岩土工程水陆两栖勘察平台设计

胡建平 李孝杰

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

在港口、桥梁、风电、海防等海岸工程建设中，工程勘察必定涉及滩涂或潮间带区域。潮间带——指最高潮位和最低潮位间的海岸，具有涨潮时淹没退潮时露出的特点，通常土质疏松、承载力低，以粉细砂、粉质黏土居多。岩土工程勘察主要涉及勘探取样及岩土测试［1］，其中，岩土测试包括十字板剪切试验、圆锥动力触探试验、标准贯入试验、静力触探试验、旁压试验、扁铲侧胀试验及波速测试等项目，现有的滩涂或潮间带勘察通常采用［2-3］：①船载式勘察平台利用涨潮进入滩区搁浅作业，下一次涨潮船退出，勘察作业受制于涨退潮时间以及船的吃水深度影响；②搭建固定作业平台，则存在反复建、拆、迁的过程，耗时、耗力、效率低，并影响滩涂或潮间带区域生态环境；③需采用水陆二套设备及人员完成勘探或岩土测试项目，以致成本居高不下；④低潮位两栖交界处或泥质滩涂区存在着路不能修、车不能到、船不能进的勘察盲区，给勘探取样及岩土测试造成困难。

我国技术人员进行了不断尝试，如：“一种潮间带双栖钻探平台装置”［4］，该发明装置由挂桨机、动力控制系统、钻机等组成，通过平台底部水陆两栖行走装置，解决了潮间带地段勘探及自身转场的难题，提高了作业效率，但受限于水域或潮间带涉水状态，难以实施基于固定平台的岩土测试项目［5］。又“浮箱式水上勘探作业平台”［6］，该发明有浮箱、托架、定位桩等组成，作业平台上设有勘探钻机、定位桩等，平台移位及定位较为方便，可以解决水陆两栖勘探取样。但在水域状态下：平台无自航能力，转场需辅助设备支持；且受海上风、浪、潮、涌影响，平台上测试装备随之上下浮动，难以保证岩土测试数据的准确性。

随着近海沿岸水工建筑、跨海桥隧、深水码头、海上风电、海防工程等质量要求不断提升，岩土工程基础设计离不开海域、滩涂、陆域一片完整区域的地质勘察资料。因此，业内迫切需要一种转场灵活、安全性高、成本低的水陆两栖勘察作业平台，作业人员操纵平台上不同用途的勘察装备，不但能完成勘探取样，而且能够实施静力触探等一揽子岩土测试项目，满足水运工程基础设计发展的需要。

1 海岸滩涂特点

滩涂通常指江滩、河滩、湖滩、海滩、潮滩及其滩涂沼泽区域，其中海岸滩涂是滩涂的一种主要类型。海滩、潮滩是海岸滩涂的主要组成部分，海滩指砂质海岸潮间带；潮滩指淤泥质海岸潮间带，是高潮位与低潮位之间的滩地。海岸滩涂通常指处于浅海与内陆之间的过渡带，具有涨潮时淹没、落潮时露出的特征。随着我国综合国力的增强及沿海城市经济的快速发展，这些区域的勘察技术越来越受到整个水运行业的关注。

1.1 滩涂主要分布

我国拥有约1045万km2的国土面积，海岸线北起鸭绿江，南至北仑河口，约长18000 km，滩涂面积约13000 km2，拥有大小岛屿5000多个，岛岸线长14000多km［7］。目前，我国四大海区海岸滩涂分布如下：

1）渤海区

0～—10 m的滩涂面积近800万亩，绝大部分为现代沉积物覆盖，其中，中央盆地区为细粉砂，而周围辽东湾、莱州湾和渤海湾主要分布为粉砂质软土。

2）黄海区

0～—20 m滩涂面积约800万亩，表层主要以细砂及粉砂为主，部分为淤泥或粉砂质淤泥。

3）东海区

0～—10 m滩涂面积约700万亩，其中北部长江下游三角洲沉积区，沉积物为细砂、粉细砂、泥粉砂、粉砂泥质等；闽浙近海沉积主要是黏土质淤泥及粉砂质淤泥。

4）南海区

0～—10 m沿海滩涂面积为约600万亩，表层为砂砾、珊瑚礁、细粉砂、软泥等。

我国四大海区0～—10 m，拥有约12700 km2范围面积浅海滩涂，在这一特殊区域的工程勘察，已成为行业公认难点，而现有的勘察平台已无法适应现代岩土工程基础设计的需求。

