油气管道穿越工程勘察技术.docx

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油气管道穿越工程勘察技术

油气管道穿越工程勘察技术

周亮臣

近年来，我国油气管道建设面临着有史以来的最佳时期。

继西气东输管道、西部原油管道相继投产之后，目前，兰州—郑州—长沙成品油管道正在紧锣密鼓地开展勘察工作。

与此同时，又有两项宏伟工程将要面世，即是干线加支线长度近8000km的西气东输二线和全长2372km的中缅原油管道正在启动。

此外，还有中俄原油管道、哈萨克斯坦—中国原油管道（二期）和沿海天然气管道也在酝酿建设之中。

看来管道建设方兴未艾。

可以预计，我国输油气管道横贯东西、纵穿南北、交织成网呈现在神州大地上将指日可待。

面对如此大好形势，我国石油、石化部门以及相关行业，都在积极地为油气管道建设做各方面的准备工作（包括技术储备），以适应管道建设又一个高潮的到来。

管道建大地，安危在地基。

任何工程建设、包括油气管道建设都离不开地基。

要确保油气管道建设安全，必须做好管道沿线工程勘察工作，选择适宜管道建设的有利地段通过，避开危险地段，如果必要时从不利地段通过，则需采取有效的防治措施。

本文拟就管道穿越工程，隧道工程和活动断裂区通过管道等几个重点项目的工程勘察技术，予以阐述。

一、管道穿越工程勘察

1、穿越河段的选择

油气管道需要通过江河湖海（湾）时，从安全出发，大都采取穿越方式通过，很少采取跨越方式。

西气东输在中卫通过黄河，采取跨越方式，曾经是当地一道风景线，日前听说要改用隧道穿越方式以确保安全。

穿越河段应选在河道顺直、河床及两岸均稳定的河段。

宜避开下列河段：

（1）河道弯曲、经常改道的河段；

（2）河床冲淤变幅大的河段；

（3）岸坡区岩石松软、不良地质现象发育且对穿越工程稳定性有直接危害或潜在威胁的河段；

（4）断层河谷或靠近发震断裂的河段。

2、工程勘察工作[1]

（1）初步勘察：

钻探点布置在拟定穿越位置的上游15m处，钻探点间距为100～200m，每一个方案应至少布置4个钻探点。

钻探深度应根据设计要求确定，无设计要求时，钻探深度为15～20m。

（2）详细勘察

1）钻探点的布置。

视穿越方式分别确定：

对于沟埋敷设方式，钻探点应布置在确定的穿越中线上。

对于非开挖穿越方式（如定向钻），钻探点应在中线两侧15～30m各布置一条勘探线，两条勘探线上的钻探点交错布置。

钻探点的间距为30～100m。

当采取长距离顶管及盾构等方案需要设置沉井时，应在沉井处布置钻探点3～4个。

2）钻探深度

对于沟埋敷设方式，应钻至河床最大冲刷深度以下3～5m。

无冲刷深度资料时，应视河床地层条件而定。

对于粉细砂土河床，钻探深度10～15m；对于中、粗、砾砂河床，钻探深度8～12m；对于卵（砾）石河床，钻探深度6～8m；对于基岩，应钻穿强风化层，当强风化层很厚时，最大深度以10m为限。

对于定向钻穿越方式，钻探深度为设计深度以下3～5m。

对于顶管和盾构方式，钻探深度根据设计要求确定。

3、穿越方式的选择

（1）定向钻穿越

定向钻是近20年来引进的先进的、非开挖穿越新技术，具有安全（确保管道埋深）、工期短、造价相对较低、有利于环境保护、节约工程材料（不需要加重层及复壁管等设备）和应用范围广（包括河流、海湾、山丘、铁路、公路和环境保护区）等突出优点，越来越受到建设单位的重视和广泛应用。

中石油管道局自从1985年从美国引进定向钻以来，在国内外已成功穿越300多条河流。

近年来，定向钻技术发展很快，在穿越地段长度、岩层硬度以及卵石层厚度等方面均有所突破。

穿越段长度。

10年前定向钻穿越地段长度一般不超过1300m，近年来已大有突坡。

2007年3月6日，管道局穿越公司承接的杭甬天然气管道工程钱塘江穿越，采用对接技术穿越成功，创造了一项世界之最——水平定向钻穿越长度2454m×管径813mm世界新纪录。

