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史上的一座里程碑，全線共設置隧道60余座，隧道處的地質條件復雜。為此，在西氣東輸二線隧道工程建設中，綜合分析TSP203超前地質預報儀、超前鉆孔、紅外探水和地質素描等多種超前地質預報方法的優缺點，結合工程實際，形成了一套較完整的綜合超前地質預報技術體系，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。介紹了該技術系統的實施流程，其技術特色是將長、短距離的地質預報與物探、鉆探等預報方法相結合，進行綜合超前地質預報。工程實例經濟分析表明：該技術體系的實施，不僅縮短了工期，還大大節約了工程投資成本，具有較好的推廣應用價值。
關鍵詞：西氣東輸二線；綜合超前地質預報；TSP203超前地質預報儀；超前鉆孔；紅外探水；地質素描；工期；投資
1 實施超前地質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8000km，穿越黃河、長江，穿越黃土地區、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 超前地質預報的必要性
國內外大量的隧道工程建設實踐表明，由于地質勘察精度、經費、工期等諸多條件的限制，根據地質勘察資料做出的設計與實際不符的情況屢有發生，由此帶來的隧道洞內塌方、涌水、涌泥、涌沙、巖爆、瓦斯爆炸等災害時有發生，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預報非常必要。
1.2 超前地質預報的目的
實施超前地質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。實施超前地質預報是隧道施工根據實際地質、水文條件變化及時調整施工方法和采取相應技術措施的需要，是完善設計地質資料、優化施工方案、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實際地質條件進行隧道圍巖級別確定和設計變更的依據，是隧道運營階段地質災害治理的依據。
2 隧道施工地質災害預報方法
國外隧道地質超前預報技術較成熟，我國隧道地質超前預報研究始于20世紀50年代，20世紀70年代才真正開始了地質超前預報的研究和應用。目前國內外超前地質預報的方法主要有：地質素描、導坑超前探測、超前鉆探、TSP203超前地質預報系統和HY-303紅外探測等[2]。
2.1 地質素描
地質素描是最早開展的超前地質預報法，也是其他超前地質預報方法的基礎。其原理是將隧道所揭露的地層巖性、地質構造、結構面產狀、地下水出露點位置、出水狀態、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特征的改變，結合已有勘測資料，進行隧道開挖面前方地質條件的預測，為圍巖級別的改變提供依據。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，但需要地質知識水平較高的專業人員來完成。
2.2 超前導坑法
超前導坑法是指根據超前施工的平行隧道或導坑所遇地質情況，推測隧道將遇到怎樣的地質情況，是隧道施工期地質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信息的一種方法。它是巖溶發育區對超前地質鉆探的一種重要補充方法，因其數量較多，有時效果是非常明顯的。與超前地質鉆探相比，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超前預報，是超前地質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，國內采用這種方法進行超前地質預報，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情況，而且可以起到探水的作用[3～4]。
2.5 TSP203超前地質預報系統
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生反射波的特征和信號接收的時間等參數來判斷前方的地質變化。TSP屬于長距離超前地質預報，其有效深距可達150～300m，預測距離在100m左右是比較準確的。在不良地質體定位上，最大分辨率不小于1m；位置判別精度約為90%，其規模判別精度可達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
HY-303紅外探水儀，能探測20～30m范圍內的地下水狀況。基本原理：當掘進前方30m范圍內存在含水構造或溶洞時，前方災害源產生的紅外異常場，必然會傳播到掘進后方，因而在掘進后方隧道的側壁上能提前發現災害源產生的紅外異常場。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預報系統
3.1 綜合超前地質預報系統
隧道工程屬于復雜的地下工程，采取一種地質預報方法是不可靠的，宜采取多種預報手段相結合的綜合超前預報系統，多管齊下，優化組合，相互補充，以達到提高成果解譯水平、地質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。準確的超前地質預測與預報技術是優化設計方案和確保不良地質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，采用綜合超前地質預報系統，其本質特色是將長、短距離的地質預報與物探、鉆探等預報方法有機結合起來。
要安全順利地通過各類不良地質段，關鍵是對不良地質體進行準確預測，然后根據預測結果制訂切實可行的技術預案。日本青函海底隧洞(總長53.85km)成功的經驗之一，就是以綜合手段做了大量的施工地質預報工作，確保了施工安全和工期[6]。
3.2 西氣東輸二線超前地質預報實施方案
西氣東輸二線隧道工程綜合超前地質預報系統具體實施流程見圖1。
3.2.1開挖圍巖研究
該方法是隧道所在地區的地質分析與宏觀預報，這是超前地質預報的第一步重要工作程序，主要包括區域地質資料收集、對隧道設計說明書進行分析與研究和地表地質調查與分析，在地質分析的基礎上，進行宏觀預報。
3.2.2地質素描
