工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (5): 1375-1383   (4332 KB)    
洋山四期自动化码头勘察新技术应用
胡建平, 李庆庆    
中交第三航务工程勘察设计院有限公司 上海 200032
摘要:上海国际航运中心洋山深水港四期码头位于港区一-三期西北侧,由颗珠山岛、小乌龟岛、蒋公柱岛及花鱼礁等围海填筑形成,是世界上首个依托岛礁建成的超大型港口,它的建成奠定了上海国际航运中心港地位。四期工程为世上最大、最先进的智能化码头,基础采用新工艺,对勘探成果要求高,技术难度大,外海依托条件差,面临的许多问题无规范可循或类似工程借鉴。工程中勘察人员采用具有完全自主知识产权集勘探平台系列、新颖取土器、软土测试新工艺、海水造浆等为一体的综合关键技术,揭示了港区吹填土固结载荷变形规律,提出了适宜有效的桩基处理方案,为优化设计减低成本提供了强有力的数据支撑,取得了良好的社会和经济效益。这些创新标志着我国近海岩土工程“中国勘察”技术的突破,同时为今后类似重大、特大型海上工程勘察提供有益的参考。
关键词自动化码头    勘探平台    原位测试    软土测试    取样器    
APPLICATION OF NEW TECHNOLOGIES FOR GROUND INVESTIGATION OF YANGSHAN FOURTH AUTOMATIC DOCK
HU Jianping, LI Qingqing    
CCCC Third Harbor Consultants Co., Ltd., Shanghai 200032
Abstract: As a part of Shanghai international shipping center, Yangshan Deepwater Port fourth dock is located in the northwest of the first to third docks. It is formed by sea embankment around Particle Island, Zhushan Island, Turtle Island and Fish Reef. It is the world's largest dock built relying on the island. The dock is the largest and most advanced intellectualized in the world. The new technology is adopted on the basis of the foundation. It requires high exploration results and difficult technology. Many problems faced by the offshore area are not standardized. Investigation works include completely independent intellectual property rights and comprehensive set of key technology exploration platform series, novel sampling, soft soil test new technology, and sea mud as a whole. They reveal the port consolidation of dredger fill load deformation, and put forward appropriate and effective foundation treatment scheme. Optimization design for cost reduction provides a strong data support, and achieves good social and economic benefits. These innovations symbolize the breakthroughs in China's geotechnical investigation in China's offshore geotechnical engineering, and provide useful references for similar super engineering surveys in the future.
Key words: Automatic dock    Exploration platform    In situ test    Soft soil test    Sampling    

0 引言

全球规模最大、设备最先进的全自动化码头——上海国际航运中心洋山深水港区四期,工程总投资1.2848×1010元,建设规模为5个5×104 t级和2个7×104 t级集装箱泊位,1个工作船泊位,泊位总长约2800 m,可满足多艘大型集装箱船同时靠泊,设计年吞吐量6.3×106 TEU,其中水工结构均按靠泊1.5×105 t级集装箱船舶设计与建造,为后续发展留下空间。随着2017年12月10日四期开港,这座孕育“中国勘察”和“中国智造”的岛礁上,一座“超级工程”展现真容,俯瞰整个港区,一-三期码头出现的人工驾驶集装箱卡车来回穿梭这一景象已不再显现,一切变得安静而有序。四期的加入使上海港的年吞吐量有望突破4×107 TEU,将超过整个美国港口年吞吐量总和,并达到目前全球港口年吞吐量的十分之一,成为国家名片“中国港口”的杰出代表。建成后的四期(图 1)。

