CT探測技術在跨海頂管孤石群探測的應用研究

孟祥龍

（中鐵二十二局集團第三工程有限公司 福建廈門 361000）

1 引言

隨著國家社會經濟及由此推動的市政建設飛速發展，綜合管廊工程越來越多，而隨著城市規模的擴大，沿海城市跨海綜合管廊也逐步開始建設，廈門翔安新機場綜合管廊項目大嶝大橋過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708 m，圓形斷面，外徑3.6 m，原地勘資料顯示，頂管穿越地質為殘積土和全風化花崗巖，未探出孤石，頂管機刀具、刀盤及主機均按照原地勘資料進行選型和設計，但在開頂后進尺不足27 m的范圍內，連續多次遭遇高強孤石群，最長孤石群長度9 m，最大孤石占機頭截面的2/3以上，孤石最高強度達145.8 MPa（頂管機前方鉆孔實測），頂管機刀具、刀盤磨損嚴重，主機因長時間過載造成傳動齒輪斷裂，無法繼續頂進，頂進失敗，需更換機頭。

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，過程中幾乎無法更換刀盤；跨海頂管過程中在海域范圍極難開展不良地質處理甚至機頭更換等特殊處理。面對上述難題，必須在開始頂進前對頂管穿越范圍內的地質進行詳盡勘察，為頂管機、刀盤的選型及不良地質的預處理提供準確的依據，確保項目的順利實施。

我國是世界上花崗巖地質分布最廣的國家之一，主要在浙、閩、粵等東南沿海地區分布集中［1］。花崗巖球狀風化程度不均（俗稱：孤石）強度較大，抗壓強度可達200 MPa，由于孤石的存在造成風化程度級別的突變，給地質勘察、工程建設造成嚴重不良的影響［2］。

孤石的產生、分布、形狀、大小及位置都有隨機性，風化程度不均對地質剖面的相對均質性產生了嚴重破壞，未探明的孤石對頂管等地下非開挖工程的建設帶來嚴重的隱患［3］。頂管機在孤石地層頂進中，刀盤及刀具會加速磨損，并且經常會產生偏磨，大大增加刀具斷裂、磨穿刀盤的風險，造成頂管機長期滯留并引起地面塌陷及地表管線破壞［4］。孤石很難精準定位，為降低其對非開挖工程，特別是跨海管廊頂管工程的建設風險，急切需要一種能夠適應復雜地質海域條件的孤石群探測技術。

目前，在地下工程勘察中，對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，物探法則可以從總體的角度揭示孤石的空間狀態情況，為現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域［7］；高密度電法容易造成誤判，特別在接地條件不足時，容易將孤石的形態放大［8-9］。電測法容易受到供電設備、地形起伏等因素的影響，勘察深度較小，精準度不高［10］。地質雷達法也受地層影響較大，潮濕土層對電磁波吸收作用較強，勘察深度較小，探測距離也很有限。

在現階段煤層采空區［11］及巖溶溶洞［12］探測中取得了良好效果的CT探測技術，尚未有在海域范圍孤石探測的研究應用可供參考與借鑒，本項目在海域環境下成功實施CT探測技術，對復雜的海底地質做出準確的預判，精確還原海底孤石群等復雜的地質情況，為跨海管廊頂管工程提供可靠的地質資料。

2 工藝原理

CT探測技術掃描探測孤石是根據縱波在孤石和周邊地質中具有不同的傳播速度等原理，通過對聲波初至旅行時的記錄及解譯，反演出探測區域的三維聲波速度場，形象直觀地揭示了孤石的空間位置分布和形狀的大小，為工程提供準確可靠的地質資料。

CT探測系統主機采用24位機，共8個獨立通道，能夠進行一發多收或者進行傳感器陣列測試；主機配合ZDF-3型電火花振源，可完成長距離的CT測試，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到100 m以上。同時CT探測系統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，可以結合地質情況給出探測區間地層的3D圖像。

CT探測技術是地質勘察的一種新技術，其原理是：借助醫療領域通過X射線進行斷層掃描的基本方法，通過在探孔內不同的位置進行人工震源的發射與接收，收集各類動力學和運動學彈性波震相的各類技術參數，利用不同地質體有差異的物理力學性質，來重建不同地質體波速衰減系數的場分布，再通過像素、色譜及立體網絡的綜合展示，直觀反演出地質體的內部結構［13］。

不同地質體的彈性波參數有明顯差異，不同程度風化的各類地層波速范圍參考指標見表1。當射線穿越擬測地質時，傳播時差會產生一定改變，在擬測地質的內部和邊緣，波形的傳播也有不同變化產生。多條交叉射線中，每條射線都在擬測地質的內部和邊緣產生時差，同時不同射線也會產生互相約束的影響，通過收集此類彈性波的參數，即可將擬測地質體邊緣的形態直觀反演。

