(jī)荷載的增減和現(xiàn)場(chǎng)情況，具體數(shù)量的增加或減少汽油桶個(gè)數(shù)以及改變油桶的排列方式。同時(shí)“汽油桶筏”結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，搭建方便，在簡(jiǎn)單的水上鉆探中，同租船搭建鉆探施工平臺(tái)相比，更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用，值得在類(lèi)似的水上鉆探工程中推廣。

［1］CJJ13-87.供水水文地質(zhì)鉆探與鑿井操作規(guī)程［S］.

［2］AQ2004-2005.地質(zhì)勘探安全規(guī)程［S］.

［3］李尚華.淺談水上鉆探［J］.甘肅水利水電技術(shù)，2002，38(2):133-135.

［4］高建波.淺談水上地質(zhì)鉆探方法選擇與應(yīng)用［J］.鐵道勘察，2012，39(3):51-54.

［5］DB37/T1811-2011.地質(zhì)鉆探安全標(biāo)準(zhǔn)［S］.