图 1 洋山四期全自动码头全景 Fig. 1 Yangshan fourth phase full automatic port

洋山深水港位于长江和东海交汇处,离岸30多公里,全部由大、小洋山等数10个岛屿组成,是世界上首个依托岛礁建成的超大型港口,其中,四期工程位于洋山深水港一-三期西北侧,由颗珠山岛、小乌龟岛、蒋公柱岛及花鱼礁等围海填筑约2.23×106m2形成。由于四期工程为世上最大、最先进的智能化码头,基础采用新工艺,对勘探成果要求高,技术难度大,外海勘察依托条件差,许多技术问题无规范可循和类似工程借鉴。本工程依托课题“近海工程勘察新技术研发”十多项关键技术,应对复杂海况勘探取样、原位测试、室内检测、后期监测等各环节,自2004年9月30日预可行性研究阶段起,至2016年7月17日配套工程110 kV颗珠山降压站完工止,勘察历时13 a,报告成果揭示了港区吹填土固结载荷变形规律,提出了适宜有效的桩基处理方案并被设计采纳,取得了良好的社会和显著的经济效益。这些创新标志着近海岩土工程“中国勘察”技术的突破,同时为今后类似重大、特大型海上工程勘察提供有益的借鉴。该课题成果获2013年度中国水运建设科技进步奖一等奖。

1 勘察背景
1.1 地形、地貌复杂

洋山深水港四期与二期毗邻,东海大桥-进港海堤-颗珠山大桥以南,小乌龟岛到蒋公柱岛之间一系列面积狭小的岛屿围海形成,岸线长约4.0 km,港区规划(图 2)。勘探区列岛岸线曲折,岬角丛生,基岩裸露,植被稀少,地形陡峭,少平地,沿岸海蚀地貌较发育,属海蚀残丘礁岛地貌类型。大小乌龟岛、颗珠山岛、蒋公柱岛呈东西向发育,岛屿基岩岩性单一,以燕山早期中粗粒钾长花岗岩为主。原始地形泥面标高一般为-20.0~-4.0 m;蒋公柱岛-颗珠山岛之间海域东西向发育一深槽,泥面标高大于-20.0 m;吹填后陆域区地形标高一般为+ 5.0~+13.0 m。勘探资料显示,勘探区深度范围内主要地层从上到下为:人工填土,主要为杂色抛石、灰黄色粉细砂、灰黄色淤泥质粉质黏土、灰黄色粉质黏土、杂色碎石混淤泥、冲填土(粉细砂或粉质黏土)等;全新世河口-滨海相堆积物,主要为灰黄色砂质粉土、灰黄色淤泥质粉质黏土、灰黄色粉质黏土夹粉细砂或粉细砂夹粉质黏土、灰黄-灰色淤泥质黏土、灰黄-灰色粉质黏土、灰色粉细砂等;晚更新世河口-滨海相堆积物,主要为灰-灰绿色粉质黏土、褐黄-灰绿色粉质黏土、灰-灰黄色粉细砂、灰-灰绿色黏土、灰黄色粉质黏土及杂色中粗砂等;基底为杂色花岗岩强风化层、浅红色花岗岩中等风化层。

图 2 洋山港四期港区整体布置图 Fig. 2 Fourth port area layout of Yangshan Port 2013年初设阶段前,洋山港四期被称为小洋山西港区

1.2 自然条件复杂
1.2.1 水文气象

洋山海区属亚热带海洋性季风气候,位于北亚热带南缘,东亚季风盛行区,全年偏北和偏东南向风盛行,气候变化较复杂。根据小洋山气象观测站观测资料统计,1997年8月~2001年12月年间平均气温为17.2 ℃,极端最高气温为34.9 ℃,极端最低气温为-3.5 ℃;年平均降水量为1013.0 mm;各月均有雾日出现,相对集中在冬、春季节,年平均雾日28.8 d;雷暴日各月份均有出现,其中8月份相对频繁;7~9月份常受热带气旋影响,而12月至次年1月份则常受寒潮影响。

1.2.2 风况

据气象观测站测风资料统计,洋山海区受冬夏二季季风影响,风向季节变化明显。勘探海域常风向为N向,频率为16.4%,次常风向为SE向,频率为13.4%;强风向为NNW向,实测最大风速为29.1 m·s-1,次强风向为SSE向,实测最大风速为23.3 m·s-1。资料表明勘探区WNW-SSE走向为一强风向轴,其中WNW-N向风力相对较强,年平均风速为6.3 m·s-1

