CT探測(cè)技術(shù)在跨海頂管孤石群探測(cè)的應(yīng)用研究

孟祥龍

（中鐵二十二局集團(tuán)第三工程有限公司 福建廈門 361000）

1 引言

隨著國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)及由此推動(dòng)的市政建設(shè)飛速發(fā)展，綜合管廊工程越來(lái)越多，而隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，沿海城市跨海綜合管廊也逐步開始建設(shè)，廈門翔安新機(jī)場(chǎng)綜合管廊項(xiàng)目大嶝大橋過(guò)海段采用泥水平衡頂管工法在海底穿越大嶝海峽，頂管段全長(zhǎng)708 m，圓形斷面，外徑3.6 m，原地勘資料顯示，頂管穿越地質(zhì)為殘積土和全風(fēng)化花崗巖，未探出孤石，頂管機(jī)刀具、刀盤及主機(jī)均按照原地勘資料進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)，但在開頂后進(jìn)尺不足27 m的范圍內(nèi)，連續(xù)多次遭遇高強(qiáng)孤石群，最長(zhǎng)孤石群長(zhǎng)度9 m，最大孤石占機(jī)頭截面的2/3以上，孤石最高強(qiáng)度達(dá)145.8 MPa（頂管機(jī)前方鉆孔實(shí)測(cè)），頂管機(jī)刀具、刀盤磨損嚴(yán)重，主機(jī)因長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載造成傳動(dòng)齒輪斷裂，無(wú)法繼續(xù)頂進(jìn)，頂進(jìn)失敗，需更換機(jī)頭。

由此可知，海底頂管工法面臨的主要難題有：因頂管工藝自身特性，一旦開頂，過(guò)程中幾乎無(wú)法更換刀盤；跨海頂管過(guò)程中在海域范圍極難開展不良地質(zhì)處理甚至機(jī)頭更換等特殊處理。面對(duì)上述難題，必須在開始頂進(jìn)前對(duì)頂管穿越范圍內(nèi)的地質(zhì)進(jìn)行詳盡勘察，為頂管機(jī)、刀盤的選型及不良地質(zhì)的預(yù)處理提供準(zhǔn)確的依據(jù)，確保項(xiàng)目的順利實(shí)施。

我國(guó)是世界上花崗巖地質(zhì)分布最廣的國(guó)家之一，主要在浙、閩、粵等東南沿海地區(qū)分布集中［1］?；◢弾r球狀風(fēng)化程度不均（俗稱：孤石）強(qiáng)度較大，抗壓強(qiáng)度可達(dá)200 MPa，由于孤石的存在造成風(fēng)化程度級(jí)別的突變，給地質(zhì)勘察、工程建設(shè)造成嚴(yán)重不良的影響［2］。

孤石的產(chǎn)生、分布、形狀、大小及位置都有隨機(jī)性，風(fēng)化程度不均對(duì)地質(zhì)剖面的相對(duì)均質(zhì)性產(chǎn)生了嚴(yán)重破壞，未探明的孤石對(duì)頂管等地下非開挖工程的建設(shè)帶來(lái)嚴(yán)重的隱患［3］。頂管機(jī)在孤石地層頂進(jìn)中，刀盤及刀具會(huì)加速磨損，并且經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生偏磨，大大增加刀具斷裂、磨穿刀盤的風(fēng)險(xiǎn)，造成頂管機(jī)長(zhǎng)期滯留并引起地面塌陷及地表管線破壞［4］。孤石很難精準(zhǔn)定位，為降低其對(duì)非開挖工程，特別是跨海管廊頂管工程的建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，急切需要一種能夠適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)海域條件的孤石群探測(cè)技術(shù)。

目前，在地下工程勘察中，對(duì)孤石勘察采用的方法主要有鉆探和物探兩種方法，鉆探法只能揭示探孔穿越處局部的孤石形態(tài)，物探法則可以從總體的角度揭示孤石的空間狀態(tài)情況，為現(xiàn)階段常用的勘察方法［5-6］。在各種物探法中，瞬變電磁法只能得到孤石分布的大致區(qū)域［7］；高密度電法容易造成誤判，特別在接地條件不足時(shí)，容易將孤石的形態(tài)放大［8-9］。電測(cè)法容易受到供電設(shè)備、地形起伏等因素的影響，勘察深度較小，精準(zhǔn)度不高［10］。地質(zhì)雷達(dá)法也受地層影響較大，潮濕土層對(duì)電磁波吸收作用較強(qiáng)，勘察深度較小，探測(cè)距離也很有限。

