海洋技术▏海床式海底静力触探技术现状与发展 - 海底地质勘探工具

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一、概述

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静力触探（CPT），又称作圆锥贯入阻力，该技术是在一个圆锥探头的内部安装诸多传感器，通过外部驱动力，以较低的速度匀速（行业标准为2cm/s）贯入土体进行原位测试，以反映不同层次的土质特征。其主要应用在土层的划分、求取各土层工程性质指标、确定桩基参数等方面。相比海底取样分析的方式，海底静力触探具有快速、准确的优点，是海底工程设备安装前海底土力学调查的重要手段。

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二、海底CPT工作模式及技术特点

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⒈ 海底CPT工作模式

海底静力触探设备按照其工作模式，可分为3种基本类型：平台式（Platform）、海床式（Seabed）和井下式（Downhole）（分别见图1～图3）。海床式CPT一般由支撑单元、驱动单元、测试单元、数据传输单元和甲板单元组成。设备通过缆绳吊入海底，通过自身的框架支撑系统稳定坐在海床上。通过电力或液压驱动探杆，探头以匀速贯入被测试的海底土体。

图1　平台式

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图2　海床式

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图3　井下式

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海床式CPT相对其余两种工作模式具有一定的优势。首先，成本相对较低，一般的调查船均可搭载，无需特定钻井船；其次，使用方便，可通过尾部A型架、侧舷吊机或船中月池进行收放，通过甲板单元进行操作，就能够获取实时数据，节约时间成本；再者，海床式CPT能够在空间上保证触探路径的完整性，海床式和井下式测试数据基本一致，如图4所示。然而其测试深度相对其他两种模式较浅。不过现在已经有一些方案可让海床式CPT的测试深度变得更大，如下文提到的基于海底岩心钻机的CPT。

图4　海床式CPT和井下式CPT数据对比

⒉ 海床式CPT技术特点

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海床式CPT根据驱动方式的不同，可分为四种类型：螺旋杆驱动的微型CPT、摩擦轮驱动CPT、吸力锚驱动的深海CPT和基于海底钻机的CPT。

⑴螺旋杆驱动微型CPT的特点是重量轻，方便运输携带。如荷兰范登堡公司生产的海王星CPT（见图5），空气中的重量约为1500kg，水中重量约为1200kg。探头尺寸为2cm2或者5cm2（可选），这种相对于标准探头（10cm2）更小面积的探头，能够建立较小的测试区域，进而更详细地记录阻力信息。其一般选用螺旋杆的方式提供驱动力，这样能够将设备尺寸控制在一个较小的范围。图5中的海王星CPT的外形尺寸为1.8m×1.8m×2m，贯入力约为10KN，采用了连续油管技术，使最大贯入深度达到10m，其可搭载在遥控操作的潜水器（ROV）上面。

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图5　海王星CPT 

⑵摩擦轮驱动CPT一般由两个或两个以上的摩擦轮提供驱动力，两个对称的摩擦轮构成一组，水下电机经过减速机构驱动摩擦轮。摩擦轮旋转时，通过摩擦力将探杆夹紧并推送至海底土体内，进行贯入测试。现在的电机变频调速技术足以保证将贯入速度的变化控制在稳定的范围内，一般为2cm/s±10％，如荷兰范登堡公司的ROSON系列（见图6）。当探杆链长度小于6m时，可直接使用一根5.8m的矩形钢导向槽进行扶正；探杆链长度大于6m时，海底框架顶端安装支撑塔进行扶正，支撑塔首尾级联，最大高度可达25m。技术指标以ROSON-100KN的CPT为例，工作水深为1500m，推进力能够达到100KN，贯入深度能够达到40m。同时，配备三种不同探头，锥尖面积分别为2.5cm2和10cm2。强大的技术指标也导致了它相对较大的重量，空气中质量约为5500kg左右。

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图6　ROSON CPT 

⑶吸力锚驱动的深海CPT利用反作用力进行贯入测试。吸力锚在自身重力的作用下沉入海底，锚筒内水形成了封闭状态，安装在框架上的泵单元向外抽吸筒内的水，封闭的筒体内产生了负压。当筒内外负压差大到一定程度，产生的推力大于下沉阻力时，锚体就被压入土中，如格雷格公司生产的DCPT（见图7），设备本身重5000kg，能够产生约20KN的推力，贯入深度50m，工作水深3000m。配有静水压补偿的探头，锥尖面积一般为10cm2或15cm2。

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图7  　DCPT

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⑷基于海底钻机的CPT，海底钻机通过缆绳下放到海底，进行钻进取芯。探杆搭载在海底岩芯取样钻机的储管架上，根据需要进行更换，贯入。目前报道已经有两台海底钻机搭载了CPT工具，一台是格雷格公司的GSFD钻机（见图8），采用绳索CPT的方式，既能够钻取硬岩，又能够进行软土层实时CPT测试，这种结合的方式使大深度的测试成为可能。这台钻机的最大钻进深度为150m，在这个基础上探头可以在150m深处进行CPT贯入测试。另一台是Bentuic公司的PROD钻机（见图9），工作原理基本一致。

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图8　GSFD钻机

图9　 PROD钻机

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三、海底CPT技术的发展

⒈ 测试功能多样化

海底CPT在设计方面，除了单一静力触探外，可搭载其他土工原位测试工具。如增加十字板剪切、球形贯入等，利用海底设备配置的换杆机构，实现测试工具的海底更换，一次性下水按次序完成多个原位测试。或者一台海底设备搭载几个动力机构，一次性进行多个测试，提高工作效率。根据测试需要，也可以增加活塞取样器，同时进行原位测试和地质取样。回收的地质样品，进行实验室静力触探测试，并和海底原位CPT的测试数据进行对比，互为参考。

⒉ 数据传输简单化

随着测试深度的不断加大，海底环境复杂，有缆CPT接杆繁琐，容易造成电缆缠绕。所以开发能够在海底进行无缆数据传输的技术势在必行。声学传输是一个不错的选择，在探头内完成模拟信号向声学信号的转换并发出，由安装在海底设备上的声学接收系统接收并转换成电信号或光信号，传送到甲板控制单元。目前陆地上CPT测试数据的声学传输效果很好，但是在复杂的深海环境中，如何保证声学信号的完整性和稳定性，还有待进一步研究和论证。

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⒊ 测试机构工具化

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随着各种类型海洋科考探测装备的研制和开发，可携带的工具包也逐渐丰富，变得多样化。在此前提下，可优化CPT机械结构，统一机械接口和电气接口。将CPT作为标准探测工具包，搭载在无人遥控潜水器（ROV）、载人潜器等，进行海底浅地层的CPT原位测试。

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四、总结

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随着深海资源的开发，深海勘探越来越重要，用于海底原位测试的设备的市场逐步扩大，经济型高效率的海床式CPT更会得到广大用户的青睐。我国在这方面无论是理论研究还是实际应用，都落后于他人，我们应“师夷长技以制夷”，尽快研发出成熟的海底CPT产品，以满足国内的市场需求，进一步在国际市场上争得一席之位。

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【作者简介】本文作者/张伟 蔡巍 王荣耀 江晓 宋其新，分别来自长沙矿山研究院有限责任公司、国家海洋局第二海洋研究所和杭州电子科技大学；第一作者张伟，1989年出生，男，辽宁绥中人，长沙矿山研究院有限责任公司，助理工程师，主要从事深海装备与技术研究；本文来自《采矿技术》（2017年3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。

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