浅析海上地质勘察技术

王钟庆

广西广投海上风电开发有限责任公司 广西 南宁 530000

【摘要】海洋地质勘察是指为海洋工程建筑目的而进行的地质勘察，主要工作范围在通过大量物探、水上钻探、海底取样、原位测试等手段等方法，对水下沉积物的物理力学性质、物质组成以及水下滑坡的分布等进行全面的分析，为建筑场地的选择和建筑物的结构设计提供可靠的地质资料，以确保海洋工程的安全。

【关键词】海洋工程、地质勘察、勘察技术

一、海洋地质勘察发展概述

近年来，我国对海洋开发和利用呈蓬勃发展态势。环渤海、长三角、珠三角等区域为主力的海洋经济产出规模呈现逐年增加趋势;从产业结构来看，从海上养殖到新能源开发等，海洋新兴产业发展前景不断向好。随着产业不断发展，海洋地质勘察技术也随之发展。海洋地质勘察是指为海洋工程建筑目的而进行的地质勘察，主要工作范围在通过大量物探、水上钻探、海底取样、原位测试等手段等方法，对水下沉积物的物理力学性质、物质组成以及水下滑坡的分布等进行全面的分析，为建筑场地的选择和建筑物的结构设计提供可靠的地质资料，以确保海洋工程的安全。

二、地质勘察技术

1、海域钻孔定位

首先由交通船根据设计钻孔坐标，采用GPS信标机将钻孔大致位置表示出来，采用浮标放置在水上大致位置；然后钻探船根据浮标位置进行定位，采用艏艉八字锚形式固定钻探船，待八字锚固定后，用星站差分GPS对钻探平台钻机位置进行再次复核，确保钻探点位置符合规范及设计要求。

2、水上钻孔套管安装

确认定位无误后，先测量孔位处水深，根据水深情况开始安装套管。首先逐根安装吊放至泥面表面，然后进行钻进、取样、原位测试等工序后再安装、吊放套管进入土层中，如此循环直至把套管进入至可让套管站稳的土层。在套管还没有进入可站稳的地层中之前，在钻探平台井口处用套管夹夹固套管防止套管下沉而扰动未钻进的土层。套管安装时保证套管处于垂直状态。

3、泥浆配置和维护

泥浆配置材料主要为海水和膨润土泥粉，配置浓度根据钻进的地层调节，钻进粘性土地层时泥浆较稀，钻进砂土尤其是粗砾砂时泥浆浓度较稠。

4、工程地质钻探

（1）钻探

采用波浪补偿钻机进行海上钻孔野外钻探，以泥浆或钢质套管护壁，用清水或泥浆做为冲洗液。

钻探的岩芯采取率规定：在坚硬完整的岩层中，岩芯采取率不应小于90%；在强风化、破碎的岩层中，岩芯采取率不应小于70%；在粘性土地层中，不应小于90%；砂土类地层中，不应小于70%；碎石土类不应小于70%；重点研究的孔段应尽量提高岩芯采取率。

另外，还应描述钻探过程中出现的异常现象。钻进过程中，需要注意天气的影响，特别是季候强风等极端天气对勘察的影响。

（2）孔深校正

海上钻孔每回次下钻和起钻均测量水深，根据即时的水深和钻进钻具总长计算钻孔钻进深度，以消除潮汐涨退对计算钻进深度的影响。

（3）拔管与起锚

确定钻孔达到终孔条件后，逐根起拔套管。当套管由于入土太深等原因无法直接起拔时，先采用反向锤击的方式把套管与土层之间击打松动后再逐根起拔套管。待套管全部拔起拆卸完毕后，指挥钻探船船员起锚移位至下个钻孔。起锚时根据风浪流的方向决定起锚顺序，正常情况下，先起后锚，再起前锚。

（4）岩芯处理与保留

将取上的岩芯按先后顺序排列整齐，存放岩芯箱内，填写回次标签，写明回次编号。取样和标贯深度，放在相应的岩芯位置，以便复查核对。终孔后，拍摄彩照并保存。

（5）钻探记录

钻进过程中，记录员与机长密切配合。经常观察循环水颜色、成分等，若有变化，及时测量深度位置。详细记录钻进过程中的特殊情况，如漏水、掉块、塌孔、埋钻、卡钻、缩孔等。从岩芯管内获取岩芯时，钻具不得提吊过高，以防岩芯掉出后层次混乱或摔断岩芯。下钻时，必须掏尽岩芯管内的残存岩芯以及下钻时孔壁刮带至孔底的岩（土），以免造成下回次岩芯误记。

钻探的原始记录均应在勘探过程中及时整理与校对，严禁离开现场后追记或补记。其记录内容应符合规定：工程名称；勘探点编号、孔口标高及深度；地下水位；各种测试结果；各类岩土样的取样深度、编号；勘探起止日期。

野外勘察资料的记录和整理：外业勘察期间，技术人员必须对所调查的内容做详细记录，所有原始资料均应保持其原始面貌，严禁涂抹和重复覆盖，严禁用重抄的资料代替原始资料。当需要更改时，可将更改部分圈去，在旁边写上应更改的内容。

