海床式海底靜力觸探技術現狀與發展

張 偉，蔡 巍，王榮耀，江 曉，宋其新

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 2.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012； 3.杭州電子科技大學， 浙江 杭州 310018)

海床式海底靜力觸探技術現狀與發展

張 偉1，蔡 巍2，王榮耀1，江 曉3，宋其新1

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 2.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012； 3.杭州電子科技大學， 浙江 杭州 310018)

海洋資源開發的步伐日益加快，海底工程設備日益增多，海底靜力觸探是海底工程設備安裝前海底土力學調查的重要手段。為此，詳細闡述了海底原位靜力觸探設備的現狀，分析了海床式靜力觸探設備在幾種不同工作模式下的技術特點。同時對海床式靜力觸探設備的發展進行了討論。

靜力觸探；海底土力學；圓錐貫入；海底設備

1 概 述

靜力觸探(CPT)，又稱作圓錐貫入阻力，該技術是在一個圓錐探頭的內部安裝諸多傳感器，通過外部驅動力，以較低的速度勻速(行業標準為2 cm/s)貫入土體進行原位測試，以反映不同層次的土質特征。其主要應用在土層的劃分、求取各土層工程性質指標、確定樁基參數等方面。相比海底取樣分析的方式，海底靜力觸探具有快速、準確的優點，是海底工程設備安裝前海底土力學調查的重要手段。

2 海底CPT工作模式及技術特點

2.1 海底CPT工作模式

海底靜力觸探設備按照其工作模式，可分為3種基本類型：平臺式(Platform)、海床式(Seabed)和井下式(Downhole)[1](分別見圖1～圖3)。海床式CPT一般由支撐單元、驅動單元、測試單元、數據傳輸單元和甲板單元組成。設備通過纜繩吊入海底，通過自身的框架支撐系統穩定坐在海床上。通過電力或液壓驅動探桿，探頭以勻速貫入被測試的海底土體。

圖1 平臺式

圖2 海床式

圖3 井下式

海床式CPT相對其余兩種工作模式具有一定的優勢。首先，成本相對較低，一般的調查船均可搭載，無需特定鉆井船；其次，使用方便，可通過尾部A型架、側舷吊機或船中月池進行收放，通過甲板單元進行操作，就能夠獲取實時數據，節約時間成本；再者，海床式CPT能夠在空間上保證觸探路徑的完整性[3]，海床式和井下式測試數據基本一致，如圖4所示[2]。然而其測試深度相對其他兩種模式較淺。不過現在已經有一些方案可讓海床式CPT的測試深度變得更大，如下文提到的基于海底巖心鉆機的CPT。

圖4 海床式CPT和井下式CPT數據對比

2.2 海床式CPT技術特點

海床式CPT根據驅動方式的不同，可分為四種類型：螺旋桿驅動的微型CPT、摩擦輪驅動CPT、吸力錨驅動的深海CPT和基于海底鉆機的CPT。

(1) 螺旋桿驅動微型CPT的特點是重量輕，方便運輸攜帶。如荷蘭范登堡公司生產的海王星CPT(見圖5)，空氣中的重量約為1500 kg，水中重量約為1200 kg。探頭尺寸為2 cm2或者5 cm2(可選),這種相對于標準探頭(10 cm2)更小面積的探頭，能夠建立較小的測試區域，進而更詳細地記錄阻力信息。其一般選用螺旋桿的方式提供驅動力，這樣能夠將設備尺寸控制在一個較小的范圍。圖5中的海王星CPT的外形尺寸為1.8 m×1.8 m×2 m，貫入力約為10 kN，采用了連續油管技術，使最大貫入深度達到10 m，其可搭載在遙控操作的潛水器(ROV)上面。

圖5 海王星CPT

(2) 摩擦輪驅動CPT一般由兩個或兩個以上的摩擦輪提供驅動力，兩個對稱的摩擦輪構成一組，水下電機經過減速機構驅動摩擦輪。摩擦輪旋轉時，通過摩擦力將探桿夾緊并推送至海底土體內，進行貫入測試?，F在的電機變頻調速技術足以保證將貫入速度的變化控制在穩定的范圍內，一般為2 cm/s±10%，如荷蘭范登堡公司的ROSON系列(見圖6)。當探桿鏈長度小于6 m時，可直接使用一根5.8 m的矩形鋼導向槽進行扶正；探桿鏈長度大于6 m時，海底框架頂端安裝支撐塔進行扶正，支撐塔首尾級聯，最大高度可達25 m[4]。技術指標以ROSON-100 kN的CPT為例，工作水深為1500 m，推進力能夠達到100 kN，貫入深度能夠達到40 m。同時，配備三種不同探頭，錐尖面積分別為2， 5 cm2和10 cm2。強大的技術指標也導致了它相對較大的重量，空氣中質量約為5500 kg左右。