該方法屬于施工過程中的短距離地質預報方法，是最通用的短期超前地質預報方法，繪制地質素描圖，并做出開挖面前方較短距離內的巖體穩定性分析，根據開挖圍巖的情況和巖體變化來推斷前方地質變化趨勢，編制地質預測報告，提出地質預報方案。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、斷層參數預測和地面地質體投射等技術手段，對隧道隧洞洞體前方100～150m不良地質體進行長距離超前地質預報。TSP203超前預報示意圖如圖2所示。該方法預報結論相對可靠，30min即可以做好準備工作，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地段，根據施工揭示的地質信息和TSP長期預報的結果，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
根據地質素描預測報告及TSP203長距離宏觀探測、紅外探測儀的探測結果和設計文件的圍巖情況進行對比，如果結果一致則按設計文件執行，預報完畢；如果其結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。
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35m，前后兩次搭接(重復)長度5m；③孔徑要求：76mm；④為了判別巖石質量指標(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、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象等情況要進行準確記錄；⑥鉆探資料及時整理，并請地質人員進行分析。
根據鉆探結果綜合判斷，提出結論性意見，根據意見調整支護參數后施工。
3.2.7綜合超前地質預報的成果
西氣東輸二線西段隧道于2008年7月開工，共實施4次TSP超前地質預報，其中冰溝隧道1次，上河沿隧道3次，根據信號的強弱和地質情況，每次預報的距離長短從80m到100m不等，地質好、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+68m處時，TSP地質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+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泥巖，呈暗黑色，含有機質，呈塑膠狀，遇水即軟，太陽一曬即硬，基本不成巖，經業主、EPC、設計、監理和施工五方現場確認后，圍巖定性為Ⅴ級，原設計文件為Ⅳ級，及時調整了施工支護方案，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超前地質預報8次，從預報的結果和掌子面開挖揭示的圍巖情況來看，地質預報的準確率超過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，設計文件中該段為Ⅳ級圍巖，TSP地質預報前方圍巖與設計文件不符，業主、EPC、設計、監理和施工五方在現場確認后，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，節理、裂隙很發育，結構呈破碎狀態，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段圍巖為中風化中細粒石英砂巖，巖體結構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#隧道進口側施工至K0+260m時，開挖掌子面處圍巖為強風化花崗巖，節理裂隙發育，結構松散，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，及時調整施工支護參數，對開挖掌子面前方進行超前注漿封堵，有效避免了隧道內涌水涌泥地質災害的發生。
4 實施綜合超前地質預報效益分析
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預報，初步設計階段實施超前地質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預報，施工圖設計階段實施綜合超前地質預報措施的工期及投資見表1[9～12]。
從表1可知，中國石油工程設計有限公司西南分公司(CPE-SW)設計段的隧道群利用綜合超前地質預報后，在縮短工期和降低工程投資方面效果顯著，工期累計縮短866d，工程投資累計節約649.9萬元。
5 結論
西氣東輸二線隧道工程建立了完善的綜合超前地質預報系統，即把TSP超前地質預報、超前鉆探、紅外探水和地質素描等多種超前地質預報方法相結合，進行綜合超前地質預報，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新性地提出綜合超前地質預報系統，對油氣管道隧道的設計和施工具有較好的指導意義。
2) 綜合超前地質預報系統在保證工程安全的情況下，縮短了工期，節約了工程投資。
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，輔以綜合超前地質預報系統進行設計施工，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。
參考文獻
[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，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定處理[J].隧道譯叢，19786)：14-25.
[7] 冰溝隧道、上河沿隧道現場施工記錄[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.
[1O] 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.
(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)
贊 賞 分享
您可以選擇一種方式贊助本站
支付寶轉賬贊助
微信轉賬贊助
- 注解：本資料由會員及群友提供僅供閱讀交流學習，不得用于商業用途！