在現(xiàn)階段煤層采空區(qū)［11］及巖溶溶洞［12］探測(cè)中取得了良好效果的CT探測(cè)技術(shù)，尚未有在海域范圍孤石探測(cè)的研究應(yīng)用可供參考與借鑒，本項(xiàng)目在海域環(huán)境下成功實(shí)施CT探測(cè)技術(shù)，對(duì)復(fù)雜的海底地質(zhì)做出準(zhǔn)確的預(yù)判，精確還原海底孤石群等復(fù)雜的地質(zhì)情況，為跨海管廊頂管工程提供可靠的地質(zhì)資料。

2 工藝原理

CT探測(cè)技術(shù)掃描探測(cè)孤石是根據(jù)縱波在孤石和周邊地質(zhì)中具有不同的傳播速度等原理，通過(guò)對(duì)聲波初至旅行時(shí)的記錄及解譯，反演出探測(cè)區(qū)域的三維聲波速度場(chǎng)，形象直觀地揭示了孤石的空間位置分布和形狀的大小，為工程提供準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)資料。

CT探測(cè)系統(tǒng)主機(jī)采用24位機(jī)，共8個(gè)獨(dú)立通道，能夠進(jìn)行一發(fā)多收或者進(jìn)行傳感器陣列測(cè)試；主機(jī)配合ZDF-3型電火花振源，可完成長(zhǎng)距離的CT測(cè)試，其特有的高精度檢波器（帶前置放大器）和超大能量的電火花振源可以使穿透距離達(dá)到100 m以上。同時(shí)CT探測(cè)系統(tǒng)配套有全智能的分析軟件，具有全智能化分析以及成果“可視化”的特點(diǎn)，可以結(jié)合地質(zhì)情況給出探測(cè)區(qū)間地層的3D圖像。

CT探測(cè)技術(shù)是地質(zhì)勘察的一種新技術(shù)，其原理是：借助醫(yī)療領(lǐng)域通過(guò)X射線進(jìn)行斷層掃描的基本方法，通過(guò)在探孔內(nèi)不同的位置進(jìn)行人工震源的發(fā)射與接收，收集各類動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)彈性波震相的各類技術(shù)參數(shù)，利用不同地質(zhì)體有差異的物理力學(xué)性質(zhì)，來(lái)重建不同地質(zhì)體波速衰減系數(shù)的場(chǎng)分布，再通過(guò)像素、色譜及立體網(wǎng)絡(luò)的綜合展示，直觀反演出地質(zhì)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)［13］。

不同地質(zhì)體的彈性波參數(shù)有明顯差異，不同程度風(fēng)化的各類地層波速范圍參考指標(biāo)見表1。當(dāng)射線穿越擬測(cè)地質(zhì)時(shí)，傳播時(shí)差會(huì)產(chǎn)生一定改變，在擬測(cè)地質(zhì)的內(nèi)部和邊緣，波形的傳播也有不同變化產(chǎn)生。多條交叉射線中，每條射線都在擬測(cè)地質(zhì)的內(nèi)部和邊緣產(chǎn)生時(shí)差，同時(shí)不同射線也會(huì)產(chǎn)生互相約束的影響，通過(guò)收集此類彈性波的參數(shù)，即可將擬測(cè)地質(zhì)體邊緣的形態(tài)直觀反演。

表1 不同程度風(fēng)化的各類地層波速范圍參考指標(biāo)

3 施工控制要點(diǎn)

3.1 施工流程

施工準(zhǔn)備→測(cè)量放樣→地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔→安置PVC套管→孔內(nèi)灌水（海中不需灌水）→安置發(fā)射器和接收器，進(jìn)行探測(cè)施工→數(shù)據(jù)收集→數(shù)據(jù)分析。

3.2 施工操作要點(diǎn)

3.2.1 施工準(zhǔn)備

（1）探測(cè)鉆孔及剖面的布置

①根據(jù)探測(cè)目的和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，繪制探孔布置圖，探孔應(yīng)沿頂管走向在結(jié)構(gòu)兩側(cè)1 m左右處布設(shè)，間距宜為10～25 m，應(yīng)特別注意避免在頂管機(jī)通過(guò)的斷面范圍布孔，避免因封孔不嚴(yán)密造成后期頂管機(jī)通過(guò)時(shí)漏漿。