岩石层硬度。

1998年以前，采用定向钻穿越河床地层局限于细颗粒地层（粘性土、粉土、砂土等）。

1998年12月，石油管道局承接苏丹输油管道尼罗河穿越，开创了岩石地层中采用定向钻的先河。

穿越河段长达867m，全为岩石地层（砂岩），极限抗压强度近10MPa，经过多次失败的经验总结，历时4个月，终于穿越成功。

近年来，在突破硬岩层方面又有重大突破，2005年5月5日，长吉线松花江穿越，在抗压强度达到100MPa的花岗岩中采用定向钻穿越取得成功。

卵石层厚度。

以往在卵石层中穿越一直是个难题。

主要因为卵石颗粒粗，泥浆难以携带出来，而且卵石层容易坍塌，常卡钻。

随着技术的进步，近年来，在钻进卵石层方面又取得重大突破。

即采用打套管的方式通过卵石层。

即沿管道穿越的入土角（一般为10°）方向把套管顺设计的穿越线打穿卵石层，然后用一台主钻机将定向钻的钻具从打好的套管中进入到卵石层以下的岩层钻进。

在出土端一般采用开挖卵石层，或者同样采用打套管的方式，用副钻机将钻具从套管中进入到卵石层以下的岩层中钻进，与主钻机的钻头对接。

而后主钻机的钻具再向前从副钻机的钻孔中和套管中出土。

打入套管的长度可达到100～120m。

只要河流表层卵石层厚度不超过10m可以采用定向钻，已在松花江、黄河穿越中取得成功。

但是卵石层如果分布在10m以下，而且厚度较大，则不适宜采用定向钻。

在定向钻穿越工程勘察中，需要重点查清以下问题：

1）河床的地层情况。

包括粘性土、砂土、卵石层的颗粒组成，卵石层的分布范围及其厚度；有无淤泥质软土、松散砂土，在定向钻出土点附近如有这类软弱土层分布，定向钻的钻头往往抬不起来，易造成事故。

如河床为岩石层，应查清岩层的单轴极限抗压强度，岩性是否均一，有无软弱夹层，是否存在断层破碎带（可采用物探方法查清）。

在滠水河定向钻穿越中，曾经出现过由于断层角砾岩卡住了钻头，造成钻杆折断重大事故。

2）河床两岸是否有适宜摆放定向钻机的开阔场地。

3）河床两岸是否有不适宜穿越的防洪大堤，定向钻应距离大堤有足够的安全距离（与水利部门协商确定）。

（2）大开挖穿越

不带水开挖穿越施工方法是：

导流→疏干→开挖施工。

带水开挖穿越施工常用的方法是：

爆破成沟，管子同时下沟。

这种大开挖施工的缺点有两个：

一是难以达到预定的埋设深度，洪水期间常将管子冲出甚至冲断，大都要返工；二是大开挖施工对环境形成较大的破坏，与当前中石油提出的“安全第一，环保优先，以人为本，和谐发展”的企业精神不相符。

