穿越長江的天然氣管道工程地質勘察研究

吳 勇，師體健，蘇培東，馬云長

（1.四川科宏石油天然氣工程有限公司，四川 成都 610000；2.中節能建設工程設計院有限公司，四川 成都 610052；3.西南石油大學 地球科學與技術學院，四川 成都 610500）

1 前言

長距離的輸油、氣管道工程中，經常遇到沿線管道應穿越河流、水庫等復雜地質情況。在穿越這些特殊地區時，對沿線管道的工程地質條件需進行特殊的工程評價，有利于對管道穿越方案進行合理的分析與選擇，避免因這些不良地質條件造成潛在的危害[1-5]。

管道穿越水域是管道建設的難點之一，一方面由于穿越段所處環境特殊，受力條件復雜，施工受季節影響；另一方面一旦損壞，修復困難。近年來，隨著油氣管道的管徑越來越大，穿越距離越來越長，穿越的工程地質條件越來越復雜多樣，目前，針對較長的管道穿越研究相對較少，吳忠良[6]對管道定向穿越河流的工程地質勘察工作中所遇到的實際問題進行了總結與探討。邵玉冰等[7]分析了在隧道穿越長江的地質勘察難點并說明了采用先進的方法，有利于獲取翔實的地質資料。本文通過分析高石梯-磨溪天然氣外輸管道工程長江隧道的勘察研究，分析了不同的地質條件對管道的影響，以期推動天然氣管道勘察技術的進一步發展。

2 管道穿越原則

選擇的穿越位置應符合線路總走向。對于大、中型穿越工程，線路局部走向應按所選穿越位置調整。

大、中型穿越工程的方案與位置，應根據水文、地質、地形、氣象、施工等條件進行論證，宜選擇下列位置：①河道或沖溝順直、水流平緩地段；②斷面基本對稱、兩岸有足夠的施工場地地段；③巖土構成較單一、岸坡穩定的地段。④穿越位置不易選在地震活斷層上，穿越段位于地震基本烈度7度及7度以下地區時，應進行抗震設計。穿越位置不宜選在河道經常疏浚加深、岸坡侵蝕嚴重的地段。

3 案列分析

3.1 工程概況

高石梯-磨溪天然氣外輸管道工程長江隧道左岸（進）洞口處位于重慶市江津區油溪鎮盤古村三組，隧道右岸（出）洞口位于重慶市江津區龍華鎮燕壩村三組，穿越水平長度1 748.01 m，中長隧道，屬大型穿越。

3.2 工程地質條件

3.2.1 地質構造

勘察區位于新華夏構造體系的“川東褶皺帶”，即華鎣山與七曜山斷裂間的高背斜帶，如圖1所示。構造行跡總體呈近南北向，向西突出，作“S”形展布，弧形線狀排列。以褶皺為主，斷裂不發育，僅在部分背斜軸部有伴生，褶皺以向斜開闊背斜緊密即梳狀為特征。背斜較對稱正常，多為高背斜而向南逐漸趨向平緩傾沒；背斜核部地層多為嘉陵江組地層，向斜核部多為蓬萊鎮組或夾關組地層。

圖1 工程區構造綱要圖

高石梯-磨溪天然氣外輸管道工程長江隧道位于壁山向斜與溫塘峽背斜之間，未見斷裂構造發育。現分述如下。

溫塘峽背斜：北至江津，以西至青杠村，向南經油溪以東至羅家一帶傾沒，長約25 km。軸向在油溪以北N25°E，以南N20°W～N20°E，呈一向西突出的弧線，作“S”形展布。核部為嘉陵江組，比較平緩，傾角14°左右，兩翼由須家河組～上沙溪廟組構成，傾角30°～45°，西翼局部稍陡，傾角50°～60°。南端在羅家壩傾沒于上沙溪廟組中。

壁山向斜位于溫塘峽背斜以西，高堡至白沙一帶。軸向近南北，微向西突出。在吳灘昂起分成兩段，南端在白沙以南昂起消失。核部寬緩，由蓬萊鎮組構成，傾角3°～8°，兩翼為遂寧組，比較對稱平緩，傾角6°～18°。

