綜合超前地質(zhì)預報在西氣東輸二線隧道工程中的應用

胡文君王進胡道華馬紅

1.中國石油工程設計有限公司西南分公司 2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院

綜合超前地質(zhì)預報在西氣東輸二線隧道工程中的應用

胡文君1王進1胡道華1馬紅2

1.中國石油工程設計有限公司西南分公司 2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院

胡文君等.綜合超前地質(zhì)預報在西氣東輸二線隧道工程中的應用.天然氣工業(yè),2010,30(5):87-91.

西氣東輸二線管道全長超過8 000 km,西起新疆霍爾果斯,東至上海,南至廣州、香港,是我國石油天然氣長輸管道建設史上的一座里程碑,全線共設置隧道60余座,隧道處的地質(zhì)條件復雜。為此,在西氣東輸二線隧道工程建設中,綜合分析TSP203超前地質(zhì)預報儀、超前鉆孔、紅外探水和地質(zhì)素描等多種超前地質(zhì)預報方法的優(yōu)缺點,結(jié)合工程實際,形成了一套較完整的綜合超前地質(zhì)預報技術體系,為制訂相應的施工方案、加快施工進度和確保施工安全提供了重要的技術保障。介紹了該技術系統(tǒng)的實施流程,其技術特色是將長、短距離的地質(zhì)預報與物探、鉆探等預報方法相結(jié)合,進行綜合超前地質(zhì)預報。工程實例經(jīng)濟分析表明:該技術體系的實施,不僅縮短了工期,還大大節(jié)約了工程投資成本,具有較好的推廣應用價值。

西氣東輸二線 綜合超前地質(zhì)預報 TSP203超前地質(zhì)預報儀 超前鉆孔 紅外探水 地質(zhì)素描 工期投資

DO I:10.3787/j.issn.100020976.2010.05.022

1 實施超前地質(zhì)預報的必要性和目的

西氣東輸二線管道工程西起新疆霍爾果斯,南下廣州,東至上海,由1條干線及8條支線組成,全長超過8 000 km,穿越黃河、長江,穿越黃土地區(qū)、江南丘陵等各種地形地貌,全線共設置隧道60余座。由于西氣東輸二線隧道數(shù)量眾多,工期緊,勘察任務重,隧道工程采用在初勘的基礎上開展施工圖設計的模式。

1.1 超前地質(zhì)預報的必要性

國內(nèi)外大量的隧道工程建設實踐表明,由于地質(zhì)勘察精度、經(jīng)費、工期等諸多條件的限制,根據(jù)地質(zhì)勘察資料做出的設計與實際不符的情況屢有發(fā)生,由此帶來的隧道洞內(nèi)塌方、涌水、涌泥、涌沙、巖爆、瓦斯爆炸等災害時有發(fā)生,給隧道施工造成極大的危害[1]。因此,在隧道施工期間,采用各種技術手段對隧道掌子面前方地質(zhì)條件進行及時準確的預測,是提前采取預防措施、避免災害發(fā)生、減少損失、保證隧道施工安全的需要。

西氣東輸二線隧道工程在初勘基礎上開展施工圖設計,由于其勘察深度不夠,設計文件上的地質(zhì)情況和實際開挖的圍巖不符在所難免。因此在施工期間實施超前地質(zhì)預報非常必要。

1.2 超前地質(zhì)預報的目的

實施超前地質(zhì)預報能保證隧道施工安全,以減少或避免因涌泥、涌水、涌沙而造成人員及設備損傷、工期延長和投資增加等,可以節(jié)約大量資金;可以減少很多不必要的安全防護措施。實施超前地質(zhì)預報是隧道施工根據(jù)實際地質(zhì)、水文條件變化及時調(diào)整施工方法和采取相應技術措施的需要,是完善設計地質(zhì)資料、優(yōu)化施工方案、指導施工決策和保證施工人員和設備的安全的需要,是隧道施工過程中根據(jù)實際地質(zhì)條件進行隧道圍巖級別確定和設計變更的依據(jù),是隧道運營階段地質(zhì)災害治理的依據(jù)。

2 隧道施工地質(zhì)災害預報方法

國外隧道地質(zhì)超前預報技術較成熟,我國隧道地質(zhì)超前預報研究始于20世紀50年代,20世紀70年代才真正開始了地質(zhì)超前預報的研究和應用。目前國內(nèi)外超前地質(zhì)預報的方法主要有:地質(zhì)素描、導坑超前探測、超前鉆探、TSP203超前地質(zhì)預報系統(tǒng)和 H Y2 303紅外探測等[2]。