1.2.3 潮汐

海区潮汐受东海前进波控制,属非正规浅海半日潮类型,强度为中等。潮汐日不等现象较明显,一般春分至秋分夜潮大于日潮,秋分至春分日潮大于夜潮。据资料分析,洋山海区最高潮位5.73 m,最低低潮位-0.23 m,最大潮差> 5 m;平均高潮位3.88 m,平均低潮位1.14 m,平均潮差近3 m。平均涨潮历时为5 h 49 min,平均落潮历时为6 h 36 min。

1.3 勘察工作量大、工期长

四期勘察主要涉及码头区、陆域形成区、围堤区、陆域单体区及配套工程区等,共分6个勘察阶段:(1)2004年9月~2004年10月,预可行性选址阶段;(2)2005年10月~2007年4月陆域形成区施工图设计阶段;(3)2008年12月~2009年2月码头区初步设计阶段;(4)2009年2月~2009年7月码头区、新增陆域形成区和围堤区施工图设计阶段;(5)2014年8月~2015年1月码头区施工图设计补充勘察、陆域单体区施工图设计阶段;(6)2013年11月~2016年7月配套工程(如110 kV颗珠山降压站进线工程等),前后历时13 a。勘探钻孔累计1223个(其中水域钻孔978个),入土总进尺43 748.3 m;累计取得原状试样6327个,标准贯入试验12 591次,其中码头区DZ2孔入土70.5 m,陆域形成区L196孔水深达41 m。

1.4 场地地质条件复杂

港区场地具有不均匀地基岩土层特性,表现在:(1)场地跨越不同地貌单元,岩土层空间发育不均匀,具明显的差异性;(2)场地处于构造破碎带上(非全新活动断裂带),断裂带两侧基岩风化层较发育,且岩性不同;(3)整个场地被软弱黏性土和深厚吹填土覆盖;(4)局部岩土层界面坡度较陡,基岩面起伏较大。

1.5 勘察要求高
1.5.1 勘察手段丰富

根据设计意图及工程的重要性,洋山四期工程须采用海上标准贯入试验、十字板剪切试验、静力触探试验、电阻率试验等超常规勘察手段和方法。

1.5.2 勘察技术要求
1.5.2.1 码头区

查明码头区勘察深度范围内各地基岩土层的成因类型、埋藏深度、厚度等空间分布变化规律及地质性质,提供各地基岩土层物理力学指标、打入桩桩侧与桩端极限阻力标准值等,推荐合理的桩基持力层,估算单桩承载力。探明基岩浅埋区基岩面起伏变化和基岩风化发育规律,以及场地不良地质现象等。对场地地震效应深度范围内的地基土液化可能性、液化等级、水和土对建筑材料的腐蚀性作出判别,并对场地工程地质条件作相应的评价。重点查明可作为桩基持力层的岩土层空间分布发育规律及其工程地质性质;查明第四纪覆盖层发育区桩基持力层桩端以下和桩基影响深度范围内有无软弱下卧层;在基岩浅埋区,则需查明基岩风化层顶板起伏变化情况。

1.5.2.2 驳岸挡墙结构

查明驳岸挡墙结构区第四纪松散堆积层的厚度、空间分布发育规律、各地基土层物理力学性质和基岩浅埋区基岩埋藏分布情况、风化发育规律以及不良地质现象等,并根据工程性质及要求作出相应评价,推荐桩基持力层和桩基设计参数,估算单桩承载力,估算地基承载力。重点查明分布在驳岸挡墙结构前后淤泥、淤泥质软土层,可能作为驳岸结构桩基持力层的土层空间分布发育规律及工程性质。

1.5.2.3 陆域形成及围堤区

查明陆域形成区及围堤区第四纪松散堆积层的厚度、空间分布发育规律及各土层物理力学性质,查明基岩浅埋区基底的起伏变化和基岩风化发育规律,以及不良地质现象等,估算浅部地基土层的承载力,并对其工程地质条件作相应的评价,为规划围堤及陆域形成沉降分析及确定结构形式方案、地基基础设计、施工及不良地质现象的防治提供依据与岩土参数。重点查明软土层的成因、成分、成层条件,厚度及其变化规律。