經現場地質調查測繪，左岸（進洞口）巖層產狀為238°∠6°，右岸（出洞口）巖層產狀為230°∠6°，巖層傾角較小，地層較平緩。

3.2.2 地層巖性

根據現場勘察，場地覆蓋層為第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl）、坡積層（Q4el+dl）粉質粘土、卵石，下伏基巖為侏羅系上統遂寧組（J3sn）泥巖、砂巖。現由新至老敘述如下。

粉質粘土（Q4el+dl、Q4al+pl）：褐色，可塑狀，韌性中等，干強度中等，稍有光澤，無搖震反應，頂部含少量植物根系，系坡殘積、沖洪積成因。主要分布在三級階地后緣及淺丘，鉆探揭露厚度約3.0～10.20 m。

卵石（Q4al+pl）：雜色，稍密～中密，卵石呈圓形～次圓形，母巖主要為中風化花崗巖、砂巖、玄武巖及灰巖等，粗顆粒含量約55%～80%，其中漂石含量約20%～30%，粒徑25～35 cm；卵石含量約35%～45%，一般粒徑為3～18 cm，另含少量礫石，空隙充填物為稍密～中密粉細砂。主要分布于河谷、漫灘及階地，鉆探揭露厚度3.5～30.90 m。

泥巖（J3sn）：暗紅色，泥質結構，巨厚層狀構造，礦物含粘土礦物，局部含砂質成分。強風化層風化裂隙較發育，巖芯較破碎，多為碎塊狀，巖質極軟，RQD值8.0%～25.00%；中風化層巖芯較完整，多為短～中柱狀，巖質較軟，RQD值35.0%～78.0%；為該場地主要巖性。

砂巖（J3sn）：灰紅色、灰白色，中細粒結構，巨厚層狀構造，主要礦物成分為石英、長石、云母等，鈣泥質膠結。強風化帶巖芯較破碎，多為碎塊狀，巖質較軟，RQD值15.00%～24.0%；中風化帶巖芯較完整，多為柱狀，巖質較硬，RQD值60.0%～87.0%，為該場地次要巖性。

3.2.3 地形地貌

隧道穿越區域地貌主要為丘陵地貌及河流堆積地貌，最高標高約241.60 m，最低標高約187.26 m，高差54.34 m，場地總體河流兩側高，河谷及階地地帶較低。其中，隧道左岸（進洞口）地貌為淺丘，最高標高約260.43 m，最低標高約219.93 m，高差40.5 m，地形坡角約20°～50°；隧道右岸（出洞口）地貌為長江級階地，最高標高約209.50 m，最低標高約201.39 m，高差8.11 m，地形坡角約10°～20°；隧道穿越地段位于河谷地貌區，河流左岸岸坡階地缺失，見基巖出露，岸坡形態呈折線形，地形坡角約15°～20°，右岸岸坡為漫灘及I～III級階地，岸坡形態呈階梯形，地形坡角約15°～20°，地形較平緩，河床呈“U”形。

3.2.4 水文與水勢

高石梯-磨溪天然氣外輸管道工程長江隧道穿越工程區內，該段長江水位187.305 m，水面寬度約462.60 m，最大水深約10.13 m。隧道穿越河段河床為天然河床，形態基本穩定。右岸為I-III級階地，左岸階地缺失，為基巖出露，岸坡未見滑坡等不良地質現象，僅局部地段在洪、枯消落帶易出現坍岸現象，穿越段岸坡總體處于基本穩定狀態。

隧道右岸（出）洞口附近有一條西至東向小河發育，該河寬3.0～5.0 m，深1.0～3.0 m，勘察期間水深0.5～1.0 m，河流流量、流速受季節降雨影響大，根據現場調查訪問，場地附近河流最高洪水位206.7 m，高于隧道右岸（出）洞口，洪水期對后期施工及管道維修影響大，最高洪水期會對洞口形成涌水回灌及沖刷。