1.2 滩涂类型

1）泥滩

又称潮滩，特指淤泥质海岸潮间带滩涂，占我国滩涂总面积的80%以上［8］。泥滩岸线大约4000 km，其中：平原型滩涂分布在辽东湾、渤海湾、黄海岸线、杭州湾等江河入海沿岸；港湾型滩涂分布在浙、闽、粤沿岸的一些港湾内。泥滩一般有黏性，滩面软，承载力小，滩面宽度大（5～10 km）。其组成物质颗粒径细，包括粉砂质和淤泥质两类。

2）沙滩

又称海滩，是砂质海岸的潮间带浅滩，与岩滩同时出现，同属基岩海岸。在我国主要分布于辽宁老鹰屿—城山头、龙头—饮马河口，山东虎头崖—双岛湾，两域河口—江苏辛庄河口，钱塘江南岸的镇海，福建梅花角—江田，台湾西海岸，广东海丰—惠来、吴川—电白，海南东、西岸，广西北海等岸段。由于沙滩物质多来源于沿岸流与海域来砂，面积一般较小，出露面较窄。

3）岩滩

又称岩礁滩，多位于基岩海岸的迎风向浪场所，是基岩海岸受强烈海水动力作用侵蚀不断后退形成。全国岩滩岸线总长约5000 km，占全国海岸线总长的1/3以上，主要分布于辽东半岛南端、山海关—葫芦岛、胶东半岛、连云港及杭州湾以南沿海，以及台湾东部沿海。岩滩滩面较陡，在基岩底质上覆盖薄层细砂或基岩砾石、碎块。因岩性、地貌等因素差异，各地岩滩宽窄不一，从几十米至几千米不等。

2 总体设计及结构

为了解决上述技术问题，采用以下技术方案：设计一种适应于海岸滩涂为主的岩土工程水陆两栖勘察平台，平台具有滩涂行走、斜坡调平、海域自航、海上升降等功能。作业人员操作平台上不同用途的勘察设备，如采用钻机用于勘探取样，又如采用静探仪进行静力触探试验等，完成海岸滩涂、砂质海岸、泥质海岸及潮间带两栖区域各类勘察项目，满足水运工程基础设计的要求。

2.1 主要部件结构设计

设计的岩土工程两栖勘察综合作业平台（简称平台），主要模块包括：作业平台，用于固定勘察项目所需的钻机或岩土测试设备；升降模块，针对海域勘察作业时可将整个平台提升出海面，形成一个“静态”固定平台，使陆域开展的各类勘察作业延伸至海域；行走模块，设计的动力装置驱动履带式勘察平台陆域行驶，使现有的勘察从一般平原延伸至崎岖、斜坡、滩涂及软弱土层带区域；推进模块，设计将马达动力转换成推力，推动整个平台自航，解决了海上终孔后转场，无需辅助船舶拖航；调平模块，用于解决作业平台处于斜坡或崎岖处，设计的液压支腿可调，克服了作业平台上勘察设备倾斜造成钻孔偏离的难题。控制台，设计有方向盘、轮舵、操纵杆及一组按钮，方向盘和轮舵分别控制平台两栖行驶/航行方向；操纵杆用于海上作业时，控制平台桩腿升降；按钮用于控制液压支腿升降，确保基于作业平台的勘察设备处于垂直状态。平台总体设计如图1所示。

图1 平台设计总体结构图

2.1.1 作业平台

作业平台由桁架式框架和铺设在上面的甲板构成，框架内装满排列整齐的浮箱（筒），为平台水上航行或锚泊提供所需浮力；浮箱（筒）为中空矩形体、柱体、长方体等形态，平台四角各安装一个锚桩，用于平台锚泊定位。作业平台上设有控制台，控制整个平台两栖行驶、升降、调平等操作。