1.5.2.4 土建单体区

查明拟建筑物基础基底应力影响范围内各地基岩土层分布发育规律及地质特征;提供各主要岩土层的物理力学性质指标;查明拟建场区特殊性岩土及不良地质现象、水(土)腐蚀性、场地地震效应等工程地质条件;对拟建中可能采用桩基础的单体进行桩基工程地质条件评价;推荐桩基持力层和桩基设计参数,估算单柱竖向承载力值;对浅基础的土建单体进行工程地质条件分析与评价,推荐适宜的浅基持力层,提供承载力值及对地基处理提出建议;同时对相应的基坑工程地质条件进行评价。

1.5.3 室内试验

为准确获取各岩土层的物理力学性质指标,室内土工试验除常规物理试验外,还进行了固结试验(a0.1~0.2Espccvch)、直剪固结快剪(CΦ)、无侧限抗压强度试验(quq'ust)、三轴不固结不排水剪(CuΦu)、三轴固结不排水试验(CcuΦcu)、渗透试验(kvkh)、固结系数T90试验、静止侧压力系数K0试验及岩石饱和单轴抗压强度试验、地下水(地表水)水质简分析试验等。

综上所述,充分反映了整个港区地质性质的复杂性,准确预测和计算岩土体荷载后沉降及变形显得非常困难,需采用超常规手段和勘察新技术、新工艺才能获取土体沉降、位移及变形量,从而科学合理地指导四期工程陆域形成、地基处理、桩基础、围堤堆载速率与上部结构施工进度,为设计方案优化提供依据。

2 勘察评价
2.1 基础分析

根据勘察所揭露的岩土层情况,拟建区Ⅳ4灰-灰黄色粉细砂层发育相对稳定且厚度较大、工程地质性质较好(标准贯入试验击数一般为18~48击),埋藏适中,其下部为本工程打入桩较理想的桩基持力层。而在基岩埋藏相对较浅的区域,Ⅵ2-1花岗岩中等风化层为较理想的嵌岩桩的桩基持力层,其工程地质性质良好,根据拟建工程区岩石试验成果分析,花岗岩中等风化层饱和密度平均值为2.59 g·cm-3、岩石单轴饱和抗压强度标准值frk为107.8 MPa,属坚硬岩。根据勘察资料分析,洋山四期工程区岩体完整程度为较完整,局部较破碎,结构类型为块状结构。岩体基本质量等级一般为Ⅲ级,局部为Ⅱ级。

基础分析的准确性在随后施工中得到了验证,为后续桩基的顺利施工奠定了良好的基础,勘察报告得到了业主、监理方高度认可。

2.2 成果报告

根据码头区勘察所揭露的岩土层分布发育情况可知:除中偏东段区域的中偏东部以及东段区域外,其余区域覆盖层均相对较厚,且有较良好的桩基持力层,故码头区桩基拟采用打入式钢管桩或嵌岩桩。勘察区总体地层发育规律为:约25.0 m厚以软弱土层为主,间或夹杂分布不稳定、且相对较为零星的砂土或粉土,其下为发育相对稳定且厚度较大(一般为15.0~29.0 m)、工程地质性质较好的Ⅳ4灰-灰黄色粉细砂层,顶板埋藏标高一般为-39.0~-33.0 m,其下部不失为本工程荷载较大的集装箱码头大型钢管桩较理想的桩基持力层;该层下卧层为工程地质性质良好的Ⅵ2-1花岗岩中等风化层,局部覆盖层特厚区下卧层则为工程地质性质较好的Ⅴ2灰绿-褐黄色粉质黏土、Ⅴ3灰绿-褐黄色黏性土混砂砾层等;与此同时,Ⅳ4灰-灰黄色粉细砂层的中下部或底部零星发育有厚度较薄的Ⅳ4 t灰色粉质黏土夹粉细砂层,工程地质性质相对较差,应注意桩端位置与其保持一定安全距离(3.0~5.0 m)或穿越此软弱夹层,确保基桩的安全稳定。根据具体的工程地质条件(基岩埋藏相对较浅),Ⅵ2-1花岗岩中等风化层为较理想的嵌岩桩的桩基持力层,其工程地质性质良好,为坚硬岩,中偏东段区的中偏东部岩体基本质量等级为Ⅲ级,东段区的中部岩体基本质量等级为Ⅱ级,东段区的东部岩体基本质量等级为Ⅲ级,地质剖面如图 3所示。