圖6 ROSON CPT

(3) 吸力錨驅動的深海CPT利用反作用力進行貫入測試。吸力錨在自身重力的作用下沉入海底，錨筒內水形成了封閉狀態，安裝在框架上的泵單元向外抽吸筒內的水，封閉的筒體內產生了負壓。當筒內外負壓差大到一定程度，產生的推力大于下沉阻力時，錨體就被壓入土中[5]，如格雷格公司生產的DCPT(見圖7)，設備本身重5000 kg，能夠產生約20 kN的推力，貫入深度50 m，工作水深3000 m。配有靜水壓補償的探頭，錐尖面積一般為10 cm2或15 cm2。

(4) 基于海底鉆機的CPT，海底鉆機通過纜繩下放到海底，進行鉆進取芯。探桿搭載在海底巖芯取樣鉆機的儲管架上，根據需要進行更換，貫入。目前報道已經有兩臺海底鉆機搭載了CPT工具，一臺是格雷格公司的GSFD鉆機(見圖8)，采用繩索CPT的方式，既能夠鉆取硬巖，又能夠進行軟土層實時CPT測試，這種結合的方式使大深度的測試成為可能。這臺鉆機的最大鉆進深度為150 m，在這個基礎上探頭可以在150 m深處進行CPT貫入測試。另一臺是Benthic公司的PROD鉆機(見圖9)，工作原理基本一致。

圖7 DCPT

圖8 GSFD鉆機

圖9 PROD鉆機

3 海底CPT技術的發展

3.1 測試功能多樣化

海底CPT在設計方面，除了單一靜力觸探外，可搭載其他土工原位測試工具。如增加十字板剪切、球形貫入等，利用海底設備配置的換桿機構，實現測試工具的海底更換，一次性下水按次序完成多個原位測試?；蛘咭慌_海底設備搭載幾個動力機構，一次性進行多個測試，提高工作效率。根據測試需要，也可以增加活塞取樣器，同時進行原位測試和地質取樣?；厥盏牡刭|樣品，進行實驗室靜力觸探測試，并和海底原位CPT的測試數據進行對比，互為參考。

3.2 數據傳輸簡單化

隨著測試深度的不斷加大，海底環境復雜，有纜CPT接桿繁瑣，容易造成電纜纏繞。所以開發能夠在海底進行無纜數據傳輸的技術勢在必行。聲學傳輸是一個不錯的選擇，在探頭內完成模擬信號向聲學信號的轉換并發出，由安裝在海底設備上的聲學接收系統接收并轉換成電信號或光信號，傳送到甲板控制單元。目前陸地上CPT測試數據的聲學傳輸效果很好，但是在復雜的深海環境中，如何保證聲學信號的完整性和穩定性，還有待進一步研究和論證。

3.3 測試機構工具化

隨著各種類型海洋科考探測裝備的研制和開發，可攜帶的工具包也逐漸豐富，變得多樣化。在此前提下，可優化CPT機械結構，統一機械接口和電氣接口。將CPT作為標準探測工具包，搭載在無人遙控潛水器(ROV)、載人潛器等，進行海底淺地層的CPT原位測試。

4 總 結

隨著深海資源的開發，深海勘探越來越重要，用于海底原位測試的設備的市場逐步擴大，經濟型高效率的海床式CPT更會得到廣大用戶的青睞。我國在這方面無論是理論研究還是實際應用，都落后于他人，我們應“師夷長技以制夷”，盡快研發出成熟的海底CPT產品，以滿足國內的市場需求，進一步在國際市場上爭得一席之位。

[1]陸鳳慈,曲延大,廖明輝.海上靜力觸探(CPT)測試技術的發展現狀和應用[J].海洋技術,2004,23(4):32-36.

[2]Mark Randolph,MarkCassody,Susan.Challenges of offshore geotechniacal engineering[R].

[3]陳 奇,徐 行,石要紅,等.國內外海底靜力觸探的技術研究與進展[J].南海地質研究,2009(00):78-89.

[4]陳 奇,徐 行,張志剛,等.用于海洋地質調查的ROSON-40kN型海底CPT設備[J].工程勘察,2012,40(9):30-34.

[5]劉俊濱,李玉峰,劉金鐸.吸力錨技術的應用現狀及前景[J].中國水利,2007(22):37-38.

2017-02-08)

張 偉(1989-)，男，遼寧綏中人，助理工程師，主要從事深海裝備與技術研究,Email：demon2323@126.com。