水平定向鉆施工工藝對堤防的影響分析及補(bǔ)救措施

程誠

水平定向鉆施工工藝對堤防的影響分析及補(bǔ)救措施

程誠

一、水平定向鉆施工工藝

水平定向鉆施工工藝是在不開挖地表面的條件下，鋪設(shè)多種地下公用設(shè)施（管道、電纜等）的一種施工工藝，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于供水、電力、電訊、天然氣、煤氣、石油等管線鋪設(shè)施工中，適用于沙土、粘土、卵石等地況，我國大部分非硬巖地區(qū)都可施工，工作環(huán)境溫度為-15℃～+45℃。

水平定向鉆進(jìn)鋪管的施工順序?yàn)椋旱刭|(zhì)勘探、規(guī)劃和設(shè)計(jì)鉆孔軌跡、配制鉆液、鉆導(dǎo)向孔、回拉擴(kuò)孔、回拉鋪管。

1.地層勘探及地下管線探測

地層勘探主要了解有關(guān)地層和地下水的情況，為選擇鉆進(jìn)方法和配制鉆液提供依據(jù)。其內(nèi)容包括：土層的標(biāo)準(zhǔn)分類、孔隙度、含水性、透水性以及地下水位、基巖深度和含卵礫石情況等?？刹捎貌橘Y料、開挖和鉆探方法獲取。地下管線探測主要了解有關(guān)地下已有管線和其他埋設(shè)物的位置，為設(shè)計(jì)鉆進(jìn)軌跡提供依據(jù)。

2.鉆進(jìn)軌跡的規(guī)劃與設(shè)計(jì)

導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計(jì)是否合理對管線施工能否成功至關(guān)重要。鉆孔軌跡的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)工程要求、地層條件、地形特征、地下障礙物的具體位置、鉆桿的出入土角度、鉆桿允許的曲率半徑、鉆頭的變向能力、導(dǎo)向監(jiān)控能力和被鋪設(shè)管線的性能等，給出最佳鉆孔路線。

3.配制鉆液

鉆液在施工中起著非常重要的作用。鉆液是指在鉆進(jìn)施工中用來與鉆孔過程中切削下來的土（或沙石）屑混合，懸浮并將這些混合物排出鉆孔的一種液體，而泥漿則是鉆液與鉆孔中鉆屑的混合物。鉆液可冷卻鉆頭（冷卻和保護(hù)其內(nèi)部傳感器）、潤滑鉆具，更重要的是可以懸浮和攜帶鉆屑，使混合后的鉆屑成為流動的泥漿順利地排出孔外，既為回拖管線提供足夠的環(huán)形空間，又可減少回拖管線的重量和阻力，殘留在孔中的泥漿可以起到護(hù)壁的作用。

在不同的地質(zhì)條件下，需要不同成份的鉆液。鉆液由水、膨潤土和聚合物組成。施工中用水做鉆液的主要成份，膨潤土和聚合物用做鉆液添加劑。鉆液的品質(zhì)越好與鉆屑混合越適當(dāng)，所制造的泥漿的流動性和懸浮性越好，回?cái)U(kuò)成孔的效果越理想，成功的概率越大。

4.鉆導(dǎo)向孔

鉆導(dǎo)向孔的關(guān)鍵技術(shù)是鉆機(jī)、鉆具的選擇和鉆進(jìn)過程的監(jiān)測與控制?？筛鶕?jù)不同的地質(zhì)條件以及工程的具體情況，選擇合適的鉆機(jī)、鉆具和鉆進(jìn)方法來完成導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)。

5.回拉擴(kuò)孔鋪管

在回拉擴(kuò)孔鋪管施工中的關(guān)鍵技術(shù)是根據(jù)不同的土層、地下水位以及最終成孔直徑正確地選擇回?cái)U(kuò)鉆具和每次的進(jìn)刀量，正確地選配鉆液和確定鉆液的流量。

當(dāng)導(dǎo)向孔鉆進(jìn)完成后，卸下導(dǎo)向鉆頭、發(fā)射器容納管，接上反向擴(kuò)孔鉆頭和旋轉(zhuǎn)接頭（分動器），然后在旋轉(zhuǎn)接頭后接上回拉鉆桿，進(jìn)行回拉擴(kuò)孔鉆進(jìn)。對直徑較大的孔，可進(jìn)行多次擴(kuò)孔鉆進(jìn)，使鉆孔直徑逐漸擴(kuò)大至尺寸要求。