图 3 港区地质剖面图(局部) Fig. 3 Geological profile of port area(part)

经后期试桩和打桩施工验证,勘察报告中对各拟建构筑物持力层的推荐相当合理,为设计和施工提供的地层参数可靠。

3 技术创新
3.1 船载移动勘探平台

目前,欧美等国海洋勘探平台技术渐趋成熟,如业内著名的加拿大(ISE),荷兰(AP vd Berg)和辉固(FUGRO N.V.)等企业,许多成果实现了商品化,因参照执行ASTM或EN质量规范,又仰仗着近海勘察专利网策略,设置了一整套技术壁垒(胡建平,2014),遏制我国企业的发展。国内传统的船载平台勘探作业,易受风、浪、潮、涌的影响,取土质量与作业时间受海况限制(胡建平等,2012)。为提升洋山四期原状土样质量,创新一种独具匠心的海上移动平台系统(钮建定等,2012a),如图 4所示。

图 4 船载式勘探平台工程应用 Fig. 4 Single side cantilever exploration platform

3.1.1 创新平台模块化设计

勘探平台模块设计,具有通用性广和移植性。设计中优选自航式船舶,首艉各配一组锚机;甲板上铺设与首艉平行的若干根型钢,支架横跨于型钢之上,且伸出舷体一侧,形成勘察工作区。模块化拼装,整个过程1~2 d内即可完成,从而快速形成一个海上移动勘探平台。

3.1.2 独创三钻机混合钻进法

发明一种三钻机混合钻进法,大幅缩短水上勘探时间,提升了作业效率。平台悬臂侧上1台主岩芯钻机负责钻进,平台另侧2台辅助钻机轮流承担上下提引,构成三角形分布,3台钻机各司其职,不间断升降钻杆。当出现卡钻故障时,集主、辅三钻机的提引优势,快速处理故障,从而大幅降低水上作业的事故风险。

集多项技术的移动平台系统,使海上土芯采样率达到80%以上,原状土样质量达到Ⅰ~Ⅱ级,并使有效作业时间延长30%以上,生产效率得到极大的提高。

3.2 新型海洋原状取土器

适航水深是利用港口前沿及航道水深适航层进行通航,这样既可降低航道维护费用,又可延长港口、航道疏浚周期(胡建平等,2015a),在节约能耗的同时,提升港口经济效益。确定适航水深的关键是获得准确的浮泥-软泥重度等参数,从而确定适航深度。目前,针对适航层的取土器呈五花八门,良莠不齐,有些检测结果甚至造成原本可以适航的水深,变成了需要疏浚的结论,以至疏浚周期缩短,造成资源浪费,维护成本升高,为此研发了一种具有稳定、高效的原状取土器(钮建定等,2015)。

3.2.1 驱动缸结构设计

驱动缸有缸套、活塞和活塞杆等组成,缸套下端连接一个塞盖,塞盖与缸套螺纹配合,塞盖上有排气孔,活塞运动过程中,排气孔可以起到平衡活塞下方压力的作用。驱动缸利用水或气体压力带动翻盖封闭取样筒上下端开口,从而可以很好地保护土样的原状性,结构如图 5所示。

图 5 取土器结构示意图 Fig. 5 Schematic diagram of the structure of a soil collector

3.2.2 取样筒结构设计

取样筒下端设有可旋转的翻盖,翻盖左右对称安装在外套筒下端,当翻盖向内翻转时,可以封闭取样筒的下端开口。取样筒下方设有一个内径与取样筒相同的控制圈,翻盖向外翻开时,它的下端被控制圈挡住,使其保持打开状态。

独特的海洋原状取土器杆内压力传递设计,驱使盖板和翻盖自动封闭,避免了土体受外部影响,提升了采样过程原状性及采样率,适用于水下不同深度浮泥-软土层采样,为室内颗粒分析、泥沙沉降、流变特性等试验提供原始样本,填补了我国在该领域的技术空白。