表1 不同程度風化的各類地層波速范圍參考指標

3 施工控制要點

3.1 施工流程

施工準備→測量放樣→地質鉆機鉆孔→安置PVC套管→孔內灌水（海中不需灌水）→安置發射器和接收器，進行探測施工→數據收集→數據分析。

3.2 施工操作要點

3.2.1 施工準備

（1）探測鉆孔及剖面的布置

①根據探測目的和現場實際情況，繪制探孔布置圖，探孔應沿頂管走向在結構兩側1 m左右處布設，間距宜為10～25 m，應特別注意避免在頂管機通過的斷面范圍布孔，避免因封孔不嚴密造成后期頂管機通過時漏漿。

②鉆孔深度根據擬探測的范圍確定，通常比擬探測的范圍底面深3～4 m，本工程共設置72個鉆孔，共需完成176個剖面的探測數據采集。

（2）設備進場前，陸地范圍內先平整施工區域、建設施工便道，用于機械設備和材料轉運，同時在施工中確保鉆機及其它機械行走、搬移方便，作業過程穩定、安全；海域段則準備好施工用簡易船筏，利用潮汐間隙組織探測。

3.2.2 測量放樣

開始鉆孔前，應由專業測量人員按照設計孔位圖將孔位測放于現場，每個孔均應獨立編號。根據鉆孔坐標信息進行測量放樣，測量放樣均應按照規定履行報驗手續，同時安排專人負責對測量控制點進行管理和維護，定期復測。

3.2.3 地質鉆機鉆孔

（1）鉆機平臺盡量一次搭好，盡量減少搭設及移動鉆機平臺的時間，保證鉆機的定位和定向準確。

（2）安裝鉆機要牢固，避免鉆孔時鉆機出現擺動、位移、傾斜、不均勻下沉等不穩定現象，進而影響鉆孔的質量。

（3）開始鉆孔前，再次復核孔位，孔位偏差≤50 mm。

（4）詳細記錄鉆孔過程，各類地層的位置、厚度、性質均應準確記錄。

（5）為采取巖樣，對軟巖的鉆孔直徑＞110 mm，硬巖的鉆孔直徑＞91 mm，實際孔深≥設計孔深。

（6）鉆機的平臺和基座要加固到位，嚴控鉆進方向等參數，在鉆孔中要定期檢查鉆機垂直度和平臺、基座的穩定情況，及時調整和固定。

3.2.4 安置PVC套管

（1）由專人負責對每日潮汐時間進行預報，根據潮汐時間確定下套管時間，通常落潮時定位錨固，平潮時下套管。

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

（3）當套管無法一次下置到預定的深度時，需要采用管內掏心的方式，通過跟管下至預定的深度。

3.2.5 安置發射器和接收器，進行探測

（1）依據擬探測的范圍，確定探測區間。

（2）將發射端震源和接收端的接收探頭置于探測區間的最深處。

（3）發射端在發射聲波信號后，上升0.5 m，并保持接收端不動，接受聲波信號，即完成一次發射-接受流程；重復激發、上升（每次0.5 m），直至發射端上升至探測區間頂部后，將接收探頭上升1 m（以2個探頭同時接收為例），再將發射端重新置于探測區間的最深處。

（4）重復上述（3）流程，待接收探頭升至探測區間的頂部，完成該剖面掃描。

主要工作參數如下：

①接收點距：0.5/1 m

②發射點距：0.5 m

③采樣間隔：1 μs

④激發能量：2 000～10 000 J

⑤單道主頻：0～300 Hz

CT探測系統探測孤石的布置及工作方式見圖1。

圖1 CT探測系統探測孤石的布置及工作方式

3.2.6 數據收集

本次探測，使用探測設備商自主研發的EACT型采集數據軟件來采集形成的聲波波形，再用EACT型分析軟件提取聲波初至時間進而形成計算文件，通過自主研發的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 數據分析

根據收集的全部彈性波掃描數據，通過反演，即可形成擬測地質體內部的波速圖像［14］。

通常采用人機配合完成聲波提取工作，即先利用電腦中自動提取功能完成初步拾取工作，再由人工進行復核和檢查，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 探測成果及驗證

對探測橫剖面進行分析，得出各個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作為發射孔，發射步長0.5 m，發射范圍15.5～22.5 m，BJM43作為接收孔，接收步長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，水平分布范圍為4.1～5.6 m，異常區最大波速為3 500 m/s。

示例2：鉆孔BJM42與BJM77的水平距離10.3 m，BJM42作為發射孔，發射步長0.5 m，發射范圍15～22 m，BJM77作為接收孔，接收步長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，異常區最大波速約為3 500 m/s。

從176個剖面中選出部分剖面的CT探測結果與地質鉆孔巖芯對比得知，CT掃描技術對孤石群位置的判斷較準確，探測精度較高，能夠很好地滿足工程建設要求，為新頂管機及刀具、刀盤選型及后續孤石處理提供了準確的依據。

5 結束語

本項目在國內首次成功將CT探測技術應用于復雜條件下大斷面管廊長距離跨海頂管工程不良地質孤石群的探測工作，精準提供了不良地質情況的分析報告，該技術解決了常規地質探測手段無法準確揭示還原海底復雜地質孤石群的難題。