油气管道穿越工程勘察技术

PAGEPAGE10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，8000km2372km—（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：河道弯曲、经常改道的河段；河床冲淤变幅大的河段；危害或潜在威胁的河段；断层河谷或靠近发震断裂的河段。2、工程勘察工作[1]15m100～200m4个钻探点。钻探深度应根据15～20m。详细勘察钻探点的布置。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530m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。钻探深度3～5m。无冲刷深对于中、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、穿越方式的选择定向钻穿越20年来引进的先进的、非开挖穿越新技术，具有安全（保管道埋深（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、ft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。10年前定向钻穿越地段长度一般不超过1300m已大有突坡。200736日，管道局穿越公司承接的杭甬天然气管道工——水平定2454m×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。199812月，石油管道局承接苏丹输油管全为岩石地层（砂岩，极限抗压强度近10MP，经过多次失败的经验总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，200555100MPa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（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：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。河床两岸是否有适宜摆放定向钻机的开阔场地。的安全距离（与水利部门协商确定。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。隧道穿越近年来，油气管道在穿越ft区和河流时，常采用隧道方式通过。以隧道方式通过ft区，具有以下优点：使线路取直，减少线路长度；避开地质灾害（如滑坡、塌方，保证了安全；厚，节省管材；减少对ft区植被的破坏，有利环保；方便运营管理。兰成渝成品油管道通过秦巴ft2821.39km。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400～600m3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（10～20CT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：即传统的采用钻眼放炮进行开挖，又称矿ft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。盾构法出碴——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2.4m1400m，地层主要为灰岩，局部有卵石层和砂土层。出发井深48.4m22.4m。施15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。由台湾中鼎公司施工，采用1992m4.4m2.8m。南岩出发井（15×7.5m）15.19m，北岸到达井（15×7.5m）21.64m，地层主要为卵石层（夹粘土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～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。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。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西气东输在郑州西穿越黄（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20，4个顶井都顺利施工，在5号井出了事故，设备沉到20m遇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（GB50021-2001）条文说明中4.2.13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”1、超前地质预报的目的[3]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。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：断裂、破碎带和风化囊的预报；不稳定块体的预报；地下水活动情况的预报；地应力状况的预报；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TSP50m以上。中期超前地质预测预报：超前探孔（2050。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20m以内。4、超前地质预报程序TSPTSP实现中期超前地质预报；然后，在中长期超前地质预报的基础上，应用地在严重不良地质带，利用炮眼探测前方，实现临近地质预报。可以弥补其它探测方式存在的盲区，提高超前预测预报的精确度。5、工程实例宜万铁路工程十六标段的隧道工程包含，野三关隧道出口段的一线正洞6896m，一线平导6892m，和施工斜井1845m；大支坪隧道进口段的一线正洞4438m，一线平导4434m。隧道穿越岩溶和煤系地层，断层、溶洞和暗河发育，地下水丰富，可能发生突泥突水等地质灾害；隧道埋深大，围岩存在硬岩岩爆和软岩变形的问题。为确保隧道安全快速施工，避开隧道地质风险，采用了综合地质预测TSP1套，地质钻5TSP5234743715760m。由于及时根据超前地质预报获得的2500m3·d-1大型暗河13000m3·d-1371007保证了隧道施工安全。