3.2.5 地下水與巖土層滲透性

3.2.5.1 地下水類型

根據穿越區地下水賦存條件、水力性質和水動力條件，將地下水劃分為第四系松散土類孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。松散土類孔隙水主要賦存在河流兩岸表層覆蓋層中，第四系松散土類孔隙潛水主要分布于長江兩岸階地，漫灘及河床中，主要賦存于卵石層中，具有自由水面，水位埋深受季節性變化影響大，勘察期水位埋深高程186.54～199.80 m，根據區域水文地質資料，滲透系數經驗值為50 m/d，該層與長江地表水有直接的水力聯系，屬含水量較豐富的含水層。基巖裂隙水主要賦存于侏羅系基巖構造裂隙、網狀風化裂隙帶及層間裂隙中，受大氣降水及地表水影響較大，基巖富水規律為強風化帶和近距河流地段富水性稍強，中風化以下地段巖層相對較弱。根據鉆孔zk5簡易抽水試驗成果，強風化基巖滲透系數0.6～0.8 m/d，根據地區經驗，中風化基巖滲透系數0.25 m/d，如果遇到構造破碎帶和裂隙密集帶，則巖體滲透系數將增大。

3.2.5.2 地下水特征

穿越區地下水補給、徑流、排泄受大氣降水、長江地表水體、地層巖性、構造部位、巖層產狀、地貌條件和水文網切割深度所控制。

穿越區地下水的補給形式有兩種：大氣降水入滲補給和長江河流入滲補給。

當大氣降水降落地面后，一部分匯集溝谷之中形成地表徑流，并注入長江；另一部分則通過裸露巖土層孔隙、裂隙滲入地下，形成地下水。地下水在重力作用下，由高處向低處運動，形成地下水徑流。地下水徑流運移過程中，含水層被水文網切割，地下水溢出地表轉化為泉水；有時地下水直接匯入地表水體，構成地下水排泄。長江河谷是本區最低侵蝕基準面，河床下面的地下水向下游基準面及下部基巖裂隙排泄，因此，長江河谷是該區地下水的匯集、排泄區。其河谷區地下水，在天然條件下，徑流滯緩，水循環交替緩慢，在開采條件下或人為改變其水動力條件下，地下水徑流加快，形成充足的補給水源。

3.3 場地工程地質評價

3.3.1 穿越斷面沖刷計算

河床演變是一個非常復雜的自然過程，目前，尚無可靠的定量分析計算方法。河床的自然沖刷是河床逐年自然下切的深度，根據《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30—2015）[8]的技術要求，采用規范中公式計算河槽的沖刷，計算出穿越斷面單寬流量集中系數和斷面沖刷后的最大水深和斷面最大沖刷深度，如表1所示。

表1 穿越斷面沖刷計算成果表

3.3.2 場地河床、岸坡穩定性評價

河床穩定性評價：河床多為砂、卵石覆蓋，河床縱向坡降較小，平水期河流的下蝕作用較小，穩定性較好。長江隧道穿越斷面，在100年一遇洪水（洪水位207.259 m）沖刷作用下，估算砂、卵石河床最大沖刷水深為31.31 m，沖刷后沖止高程為175.949 m，砂、卵石會被大部分沖刷，屬于不穩定層；下伏基巖抗沖能力較強，為穩定層。

岸坡穩定性評價：河流左岸岸坡階地缺失，見基巖出露，岸坡形態呈折線形，地形坡角約15°～20°，右岸岸坡為漫灘及I～III級階地，岸坡形態呈階梯形，地形坡角約15°～20°，地形較平緩，河床呈“U”形。左岸岸坡見基巖出露，岸坡力學性較好，抗沖刷能力較強；右岸岸坡覆蓋層為卵石層，卵石稍密狀，局部地段在洪、枯消落帶易出現坍岸現象，岸坡力學性能較差，土層抗沖刷能力較弱，坡腳易被水流侵蝕。

3.3.3 圍巖穩定性評價

根據野外地質調查結果，隧道穿越巖層中主要發育有三組裂隙：①傾向105°～110°，傾角68°～72°，線密度1～2.5條/米，張開度2～25 mm，少量泥質充填，延伸約5～10 m；②傾向 150°～160°，傾角 60°～85°，線密度 1～3條/米，微張開2～12 mm，泥質充填或無填充，延伸約3～10 m；③傾向 70°～90°，傾角 60°～70°，線密度 1～2 條/米，微張～閉合狀，一般延伸較短，約0.5～1 m。其中裂隙①和②多在砂巖中發育，裂隙③多在泥巖中發育。另外，根據鉆探資料，局部砂巖巖芯揭露水平層理較發育。