②鉆孔深度根據(jù)擬探測(cè)的范圍確定，通常比擬探測(cè)的范圍底面深3～4 m，本工程共設(shè)置72個(gè)鉆孔，共需完成176個(gè)剖面的探測(cè)數(shù)據(jù)采集。

（2）設(shè)備進(jìn)場(chǎng)前，陸地范圍內(nèi)先平整施工區(qū)域、建設(shè)施工便道，用于機(jī)械設(shè)備和材料轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)在施工中確保鉆機(jī)及其它機(jī)械行走、搬移方便，作業(yè)過(guò)程穩(wěn)定、安全；海域段則準(zhǔn)備好施工用簡(jiǎn)易船筏，利用潮汐間隙組織探測(cè)。

3.2.2 測(cè)量放樣

開始鉆孔前，應(yīng)由專業(yè)測(cè)量人員按照設(shè)計(jì)孔位圖將孔位測(cè)放于現(xiàn)場(chǎng)，每個(gè)孔均應(yīng)獨(dú)立編號(hào)。根據(jù)鉆孔坐標(biāo)信息進(jìn)行測(cè)量放樣，測(cè)量放樣均應(yīng)按照規(guī)定履行報(bào)驗(yàn)手續(xù)，同時(shí)安排專人負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)量控制點(diǎn)進(jìn)行管理和維護(hù)，定期復(fù)測(cè)。

3.2.3 地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔

（1）鉆機(jī)平臺(tái)盡量一次搭好，盡量減少搭設(shè)及移動(dòng)鉆機(jī)平臺(tái)的時(shí)間，保證鉆機(jī)的定位和定向準(zhǔn)確。

（2）安裝鉆機(jī)要牢固，避免鉆孔時(shí)鉆機(jī)出現(xiàn)擺動(dòng)、位移、傾斜、不均勻下沉等不穩(wěn)定現(xiàn)象，進(jìn)而影響鉆孔的質(zhì)量。

（3）開始鉆孔前，再次復(fù)核孔位，孔位偏差≤50 mm。

（4）詳細(xì)記錄鉆孔過(guò)程，各類地層的位置、厚度、性質(zhì)均應(yīng)準(zhǔn)確記錄。

（5）為采取巖樣，對(duì)軟巖的鉆孔直徑＞110 mm，硬巖的鉆孔直徑＞91 mm，實(shí)際孔深≥設(shè)計(jì)孔深。

（6）鉆機(jī)的平臺(tái)和基座要加固到位，嚴(yán)控鉆進(jìn)方向等參數(shù)，在鉆孔中要定期檢查鉆機(jī)垂直度和平臺(tái)、基座的穩(wěn)定情況，及時(shí)調(diào)整和固定。

3.2.4 安置PVC套管

（1）由專人負(fù)責(zé)對(duì)每日潮汐時(shí)間進(jìn)行預(yù)報(bào)，根據(jù)潮汐時(shí)間確定下套管時(shí)間，通常落潮時(shí)定位錨固，平潮時(shí)下套管。

（2）在地面預(yù)先拼接好套管，套管中、上部綁定位套繩，套管下部綁保險(xiǎn)繩，用保險(xiǎn)繩和定位繩將水下套管扶正，通過(guò)鉆機(jī)擊入孔中。

（3）當(dāng)套管無(wú)法一次下置到預(yù)定的深度時(shí)，需要采用管內(nèi)掏心的方式，通過(guò)跟管下至預(yù)定的深度。

3.2.5 安置發(fā)射器和接收器，進(jìn)行探測(cè)

（1）依據(jù)擬探測(cè)的范圍，確定探測(cè)區(qū)間。

（2）將發(fā)射端震源和接收端的接收探頭置于探測(cè)區(qū)間的最深處。

（3）發(fā)射端在發(fā)射聲波信號(hào)后，上升0.5 m，并保持接收端不動(dòng)，接受聲波信號(hào)，即完成一次發(fā)射-接受流程；重復(fù)激發(fā)、上升（每次0.5 m），直至發(fā)射端上升至探測(cè)區(qū)間頂部后，將接收探頭上升1 m（以2個(gè)探頭同時(shí)接收為例），再將發(fā)射端重新置于探測(cè)區(qū)間的最深處。

