穿越长江的天然气管道工程地质勘察研究

吴 勇，师体健，苏培东，马云长

（1.四川科宏石油天然气工程有限公司，四川 成都 610000；2.中节能建设工程设计院有限公司，四川 成都 610052；3.西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500）

1 前言

长距离的输油、气管道工程中，经常遇到沿线管道应穿越河流、水库等复杂地质情况。在穿越这些特殊地区时，对沿线管道的工程地质条件需进行特殊的工程评价，有利于对管道穿越方案进行合理的分析与选择，避免因这些不良地质条件造成潜在的危害[1-5]。

管道穿越水域是管道建设的难点之一，一方面由于穿越段所处环境特殊，受力条件复杂，施工受季节影响；另一方面一旦损坏，修复困难。近年来，随着油气管道的管径越来越大，穿越距离越来越长，穿越的工程地质条件越来越复杂多样，目前，针对较长的管道穿越研究相对较少，吴忠良[6]对管道定向穿越河流的工程地质勘察工作中所遇到的实际问题进行了总结与探讨。邵玉冰等[7]分析了在隧道穿越长江的地质勘察难点并说明了采用先进的方法，有利于获取翔实的地质资料。本文通过分析高石梯-磨溪天然气外输管道工程长江隧道的勘察研究，分析了不同的地质条件对管道的影响，以期推动天然气管道勘察技术的进一步发展。

2 管道穿越原则

选择的穿越位置应符合线路总走向。对于大、中型穿越工程，线路局部走向应按所选穿越位置调整。

大、中型穿越工程的方案与位置，应根据水文、地质、地形、气象、施工等条件进行论证，宜选择下列位置：①河道或冲沟顺直、水流平缓地段；②断面基本对称、两岸有足够的施工场地地段；③岩土构成较单一、岸坡稳定的地段。④穿越位置不易选在地震活断层上，穿越段位于地震基本烈度7度及7度以下地区时，应进行抗震设计。穿越位置不宜选在河道经常疏浚加深、岸坡侵蚀严重的地段。

3 案列分析

3.1 工程概况

高石梯-磨溪天然气外输管道工程长江隧道左岸（进）洞口处位于重庆市江津区油溪镇盘古村三组，隧道右岸（出）洞口位于重庆市江津区龙华镇燕坝村三组，穿越水平长度1 748.01 m，中长隧道，属大型穿越。

3.2 工程地质条件

3.2.1 地质构造

勘察区位于新华夏构造体系的“川东褶皱带”，即华蓥山与七曜山断裂间的高背斜带，如图1所示。构造行迹总体呈近南北向，向西突出，作“S”形展布，弧形线状排列。以褶皱为主，断裂不发育，仅在部分背斜轴部有伴生，褶皱以向斜开阔背斜紧密即梳状为特征。背斜较对称正常，多为高背斜而向南逐渐趋向平缓倾没；背斜核部地层多为嘉陵江组地层，向斜核部多为蓬莱镇组或夹关组地层。

图1 工程区构造纲要图

高石梯-磨溪天然气外输管道工程长江隧道位于壁山向斜与温塘峡背斜之间，未见断裂构造发育。现分述如下。

温塘峡背斜：北至江津，以西至青杠村，向南经油溪以东至罗家一带倾没，长约25 km。轴向在油溪以北N25°E，以南N20°W～N20°E，呈一向西突出的弧线，作“S”形展布。核部为嘉陵江组，比较平缓，倾角14°左右，两翼由须家河组～上沙溪庙组构成，倾角30°～45°，西翼局部稍陡，倾角50°～60°。南端在罗家坝倾没于上沙溪庙组中。

壁山向斜位于温塘峡背斜以西，高堡至白沙一带。轴向近南北，微向西突出。在吴滩昂起分成两段，南端在白沙以南昂起消失。核部宽缓，由蓬莱镇组构成，倾角3°～8°，两翼为遂宁组，比较对称平缓，倾角6°～18°。

