非開(kāi)挖 HDD地表變形數(shù)值模擬及DCRP識(shí)別技術(shù)研究

孫平賀,烏效鳴

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院,湖北武漢 430074;2.美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)埃爾·富爾頓工程學(xué)院,美國(guó) 坦佩 85282）

非開(kāi)挖 HDD地表變形數(shù)值模擬及DCRP識(shí)別技術(shù)研究

孫平賀1,2,烏效鳴1

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院,湖北武漢 430074;2.美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)埃爾·富爾頓工程學(xué)院,美國(guó) 坦佩 85282）

采用非開(kāi)挖水平定向鉆進(jìn)技術(shù)近地表施工時(shí),由于地層及鉆井液壓力等原因易產(chǎn)生地表變形。結(jié)合美國(guó)梅薩市一處通信管道施工實(shí)例,對(duì) 0～0.9 MPa鉆井液壓力作用下的地表變形程度進(jìn)行了數(shù)值分析,得到地表最大隆起量為 26 mm。采用DCRP技術(shù)及水準(zhǔn)儀方法對(duì)該變形區(qū)域鉆井液壓力作用前后的地表進(jìn)行位移檢測(cè),得到地表最大隆起量分別為 28 mm和 30 mm,表明數(shù)值模擬分析結(jié)果同現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果比較吻合。同時(shí),在現(xiàn)場(chǎng)所布置的26個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中,兩種方法檢測(cè)到的隆起量最大相差 2.7 mm,表明其精度比較接近。此外,由于 DCRP技術(shù)屬于非接觸式三維檢測(cè),受施工現(xiàn)場(chǎng)條件及人員操作限制少,故具有較為理想的應(yīng)用前景。

非開(kāi)挖水平定向鉆進(jìn);地表變形;數(shù)值模擬;檢測(cè);DCRP識(shí)別

1 概述

在淺部地層采用非開(kāi)挖水平定向鉆進(jìn)敷設(shè)管道過(guò)程中,由于地層、終孔直徑、鉆井液壓力等原因極易導(dǎo)致地表變形事故的發(fā)生。地表變形一般表現(xiàn)為地表的隆起和下陷。當(dāng)擴(kuò)孔鉆頭經(jīng)過(guò)某一孔段時(shí),由于瞬時(shí)噴射的鉆井液壓力較高,鉆井液無(wú)法短時(shí)間內(nèi)沿鉆孔軸線擴(kuò)散,進(jìn)而產(chǎn)生垂直軸線方向的“憋壓”,導(dǎo)致地表隆起;隨著壓力的逐漸減小,一旦鉆孔內(nèi)壓力無(wú)法支撐上部地層重力,則會(huì)產(chǎn)生地表下陷[1]。

本文結(jié)合實(shí)際工程,采用快速拉格朗日法分析了地表隆起同鉆井液壓力的關(guān)系,同時(shí)采用 DCRP（數(shù)字近景攝影測(cè)量）技術(shù)及水準(zhǔn)儀對(duì)鉆井液作用前后的地表進(jìn)行實(shí)地檢測(cè),進(jìn)而確定其變形程度。

該工程位于亞利桑那州梅薩市,如圖 1左圖所示。敷設(shè)管道為 3根通信管道,長(zhǎng)度約 236 m,終孔直徑為 22 mm,深度為 1.1 m,上部覆土為黃粘土,含水量接近于 0。由于終孔直徑較小,施工方采用一級(jí)擴(kuò)孔。而當(dāng)擴(kuò)孔鉆頭行至距離出土點(diǎn)約 70 m時(shí),在鉆孔軸線的正上方地表產(chǎn)生了非常明顯的隆起,并有鉆井液混合著地層粘土溢出,如圖 1中右圖所示。