所以，近年来这种方法在大中型河流穿越中已不常用，只在一些小型穿越工程中应用。

（3）隧道穿越

近年来，油气管道在穿越山区和河流时，常采用隧道方式通过。

以隧道方式通过山区，具有以下优点：

1）使线路取直，减少线路长度；

2）避开地质灾害（如滑坡、塌方），保证了安全；

3）降低管道标高，使管道落差减小，后段管道压力降低，减少管道壁厚，节省管材；

4）减少对山区植被的破坏，有利环保；

5）方便运营管理。

兰成渝成品油管道通过秦巴山区，地形地质条件很复杂，全线开凿隧道28条，总长度达21.39km。

在隧道工程勘察中，需要采取工程钻探与物探方法相结合，以查清隧道轴线及两侧的地层、地质构造和水文地质条件。

初步勘察钻探点的间距为400～600m，且每条隧道不少于3个钻孔。

详细勘察钻探点的间距为100～200m。

钻孔深度应超过隧道底板3～5m（水下隧道应超过隧道底板10～20m）。

常用的物探方法有：

浅层地震剖面法、高密度电法、瞬变电磁波法和地震CT技术，根据现场地形地质条件选用物探方法。

物探方法的优势是：

测出的地层剖面是连续的，可以显示断层破碎和软弱夹层。

对物探成果应用钻探验证。

隧道施工方法有：

1）钻爆法。

即传统的采用钻眼放炮进行开挖，又称矿山法。

对于倾斜岩层、有软弱夹层和断裂破碎带的岩层中施工时，常出现岩层滑移和大面积坍塌事故。

在这种情况下应采用“弱爆破、短进尺、早支护”的施工工艺措施，以保证安全。

2）盾构法。

这是近十年来开发的隧道施工高新技术，它集切削岩层——出碴——支护于一体。

工艺很先进。

目前在油气管道穿越工程中，凡是不适宜定向钻穿越的，大都采用盾构机打隧道。

忠武线长江红花套穿越。

主要由管道局四公司施工，采用从德国引进的泥水平衡式盾构掘进机，穿越隧道直径2.4m，隧道长度1400m，地层主要为灰岩，局部有卵石层和砂土层。

出发井深48.4m，到达井深22.4m。

施工周期15个月。

施工中曾经出现一次大事故，快到南岸时，盾构机忽然停机不运转，反复找原因，发现是木头堵住了排污管。

分析其原因：

岩石能破碎，对于木头，不软不硬，有韧性，难以破碎。

此次事故停工三天，吸取的教训是：

勘察时对地层及其包含物一定要查清，岩土描述要仔细。

西气东输南京三江口长江盾构穿越工程。

由台湾中鼎公司施工，采用泥水平衡式盾构掘进机。

隧道全长1992m，隧道直径4.4m，净内径2.8m。

南岩出发井（断面15×7.5m）井深15.19m，北岸到达井（断面15×7.5m）井深21.64m，地层主要为卵石层（夹粘土）、钙质粉、细砂岩。

施工中发现地质勘察资料同实际情况相距甚大，地质资料描述的砾石直径多为20～60mm，实际上发现局部有直径达160～345mm的大卵石和漂石，异常坚硬，严重影响了掘进速度，由每天8m左右降至每天不足1m。

施工周期长达21个月。

吸取的教训也是对地质勘察工作要十分重视，不可掉以轻心。

单纯依靠钻孔不行，还必需挖掘探井，采取原状试样或下入井中认真观察，方可察看清楚。

3）顶管法。

目前常用的方法为千斤顶顶管穿越施工和螺旋钻机顶管穿越施工，适宜于砂土、粘性土和软质岩层河床。

西气东输在郑州西穿越黄河，由于河谷很宽，北岸和南岸均采用定向钻穿越施工，河床中部一段（长约3000余米）采用顶管穿越施工。

由北向南共设置5个顶井（井径20m），前4个顶井都顺利施工，在5号井出了事故，设备沉到20m，即沉不下去，迂到胶结坚硬的砂砾石层，耽误了工期。

后来更换设备才穿越成功。

二、超前地质预报

在隧道施工中，常出现的事故有：

岩层破碎导致大面积塌方、大量涌水、瓦斯爆炸。

一旦发生这类事故，常造成设备损坏和人员伤亡。

必须采取有效措施，杜绝这类事故发生。

目前国内外采取的有效措施是：

在隧道施工过程中应进行施工勘察和超前地质预报。

国标《岩土工程勘察规范》[2]（GB50021-2001）条文说明中4.2.13条郑重指出：

“地下洞室勘察，凭工程地质测绘、工程物探和少量钻探工作，其精度是难以满足施工要求的，尚需依靠施工勘察和超前地质预报加以补充和修正。

这是关系到地下洞室掘进速度和施工安全，可以起到指导设计和施工的作用。

”

1、超前地质预报的目的[3]

（1）通过采用有效的超前探测方法，对隧道掘进掌子面前方岩体的形态规模、发育程度、涌水状况、涌水压力等水文地质条件进行较准确的预报，对地表勘探成果进行校核，从而明察前方地质情况。

（2）探测隧道开挖轮廓线内的地质异常体，评估其对隧道施工安全的危害程度，为施工治理提供必要的依据，做到“有的放矢，有所防、有所备”，并采取有效施工对策，达到安全施工、确保隧道结构及后期运营安全的目的。

2、超前地质预报的内容。

主要包括下列五方面：

（1）断裂、破碎带和风化囊的预报；

（2）不稳定块体的预报；

（3）地下水活动情况的预报；

（4）地应力状况的预报；

（5）隧道附近未被揭露的隐伏地质异常体分布情况的预报。

3、各种预报周期采用的地质预报手段

（1）长期超前地质预测预报的手段：

地面地质调查法、TSP探测法、超前深孔钻探法等，超前地质预报距离50m以上。

（2）中期超前地质预测预报：

超前探孔（小口径，20～50m）、钻孔地质雷达等，超前地质预报距离20～50m。

（3）短期超前地质预测预报：

掌子面地质素描法、普通地质雷达、红外线超前探水、短距离小口径钻孔探测法、超前炮眼探测法等，超前地质预报距离20m以内。

4、超前地质预报程序

首先，在地质勘探调查的基础上，应用TSP预测预报系统进行长距离探测