作业平台四周用护栏围起，为勘察人员提供一个两栖勘察作业安全区；作业平台上设有月池，勘探设备将钻杆或套管沿月池钻或放入土中，开展勘探取样或岩土测试项目。如图2所示。

2.1.2 升降模块

图2 作业平台结构图

升降模块由液压升降、桩腿、桩靴等组成，升降装置设置在作业平台和桩腿的交接处，通过加劲板连接板与作业平台形成一体，起到把平台固定于桩腿某一位置的作用，使桩腿和平台做上下相对运动。平台上升：插销从圈梁插入桩腿销孔中，液压驱动活塞杆下降一个节距，桩腿带着平台随之上升一个节距，然后将插销从圈梁中拔出，活塞杆与圈梁一起上升，再将插销插到桩腿的圈梁中，循环这一过程，直至整个平台离开水面。同样，平台下降至水面，进行下一步自航转场，操作过程与平台上升操作类似。桩腿不但要支承平台的自身质量和可变载荷，还要接受各种环境载荷的考验［7］，如波、浪、潮、涌对作业的影响。

2.1.3 行走模块

滩涂行走主要涉及潮间带、沼泽、离岸沙洲等有水无水交替露出的软弱土层上，用于滩涂上运输两栖勘察平台及作业人员，依托平台上勘探设备，实施勘探取样或岩土测试。针对以上应用工况要求，满足额定载重的情况下，整个平台质量尽可能小，以减小土体扰动，并要求具有一定的爬坡能力，转场灵活，通行性强。

按照上述要求，设计的行走模块由发动机、履带、驱动轮、导向轮、支重轮及车架组成，发动机控制泵控马达将力传递给驱动轮，带动履带转动，从而使平台在滩涂区行驶。根据平台几何尺寸及推进模块基本构成，采用履式底盘行走方式，框架组合，在满足载荷的要求下，降低整个平台的自重。

2.1.4 推进模块

一种水陆两栖勘察作业平台所设计的推进模块，由马达、浆毂、叶片、舵叶组成，马达产生的动力转换成推力，推动整个平台系统水上航行，实施一个钻孔完成后下一个钻孔的自航转场。勘察作业人员通过控制台上方向舵控制航向，通过按钮调速开关，以全回转方式控制平台航速与航向。推进模块固定在车架上，车架上设有4根液压支腿，钻孔定位后，启动控制台上按钮，分别控制液压支腿的升降，使作业平台在钻孔定位处保持水平状态，确保钻孔垂直。如图3所示。

图3 推进模块结构示意图

2.1.5 调平模块

调平模块主要有4根液压支腿，支腿由液压缸与活塞杆构成，固定在车架四周，作业人员操作控制台上按钮，分别控制支腿上活塞杆升降，使处于斜坡或崎岖处作业平台能够保持水平状态。

本发明各模块独立设计，按需组装，便于运输。所发明的两栖勘察平台克服了潮汐涨落间歇性淹没对滩涂勘察造成的影响，无需筑路、围堤或建造固定平台，有效保护滩涂或潮间带生态环境。

2.2 安装及运输

本发明平台采用模块组装化设计，可独立分解成：履带集成模块、车架模块、作业平台模块及液压升降装置，分别采用螺栓、螺杆、螺母旋紧连接，并在相应位置安装钻机、钻架及岩土测试装备后形成整个平台系统，维护及更换快捷便利，利于长途运输。如图4所示。

图4 平台整体装配示意图

平台整体运输如图5所示。首先，将桩腿与桩靴分离，并将桩腿从液压升降装置中取出，固定放置在作业平台上。同样，可将护栏、锚桩取下，横放在作业平台上，并将勘察设备安置固定在作业平台上。作业人员启动控制台上按钮与方向盘，沿斜面将平台驶入车、船或集装箱等载体上，整体固定后，实施长途运输。由于出发前预先装载各模块于平台上，实现了快速整体迁移，克服了滩涂上固定勘察平台装、拆、迁的难题，大幅缩短了勘察工期。

