綜合超前地質(zhì)預(yù)報在西氣東輸二線隧道工程中的應(yīng)用

摘 要

摘要：西氣東輸二線管道全長超過8000km，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(shè)史上的一座里程碑，全線共設(shè)置隧道60余座，隧道處的地質(zhì)條件復(fù)雜。為
摘要：西氣東輸二線管道全長超過8000km，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(shè)史上的一座里程碑，全線共設(shè)置隧道60余座，隧道處的地質(zhì)條件復(fù)雜。為此，在西氣東輸二線隧道工程建設(shè)中，綜合分析TSP203超前地質(zhì)預(yù)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(yù)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(yù)報技術(shù)體系，為制訂相應(yīng)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(shù)保障。介紹了該技術(shù)系統(tǒng)的實施流程，其技術(shù)特色是將長、短距離的地質(zhì)預(yù)報與物探、鉆探等預(yù)報方法相結(jié)合，進行綜合超前地質(zhì)預(yù)報。工程實例經(jīng)濟分析表明：該技術(shù)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(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：西氣東輸二線；綜合超前地質(zhì)預(yù)報；TSP203超前地質(zhì)預(yù)報儀；超前鉆孔；紅外探水；地質(zhì)素描；工期；投資
1 實施超前地質(zhì)預(yù)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8000km，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(shè)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(wù)重，隧道工程采用在初勘的基礎(chǔ)上開展施工圖設(shè)計的模式。
1.1 超前地質(zhì)預(yù)報的必要性
    國內(nèi)外大量的隧道工程建設(shè)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(shè)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(zāi)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(shù)手段對隧道掌子面前方地質(zhì)條件進行及時準(zhǔn)確的預(yù)測，是提前采取預(yù)防措施、避免災(zāi)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(chǔ)上開展施工圖設(shè)計，由于其勘察深度不夠，設(shè)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(yù)報非常必要。
1.2 超前地質(zhì)預(yù)報的目的
    實施超前地質(zhì)預(yù)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(shè)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(yù)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(yīng)技術(shù)措施的需要，是完善設(shè)計地質(zhì)資料、優(yōu)化施工方案、指導(dǎo)施工決策和保證施工人員和設(shè)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(shè)計變更的依據(jù)，是隧道運營階段地質(zhì)災(zāi)害治理的依據(jù)。
2 隧道施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報方法
    國外隧道地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)較成熟，我國隧道地質(zhì)超前預(yù)報研究始于20世紀(jì)50年代，20世紀(jì)70年代才真正開始了地質(zhì)超前預(yù)報的研究和應(yīng)用。目前國內(nèi)外超前地質(zhì)預(yù)報的方法主要有：地質(zhì)素描、導(dǎo)坑超前探測、超前鉆探、TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)和HY-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(yù)報法，也是其他超前地質(zhì)預(yù)報方法的基礎(chǔ)。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(zhǔn)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(yù)測，為圍巖級別的改變提供依據(jù)。該方法設(shè)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(dǎo)坑法
    超前導(dǎo)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(yù)報的一種重要方法，特別是當(dāng)兩平行隧道間距較小時預(yù)報效果更佳。超前導(dǎo)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(yù)報方法。
2.3 風(fēng)鉆超前探測
    風(fēng)鉆超前探測是利用風(fēng)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(shè)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2～6m，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(yù)報，是超前地質(zhì)預(yù)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(guān)試驗獲取隧道掌子面前方巖體的強度指標(biāo)、可鉆性指標(biāo)、地層巖性情況、巖體完整程度指標(biāo)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(yù)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[3～4]。
2.5 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)
    TSP203是目前公認(rèn)為預(yù)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(yù)報，其有效深距可達(dá)150～300m，預(yù)測距離在100m左右是比較準(zhǔn)確的。在不良地質(zhì)體定位上，最大分辨率不小于1m；位置判別精度約為90%，其規(guī)模判別精度可達(dá)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(yù)測，仍需結(jié)合其他探水手段進行[5]；探測成果準(zhǔn)確度取決于準(zhǔn)確的操作與圖像解釋技術(shù)。
2.6 紅外探測
    HY-303紅外探水儀，能探測20～30m范圍內(nèi)的地下水狀況?；驹恚寒?dāng)掘進前方30m范圍內(nèi)存在含水構(gòu)造或溶洞時，前方災(zāi)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(zāi)害源產(chǎn)生的紅外異常場。其特點為：①距離短，一般為35m；②只定性告知35m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(yù)報系統(tǒng)
3.1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)
    隧道工程屬于復(fù)雜的地下工程，采取一種地質(zhì)預(yù)報方法是不可靠的，宜采取多種預(yù)報手段相結(jié)合的綜合超前預(yù)報系統(tǒng)，多管齊下，優(yōu)化組合，相互補充，以達(dá)到提高成果解譯水平、地質(zhì)預(yù)報精度和預(yù)報探測成果的利用效率的效果，就能及時反饋指導(dǎo)設(shè)計與施工。準(zhǔn)確的超前地質(zhì)預(yù)測與預(yù)報技術(shù)是優(yōu)化設(shè)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(yù)報系統(tǒng)，其本質(zhì)特色是將長、短距離的地質(zhì)預(yù)報與物探、鉆探等預(yù)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(guān)鍵是對不良地質(zhì)體進行準(zhǔn)確預(yù)測，然后根據(jù)預(yù)測結(jié)果制訂切實可行的技術(shù)預(yù)案。日本青函海底隧洞(總長53.85km)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(yù)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(yù)報實施方案
西氣東輸二線隧道工程綜合超前地質(zhì)預(yù)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(yù)報，這是超前地質(zhì)預(yù)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(shè)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(chǔ)上，進行宏觀預(yù)報。
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(yù)報方法，是最通用的短期超前地質(zhì)預(yù)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(yù)測報告，提出地質(zhì)預(yù)報方案。該方法被西氣東輸二線施工標(biāo)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(yù)報方法，在宏觀預(yù)報的指導(dǎo)下，主要應(yīng)用TSP 203探測、斷層參數(shù)預(yù)測和地面地質(zhì)體投射等技術(shù)手段，對隧道隧洞洞體前方100～150m不良地質(zhì)體進行長距離超前地質(zhì)預(yù)報。TSP203超前預(yù)報示意圖如圖2所示。該方法預(yù)報結(jié)論相對可靠，30min即可以做好準(zhǔn)備工作，測量時間小于90min，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。
 