2.1 地質(zhì)素描

地質(zhì)素描是最早開展的超前地質(zhì)預報法,也是其他超前地質(zhì)預報方法的基礎。其原理是將隧道所揭露的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地下水出露點位置、出水狀態(tài)、出水量、煤層和溶洞等資料準確記錄下來,隨著開挖面的延伸,不停地觀察洞壁和掌子面上地質(zhì)特征的改變,結(jié)合已有勘測資料,進行隧道開挖面前方地質(zhì)條件的預測,為圍巖級別的改變提供依據(jù)。該方法設備簡單、操作方便、不占用隧道施工時間,提交資料及時,費用低,但需要地質(zhì)知識水平較高的專業(yè)人員來完成。

2.2 超前導坑法

超前導坑法是指根據(jù)超前施工的平行隧道或?qū)Э铀龅刭|(zhì)情況,推測隧道將遇到怎樣的地質(zhì)情況,是隧道施工期地質(zhì)預報的一種重要方法,特別是當兩平行隧道間距較小時預報效果更佳。超前導坑法是我國隧道施工早期采用的隧道施工期地質(zhì)超前預報方法。

2.3 風鉆超前探測

風鉆超前探測是利用風鉆在隧道掌子面鉆水平小孔徑的淺孔以獲取地質(zhì)信息的一種方法。它是巖溶發(fā)育區(qū)對超前地質(zhì)鉆探的一種重要補充方法,因其數(shù)量較多,有時效果是非常明顯的。與超前地質(zhì)鉆探相比,它具有設備簡單、操作方便、費用低、占用隧道施工時間短等優(yōu)點,可與爆破孔同時施工,其鉆進深度較爆破孔深2～6 m,其缺點是孔淺,且不能取巖心。

2.4 超前鉆探

采用超前鉆探進行掌子面前方地質(zhì)超前預報,是超前地質(zhì)預報方法中最直接的方法。其通過鉆孔鉆進速度測試和所采取的鉆孔巖心的觀察及相關試驗獲取隧道掌子面前方巖體的強度指標、可鉆性指標、地層巖性情況、巖體完整程度指標及地下水狀況等諸多方面的直接資料。目前,國內(nèi)采用這種方法進行超前地質(zhì)預報,主要在水工隧道、長大鐵路和公路隧道工程中,國外采用已較為普遍。采用此方法不僅可以確定隧道掌子面前方地質(zhì)情況,而且可以起到探水的作用[324]。

2.5 TSP203超前地質(zhì)預報系統(tǒng)

TSP203是目前公認為預報效果較好的儀器,其原理是利用地震波在不均勻地層的界面產(chǎn)生反射波的特征和信號接收的時間等參數(shù)來判斷前方的地質(zhì)變化。TSP屬于長距離超前地質(zhì)預報,其有效深距可達150～300 m,預測距離在100 m左右是比較準確的。在不良地質(zhì)體定位上,最大分辨率不小于1 m;位置判別精度約為90%,其規(guī)模判別精度可達85%;TSP203型儀器可辨識出斷層、有無地下水、多水、少水、弱富水帶和強富水帶等,而對突涌水量和水壓的定量預測,仍需結(jié)合其他探水手段進行[5];探測成果準確度取決于準確的操作與圖像解釋技術。

2.6 紅外探測

H Y—303紅外探水儀,能探測20～30 m范圍內(nèi)的地下水狀況?；驹?當掘進前方30 m范圍內(nèi)存在含水構(gòu)造或溶洞時,前方災害源產(chǎn)生的紅外異常場,必然會傳播到掘進后方,因而在掘進后方隧道的側(cè)壁上能提前發(fā)現(xiàn)災害源產(chǎn)生的紅外異常場。其特點為:①距離短,一般為35 m;②只定性告知35 m范圍內(nèi)有無水,至于水壓、水量、具體哪個里程則探測不出;③適用于任何地層中定性判斷探測點前方“有沒有水”及水體存在方位;④儀器小巧輕便,操作簡單,可實現(xiàn)全空間全方位探測;⑤資料分析簡潔、快速、直觀;⑥基本不占用隧道施工時間。