图5 平台运输图

3 平台操作实例

3.1 作业流程

1）装/卸：将行走模块、推进装置、作业平台连接固定，并将勘察设备，如勘探取样（钻机，钻具）、静力触探（贯入装置、触探仪）等，按需安装固定在作业平台上。

2）运输：采用平台整体吊装或作业人员操作控制台上方向盘，行驶到载体上（如车、船等），运输到达目的地附近，驶下载体，在作业平台四周安装升降模块、护栏、锚桩及钻架等所需设备。

3）陆域勘察：作业人员操纵控制台上方向盘，将平台行驶到钻孔位置，进行平台调平处理，然后开始勘探取样或岩土测试项目。

4）水域勘察：作业人员将平台从陆域/滩涂驶入水中，然后操纵控制台上轮舵，将平台航行到预定位置，准备开始作业。

5）锚泊定位：勘探，钻孔准确定位后，锚泊固定平台，开始循环执行钻进、取样这一过程，直至钻到孔深预定位置止。

6）平台升降：岩土测试，首先作业人员操作控制台上操纵杆，将桩腿逐节下降，桩靴插入海床，持续压桩直至平台远离水面。然后开始岩土测试，如静力触探试验，则以静压力将探头按一定速率压入土中，采集其贯入阻力值（如锥头阻力、侧壁摩阻力等），可连续压入或清孔与压入交叉进行，直至将探头压到预定位置止，然后降平台，为下一个孔做准备。

7）转场：单个勘察孔结束，起锚；单个岩土测试孔完成，则进行桩腿上拔，整个过程与压入类似，持续拔桩、卸桩，直至平台浮在水面上，平台自航至下一个位置，继续执行5）或6）步骤，直至整个区域勘察作业完成。

8）勘察结束：水域，作业人员操纵控制台上轮舵，将平台驶回陆上；陆域，将平台行驶到指定区域，执行1）或2）步骤，将平台返回出发地，本工程勘察结束，整个作业流程如图6所示。

图6 勘察作业流程

本发明平台具有滩涂行走、水域自航、水陆两栖勘察作业。当平台依靠履带驶入水中后，具有二种方式：锚泊定位，勘探取样；平台升降，则可实施各类岩土测试项目。

3.2 工程实例

3.2.1 海上勘察

首先，平台自航至钻孔定位处，作业人员操纵控制台，将平台上升离开海面，开始作业，如本项目为静力触探试验，则静力触探仪将钻杆及探头放入孔内，将圆锥形探头按一定速率匀速压入土中，实时采集贯入阻力，并按其所受阻力的大小划分土层，确定土的工程性质。单孔完成后，下降平台，拔桩，开始转场，实施下一个静力触探孔试验，如此循环直至整片海域静力触探孔试验完成。（见图7）

图7 海上岩土测试实例

3.2.2 陆上勘察

首先，驾驶平台进入钻孔预定位置，若预定位置处于斜坡或地面不平处，则可操作控制台上按钮分别调准4根液压支腿高度，使作业平台上勘察设备钻进垂直。至于勘探取样或岩土测试的整个过程，与海上勘察（见图7）操作类似，单孔完成后，将平台转场到下一个钻孔位置，反复这一过程，直至陆域勘察作业完成。（见图8）

图8 陆上勘察实例

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4 结论

我国海岸线长，滩涂面积广，水陆两栖勘察平台的研发，可有效解决这一区域岩土工程勘探取样和各类岩土测试；本发明也可满足于江、河、湖、塘、水域及砂质海岸、泥质海岸、河口潮间带区域勘察，用途广泛。

1）行走模块，将陆域勘察从平原扩展至近海滩涂及软弱土层带区域。

2）调平模块，解决了斜坡或崎岖处勘察造成钻孔倾斜的难题。

3）推进模块，平台具有自航能力，无需辅助船舶拖航，提升作业效率，降低勘察成本。

4）升降模块，形成一个海上固定勘察平台，使现有的岩土测试依托本发明而延伸至海域。

5）平台模块独立设计，按需组装，便于运输，克服了滩涂区勘察筑路、围堤、建造平台的难题，最有效地保护海岸生态环境。

上述针对海岸滩涂勘察开发的一种两栖平台，为今后我国水运勘察装备一体化研究提供了有益参考。

收稿日期：2018-08-24