當(dāng)擴(kuò)孔鉆進(jìn)完成后，在回拉鉆桿后接上回?cái)U(kuò)頭和旋轉(zhuǎn)接頭，在旋轉(zhuǎn)接頭后接上拉管頭和待鋪設(shè)的管線進(jìn)行反擴(kuò)鋪管。

二、對堤防的影響

定向鉆穿越堤防雖然具有不開挖地面、不破壞地層結(jié)構(gòu)、不損壞河堤、不擾動河床、對堤防工程影響較小的特點(diǎn)，但在穿越過程中總是無法避免會對管道周邊的原土體產(chǎn)生擾動，影響原土體的密實(shí)度，使管道周圍土體的滲透系數(shù)增大，甚至可能會沿管道周邊形成一條滲流通道，這對于堤防的穩(wěn)定和安全是相當(dāng)不利的，應(yīng)對此段堤防進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析。

1.案例分析

（1）案例概況

選取淮南垃圾焚燒發(fā)電廠取水工程為典型案例。該取水工程補(bǔ)給水泵房建在廠區(qū)內(nèi)（距離堤防背水側(cè)堤腳130m），利用設(shè)在河床中的取水頭部和自流引水管取水至泵房。該工程引水管采用D325×8mm無縫鋼管，管長386m，采用水平定向鉆施工工藝穿越堤防、灘地與取水頭部和泵房連接，引水管中心標(biāo)高為13.20m。

（2）堤基滲流穩(wěn)定分析工況和參數(shù)確定

采用兩種工況對堤防進(jìn)行滲流分析：

①管壁周圍土層按原狀考慮，滲透系數(shù)選用原狀土的系數(shù)；

②管壁周圍上下2.5m范圍土層被擾動，滲透系數(shù)高于原狀土系數(shù)一個數(shù)量級。

堤基土層分布及滲透系數(shù)見表1。

（3）進(jìn)行堤基滲流分析

按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）計(jì)算斷面處于自流引水管道穿越堤防處。具體計(jì)算采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所研制的有限元分析程序“水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)AutoANKv5.5”（網(wǎng)絡(luò)版）進(jìn)行。

①管壁周圍土層按原狀考慮工況

圖2 堤基滲流等勢線圖（管壁周圍土體滲透系數(shù)提高一個數(shù)量級）

堤防堤頂高程28.50m，堤防迎水側(cè)地面高程20.00m，設(shè)計(jì)洪水位25.00m，背水側(cè)地面高程21.00m，行洪區(qū)內(nèi)無水，水位與地面持平，滲流場計(jì)算成果見圖1。計(jì)算結(jié)果表明最大滲流出逸坡降為0.10，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

②管壁周圍土層被擾動工況

自流引水管道采用定向鉆施工，原有管壁四周土層可能被擾動，致使管道外壁易形成滲漏通道，相當(dāng)于原有管壁四周土層中有承壓水，為模擬該條件下計(jì)算工況，假定管壁上下各2.5m土層（16.0～11.0m高程）被擾動，該范圍內(nèi)土體滲透系數(shù)比原狀土提高一個數(shù)量級進(jìn)行分析計(jì)算。滲流場計(jì)算成果見圖2。計(jì)算結(jié)果表明最大滲流出逸坡降為0.15，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

（4）成果分析

計(jì)算成果表明：兩種工況下，出逸坡降值小于堤基②層砂壤土～輕粉質(zhì)壤土允許出逸坡降［J］=0.40～0.50及③層粉質(zhì)壤土土的允許出逸坡降［J］=0.50～0.60，因此，在正常施工條件下，堤防滲透穩(wěn)定能滿足要求。

2.影響分析

在正常施工條件下，定向鉆施工后，堤防滲透穩(wěn)定仍能滿足相關(guān)規(guī)范要求，但是考慮定向鉆施工對原有管壁四周土層擾動時，滲流出逸坡降由0.10增大至0.15，因此定向鉆施工對堤防滲流穩(wěn)定有一定的影響。

同時，考慮到水平定向鉆施工過程中，需配制鉆液，鉆液由水、膨潤土和聚合物組成，其中水作為鉆液的主要成份，膨潤土和聚合物作為鉆液添加劑。膨潤土的主要特性是膨脹性，遇水后體積變大，施工完成后，留在鉆孔里的鉆液中的膨潤土對堤防有一定的影響。

三、防治與補(bǔ)救措施

水平定向鉆施工過程中會對堤防產(chǎn)生一定的影響，因此為防止施工引起的堤防變形、滲透破壞等情況的發(fā)生，應(yīng)采取適當(dāng)防補(bǔ)措施：