3 西氣東輸二線綜合超前地質(zhì)預報系統(tǒng)

3.1 綜合超前地質(zhì)預報系統(tǒng)

隧道工程屬于復雜的地下工程,采取一種地質(zhì)預報方法是不可靠的,宜采取多種預報手段相結(jié)合的綜合超前預報系統(tǒng),多管齊下,優(yōu)化組合,相互補充,以達到提高成果解譯水平、地質(zhì)預報精度和預報探測成果的利用效率的效果,就能及時反饋指導設計與施工。準確的超前地質(zhì)預測與預報技術是優(yōu)化設計方案和確保不良地質(zhì)地段施工安全的有力保證。為保證西氣東輸二線隧道工程的安全順利完工,隧道施工過程中,采用綜合超前地質(zhì)預報系統(tǒng),其本質(zhì)特色是將長、短距離的地質(zhì)預報與物探、鉆探等預報方法有機結(jié)合起來。

要安全順利地通過各類不良地質(zhì)段,關鍵是對不良地質(zhì)體進行準確預測,然后根據(jù)預測結(jié)果制訂切實可行的技術預案。日本青函海底隧洞 (總長53.85 km)成功的經(jīng)驗之一,就是以綜合手段做了大量的施工地質(zhì)預報工作,確保了施工安全和工期[6]。

3.2 西氣東輸二線超前地質(zhì)預報實施方案

西氣東輸二線隧道工程綜合超前地質(zhì)預報系統(tǒng)具體實施流程見圖1。

3.2.1 開挖圍巖研究

該方法是隧道所在地區(qū)的地質(zhì)分析與宏觀預報,這是超前地質(zhì)預報的第一步重要工作程序,主要包括區(qū)域地質(zhì)資料收集、對隧道設計說明書進行分析與研究和地表地質(zhì)調(diào)查與分析,在地質(zhì)分析的基礎上,進行宏觀預報。

圖1 綜合超前地質(zhì)預報流程圖

3.2.2 地質(zhì)素描

該方法屬于施工過程中的短距離地質(zhì)預報方法,是最通用的短期超前地質(zhì)預報方法,繪制地質(zhì)素描圖,并做出開挖面前方較短距離內(nèi)的巖體穩(wěn)定性分析,根據(jù)開挖圍巖的情況和巖體變化來推斷前方地質(zhì)變化趨勢,編制地質(zhì)預測報告,提出地質(zhì)預報方案。該方法被西氣東輸二線施工標段全程采用。

3.2.3 TSP203長距離宏觀探測

該方法屬于施工過程中的長距離地質(zhì)預報方法,在宏觀預報的指導下,主要應用 TSP 203探測、斷層參數(shù)預測和地面地質(zhì)體投射等技術手段,對隧道隧洞洞體前方100～150 m不良地質(zhì)體進行長距離超前地質(zhì)預報。TSP203超前預報示意圖如圖2所示。該方法預報結(jié)論相對可靠,30 m in即可以做好準備工作,測量時間小于90 min,操作簡單,對施工干擾小,但其測量出的結(jié)果需要采用超前鉆探進行驗證。

圖2 TSP203超前預報示意圖

3.2.4 紅外探測

該方法屬于施工過程中的短距離地質(zhì)預報方法,HY—303紅外探水儀主要用于隧道的含水地段和不良地質(zhì)地段,根據(jù)施工揭示的地質(zhì)信息和 TSP長期預報的結(jié)果,在必要的地段進行加強。HY—303紅外探水超前預報示意圖如圖3所示。該方法具有測量快速、不占用施工時間的特點,可有效得出前方是否有含水體結(jié)論,但其不能測量水量大小,無法確定含水體距工作面的距離,因此需要采用超前鉆探進行驗證。

圖3 紅外探水示意圖

3.2.5 判斷

根據(jù)地質(zhì)素描預測報告及TSP203長距離宏觀探測、紅外探測儀的探測結(jié)果和設計文件的圍巖情況進行對比,如果結(jié)果一致則按設計文件執(zhí)行,預報完畢;如果其結(jié)果和設計文件的圍巖情況不一致,則需采用超前鉆探驗證其結(jié)果。

