長輸管道工程勘察技術創(chuàng)新戰(zhàn)略(二)

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三、技術創(chuàng)新的主要方向
    中國長輸管道工程勘察從20世紀50年代開始隨著管道建設的興起而逐漸發(fā)展起來。當今隨著對外技術交流的廣泛深入和涉外管道工程的建設,尤其是全球高新技術的飛速發(fā)展和中國管道建設的又一個高潮的到來,對長輸管道的工程勘察也提出了更高的要求。將先進技術引入中國長輸管道工程勘察行業(yè)是社會發(fā)展的必然,尤其是衛(wèi)星遙感技術、數(shù)字攝影測量技術、激光掃描測繪技術、新型工程物探、原位測試和工程鉆探技術、地質災害評價技術、地震安全性評價技術、長輸管道地理信息系統(tǒng)(GIS)開發(fā)和應用、特殊性巖土的工程處理措施等方面的發(fā)展,這些技術將對長輸管道工程勘察技術的發(fā)展和長輸管道工程建設帶來深刻的影響。應用這些技術也需要多專業(yè)的密切配合。
    (一)衛(wèi)星遙感技術通過研究遙感圖像體現(xiàn)的盆地、高原、山地、沼澤、平原、河流、湖泊等不同的地貌特征,找出最為合理的線路方案,從而全程宏觀掌控復雜多變的地理環(huán)境。通過勾畫鹽漬土、沙漠、黃土、膨脹土等特殊土分布區(qū)域,有效應對管道工程將會面臨的環(huán)境和地質問題。通過對遙感圖像體現(xiàn)的居民點、村鎮(zhèn)、城市、道路、鐵路、渠道等人文地理信息的解譯,獲取管道沿線的經濟發(fā)展水平及市場信息,建立明確有效的繞開或穿過市區(qū)的線路概念。通過查明城市的街道、街區(qū)、立交橋、機場等市政現(xiàn)狀,規(guī)劃新的城市管網系統(tǒng)等等,遙感技術使管道工程技術人員能夠獲得更高品質的勘察成果。
    遙感在管道工程領域的應用在快速拓展和深入。中油四維工程勘察有限公司已經應用并可以處理中國CBERS
    1、美國陸地衛(wèi)星Landsat5 TM和Landsat7 ETM+、法國SPOT-1、2、4衛(wèi)星等多種衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及多元影像數(shù)據(jù)的融合成果,為多項國內外管道工程服務,并將進一步利用衛(wèi)星成像雷達數(shù)據(jù),包括加拿大radarsat1、歐洲ers1,
    2、 日本jers、以及高分辨率商用衛(wèi)星數(shù)據(jù),像iknors 衛(wèi)星,以及法國2002年5月發(fā)射的SPOT-5等。并通過多元影像數(shù)據(jù)融合提供所需的相應比例尺的遙感影像圖。結合全球衛(wèi)星定位技術(GPS),和各種圖像融合技術,可以提供不同用途、不同比例尺的影像圖,可以提供1:5萬、1:2萬、甚至1:1萬的大比例尺高精度影像地圖。
    計算機技術的發(fā)展,已經使人們把影像處理從工作站或小型機移植到個人電腦(PC)上運行。
    通過個人電腦在因特網上快速獲取最清晰的衛(wèi)星影像,表明實現(xiàn)基于遙感技術的勘測、設計工作的基礎條件已經具備,研究出一套全新的基于遙感(RS)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)的長輸管道選定線及勘察工作方法,這將使管道工程勘測技術達到一個新的高度和水平。
