定向鉆穿堤數(shù)值模擬分析及工程案例對比

任火良，陳文江

（浙江省錢塘江管理局嘉興管理處, 浙江 嘉興 314300）

定向鉆穿堤數(shù)值模擬分析及工程案例對比

任火良，陳文江

（浙江省錢塘江管理局嘉興管理處, 浙江 嘉興 314300）

隨著水利事業(yè)的興起，錢塘江流域開展大規(guī)模的建設(shè)。運(yùn)用Plaxis2d軟件建立數(shù)值模型，選擇土層合理參數(shù)和本構(gòu)模型，模擬定向鉆穿堤過程對堤防的影響，并與曹娥江定向鉆穿越管道工程監(jiān)測成果進(jìn)行對比分析，探討了定向鉆穿堤過程對堤防的影響。

定向鉆施工；數(shù)值模擬；工程監(jiān)測；成果對比

近年來，錢塘江流域正在開展大規(guī)模的水利工程建設(shè)，眾多引排水管道工程需要從江底穿越[1]。水平定向鉆穿越技術(shù)[2]通常作為中小管道穿堤的首選，其具有工期短、適用條件廣、對環(huán)境影響小、施工成本以及后期運(yùn)營維修成本低等優(yōu)點(diǎn)。本文在深入理解定向鉆穿越技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件，采用莫爾庫侖模型，研究定向鉆穿堤施工過程對海塘安全性的影響[3-4]，并結(jié)合上虞市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)交匯井泵站遷建工程曹娥江穿越管工程監(jiān)測[5],對比數(shù)值模擬與實(shí)測成果，為今后工程設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。下取40 m。海塘堤頂高程10.40 m，定向鉆中心軸線高程為- 6.00 m，管道直徑為1.20 m。采用15節(jié)點(diǎn)高精度三角形單元，莫爾庫倫本構(gòu)進(jìn)行模擬。網(wǎng)格單元劃分質(zhì)量是數(shù)值計(jì)算的一個重點(diǎn)，為提高劃分質(zhì)量，在鉆孔周圍建立一塊矩形區(qū)域，對矩形區(qū)域沿線進(jìn)行加密(見圖1)，模型劃分1 064個單元，8 729個節(jié)點(diǎn)，應(yīng)力點(diǎn)數(shù)12 768個。

圖1 有限元計(jì)算模型網(wǎng)格圖

1 工程簡介

曹娥江過江穿越管工程是上虞區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)交匯井泵站遷建工程的一部分，采用定向鉆技術(shù)穿越江底施工，入土點(diǎn)位于東側(cè)，入土角為8°，出土端位于西側(cè)，出土角為5°，入土端和出土端曲率半徑均為2 000 m。穿越管線采用鋼管，其尺寸為Φ1 200 mm×18 mm，設(shè)計(jì)工作壓力為0.4 MPa。

2 定向鉆穿堤數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)

利用Plaxis2D有限元分析軟件構(gòu)建數(shù)值模型。模型左右邊界自定向鉆軸線向兩側(cè)取各40 m，下側(cè)邊界自堤頂向

數(shù)值計(jì)算中，不同土層重度、摩擦角、粘聚力參數(shù)等根據(jù)本工程地質(zhì)勘查選取，泊松比根據(jù)土質(zhì)參照工程地質(zhì)手冊取值，土的彈性模量根據(jù)賈堤等提出的計(jì)算公式計(jì)算：E = αES。式中：α取值范圍為3 ～ 5，PLAXIS中定義E為50%強(qiáng)度的割線模量(MPa)，ES為土的壓縮模量（MPa）。模型計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)表

2.2 定向鉆施工過程模擬

首先采用標(biāo)準(zhǔn)固定界面，建立土與結(jié)構(gòu)接觸面單元，通過激活或凍結(jié)類組和結(jié)構(gòu)對象來模擬定向鉆施工過程。主要步驟如下：

（1）初始地應(yīng)力生成。據(jù)現(xiàn)場實(shí)測地下水位、土層性質(zhì)生成初始應(yīng)力。堤防形成時間較長，可以假定施工前土體固結(jié)完成，地應(yīng)力場比較穩(wěn)定。

（2）鉆導(dǎo)向孔。采用直徑230 mm的鉆頭進(jìn)行鉆孔，模擬時將導(dǎo)向孔內(nèi)土體凍結(jié)，通過設(shè)置水壓代替施工。

（3）擴(kuò)孔。通常定向鉆需要多次擴(kuò)孔才能滿足工程要求，最終擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)孔徑1 200 mm，擴(kuò)孔階段泥漿壓力使周圍土體產(chǎn)生變形。

（4）管道回拖+泥漿收縮。擴(kuò)孔后將管道回拖，管道回拖完成后，管道內(nèi)部類組疏干類型，管道周圍泥漿穩(wěn)定后出現(xiàn)輕微收縮。

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過上述幾個步驟，豎向位移計(jì)算結(jié)果見圖2。土層豎向位移呈對稱分布，鉆孔上方土體位移隨著深度增加而增加，最大值出現(xiàn)在鉆孔頂端，鉆孔下方周圍土體出現(xiàn)輕微隆起，越靠近鉆孔底端，隆起越大。定向鉆施工完成后，鉆孔周邊有效應(yīng)力場發(fā)生變化，有效應(yīng)力由淺到深逐漸增大，鉆孔周邊主應(yīng)力近似垂直鉆孔壁（見圖3）。