3.2.6 超前鉆探驗證預報

該方法屬于施工過程中的短距離地質(zhì)預報方法,需要采用超前鉆孔進行驗證。由于西氣東輸二線隧道斷面較小,沿掌子面打超前水平探孔1個。超前鉆探示意圖如圖4所示。

圖4 超前鉆探示意圖

通過對鉆孔取樣分析,判斷出地層變化、巖性差異和地層含水量等信息,在開挖前探明前方地質(zhì)水文情況及巖層的富水情況,并進一步核實圍巖分級,以便在施工中采取針對性的工程措施。

西氣東輸二線隧道工程超前鉆探技術要求如下:①鉆孔位置:在掌子面布置1個鉆孔,位于掌子面中心;②深度(長度)要求:鉆孔深度(水平長度)原則是能長則盡量長,一般為35 m,前后兩次搭接(重復)長度5 m;③孔徑要求:76 mm;④為了判別巖石質(zhì)量指標(RQD)值,要求采用76 mm雙管單動金剛石鉆頭取心;⑤鉆探記錄須及時、詳細、清晰,認真記錄鉆進工程中的所遇到的各種情況,對鉆進速度變化情況、涌水位置、涌水量的變化、涌水渾濁程度、巖心破碎程度、巖心顏色變化及卡鉆現(xiàn)象等情況要進行準確記錄;⑥鉆探資料及時整理,并請地質(zhì)人員進行分析。

根據(jù)鉆探結(jié)果綜合判斷,提出結(jié)論性意見,根據(jù)意見調(diào)整支護參數(shù)后施工。

3.2.7 綜合超前地質(zhì)預報的成果

西氣東輸二線西段隧道于2008年7月開工,共實施4次 TSP超前地質(zhì)預報,其中冰溝隧道1次,上河沿隧道3次,根據(jù)信號的強弱和地質(zhì)情況,每次預報的距離長短從80 m到100 m不等,地質(zhì)好、信號強的地段預報的距離稍長一些,超前鉆探共實施了6次。冰溝隧道掘進至 K0+68 m處時,TSP地質(zhì)預報前方圍巖情況與設計文件中的圍巖情況不符,從 K0+68～K0+103 m段做了一次超前鉆探,從鉆孔取出來的圍巖樣品顯示該段巖層為碳質(zhì)泥巖,呈暗黑色,含有機質(zhì),呈塑膠狀,遇水即軟,太陽一曬即硬,基本不成巖,經(jīng)業(yè)主、EPC、設計、監(jiān)理和施工五方現(xiàn)場確認后,圍巖定性為Ⅴ級,原設計文件為Ⅳ級,及時調(diào)整了施工支護方案,保證施工安全。西段隧道已于2008年9月竣工,比計劃提前2個月竣工。

西氣東輸二線東段隧道自從2009年6月開工以來,截至目前共實施 TSP超前地質(zhì)預報8次,從預報的結(jié)果和掌子面開挖揭示的圍巖情況來看,地質(zhì)預報的準確率超過80%,超前鉆探實施了6次[728]。2009年10月12日,亞桂山隧道出口端掘進至 K1+615～K1+612 m段時,從掌子面開挖揭示的圍巖情況來看,巖層為泥巖,有裂隙水,局部坍塌,設計文件中該段為Ⅳ級圍巖,TSP地質(zhì)預報前方圍巖與設計文件不符,業(yè)主、EPC、設計、監(jiān)理和施工五方在現(xiàn)場確認后,要求實施超前鉆探進行驗證。自 K1+612～K1+577 m段實施了1次超前鉆探,從超前鉆探取出的圍巖樣品來看,K1+612～K1+595 m段圍巖完整性差,基本破碎,節(jié)理、裂隙很發(fā)育,結(jié)構(gòu)呈破碎狀態(tài),裂隙中充填一定量的泥,圍巖定性為Ⅴ級;K1+595～K1+590 m段局部破碎,但圍巖已有好轉(zhuǎn)跡象,圍巖介于Ⅳ級～Ⅴ級之間,定性為過渡段;K1+590～K1+577 m段圍巖為中風化中細粒石英砂巖,巖體結(jié)構(gòu)整體性和完整性較好,圍巖定性為Ⅳ級,與設計文件一致。