2 數(shù)值分析

2.1 數(shù)值計(jì)算原理及準(zhǔn)則

筆者采用三維連續(xù)快速拉格朗日法計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算分析,簡(jiǎn)稱(chēng) FLAC3D。該方法用于解決工程力學(xué)計(jì)算的有限差分計(jì)算程序。假定彈性桿件的兩端受拉,側(cè)面不受限制,桿件的密度為ρ,彈性模量為E,應(yīng)力為σxx,位移為μx,則[2]:

圖 1 水平孔位置及地表隆起程度

根據(jù)上面兩個(gè)公式可以建立拉格朗日位移μx的差分方程,即:

利用上面的迭代方程可以求得每個(gè)節(jié)點(diǎn) （Gp）任意時(shí)刻的速度和位移增量。根據(jù)周?chē)?jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度求出區(qū)域網(wǎng)格 （Zone）的應(yīng)變率和應(yīng)力增量,如此循環(huán)直至問(wèn)題收斂。將現(xiàn)場(chǎng)地層視為理想彈塑性體,按照Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。

2.2 模型建立及約束條件

根據(jù)該工程的實(shí)際工藝參數(shù)建立模擬分析網(wǎng)格,如圖 2所示。長(zhǎng)方體模型模擬實(shí)際鉆進(jìn)地層,采用 6 m×3 m×2.2 m尺寸。水平孔位于長(zhǎng)方體的中心,三維坐標(biāo)系位于水平孔的起始端,其中x方向?yàn)殚L(zhǎng)方體的長(zhǎng),y方向?yàn)殚L(zhǎng)方體的寬,z方向?yàn)殚L(zhǎng)方體的高。水平孔的直徑為 0.22 m,深度為 1.1 m,這均同實(shí)際工程參數(shù)吻合。

圖 2 模型體的建立

模型的邊界位移約束采用左右方向的x約束,后側(cè)采用y約束,下側(cè)采用z約束,前側(cè)和上側(cè)均為自由邊界。在鉆孔內(nèi)部分別施加 0、0.3、0.6、0.9 MPa的鉆井液壓力。地層采用單一粘土地層進(jìn)行模擬,其具體參數(shù)為:重度 1760 N/m3,彈性模量 36 MPa,粘聚力 16.8 kPa,內(nèi)摩擦角 28.6°,泊松比 0.29,剪脹角 2°,抗拉度 0 MPa,深度 2.2 m。

2.3 模擬結(jié)果及分析

通過(guò)改變鉆孔內(nèi)鉆井液的壓力大小,得到了 4種壓力下地層沿著垂直方向 （z軸）的變化矢量圖,如圖 3所示。

圖 3 不同鉆井液壓力下地層垂直方向位移變化矢量圖

當(dāng)P=0 MPa時(shí),由于鉆孔位置地層有效應(yīng)力的減小,使得地層普遍產(chǎn)生垂直向下的位移,尤其是鉆孔壁的上側(cè)位移量最大,達(dá)到 3.1 cm左右,地表的沉降在 2.5～3.0 cm之間。

當(dāng)P=0.3 MPa時(shí),地層位移方向已經(jīng)發(fā)生了改變,表示鉆井液產(chǎn)生的壓力使得水平孔上部地層產(chǎn)生微小隆起,地表隆起為 4～6 mm。

當(dāng)P增加至 0.6 MPa和 0.9 MPa時(shí),地表隆起的大小和范圍也在不斷增大,最大垂直位移達(dá)到 2.6 cm左右,此時(shí)的鉆井液壓力也接近了現(xiàn)場(chǎng)采用的壓力值。

由此可見(jiàn),鉆井液壓力的大小對(duì)近地表非開(kāi)挖具有重要影響,而鉆井液的壓力往往也同鉆井液的其它性能關(guān)系密切,如失水量、鉆井液組分等,特別是在造漿效果明顯的粘土地層,有效控制好鉆井液的失水量,減少地層土在鉆井液中的混入量可以直接降低局部壓力。

3 現(xiàn)場(chǎng) DCRP檢測(cè)