3.3 软土测试新技术

为准确预测建成后的港区基础沉降趋势,需采用新技术、新工艺测出土的次固结系数;同时测出土体固结后在无侧向变形条件下,水平向应力与竖向应力之比。采用新型的测定法,经工后沉降观测验证,试验结果与实际情况非常吻合。

3.3.1 次固结系数测定法

基于围海造地形成的洋山港区,它的许多基础往往处在软黏土上。软黏土具有压缩性高、孔隙比大、含水量高及承载力低等特性,极易影响建筑物基础变形及稳定(雷华阳等,2014张建新等,2017)。目前,最能反映工后沉降的是次固结系数,但在国家《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)和行业规范中均未列入测试标准,造成无章可循,若参照固结试验标准执行,则存在试验周期、加载方式等差异,同类土不同的实验室所提交的次固结系数差异很大,无法真实反映港区沉降特性及演变趋势(冯蓓蕾等,2012)。

为填补现有的次固结系数测定空白,提出一种快速测定法:硬件采用传感器、数据传输线、采集器等构成多联全自动采集系统(图 6);软件采用加荷算法控制,确保采集的试样高度变化与设定的时间同步,实时生成孔隙比与时间对数关系曲线;方法采用增点测读,利用次固结e~lgt曲线延长线,反演推导出次固结系数(钮建定等, 2012a, 2012b胡建平等,2016)。以洋山港区海相软黏土次固结测试为应用实例,创新一种分级加载、延时校正、试验步骤优选的快速测试法,得出整个港区软黏土次固结系数与压力变化关系,为工后沉降做出了可靠判断。

图 6 次固结数据采集系统硬件示意图 Fig. 6 Hardware schematic of secondary consolidation system

3.3.2 土的侧向变形系数测定

目前,室内土工试验常用的测定K0系数方法,主要采用静止侧压力仪通过实验获得。静止侧压力仪内腔橡皮膜用来控制试样侧壁压力,由于试样直径与橡皮膜尺寸一致,以致安装过程中,试样侧面与橡皮膜产生摩擦,造成试样扰动。侧向应力测定时由于橡皮膜与试样侧壁之间存在气泡,气泡产生的弹力使实验中获得的K0值偏小。为解决这一行业难题,对现有的静止侧压力仪进行结构改进,经测试对比与验证,效果良好。

发明静止侧压力仪侧向控制装置(钮建定等, 2012a, 2012b),装置前端设有注液筒、压力表、管道等,后端设有液压油缸、传感器等。前后二端通过活塞杆接口铰接,油缸压力推动前端液筒水压力,传递到静止侧压力仪,通过水的吸力和推力,使静止侧压力仪内橡皮膜收缩和扩胀。收缩后安装试样,扩胀时可排出橡皮膜与试样侧壁间气泡,确保试验过程所测得侧压力系数K0准确,为四期工程岩土设计参数提供了可靠的基础。装置结构如图 7所示。

图 7 侧向变形控制器结构 Fig. 7 Lateral deformation controller structure

3.4 船载“静”原位测试平台

目前中、美欧岩土勘察规范(ASTM D1586-11,2011; ASTM D2573-08,2008; EN ISO 22476-9,2012; EN ISO 22476-1,2014)针对陆域开展的原位试验,如十字板试验(VST)、静力触探(CPT)试验等,均有明确而详细的使用条款,但海域作业时,船载移动平台上的原位测试设备随波浪起伏,使测得的试验数据完全失真。为解决海上VST、CPT等原位测试这一难题,完成四期工程海上各类原位测试项目,需对现有的勘探平台开展基础创新,形成“动-静”勘察多用途双平台作业模式(胡建平等,2014),如图 8所示。

图 8 动静式双平台设计图 Fig. 8 Dynamic dual platform design

3.4.1 “静”固定平台设计

海上固定平台采用单桩式结构,桩式模块采用横梁、竖梁、吊耳、架板焊接成方体框架镂空设计,模块之间螺栓固定,根据水深加长单桩深度,形成一个“静”态作业固定空间,同时将“静”平台上原位测试装备及测试载荷传递到海床,使陆域开展的原位测试依托本发明而延伸至海域(胡建平等, 2015a, 2015b)。