    (二)地形測量技術地形測量技術的發(fā)展主要包括全站儀數(shù)字成圖、攝影測量、激光掃描測繪和水下測繪等。
    1.全站儀數(shù)字成圖:目前國內采用的測圖系統(tǒng)有全站儀電子平板測量系統(tǒng)和全站儀數(shù)字成圖系統(tǒng)。全站儀電子平板測量系統(tǒng)裝備有全站儀和便攜機,在野外采集數(shù)據(jù)的同時編輯、成圖。雖然數(shù)字成圖技術已比較多的被采用,但其中編輯、修改的工作量都相當大,將之普遍用于大規(guī)模生產,效率上尚需有新的突破。
    2.攝影測量系統(tǒng):在工程測量中,當測繪的面積較大或測區(qū)條件十分困難時(長輸管道經常會遇到這種情況),應用攝影測量(包括航空攝影測量和地面攝影測量)技術進行地形測繪是一種合適的方法。DGPS技術應用于航攝導航控制使得航空攝影更具針對性。由于DGPS導航系統(tǒng)具有高精度的定點攝影功能,航攝的主動性很大,可以保證無需多余攝影。航攝過程中,可以自動記錄并通過處理后內插出攝影瞬間投影中心的精確位置,并將他們納入后續(xù)的空中三角測量中,從而大大減少外控點的數(shù)量。
    數(shù)字攝影測量從根本上改變了攝影測量對價格昂貴的專門測圖儀器的依賴,是攝影測量領域的一次革命?;谖C的數(shù)字攝影測量系統(tǒng)目前可以高效率、高質量地完成自動定向、空中三角測量、自動數(shù)字地面模型生成、自動正射影像圖制作和交互式數(shù)字測圖等一系列作業(yè)。航空攝影測量是空間基礎地理信息建設的重要組成部分,可以得到各種比例尺的黑白、天然彩色和彩紅外等不同片種航攝圖像,制作不同比例尺的地形圖和影像圖。
    3.激光掃描測繪:激光掃描測繪系統(tǒng)最近得到了廣泛重視和迅速發(fā)展。機載激光掃描測繪系統(tǒng)可以視為由激光測距儀和GPS組合而成的空中全站儀,它主要由裝在直升飛機上的一臺激光掃描儀、一臺慣性導航系統(tǒng)、一臺GPS接收機和安置在地面參考點上的另一臺GPS接收機組成。目前德國、美國等已先后推出商品化的機載激光掃描測繪系統(tǒng)。激光掃描測繪系統(tǒng)主要設計用于獲取密集森林覆蓋地區(qū)、沙漠地區(qū)、海岸地區(qū)的DTM,因為在這些地區(qū)常規(guī)測量和攝影測量都十分困難。同時,在森林覆蓋地區(qū),利用激光通過樹頂和地面的兩次反射,不僅可以測定地形,而且還可以測定樹高。這些激光掃描測繪系統(tǒng)的測量分辨率可達平面坐標1.0m,高程坐標0.1m,能滿足大比例尺測圖和高精度DTM建立的需要。在一些發(fā)達國家,激光掃描測繪系統(tǒng)已得到比較廣泛的應用。
    4.水下測繪:在工程測量中,經常需要測繪河流、碼頭的水下地形,水下測繪系統(tǒng)也有了較快的發(fā)展,實現(xiàn)了野外測繪到水下地形圖繪制全過程自動化。主要由GPS接收機、自動水深儀、計算機、繪圖設備和通訊設備組成,平面測繪精度取決于GPS的作業(yè)方式和接收機的性能,高程精度則與水深儀有關,這些測繪系統(tǒng)已在大比例尺水下地形測量實踐中得到有效應用,西氣東輸南京長江穿越段水下地形圖就利用了這樣的測繪系統(tǒng)。開發(fā)海洋管道工程市場,水下地形測繪是一項需要重點解決的技術。
    (三)工程物探、原位測試和工程鉆探技術有專家指出,巖土工程物探技術將出現(xiàn)一個大的飛躍,過去一直處于輔助手段地位的巖土工程物探技術,未來將在巖土工程勘探中出現(xiàn)以物探為主、鉆探為輔的局面。