经现场地质调查测绘，左岸（进洞口）岩层产状为238°∠6°，右岸（出洞口）岩层产状为230°∠6°，岩层倾角较小，地层较平缓。

3.2.2 地层岩性

根据现场勘察，场地覆盖层为第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）、坡积层（Q4el+dl）粉质粘土、卵石，下伏基岩为侏罗系上统遂宁组（J3sn）泥岩、砂岩。现由新至老叙述如下。

粉质粘土（Q4el+dl、Q4al+pl）：褐色，可塑状，韧性中等，干强度中等，稍有光泽，无摇震反应，顶部含少量植物根系，系坡残积、冲洪积成因。主要分布在三级阶地后缘及浅丘，钻探揭露厚度约3.0～10.20 m。

卵石（Q4al+pl）：杂色，稍密～中密，卵石呈圆形～次圆形，母岩主要为中风化花岗岩、砂岩、玄武岩及灰岩等，粗颗粒含量约55%～80%，其中漂石含量约20%～30%，粒径25～35 cm；卵石含量约35%～45%，一般粒径为3～18 cm，另含少量砾石，空隙充填物为稍密～中密粉细砂。主要分布于河谷、漫滩及阶地，钻探揭露厚度3.5～30.90 m。

泥岩（J3sn）：暗红色，泥质结构，巨厚层状构造，矿物含粘土矿物，局部含砂质成分。强风化层风化裂隙较发育，岩芯较破碎，多为碎块状，岩质极软，RQD值8.0%～25.00%；中风化层岩芯较完整，多为短～中柱状，岩质较软，RQD值35.0%～78.0%；为该场地主要岩性。

砂岩（J3sn）：灰红色、灰白色，中细粒结构，巨厚层状构造，主要矿物成分为石英、长石、云母等，钙泥质胶结。强风化带岩芯较破碎，多为碎块状，岩质较软，RQD值15.00%～24.0%；中风化带岩芯较完整，多为柱状，岩质较硬，RQD值60.0%～87.0%，为该场地次要岩性。

3.2.3 地形地貌

隧道穿越区域地貌主要为丘陵地貌及河流堆积地貌，最高标高约241.60 m，最低标高约187.26 m，高差54.34 m，场地总体河流两侧高，河谷及阶地地带较低。其中，隧道左岸（进洞口）地貌为浅丘，最高标高约260.43 m，最低标高约219.93 m，高差40.5 m，地形坡角约20°～50°；隧道右岸（出洞口）地貌为长江级阶地，最高标高约209.50 m，最低标高约201.39 m，高差8.11 m，地形坡角约10°～20°；隧道穿越地段位于河谷地貌区，河流左岸岸坡阶地缺失，见基岩出露，岸坡形态呈折线形，地形坡角约15°～20°，右岸岸坡为漫滩及I～III级阶地，岸坡形态呈阶梯形，地形坡角约15°～20°，地形较平缓，河床呈“U”形。

3.2.4 水文与水势

高石梯-磨溪天然气外输管道工程长江隧道穿越工程区内，该段长江水位187.305 m，水面宽度约462.60 m，最大水深约10.13 m。隧道穿越河段河床为天然河床，形态基本稳定。右岸为I-III级阶地，左岸阶地缺失，为基岩出露，岸坡未见滑坡等不良地质现象，仅局部地段在洪、枯消落带易出现坍岸现象，穿越段岸坡总体处于基本稳定状态。

隧道右岸（出）洞口附近有一条西至东向小河发育，该河宽3.0～5.0 m，深1.0～3.0 m，勘察期间水深0.5～1.0 m，河流流量、流速受季节降雨影响大，根据现场调查访问，场地附近河流最高洪水位206.7 m，高于隧道右岸（出）洞口，洪水期对后期施工及管道维修影响大，最高洪水期会对洞口形成涌水回灌及冲刷。