（4）重復(fù)上述（3）流程，待接收探頭升至探測(cè)區(qū)間的頂部，完成該剖面掃描。

主要工作參數(shù)如下：

①接收點(diǎn)距：0.5/1 m

②發(fā)射點(diǎn)距：0.5 m

③采樣間隔：1 μs

④激發(fā)能量：2 000～10 000 J

⑤單道主頻：0～300 Hz

CT探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)孤石的布置及工作方式見圖1。

圖1 CT探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)孤石的布置及工作方式

3.2.6 數(shù)據(jù)收集

本次探測(cè)，使用探測(cè)設(shè)備商自主研發(fā)的EACT型采集數(shù)據(jù)軟件來(lái)采集形成的聲波波形，再用EACT型分析軟件提取聲波初至?xí)r間進(jìn)而形成計(jì)算文件，通過(guò)自主研發(fā)的CT2005型解譯軟件最終生成CT掃描剖面波速三維等值線圖。

3.2.7 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)收集的全部彈性波掃描數(shù)據(jù)，通過(guò)反演，即可形成擬測(cè)地質(zhì)體內(nèi)部的波速圖像［14］。

通常采用人機(jī)配合完成聲波提取工作，即先利用電腦中自動(dòng)提取功能完成初步拾取工作，再由人工進(jìn)行復(fù)核和檢查，多次判別完成提取工作。

反演流程示意見圖2。

圖2 反演流程示意

4 探測(cè)成果及驗(yàn)證

對(duì)探測(cè)橫剖面進(jìn)行分析，得出各個(gè)剖面孤石可能的分布，見下示例。

示例 1：鉆孔 BJM77與 BJM43的水平距離18.75 m，BJM77作為發(fā)射孔，發(fā)射步長(zhǎng)0.5 m，發(fā)射范圍15.5～22.5 m，BJM43作為接收孔，接收步長(zhǎng)0.54 m，接收范圍16.8～22.5 m，波速三維等值線圖見圖3，波速三維等值線俯視圖見圖4。

圖3 波速三維等值線圖

圖4 波速三維等值線俯視圖

由圖3、圖4可知，距離鉆孔BJM77大約5.6 m，埋深約19 m處存在波速異常區(qū)，水平分布范圍為4.1～5.6 m，異常區(qū)最大波速為3 500 m/s。

示例2：鉆孔BJM42與BJM77的水平距離10.3 m，BJM42作為發(fā)射孔，發(fā)射步長(zhǎng)0.5 m，發(fā)射范圍15～22 m，BJM77作為接收孔，接收步長(zhǎng)0.54 m，接收范圍16.3～22 m，波速三維等值線圖見圖5，波速三維等值線俯視圖見圖6。

圖5 波速三維等值線圖

圖6 波速三維等值線俯視圖

由圖5、圖6可知，異常區(qū)1的位置為與BJM77水平距離1.2 m，埋深20.5 m，水平分布范圍8.2～10 m（從BJM42起算）；異常區(qū)2的位置為與BJM42水平距離1.8 m，埋深16 m，水平分布范圍1.5～2.5 m（從BJM42起算）；異常區(qū)3的位置為與BJM42水平距離1.8 m，埋深18.8 m，水平分布范圍1.5～2.5 m（從BJM42起算）；異常區(qū)4為波速輕微異常，位置緊挨鉆孔BJM42，中心位置埋深18 m，水平分布范圍較廣，異常區(qū)最大波速約為3 500 m/s。

從176個(gè)剖面中選出部分剖面的CT探測(cè)結(jié)果與地質(zhì)鉆孔巖芯對(duì)比得知，CT掃描技術(shù)對(duì)孤石群位置的判斷較準(zhǔn)確，探測(cè)精度較高，能夠很好地滿足工程建設(shè)要求，為新頂管機(jī)及刀具、刀盤選型及后續(xù)孤石處理提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)首次成功將CT探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜條件下大斷面管廊長(zhǎng)距離跨海頂管工程不良地質(zhì)孤石群的探測(cè)工作，精準(zhǔn)提供了不良地質(zhì)情況的分析報(bào)告，該技術(shù)解決了常規(guī)地質(zhì)探測(cè)手段無(wú)法準(zhǔn)確揭示還原海底復(fù)雜地質(zhì)孤石群的難題。