計(jì)算完成后，在數(shù)值模型上通過布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，查看測點(diǎn)位移變化。以編號管軸線上方堤頂表面測點(diǎn)H為中心，向兩側(cè)分別布設(shè)13個測點(diǎn)，間距分別為3.1，3.1，4.6，4.6，6.2，6.2，6.2 m，編號依次為A ～ O。

圖2 施工完成后模型豎向位移云圖

圖3 施工完成后模型有效應(yīng)力圖

監(jiān)測點(diǎn)豎向位移變化見圖4：①堤頂表面測點(diǎn)沿著鉆孔軸線對稱分布，軸線上沉降量大，兩側(cè)逐漸降低。堤頂?shù)乇頊y點(diǎn)沉降最大值為32.2 mm，位于鉆孔軸線正上方，兩側(cè)邊緣測點(diǎn)沉降值為2.8 mm；②定向鉆施工主要影響范圍為鉆孔軸線兩側(cè)約15.0 m。

圖4 堤頂?shù)乇沓两禍y點(diǎn)沉降量圖

3 工程監(jiān)測成果

3.1 監(jiān)測點(diǎn)布置

定向鉆穿越堤防過程中會擾動周圍土層，使土層原始應(yīng)力發(fā)生改變和土體平衡遭到破壞，地面產(chǎn)生沉降，影響堤防安全，因此，施工過程中有必要開展堤防監(jiān)測。沿管軸線向堤頂兩側(cè)各布設(shè)6個觀測點(diǎn)，測點(diǎn)間距分別為3.0，3.0，4.0，5.0，5.0，10.0 m，共計(jì)13個，編號依次為S1 ～ S13。

3.2 觀測結(jié)果

自2014 年10月29日開始鉆導(dǎo)向孔至12月29日工程回拖管施工完成，截至2015年1月5日，堤頂各觀測點(diǎn)累計(jì)沉降見圖5，最大值為30.9 mm，位于管軸線上部觀測點(diǎn)S7。

圖5 右岸堤頂觀測點(diǎn)的累計(jì)沉降量圖

4 成果對比

利用Plaxis2D有限元軟件建立合理數(shù)值模型，根據(jù)地質(zhì)勘查成果選取合理土層參數(shù)，模擬定向鉆導(dǎo)向孔施工、預(yù)擴(kuò)孔施工以及管道回拖施工過程，將數(shù)值計(jì)算成果與現(xiàn)場監(jiān)測成果進(jìn)行對比分析。圖6為管軸線上部堤頂測點(diǎn)沉降隨時間變化關(guān)系曲線圖，圖7為堤頂觀測點(diǎn)累計(jì)沉降量圖。

圖6 右岸管軸線堤頂觀測點(diǎn)S7（H）沉降曲線圖

圖7 右岸堤頂觀測點(diǎn)的累計(jì)沉降量圖

（1）鉆導(dǎo)向孔階段，地表沉降速率緩慢，線性比較明顯；擴(kuò)孔階段，隨著孔徑逐漸增加，周圍土層受到擾動隨之增大，因此測點(diǎn)沉降速率顯著增加，沉降量較大，約占施工期的2/3；回拖階段，沉降速率減小，主要由于拖管周圍泥漿收縮引起沉降。

（2）數(shù)值模擬與實(shí)測堤頂?shù)乇沓两第厔菀恢?，地表沉降沿管軸線對稱分布，中間大，兩端小，表明離管軸線越遠(yuǎn)，地表沉降受施工影響越小。

（3）從現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果可以看出，定向鉆施工主要影響范圍自鉆孔軸線向兩側(cè)約15.0 m。

5 結(jié) 論

（1）利用Plaxis2D有限元軟件，建立數(shù)值模型，選取土層參數(shù)、邊界條件、本構(gòu)模型等能夠較好地模擬定向鉆施工過程，其計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基本吻合。

（2）定向鉆施工過程中，盡管影響地層變形的因素較多，如復(fù)雜的地質(zhì)條件、鉆孔孔徑、地面荷載、過程控制以及施工人員素質(zhì)等。但施工前，通過合理選取參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠預(yù)測定向鉆施工過程中，地表土體的變形趨勢以及主要影響范圍，從而做到有的放矢。

（3）施工過程中，開展監(jiān)測工作，不僅檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性與合理性，還能為科研積累資料，進(jìn)而提高堤防工程設(shè)計(jì)管理水平。

[1] 邴風(fēng)舉，王新，習(xí)寧，等.頂管施工三維數(shù)值模擬及土質(zhì)適用性研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011,7(6)：1209 - 1215.

[2]岳青華.多管并行定向鉆穿堤數(shù)值模擬分析[J].科技研究，2014（12）：173 - 175.

[3] 鄭燁，樊建苗.盾構(gòu)施工對堤頂沉降的預(yù)測及控制研究[J].山西建筑，2013,39(7)：178 - 179.

[4] 楊迎曉，陳峰.錢塘江邊沖海積粉土基坑安全性數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014,36(2)：18 - 23.

[5] 徐學(xué)勇，樊延強(qiáng)，宋慶曉，等.軟土地區(qū)盾構(gòu)掘進(jìn)引起地表沉降變形計(jì)算與分析[J].土工基礎(chǔ)，2013,37(1)：80 - 82.

（責(zé)任編輯 郎忘憂）

TP319

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1008 - 701X(2017)03 - 0044 - 03

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.013

2016-03-25

任火良(1963 - )，男，高級工程師，大學(xué)本科，主要從事水利工程技術(shù)管理。