3.2.5 地下水与岩土层渗透性

3.2.5.1 地下水类型

根据穿越区地下水赋存条件、水力性质和水动力条件，将地下水划分为第四系松散土类孔隙水和基岩裂隙水两种类型。松散土类孔隙水主要赋存在河流两岸表层覆盖层中，第四系松散土类孔隙潜水主要分布于长江两岸阶地，漫滩及河床中，主要赋存于卵石层中，具有自由水面，水位埋深受季节性变化影响大，勘察期水位埋深高程186.54～199.80 m，根据区域水文地质资料，渗透系数经验值为50 m/d，该层与长江地表水有直接的水力联系，属含水量较丰富的含水层。基岩裂隙水主要赋存于侏罗系基岩构造裂隙、网状风化裂隙带及层间裂隙中，受大气降水及地表水影响较大，基岩富水规律为强风化带和近距河流地段富水性稍强，中风化以下地段岩层相对较弱。根据钻孔zk5简易抽水试验成果，强风化基岩渗透系数0.6～0.8 m/d，根据地区经验，中风化基岩渗透系数0.25 m/d，如果遇到构造破碎带和裂隙密集带，则岩体渗透系数将增大。

3.2.5.2 地下水特征

穿越区地下水补给、径流、排泄受大气降水、长江地表水体、地层岩性、构造部位、岩层产状、地貌条件和水文网切割深度所控制。

穿越区地下水的补给形式有两种：大气降水入渗补给和长江河流入渗补给。

当大气降水降落地面后，一部分汇集沟谷之中形成地表径流，并注入长江；另一部分则通过裸露岩土层孔隙、裂隙渗入地下，形成地下水。地下水在重力作用下，由高处向低处运动，形成地下水径流。地下水径流运移过程中，含水层被水文网切割，地下水溢出地表转化为泉水；有时地下水直接汇入地表水体，构成地下水排泄。长江河谷是本区最低侵蚀基准面，河床下面的地下水向下游基准面及下部基岩裂隙排泄，因此，长江河谷是该区地下水的汇集、排泄区。其河谷区地下水，在天然条件下，径流滞缓，水循环交替缓慢，在开采条件下或人为改变其水动力条件下，地下水径流加快，形成充足的补给水源。

3.3 场地工程地质评价

3.3.1 穿越断面冲刷计算

河床演变是一个非常复杂的自然过程，目前，尚无可靠的定量分析计算方法。河床的自然冲刷是河床逐年自然下切的深度，根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2015）[8]的技术要求，采用规范中公式计算河槽的冲刷，计算出穿越断面单宽流量集中系数和断面冲刷后的最大水深和断面最大冲刷深度，如表1所示。

表1 穿越断面冲刷计算成果表

3.3.2 场地河床、岸坡稳定性评价

河床稳定性评价：河床多为砂、卵石覆盖，河床纵向坡降较小，平水期河流的下蚀作用较小，稳定性较好。长江隧道穿越断面，在100年一遇洪水（洪水位207.259 m）冲刷作用下，估算砂、卵石河床最大冲刷水深为31.31 m，冲刷后冲止高程为175.949 m，砂、卵石会被大部分冲刷，属于不稳定层；下伏基岩抗冲能力较强，为稳定层。

岸坡稳定性评价：河流左岸岸坡阶地缺失，见基岩出露，岸坡形态呈折线形，地形坡角约15°～20°，右岸岸坡为漫滩及I～III级阶地，岸坡形态呈阶梯形，地形坡角约15°～20°，地形较平缓，河床呈“U”形。左岸岸坡见基岩出露，岸坡力学性较好，抗冲刷能力较强；右岸岸坡覆盖层为卵石层，卵石稍密状，局部地段在洪、枯消落带易出现坍岸现象，岸坡力学性能较差，土层抗冲刷能力较弱，坡脚易被水流侵蚀。

3.3.3 围岩稳定性评价

根据野外地质调查结果，隧道穿越岩层中主要发育有三组裂隙：①倾向105°～110°，倾角68°～72°，线密度1～2.5条/米，张开度2～25 mm，少量泥质充填，延伸约5～10 m；②倾向 150°～160°，倾角 60°～85°，线密度 1～3条/米，微张开2～12 mm，泥质充填或无填充，延伸约3～10 m；③倾向 70°～90°，倾角 60°～70°，线密度 1～2 条/米，微张～闭合状，一般延伸较短，约0.5～1 m。其中裂隙①和②多在砂岩中发育，裂隙③多在泥岩中发育。另外，根据钻探资料，局部砂岩岩芯揭露水平层理较发育。