司前1#隧道進口側(cè)施工至 K0+260 m時,開挖掌子面處圍巖為強風化花崗巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,結(jié)構(gòu)松散,圍巖破碎,孔隙較大,拱頂往下滴水呈線狀,并聽到水流的嘩嘩聲,穩(wěn)定性差。利用 HY—303紅外線探水儀探測出前方存在隱伏含水體,自 K0+260～ K0+295 m實施了超前鉆探,成功探測到掌子面前方20 m處有突水,及時調(diào)整施工支護參數(shù),對開挖掌子面前方進行超前注漿封堵,有效避免了隧道內(nèi)涌水涌泥地質(zhì)災害的發(fā)生。

4 實施綜合超前地質(zhì)預報效益分析

在保證工程安全的情況下,對比初步設計和施工圖設計,西氣東輸二線隧道工程初步設計階段采用單一的超前鉆探進行地質(zhì)預報,初步設計階段實施超前地質(zhì)預報措施的工期及投資見表1;西氣東輸二線隧道工程施工圖設計階段采用綜合超前地質(zhì)預報,施工圖設計階段實施綜合超前地質(zhì)預報措施的工期及投資見表1[9212]。

從表1可知,中國石油工程設計有限公司西南分公司(CPE2SW)設計段的隧道群利用綜合超前地質(zhì)預報后,在縮短工期和降低工程投資方面效果顯著,工期累計縮短866 d,工程投資累計節(jié)約649.9萬元。

5 結(jié)論

西氣東輸二線隧道工程建立了完善的綜合超前地質(zhì)預報系統(tǒng),即把 TSP超前地質(zhì)預報、超前鉆探、紅外探水和地質(zhì)素描等多種超前地質(zhì)預報方法相結(jié)合,進行綜合超前地質(zhì)預報,取得較好效果。

1)研究與實踐證明,西氣東輸二線隧道工程創(chuàng)新性地提出綜合超前地質(zhì)預報系統(tǒng),對油氣管道隧道的設計和施工具有較好的指導意義。

2)綜合超前地質(zhì)預報系統(tǒng)在保證工程安全的情況下,縮短了工期,節(jié)約了工程投資。

3)西氣東輸二線隧道工程在初勘的基礎上,開展施工圖設計,輔以綜合超前地質(zhì)預報系統(tǒng)進行設計施工,實踐證明這種設計模式是可行的、可操作的,可供其他類似工程參考。

表1 超前地質(zhì)預報工期投資統(tǒng)計表

[1]王進春,喬蓓.隧道施工危險性分析及安全對策措施初探[J].石油與天然氣化工,2008,37(2):174-176.

[2]琚建明.超前地質(zhì)預報技術在海底隧道施工中的應用[J].鐵道工程學報,2007(7):76-80.

[3]李朝儀,唐學鈁,葉文建.水平定向鉆進技術在砂卵礫石層中的成功應用[J].天然氣工業(yè),2009,29(12):87-89.

[4]劉盛兵,向啟貴,劉坤.水平定向鉆穿越施工及其風險控制措施探討[J].石油與天然氣化工,2008,37(4):353-356.

[5]劉志剛,趙勇.隧道隧洞施工地質(zhì)技術[M].北京:中國鐵道出版社,2001.

[6]持田豐.青函隧道的破碎帶的穩(wěn)定處理[J].隧道譯叢,1978(6):14-25.

[7]冰溝隧道、上河沿隧道現(xiàn)場施工記錄[R].銀川:西氣東輸二線寧陜段施工例會,2008.

[8]司前1#隧道、亞桂山隧道現(xiàn)場施工記錄[R].從化:西氣東輸二線粵桂段施工例會,2009.

[9]西氣東輸二線管道工程初步設計[R].北京:西氣東輸二線初步設計審查會,2008.

[10]西氣東輸二線管道工程西段干線施工圖設計[R].烏魯木齊:西氣東輸二線西段施工圖審查會,2008.

[11]西氣東輸二線管道工程東段干線施工圖設計[R].廊坊:西氣東輸二線施工圖設計審查會,2009.

[12]西氣東輸二線管道工程廣州—深圳支線施工圖設計[R].廊坊:西氣東輸二線施工圖設計審查會,2009.

(修改回稿日期 2010-03-24 編輯 何 明)

胡文君,1980年生,工程師,碩士;主要從事結(jié)構(gòu)設計及研究工作。地址:(610017)四川省成都市小關廟后街25號中國石油工程設計有限公司西南分公司。電話:(028)86014520,15982488580。E-mail:340127019@qq.com