1.用水泥、粘土泥漿置換原定向鉆水基泥漿，填補(bǔ)管道周圍空隙

定向鉆最終成孔直徑為設(shè)計(jì)管徑1.2倍，管道鋪設(shè)完成后，引水管四周尤其是上部將形成最大6.5cm的間隙而成為直接的漏水通道，威脅堤防的安全。

水平定向鉆水基泥漿多以膨潤土為主要添加劑，膨潤土是以蒙脫石為主要成分的含水粘土礦，主要化學(xué)成分是二氧化硅、三氧化二鋁，還含有鎂、鈣、鐵、鈉等氧化物，其中氧化鈉和氧化鈣的含量對膨潤土的物理化學(xué)性質(zhì)和工藝技術(shù)性能影響頗大。膨潤土的主要特性是膨脹性，遇水后體積膨脹至原來的數(shù)倍乃至幾十倍。由于定向鉆泥漿為事先用水配置好的水基泥漿，體積已經(jīng)膨脹，當(dāng)敷設(shè)管線施工完畢后，水基泥漿因失水慢慢收縮，致使管道四周形成空隙，易形成滲流通道。

因此，應(yīng)采用水泥、粘土等防滲性較好的混合泥漿置換原定向鉆水基泥漿，防止管道四周留下較大空隙，以提高管道四周土體的防滲性。置換原定向鉆水基泥漿，填補(bǔ)管道周圍空隙的方法，在管道回拖敷設(shè)的同時，可利用出土井在管壁外空隙間設(shè)灌漿管采用灌漿泵進(jìn)行灌漿施工，灌漿材料使用水泥、粘土漿，灌漿施工工藝嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

2.盡量減小預(yù)擴(kuò)孔直徑，避免引起土體失穩(wěn)和形成防滲通道

水平定向鉆在管道敷設(shè)之前，通過鉆導(dǎo)向孔、預(yù)擴(kuò)孔將孔洞預(yù)擴(kuò)至比管道外徑偏大尺寸。為便于管道拖曳敷設(shè)，施工時往往會加大預(yù)擴(kuò)孔徑，但隨著孔徑的增大，管道敷設(shè)后泥漿體積縮小，土體與管道間遺留的空隙越大，對土體穩(wěn)定和防滲不利。因此，應(yīng)在滿足施工的條件下，盡量減小預(yù)擴(kuò)孔直徑，避免引起土體失穩(wěn)和形成防滲通道。

3.合理控制泥漿壓力和盡量減少水玻璃用量，防止造成土體變形和遺留滲流通道

水平定向鉆在鉆導(dǎo)向孔、預(yù)擴(kuò)孔和回拖敷設(shè)穿越管線過程中，需要借助于專門配制的水基泥漿來維持孔洞的穩(wěn)定。水基泥漿是以水為基礎(chǔ)，添加一定比例的膨潤土、水玻璃和高分子聚合物等，然后通過攪拌、溶合、水化后打入孔洞。由于驅(qū)動地下鉆具和維持孔洞穩(wěn)定的需要，要根據(jù)管道穿越的地質(zhì)和地層條件來確定泥漿壓力。泥漿壓力過小，不利于孔洞的穩(wěn)定和定向鉆的施工；但泥漿壓力過大，往往會造成冒漿、失漿、地面隆起、塌陷等土體變形現(xiàn)象，影響堤防安全穩(wěn)定。因此，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)和地層等條件，合理控制泥漿壓力，最大限度減小泥漿壓力，以防止因泥漿壓力過大而造成土體變形。

另外，應(yīng)盡量減少水基泥漿中水玻璃的用量。水玻璃俗稱泡花堿，化學(xué)名硅酸鈉，是一種水溶性硅酸鹽，其耐堿性和耐水性差，遇水即溶，由于土壤中水份的存在造成含水玻璃泥漿難以成形，長期遺留滲流通道對防滲不利。

4.合理控制拖曳力和拖曳速度，防止引起土體變形

水平定向鉆擴(kuò)孔完成后，需利用拖曳機(jī)械將管道一次性拖至孔洞中，從而實(shí)現(xiàn)管線敷設(shè)。拖曳力越大，拖曳速度越大，越容易實(shí)現(xiàn)管線敷設(shè)。但拖曳力過大，拖曳速度過快，可能造成土體受剪切力形成較大變形，特別在管道的水平段與斜段的交接處和入土點(diǎn)附近往往引起的土體變形較大。因此，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)和地層條件選擇拖曳機(jī)械，合理控制拖曳力和拖曳速度，防止引起土體變形■

（作者單位：安徽省淮河河道管理局233000）