3.4.2 双平台连接设计

平台的稳定是确保本工程海上原位测试的基础。“静”平台下方设有一套扶正装置,由锚桩、滑轮环、滑轮等组成,4个滑轮轴分别固定在“静”平台底部,相应地,锚桩也按4个方向固定在“动”平台上,通过挂钩与锚桩上绳索实施“动-静”平台软连接。

本创新填补了船载式平台无法实施原位测试的空白,它的新颖性和创造性体现在:(1)稳,“静”态桁架平台竖立在海床上;(2)快,拆卸便利,转场快,效率高;(3)省,双平台“动-静”设计,既能勘探取样,又能原位测试,突显低成本优势。

3.5 海水造浆双流程装置

在海上钻探作业时,对砂粒、松散岩、风化岩等地层需采用泥浆护壁,通常采用淡水配置泥浆,但受制于勘探平台空间、运输成本等因素,使得勘探成本居高不下。

3.5.1 海水一级预处理

预处理采用防腐材质内含若干活性炭、纳滤膜双过滤构成,海水经过处理后流入管道,被高压泵压入有若干Ro组件构成反渗透装置,完成海水一级预处理流程。经过一级预处理的初纯水符合海上勘探泥浆液用水标准(图 9下),解决了淡水配浆成本居高不下的难题。

图 9 海水造浆装置设计图 Fig. 9 Sea water slurry device design

3.5.2 海水二级处理

EDI分离装置内设离子交换膜,海水流经EDI二级处理,进一步消除了一级处理流程残留的Na+、Cl-离子,形成超纯水(图 9上)。实施的二级处理得到超纯水,可支持作业人员长时间日常用水需求。

海水造浆双流程装置(钮建定等,2013)利用现有技术二次开发,实现了海水造浆之目标,既节约淡水资源,又延长了海上勘探可作业的时间,符合绿色制造-海洋工程环保的国际潮流,同时又降低了勘探成本。

4 结论

洋山四期这座孕育“中国勘察”、“中国智造”的超级工程建成,推动了上海国际中心港的进程,奠定了上海国际航运中心地位。

(1) 从工程立项到竣工全程参与,充分发挥建设单位具有的勘察、设计一体化优势,优秀的勘察成果为施工方提供了可靠的依据,地基处理及桩基持力层方案被完全采纳,为保证工程品质,降低成本做出贡献。

(2) 勘察手段多样化、技术新、针对性强,这些都为全球最大的自动化码头质量优、技术先进提供了有力的支撑,同时为今后同类工程提供了宝贵的勘察技术与经验。

(3) 工程创新始终体现“以人为本、安全至上、质量第一、环境友好、资源节约”的理念,突破了现有的海上取样/原位测试质量低等技术瓶颈,加快了我国近海勘察质量与国际标准接轨,对促进我国海上勘察科技进步、质量提升起到了引领和示范效应。