三、油气管道线路工程抗震技术[3]1、抗震设防标准与地震安全性评价79度地区，需要进行抗震设9度或有特殊要求的管道线路工程，以及具有地震地质灾害背景地区的大型穿跨越管道工程，应进行专门研究。由于长距离输油气管道系重要生命线工程，按照有关规定需要委托中国地震局对全线进行地震安全性评价，其主要内容：查清沿线地震地质条件；查清沿线发震构造，进行地震危险性分析；查清沿线分布的主要断裂及其活动性评价；进行沿线地震区划的划分，确定各地段设防烈度和地震动参数；提出防震减灾对策建议。2、管道建设场地划分及工程地质勘察管道工程的场地选择，应根据地震活动性，地震地质调查、工程地质勘察、地震危险性、地震地质灾害评价、场地条件等进行综合评价、选择对管道工程有利的地段，避开危险地段进行建设。（1）管道场地地段划分选择管道场地时，应按表1划分对管道抗震有利、不利和危险的地段。地段划分地质、地形、地貌有利地段硬场地土或密实均匀的中硬场地土等地段地段划分地质、地形、地貌有利地段硬场地土或密实均匀的中硬场地土等地段一般是指地质构造比较复杂，有第四纪全新世以来活动性断裂、ftft不利地段非岩质（其中包括胶结不良的第三系沉积）的陡坡，采空区、河岸和边坡边缘、场地土在平面分布上软硬不均（如故河道、断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷及半填半挖地基等）等地段`一般是指地质构造复杂，有第四纪全新世活动性断裂及地震时可危险地段能发生断裂、滑坡、崩塌、地陷、地裂等地段。管道场地土可分为坚硬场地土、中等场地土和软弱场地土。场地土特征参数可按表2取值。场地土类型坚硬场地土中等场地土软弱场地土剪切波速（场地土类型坚硬场地土中等场地土软弱场地土剪切波速（m/s）>500500～140≤140特征周期（s）≤0.20.2～0.65>0.65设防烈度（度）789地面水平速度（m/s）0.130.250.50管道场地土在不同设防烈度下地面水平速度应按表设防烈度（度）789地面水平速度（m/s）0.130.250.50(2)[1]1）利用天然和人工露头进行地质测绘和描述为主，对重要的地质现象，宜在现场绘制素描图或摄影。在地质条件复杂，露头不好的地段，必要可使用简便的勘探手段，了解其地层、岩性、构造等情况，对拟选线路的岩土工程条件作出初步评价，并提供初步设计所需的工程地质资料。2）详细勘察。应详细查明沿线的工程地质，水文地质条件，提供施工图设计所需的有关岩土工程勘察资料。详细勘察的勘探点间距，视岩土工程勘察等级而定：甲级：200～300m；乙级：300～500m；丙级：500～1000m。详细勘察的勘探深度：应达到管沟底面以下1m。对重要区段，应有代表性地布置钻孔（数量不少于3个15m或至坚硬土层顶面，并测出剪切波速和给出特征周期。对于线路经过抗震设防烈度等于或大于7度地段，当管道沿线7.0m深度内有饱和砂土和粉土时，应通过钻探、试验进行饱和土的地震液化判别。3[2]全新活动断裂为在全新地质时期（一万年）内有过地震活动或近期正在活动，在今后一百年可能继续活动的断裂；全新活动断裂中、近期（近500年来）M≥5100M≥5级的断裂，可定为发震断裂。（GB50011-2001）4.1.7定之一时，可忽略发震断裂对地面建筑的影响：8度；8960m90m。4、地震及活动断裂对埋地油气管道造成的危害唐ft地震中秦皇岛到北京输油管道的破坏情况秦皇岛到北京输油管道（以下简称秦～京管道，全长约为350k。管7mm,左右，一般处于冻土层以下，地下水位以上。管道经过唐ft地震中8，9140km，50km25km。在唐ft地震中共有四处损坏，均发生于管道与活动断层相交的部位。95km239度烈度区，管道跨越长度约850m。第二处为第一加热站站内管道。该处直线段出现一处漏油。第三处为第二泵站与第三加热站之间的直线管段，此处产生一个皱折，使管子直径减少2/5，并在皱折部2处，长度分别为100mm200mm，裂缝最宽为40mm10º500m。地震440mm，宽度很少，以上的第二、三及四处破坏均处于唐ft地震中7美国圣费尔南多地震1971（San24406mm（16英寸）10km52的屈曲破坏。地震引起次生灾害：根据国外震灾资料，1980年美国旧金ft8.3级地震时，地震5010多平方公521条街道被烧毁，火灾造成的损失比地震直接破坏高达三倍。19237.9级大地震时，使东京、横滨几乎被地震带来41211万户煤气设备因煤193371952年加利福尼亚寇恩地震时，由于炼油厂高压油管断裂引起爆炸，波及两个1975后火灾高达一天36次。由上述可见，地震对油气管道造成的破坏极为严重。5、通过活动断裂带的抗震措施[5]通过调研和收集资料，管道通过活动断裂带的抗震工程措施如下。的抗震。美国阿拉斯加管道在设计时应用了这些抗震措施，使其经受住了20021137.9级地震，管道没有发生破损、漏油的事故。选择合适穿越位置，使管道避让断裂带。（PE管中等密度的无粘性土，或在管道通过影响区范围内加设大口径钢筋混凝土套管、加大管沟断面或钢套管，使管道与断层运动隔离。应地震的位错方式和可能造成的位移置，以满足安全要求。”形敷设，使之在遭遇地震时具有一定的伸缩余地。据地震勘察得到的数据进行计算，局部增加管道的壁厚。向，严禁使用热煨弯头，以增加管道柔性。置线路截断阀室，降低管道事故发生破裂后的天然气损失和造成其它次生灾害。6、工程实例[5]西气东输冀宁管道工程，北接陕京二线河北安平分输站，南接西气东输青ft910km18条，根据中国地震局做出的地震安全性评价，有两条全新世活动断裂：即，苍ft—尼ft断裂和郯庐断裂带中1668年发生了我国最大的一次大地震，震级达8.5格的抗震措施。ft东省曲阜市防ft5～25m。据地震安全性评价结果：1007级左右地震的危险性，可能遭受的最大地震水平位错约2.53～4.83m，垂直位错约0.42～0.81m，按照这一预测结果进行抗震设防，采用如下工程抗震措施：18.4mm壁厚规格的管道；开挖特殊断面的管沟的方案。按照地震局的地震安全性评价报告，苍尼断裂主要对发生垂直错位进行设防，根据分析，北盘上升，南盘下降，为此本方案用斜坡管沟进行敷设，具体敷设断面见图1。注：本图尺寸单位为mm图1 管道穿越断裂带立面图向，严禁使用热煨弯头，以增加管道柔性。路截断阀室实现在事故状态下的管道截断，降低管道事故发生破裂后的天然气损失和造成其它次生灾害。100%X射线检查。3PE加强级防腐,—20～50m。100年内该断裂有发生强地震的可能性。设计按其可能遭遇的最大地震水平位错约2.53～4.83m0.42～0.81m来设防。为保证管道安全，使管道最大可能地抵御和降低断裂带活动变形的影响，设计采用如下工程抗震措施。管沟底部应仔细夯实、平整。开挖特殊断面的管沟的方案。通过强度计算和分析，管道在各种不利的工况条件下是安全的，为保证管道更安