隧道穿越巖層以巨厚層狀砂巖、泥巖為主，局部間雜薄層砂、泥巖，巖體自身穩定性相對較好，但巖層傾角較平緩，頂板巖層易出現掉塊、脫層、塌方現象，巖體中構造結構面傾角變化較大，層間裂隙水易順陡傾裂隙下滲，不利于巖層隔水，對隧道洞頂及邊墻的穩定性影響較大。

3.3.4 隧道涌水量分析

3.3.4.1 水源分析

根據野外水文地質調查，勘察區內地表水體主要為長江河流水，隧道右岸（出）洞口附近見一條西至東向小河發育，地下水主要為第四系松散堆積層內孔隙潛水和基巖裂隙水。隧道在長江河床底下穿越，長江地表水體為隧道涌水提供了豐富的補給來源。

3.3.4.2 圍巖富水性、透水性和滲透系數

隧址區長江兩岸陸域和長江河床區淺層地下水為第四系松散土類孔隙潛水。含水層主要由第四系全新統沖積卵石、漂石和砂等組成。地下水賦存于松散堆積物孔隙之中。該類地下水水量隨地段不同含水量不同，河谷漫灘處水量較好，Ⅱ、Ⅲ級階地處的卵石層中水量較小。該層地下水與長江水體水力聯系密切，長江水對地下水補給影響大，根據地區經驗，卵石層滲透系數經驗值k為50 m/d，屬于強透水層。

隧道主體在基巖內穿越，隧道圍巖由侏羅系上統遂寧組紫紅色泥巖、灰白色、灰紅色灰色、砂巖等組成，地下水賦存于巖石的風化裂隙、孔隙和構造裂隙之中。根據鉆探巖芯揭露，淺層基巖構造裂隙較發育，延伸較長，裂隙透水性、富水性均較好，隨著深度增加，基巖節理、裂隙發育程度減弱，富水性降低，滲透系數降低。

一般情況下，泥巖富水性較差，滲透系數較小，為相對隔水層，砂巖富水性較好，滲透系數較高，為相對滲水層。深部基巖微風化層中巖體完整，節理、裂隙相對不發育，張開度小，甚至閉合，節理、裂隙的貫通性較差，含水層滲透性和地下水補給條件差。

該層地下水與長江水體水力聯系不密切，長江水對地下水補給沒有明顯影響。當遇“漏含水層”（補給天窗）時，富水性將急劇增大，成為地下水富水地段。根據不同巖性段、不同風化帶，與河流距離對基巖裂隙水的滲透性的差異，經水文地質試驗和綜合考慮，強風化基巖滲透系數0.6～0.8 m/d，中風化基巖滲透系數0.25 m/d。

3.3.5 場地抗震設防烈度

根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2001，2008年版）[9]的相關規定，場地抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組；據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2001，2008年修訂版）[10]，場地設計基本地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s。

根據本次勘察揭露地層情況，結合及區域地質資料和經驗數據，擬建場地勘探深度范圍內粉質粘土為中軟土，卵石為中硬土，強風化基巖為堅硬土，土層等效剪切波速Vse估算值為150.0～250.0 m/s，場地覆蓋層厚度dov＞3.0 m，擬建場地類別為II類，屬抗震一般地段。4 結論

工程區內場地開闊，工程地質條件較好，建議長江隧道穿越層位在高程90.0～100.0 m段中風化基巖中，該段基巖主要巖性中風化泥巖、砂巖，巖層較完整，巖石相變較小，利于隧道施工。隧道穿越主要層位為砂巖、泥巖互層，在隧道施工時應加強超前探水，初期支護與二次襯砌，建議掘進時，應短進尺、弱爆破、強支護，及時襯砌和修建洞門。

建議采取降、排水措施，對（出）洞口附近覆蓋層實施封閉隔水和帷幕灌漿止水處理，強化土體物理力學性質。隧道豎井應進行基坑支護設計，施工應及時進行基坑支護，避免豎井基坑出現涌水、垮塌等失穩現象。

在穿越方案設計之前，必須進行詳細的工程地質勘察和場地環境評價；同時，在管道穿越設計過程中，有必要將物探勘察與鉆探勘察相結合，充分查明穿越段不良地質現象。