    工程物探是非破損探測技術,具有采樣密度大、速度快、成本低、科技含量高、服務領域寬的特點。近年來,工程物探從單一的電法和電測深發(fā)展到涵蓋物探的全部六大類方法,除一些傳統(tǒng)的物探方法外,還開發(fā)出一些特有的方法技術。如探地雷達技術、基樁動測技術、電磁波和彈性波層析技術、面波勘探技術等。測試儀器也有了長足的進步。為適應工程需要,國內已研制出快速實時采集處理集硬件、軟件功能于一體的多功能儀器和專用儀器,如SWS多波工程物探與工程檢測儀,具有多道瞬態(tài)面波、地震、地微動、樁基檢測和高密度地震影像等功能,適用于陸地和水域勘探,一改以往物探設備功能單一的缺陷。長輸管道工程經常穿跨越交通不便、山高林密、大江大河,這些地方往往大型設備不易到達、水電缺乏,很難實施鉆探工作,尤其對于山地隧道工程勘察,工程物探由于其設備小巧,搬運方便,適應性強,有著不可比擬的優(yōu)越性。
    采用非開挖定向鉆方法穿越江河具有明顯的優(yōu)點,但地質條件要求苛刻。因此巖土工程勘察就顯得非常重要,根據(jù)規(guī)范和工程實際要求,勘探點必須偏離管道中線15m以上,因此有必要利用工程物探技術沿管道中線進行連續(xù)探測,以查清實際穿越斷面的工程條件。
    地下管線探測儀是工程物探的一種應用,在管道維護、擴建、改造和障礙物勘察方面起到重要的作用。
    2001~2002年有關的一些勘察標準規(guī)范取消了承載力表,即根據(jù)土的物理指標按照經驗關系確定土的力學指標表,通過原位測試來獲得土工參數(shù)將是巖土工程技術發(fā)展的必然趨勢。近年來原位測試技術的新進展主要有以下方面:重視通過原位測試技術確定土工參數(shù),并對測試成果的分析應用有了新的認識;發(fā)展并完善利用原位測試數(shù)據(jù)對巖土工程問題做出評價;測試技術向多功能方向發(fā)展,在原位快速獲得更多的有用信息,以便進行配套完善的分析評價;適應環(huán)境保護巖土工程的新需要,發(fā)展新的原位測試技術。
    巖土工程鉆探在以下幾個方面有待于提高:破碎巖層、軟硬巖石互層以及卵石層地區(qū)鉆探的新型鉆機和施工工藝;應用鉆探化技術,解決在巖土工程鉆探中自動進行信息數(shù)據(jù)采集分析和巖土層劃分等問題;巖土工程鉆探采取土試樣質量與國際標準接軌,滿足行業(yè)標準要求。
    (四)地質災害評價地質災害是指由地球內力或外力產生的,危及人身、財產、工程或環(huán)境安全的事件。地質災害種類繁多,目前對其范圍還沒有統(tǒng)一的界定,一般包括崩塌(危巖)、滑坡、泥石流,地面沉降、地裂縫,水庫淤積與塌岸、堤防滑坡、塌陷、管涌等。
    根據(jù)地質災害發(fā)生的自然地理位置,可分為:山地地質災害,主要包括崩塌、滑坡、泥石流等;平原地質災害,主要包括地面沉降、土地鹽漬化等;濱海地質災害,主要包括海水入侵、海岸侵蝕等;海洋地質災害,主要包括海底滑坡等。對長輸管道有影響的主要是山地地質災害。
    不同類型地質災害的成災特點不同,對工程和可持續(xù)發(fā)展的影響方式和危害不同,防治對策和措施也不同。長輸管道經常跨越不同的地貌和地質環(huán)境,會遭遇多種不同的地質災害類型,因此對長輸管道工程地質災害的評價是一項系統(tǒng)工程。