参考文献
ASTM. 2008. Standard test method for field vane shear test in cohesive soil(D2573-01)[S].USA: ASTM.
ASTM. 2011. Standard test method for standard penetration test(SPT) and split-barrel sampling of soils(D 1586-11)[S]. USA: ASTM.
EN ISO. 2012. Geotechnical investigation and testing-Field testing-Part 9: Field vane test(22476-9)[S].22476-9.
EN ISO. 2014. Geotechnical investigation and testing-Field testing-Part 1: Electrical CPT and CPTU(22476-1)[S].22476-1.
Feng B L, Niu J D, Hu J P. 2012. Method for indoor determination of secondary consolidation coefficient of soft soil and its measuring device for this method: China, 201010170475.7[P].2012-12-26.
Hu J P, Li X J. 2017. Application of new technology in the investigation of large cruise dock[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, (5): 22~27.
Hu J P, Feng B L. 2012. Key technology for overwater drilling of Yangshan Deepwater Port Project[J]. The Ocean Engineering, 30(3): 164~169.
Hu J P, Niu J D, Chen Z K, et al. 2015a. A combined in-situ test platform for ship borne truss: China, 201310371266.2[P].2015-3-25.
Hu J P, Wang N X. 2015b. Development of a Soil Sampler in Back Silting Layer[J]. Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling), 42(1): 55~59, 84.
Hu J P, Zhao L. 2014. Design of shipborne truss exploration double platform[J]. Port & Waterway Engineering, (6): 45~49.
Hu J P, Zheng J C. 2016. Research and application of secondary consolidation coefficient of Zhejiang coastal soft clay[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 12(4): 1082~1088.
Hu J P. 2014. Innovation and application of offshore engineering ship-borne exploration platform system[J]. China Harbour Engineering, (4): 1~5.
Lei H Y, Wang X C, Ding X D, et al. 2014. Exploration on division of primary-secondary consolidation and influential factors with soft soil[J]. Journal of Engineering Geology, 22(3): 489~497.
Niu J D, Cheng L M, Hu J P, et al. 2012a. Single side cantilever type water exploration platform system: China, 200910194680.4[P].2012-05-30.
Niu J D, Huang G D, Hu J P, et al. 2012b. Lateral deformation controller: China, 200910056261.4[P].2012-11-21.
Niu J D, Hu J P, Wang C M. 2013. Device and method for distributing mud fluid by sea water: China, 201210262353.X[P].2013-12-11.
Niu J D, Hu J P, Zhang C, et al. 2015. Silt floating mud collection device: China, 201310304584.7[P].2015-10-28.
The Professional Standards Compilation Group of People's Republic of China. 2009. Code for geotechnical engineering investigation(GB 50021-2001)[S]. Beijing: China Architecture and Building Press.
Zhang J X, Yue X P, Liu J, et al. 2017. The variation law of negative skin friction of plie during secondary-consolidation of soft soil[J]. Journal of Engineering Geology, 25(3): 692~698.
冯蓓蕾, 钮建定, 胡建平. 2012.室内测定软土次固结系数的方法及其用于该方法的测量装置: 中国, 201010170475.7[P].2012-12-26.
胡建平, 冯蓓蕾. 2012. 洋山深水港区工程海上勘探关键技术实施[J]. 海洋工程, 30(3): 164~169.
胡建平, 李孝杰. 2017. 大型邮轮码头勘察新技术的应用[J]. 工程勘察, (5): 22~27.
胡建平, 钮建定, 程泽坤, 等. 2015a.船载桁架组合式原位测试平台: 中国, 201310371266.2[P].2015-3-25.
胡建平, 王年喜. 2015b. 一种回淤层取土器的研制[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 42(1): 55~59, 84.
胡建平, 赵磊. 2014. 船载桁架式勘探双平台设计[J]. 水运工程, (6): 45~49.
胡建平, 郑建朝. 2016. 浙江近海软黏土次固结系数研究及应用[J]. 地下空间与工程学报, 12(4): 1082~1088.
胡建平. 2014. 近海工程船载式勘探平台系统创新与应用[J]. 中国港湾建设, (4): 1~5.
雷华阳, 王学超, 丁小冬, 等. 2014. 软土主次固结划分及影响因素探讨[J]. 工程地质学报, 22(3): 489~497.
钮建定, 成利民, 胡建平, 等. 2012a.单侧悬臂式水上勘探平台系统: 中国, 200910194680.4[P].2012-05-30.
钮建定, 黄国弟, 胡建平, 等. 2012b.侧向变形控制器: 中国, 200910056261.4[P].2012-11-21.
张建新, 岳晓鹏, 刘举, 等. 2017. 软土次固结阶段桩侧负摩阻力变化规律研究[J]. 工程地质学报, 25(3): 692~698.
钮建定, 胡建平, 王照明. 2013.一种利用海水配置泥浆液的装置以及方法: 中国, 201210262353.X[P].2013-12-11.
钮建定, 胡建平, 张成, 等. 2015.淤泥质浮泥采集装置: 中国, 201310304584.7[P].2015-10-28.
中华人民共和国行业标准编写组. 2009.岩土工程勘察规范(GB 50021-2001)[S].北京: 中国建筑工业出版社.