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(yù)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(yù)報的結(jié)果，在必要的地段進行加強。HY-303紅外探水超前預(yù)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。
 

3.2.5判斷
    根據(jù)地質(zhì)素描預(yù)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(shè)計文件的圍巖情況進行對比，如果結(jié)果一致則按設(shè)計文件執(zhí)行，預(yù)報完畢；如果其結(jié)果和設(shè)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(yù)報
    該方法屬于施工過程中的短距離地質(zhì)預(yù)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。
 

    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(shù)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35m，前后兩次搭接(重復(fù))長度5m；③孔徑要求：76mm；④為了判別巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)值，要求采用76mm雙管單動金剛石鉆頭取心；⑤鉆探記錄須及時、詳細(xì)、清晰，認(rèn)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(zhǔn)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(yù)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(yù)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(yù)報的距離長短從80m到100m不等，地質(zhì)好、信號強的地段預(yù)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+68m處時，TSP地質(zhì)預(yù)報前方圍巖情況與設(shè)計文件中的圍巖情況不符，從K0+68～K0+103m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(shè)計、監(jiān)理和施工五方現(xiàn)場確認(rèn)后，圍巖定性為Ⅴ級，原設(shè)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(yù)報8次，從預(yù)報的結(jié)果和掌子面開挖揭示的圍巖情況來看，地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確率超過80%，超前鉆探實施了6次[7～8]。2009年10月12日，亞桂山隧道出口端掘進至K1+615～K1+612m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(shè)計文件中該段為Ⅳ級圍巖，TSP地質(zhì)預(yù)報前方圍巖與設(shè)計文件不符，業(yè)主、EPC、設(shè)計、監(jiān)理和施工五方在現(xiàn)場確認(rèn)后，要求實施超前鉆探進行驗證。自K1+612～K1+577m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+595m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+590m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+577m段圍巖為中風(fēng)化中細(xì)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(shè)計文件一致。
    司前1#隧道進口側(cè)施工至K0+260m時，開挖掌子面處圍巖為強風(fēng)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～KO+295m實施了超前鉆探，成功探測到掌子面前方20m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(zāi)害的發(fā)生。
4 實施綜合超前地質(zhì)預(yù)報效益分析
在保證工程安全的情況下，對比初步設(shè)計和施工圖設(shè)計，西氣東輸二線隧道工程初步設(shè)計階段采用單一的超前鉆探進行地質(zhì)預(yù)報，初步設(shè)計階段實施超前地質(zhì)預(yù)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(shè)計階段采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報，施工圖設(shè)計階段實施綜合超前地質(zhì)預(yù)報措施的工期及投資見表1[9～12]。
 
    從表1可知，中國石油工程設(shè)計有限公司西南分公司(CPE-SW)設(shè)計段的隧道群利用綜合超前地質(zhì)預(yù)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866d，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(yù)報系統(tǒng)，即把TSP超前地質(zhì)預(yù)報、超前鉆探、紅外探水和地質(zhì)素描等多種超前地質(zhì)預(yù)報方法相結(jié)合，進行綜合超前地質(zhì)預(yù)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(yù)報系統(tǒng)，對油氣管道隧道的設(shè)計和施工具有較好的指導(dǎo)意義。
    2) 綜合超前地質(zhì)預(yù)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(chǔ)上，開展施工圖設(shè)計，輔以綜合超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)進行設(shè)計施工，實踐證明這種設(shè)計模式是可行的、可操作的，可供其他類似工程參考。
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(本文作者：胡文君1 王進1 胡道華1 馬紅2 1.中國石油工程設(shè)計有限公司西南分公司；2.中國石油大學(xué)(華東)儲運與建筑工程學(xué)院)