隧道穿越岩层以巨厚层状砂岩、泥岩为主，局部间杂薄层砂、泥岩，岩体自身稳定性相对较好，但岩层倾角较平缓，顶板岩层易出现掉块、脱层、塌方现象，岩体中构造结构面倾角变化较大，层间裂隙水易顺陡倾裂隙下渗，不利于岩层隔水，对隧道洞顶及边墙的稳定性影响较大。

3.3.4 隧道涌水量分析

3.3.4.1 水源分析

根据野外水文地质调查，勘察区内地表水体主要为长江河流水，隧道右岸（出）洞口附近见一条西至东向小河发育，地下水主要为第四系松散堆积层内孔隙潜水和基岩裂隙水。隧道在长江河床底下穿越，长江地表水体为隧道涌水提供了丰富的补给来源。

3.3.4.2 围岩富水性、透水性和渗透系数

隧址区长江两岸陆域和长江河床区浅层地下水为第四系松散土类孔隙潜水。含水层主要由第四系全新统冲积卵石、漂石和砂等组成。地下水赋存于松散堆积物孔隙之中。该类地下水水量随地段不同含水量不同，河谷漫滩处水量较好，Ⅱ、Ⅲ级阶地处的卵石层中水量较小。该层地下水与长江水体水力联系密切，长江水对地下水补给影响大，根据地区经验，卵石层渗透系数经验值k为50 m/d，属于强透水层。

隧道主体在基岩内穿越，隧道围岩由侏罗系上统遂宁组紫红色泥岩、灰白色、灰红色灰色、砂岩等组成，地下水赋存于岩石的风化裂隙、孔隙和构造裂隙之中。根据钻探岩芯揭露，浅层基岩构造裂隙较发育，延伸较长，裂隙透水性、富水性均较好，随着深度增加，基岩节理、裂隙发育程度减弱，富水性降低，渗透系数降低。

一般情况下，泥岩富水性较差，渗透系数较小，为相对隔水层，砂岩富水性较好，渗透系数较高，为相对渗水层。深部基岩微风化层中岩体完整，节理、裂隙相对不发育，张开度小，甚至闭合，节理、裂隙的贯通性较差，含水层渗透性和地下水补给条件差。

该层地下水与长江水体水力联系不密切，长江水对地下水补给没有明显影响。当遇“漏含水层”（补给天窗）时，富水性将急剧增大，成为地下水富水地段。根据不同岩性段、不同风化带，与河流距离对基岩裂隙水的渗透性的差异，经水文地质试验和综合考虑，强风化基岩渗透系数0.6～0.8 m/d，中风化基岩渗透系数0.25 m/d。

3.3.5 场地抗震设防烈度

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001，2008年版）[9]的相关规定，场地抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组；据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2001，2008年修订版）[10]，场地设计基本地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s。

根据本次勘察揭露地层情况，结合及区域地质资料和经验数据，拟建场地勘探深度范围内粉质粘土为中软土，卵石为中硬土，强风化基岩为坚硬土，土层等效剪切波速Vse估算值为150.0～250.0 m/s，场地覆盖层厚度dov＞3.0 m，拟建场地类别为II类，属抗震一般地段。4 结论

工程区内场地开阔，工程地质条件较好，建议长江隧道穿越层位在高程90.0～100.0 m段中风化基岩中，该段基岩主要岩性中风化泥岩、砂岩，岩层较完整，岩石相变较小，利于隧道施工。隧道穿越主要层位为砂岩、泥岩互层，在隧道施工时应加强超前探水，初期支护与二次衬砌，建议掘进时，应短进尺、弱爆破、强支护，及时衬砌和修建洞门。

建议采取降、排水措施，对（出）洞口附近覆盖层实施封闭隔水和帷幕灌浆止水处理，强化土体物理力学性质。隧道竖井应进行基坑支护设计，施工应及时进行基坑支护，避免竖井基坑出现涌水、垮塌等失稳现象。

在穿越方案设计之前，必须进行详细的工程地质勘察和场地环境评价；同时，在管道穿越设计过程中，有必要将物探勘察与钻探勘察相结合，充分查明穿越段不良地质现象。