3.1 技術(shù)原理

DCRP中文一般稱(chēng)之為數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)。通過(guò)采集實(shí)際空間中某一點(diǎn)的不同角度圖像信息,利用光線反射相交,進(jìn)而獲得該點(diǎn)實(shí)際三維坐標(biāo)大小,一般應(yīng)用范圍在 300 m之內(nèi)的空間點(diǎn)檢測(cè)。

經(jīng)室內(nèi)多次對(duì)比實(shí)驗(yàn),筆者采用 Canon EOS XSI 55數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行檢測(cè)點(diǎn)圖像的采集。在使用前,需要利用 PM軟件對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn),同時(shí)將其存貯在軟件記憶庫(kù)之中,便于后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

根據(jù)水平孔軌跡,在距離出土點(diǎn) 106 m處布置檢測(cè)點(diǎn)。檢測(cè)點(diǎn)采用預(yù)先制作的黑白標(biāo)識(shí)固定在待檢測(cè)區(qū)域,圖像采集過(guò)程中,所有的檢測(cè)點(diǎn)均應(yīng)保持位置不變,檢測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)布置如圖 4所示。

沿著水平孔軸線方向布置 2條線,每一條線上分布 11個(gè)檢測(cè)點(diǎn),同時(shí)在四周布置 4個(gè)控制點(diǎn),按照標(biāo)號(hào)順序現(xiàn)場(chǎng)總共布置了 26個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。其中,1號(hào)點(diǎn)設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn),x、y方向如圖中所示,z方向垂直紙面向外。在 21和 24號(hào)點(diǎn)之間設(shè)置距離 1 ft（304.8 mm）。

圖 4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)布置

檢測(cè)點(diǎn)圖像采集過(guò)程中,分別對(duì)擴(kuò)孔鉆頭經(jīng)過(guò)前后的地表各點(diǎn)進(jìn)行圖像采集。每一組分別從 6個(gè)不同角度進(jìn)行拍攝,采集距離以全部檢測(cè)點(diǎn)落在相機(jī)視野范圍內(nèi)為宜,高度根據(jù)采集者需要進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,現(xiàn)場(chǎng)總共采集了 3組圖像信息,后導(dǎo)入 PM軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

同時(shí),為了檢驗(yàn)該技術(shù)的檢測(cè)精度大小,現(xiàn)場(chǎng)還采用了日本產(chǎn)的 AG-1型水準(zhǔn)儀進(jìn)行檢測(cè),其檢測(cè)精度為 0.3 mm。

3.3 檢測(cè)結(jié)果及討論

經(jīng)過(guò)對(duì) 6組采集到的圖片分析及水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)計(jì)算,得到了擴(kuò)孔鉆頭經(jīng)過(guò)前后的地表 z方向位移變化大小。

圖 5表示了采用DCRP技術(shù)檢測(cè)變形前后的數(shù)據(jù)大小。從圖中可以發(fā)現(xiàn),從 11號(hào)檢測(cè)點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)明顯 z方向變形直至 16號(hào)檢測(cè)點(diǎn)結(jié)束,其它檢測(cè)點(diǎn)變化微小。最大位移量位于 13號(hào)點(diǎn),為 28 mm,方向沿 z軸向上,地表的平均隆起量為 8.6 mm。

圖 5 DCRP檢測(cè)結(jié)果

圖 6表示了兩種不同方法對(duì)比結(jié)果。從圖中可以發(fā)現(xiàn),二者對(duì)檢測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)的判斷是一致的。水準(zhǔn)儀檢測(cè)到的最大位移變化也是位于 13號(hào)點(diǎn),大小為 30 mm,比 DCRP檢測(cè)結(jié)果高 2 mm。平均隆起量為 6.1 mm,比 DCRP檢測(cè)結(jié)果低 2.5 mm。二者最大相差位于 26號(hào)點(diǎn),相差 7.8 mm,平均相差 2.7 mm。由此可見(jiàn),DCRP檢測(cè)的精度同水準(zhǔn)儀相差不大,完全可以滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的實(shí)際需要。同時(shí),該方法還可以檢測(cè) x和 y兩個(gè)方向值。