5、取样

根据勘察取土有关规范的操作要求和本勘察技术要求，在粘性土、粉土层、砂土层中，孔深30m以内，按1.5m～2.0m间隔取样；孔深超过30m，按2.0m间隔取样；遇有土层变化，应立即取样。岩土试样分层采取，其质量、数量和规格应满足勘察技术要求及工程地质评价的有关要求。在软土层(淤泥、淤泥质土及软塑的粘性土)采用薄壁取土器，用匀速连续压入法取样；在可塑-硬塑状的粘性土地层中，应用活阀式取土器采用快速压入法或重锤少击法采取原状土样，并严格控制取土器压入土层的深度，避免人为对土样造成压实；在硬塑-坚硬土层或风化层中，采用回转取土器进行取样；在砂土及碎石土用岩芯管取扰动样；岩石采用岩芯管取样。尽可能取I级或II级原状样，以保证试验结果可靠、准确。

土样的野外处理过程及运输过程规定的要求：取出土样及时采用蜡密封以防止湿度变化；土样包装必须有标识，采用不退色墨水进行标识，包括土样编号、深度、土样性状、取土日期等；储存在在阴凉的地方；同时土样不能累叠存放；及时送到土工试验室进行试验，在运输过程中作好做好防震、防晒等措施。

6、 原位测试

（1）标准贯入试验：

标准贯入试验在每个钻孔的土层、残积层、全风化层和强风化层进行，间距1.5m～2.0m。

标准贯入试验的主要设备规格应为：贯入器总长810mm、内径35mm、外径51mm、自动落锤的质量为63.5kg、钻杆直径42mm。

标准贯入试验击数N值系指用质量为63.5kg的锤，以76cm的高度自由落下，将标准贯入器击入土中30cm时的锤击数。具体操作方法是：预先贯入15cm，然后开始计入击数的标准贯入试验，贯入土中深度为30cm，并记录锤击数。

试验前清孔钻进时，应避免对土层的扰动，保持孔内水位等于或高于地下水位，防止塌孔、涌砂。下放贯入器时不得冲击孔底，孔底的废土高度不得超过5cm。试验钻杆应拧紧、保持垂直，避免晃动。对土质不均匀的土层进行标准贯入试验时，应增加试验点密度。

在标准贯入试验结束后，应取出标贯器内的土样进行鉴别描述。

（2）重型圆锥动力触探试验

重型圆锥动力触探试验击数N63.5值系指用质量为63.5kg的锤，以76cm的高度自由落下，将直径74mm锥角60度的锥形探头连续击入土中并记录每贯入10cm的锤击数，锤击速率控制在每分钟15-30击；当连续三次N63.5>50击时停止试验。

重型圆锥动力触探试验将在碎石土层中进进行。试验钻杆应拧紧、保持垂直，避免晃动；每贯入1.0m将钻杆转动一圈半；当贯入深度超过10m，每贯入20cm转动钻杆一次。

（3）十字板剪切试验

采用电测十字板仪测试软土层的原状土剪切强度及重塑土剪切强度，测点间距为1m。

试验前，应检查好钻杆，并按顺序穿好电缆。将仪器调零，把十字板贯入到预定深度，用卡盘卡住轴杆，用要把匀速慢慢的回转蜗杆、涡轮，应在3～5分钟内达到最大应变值；要把每转一圈记录一次读数，直到剪损后仍在读数1分钟。完成原状土剪切试验后，松开卡盘，将轴杆旋转6圈，卡住轴杆后进行重塑土剪切试验。完成该点试验后，将十字板贯入到下个试验点的深度进行试验。

进行十字板剪切试验时，十字板应在清孔底部以下或套管以下50cm；并要保持钻杆一直处于竖直状态。

（4）钻孔波速测试

声波测试是通过孔中短距离激发并接受声波，来测定孔壁附近岩体的声波速度、振幅等参数沿孔深方向的变化情况，并可根据岩块的实验室声波速度，计算岩石的完整性系数，评价岩石风化程度、节理裂隙发育情况，从而进行岩体的完整性判定和风化带划分。

（5）电阻率测试

电阻率测试是根据岩土体导电性能的差异，依据岩层电阻率的变化在钻孔中研究地层的一种方法。

（6）旁压测试

选取代表性钻孔开展旁压试验，测定岩土的临塑压力和极限压力、压缩模量、静止侧压力系数。试验点的垂直间距不应小于1m，旁压器的量测腔应在同一土层内，并满足每层土不少于1个试验点，厚度大于3m的土层测点不少于3个。

（7）海上CPTU试验（静力触探试验）

采用海床式静力触探设备进行静力触探试验，通过转轮的转动驱动探杆以2cm/s的速率匀速贯入。海床式静力触探试验系统可提供200KN的贯入反力，并装备有多个传感器可以测量设备倾角和总压力。

7、室内试验

所使用的试验仪器设备均经标定合格且在有效期内，试验项目及采取试验方法均符合国家有关试验标准。

主要进行的试验项目如下：

一般物理性质试验：主要包括含水量、密度、比重、液塑限、颗粒级配等试验；

强度试验：直剪试验(快剪、固快)、三轴不排水不固结试验、三轴固结不排水试验（测孔压）、无侧限抗压强度试验；

固结试验：提供压缩系数、压缩模量、压缩指数、回弹指数、先期固结压力、次固结系数、垂直和水平固结系数等指标；

水质简分析，包括K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO32-、SO42-、Cl-、侵蚀性CO2和游离CO2测试；

土的易溶盐测试包括Mg2+、SO42-、Cl-、pH值测试等；

参考文献：2021-2027年中国海洋工程地质勘察行业前景研究与市场年度调研报告