    (五)地震安全性評價對管道造成影響的地震災害可分為兩大類,一是由于地震作用使土體的整體性和連續(xù)性的破壞,如斷層錯動、地裂、滑坡、砂土液化等。另一類是地震波在土體中的傳播,會對遭受腐蝕或焊接質量差的薄弱管段造成破壞。大量的事實證明,地震對油氣管道的損壞主要是由于大規(guī)模的地層移動引起的。目前還沒有發(fā)現(xiàn)近代埋設的焊接鋼管因地震波的土層震蕩而損壞的事例。因此減少地震災害的工程措施應集中在地表斷裂上。
    長輸管道是線性工程,地殼上普遍分布的斷層也是線性構造,因此,從甲地到乙地的長輸管道工程建設就不可避免地與斷裂相交。為了避免或降低由于斷裂活動對管道帶來的損壞,斷裂勘察就顯得尤為重要。
    (六)特殊性巖土的工程特性和處理措施研究特殊性巖土包括濕陷性土、膨脹巖土、軟土、鹽漬巖土、多年凍土、紅粘土、殘積土、填土、混合土和污染土等。中國境內的長輸管道遇到過幾乎所有的特殊土類,有些已給管道的正常運行帶來了嚴重的影響,比如阿(爾善)賽(汗塔拉)輸油管道工程的膨脹土災害,陜京、馬惠管道的黃土災害,格拉管道的凍土災害、新疆輪庫、庫鄯管道的鹽漬土腐蝕災害等。雖然在多條管道針對不同的特殊土問題進行過非常有意義的探索,但遺憾的是并沒有解決根本問題,需要進行更深一步的研究。
    因此,結合我國大規(guī)模的石油天然氣管道工程建設,特別是結合膨脹土、濕陷性土等特殊土地區(qū)巖土工程開展專門研究,對于提高特殊土地區(qū)工程勘察、工程設計的質量,對于防止或減輕特殊土地質災害具有重要意義。
    (七)長輸管道地理信息系統(tǒng)(GIS)開發(fā)和應用目前,國內外的地理信息系統(tǒng)的軟件平臺已經成熟。從國際到國內、從政府到企事業(yè)都在投入大量的資金和人力建立基于空間地理信息的地理信息系統(tǒng)(GIS)。通過對地理數(shù)據(jù)和各種信息的收集、存儲、檢核、集成、處理、分析,研究和解決當前面臨的一系列問題。
    在長輸管道建設中應積極開展適應管道建設的設計、規(guī)劃、施工、管理的地理信息系統(tǒng),以適應國民經濟建設的需要。由于國土遼闊,國家基礎地理信息的建設還需要很長一段時間才能完成,因此,由于基礎數(shù)據(jù)的匱乏加上長輸管道涉及的地域和資料的廣泛,用于規(guī)劃、設計的長輸管道地理信息系統(tǒng)時機尚不成熟。但是,建立一套適用于長輸管道管理的地理信息系統(tǒng)是十分必要的,從而提高管道的管理水平和對突發(fā)事件的應對能力。
    長輸管道地理信息系統(tǒng)可以從勘察、設計和施工過程中收集大量的信息,在管線運營期間,可以隨時對管道檢修,管道安全,災害預測,對各種資料、數(shù)據(jù)等進行檢索、預報,為決策提供可靠依據(jù)。
    (八)巖土工程技術開發(fā)與應用巖土工程涵蓋巖土工程勘察、巖土工程設計、檢測、治理、監(jiān)理和咨詢等方面;國內外已有成熟的技術和設備,近年來還在不斷拓展和更新。
    公司近幾年來主要是針對長輸管道工程進行巖土工程勘察,其它幾方面相對較薄弱或沒有,人才匱乏。根據(jù)工程需要和發(fā)展趨勢,必須進行新技術、新方法的研究與開發(fā),拓展業(yè)務范圍,培養(yǎng)相關技術人才。例如,針對長輸管道工程中的地質災害評價方法和相應的治理措施研究、地震安全評價,勘探技術和方法的更新與完善等方面均需盡快開展與提高,以滿足管道工程的巖土工程工作的需要。
    開展思路是總結以往的經驗,引進先進技術、設備和人才,通過對正在實施的長輸管道工程進行相應的巖土工程研究,掌握和完善巖土工程方面的技術體系,并應用于長輸管道的勘察、設計和施工中,確保長輸管道建設的質量和安全可靠。