圖 6 兩種方法對(duì)比結(jié)果

此外,根據(jù)兩種現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法的結(jié)果,由于鉆井液壓力作用導(dǎo)致的地表最大隆起量在 28～30 mm之間,而采用數(shù)值方法得到的最大值約為 26 mm,比較接近實(shí)際檢測(cè)大小。

盡管水準(zhǔn)儀在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量高程過(guò)程中比較常見(jiàn),但由于其是一種接觸式檢測(cè)方法,因此會(huì)受到施工場(chǎng)地、人員操作等限制。表 1顯示了兩種方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),相比而言,DCRP技術(shù)由于是非接觸檢測(cè),現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)間很短,在本次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中,僅耗費(fèi)了 5 min左右,而且二者檢測(cè)精度非常接近,故后者應(yīng)用前景十分理想。

表 1 兩種方法對(duì)比

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)非開(kāi)挖 HDD現(xiàn)場(chǎng)施工中引起的地表變形進(jìn)行了數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),得到如下結(jié)論:（1）按照現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)建立模型,數(shù)值分析得到地表最大隆起量為 26 mm;（2）采用DCRP技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地表變形進(jìn)行了實(shí)地檢測(cè),得到最大隆起量為 28 mm;（3）對(duì)采用水準(zhǔn)儀和采用 DCRP技術(shù)兩種方法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)二者平均相差 2.7 mm;（4）對(duì)兩種方法應(yīng)用過(guò)程中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了分析。

[1] 烏效鳴,胡郁樂(lè),李糧綱,等.導(dǎo)向鉆進(jìn)與非開(kāi)挖鋪管技術(shù)[M].湖北武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2004.

[2] FLAC,Fast Lagrangian Analysis of Continua,User′s Manual,Itasca Consulting Group Inc.,USA:2004.

[3] Lueke,J.S.,Ariaratnam,S.T.,Banerjee,S.,P.H.Sun.2010 PhotogrammetricMethods For Quality Control Of Trenchless Con2 struction Projects.NASTT 2010 Con.

Research of GroundM ovement based on Numerical S imulation andDCRP Technology in HDD M ethod

SUN Ping2he1,2,WU Xiao2m ing1（1.Faulty of Engineering,ChinaUniversity of Geosciences,Wuhan Hubei 430074,China;2.Ira A Fulton School of Engineering,Arizona State University,Tempe AZ 85282,America）

Due to the complex stratum and drilling fluid pressure,groundmovementoften occurs during the processof hori2 zontal directional drilling.A project inMesa ofAmerica is introduced in this paper.The groundmovement numerical simu2 lation work is based on FLAC3D under different drilling fluid pressure from 0 MPa to 0.9 MPa.The results show that the max distance of z axis is 26 mm.Combined the DCRP technology and leveling method,the author fond that the max dis2 tance of z axis are 28 mm forDCRP and 30 mm for levelingmethod.These results are very near to the simulation results.During the field measurement,26 targetswere fixed on the ground surface.Themax difference betweenDCRP and leveling is 2.7 mm which shows that the accurate is nearly the same.As a non2contactmeasurement,the DCRP technology is not limited by the field cases and the staff level as levelingmethod.

trenchless HDD;ground movement;numerical s imulation;detecting;DCRP technology

P634.7

A

1672-7428（2010）10-0061-04

2010-09-10

國(guó)家留學(xué)基金委公派資助項(xiàng)目（20093012）

孫平賀 （1982-）,男 （漢族）,吉林松原人,中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （武漢）及美國(guó) Arizona State University聯(lián)合培養(yǎng)博士,地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè),從事地下水平鉆進(jìn)工程檢測(cè)模擬的科研工作,湖北省武漢市魯磨路,pinghesun@163.com。