定向鉆工藝管道穿越沁河防洪影響研究

王昊 劉樹利 劉志潛 王書寧 李艷 李栓才

摘要：針對近年來在沁河下游防洪確保堤段實施的幾處采用大型定向鉆工藝穿越沁河管道工程施工中出現(xiàn)的問題，分析了定向鉆工藝管道施工影響沁河下游防洪安全的主要因素、定向鉆工藝管道施工發(fā)生嚴重冒漿等意外情況的原因以及某工程施工時未發(fā)生冒漿的施工經(jīng)驗。結果表明：①采用定向鉆工藝全程穿越沁河管道工程可能會對沁河下游防洪構成安全威脅；②受穿越管線通過的地層承載力差、地層不均勻等不利地質條件影響，以及現(xiàn)有定向鉆穿越施工工藝水平與泥漿壓力控制手段的局限，不能確保施工鉆進過程中泥漿壓力處于可控范圍，也不能確保施工鉆進過程中絕對不冒漿；③由于河道管理部門沒有監(jiān)控設備，缺乏監(jiān)控手段，因此難以對定向鉆穿越施工工藝與泥槳壓力控制情況實施全程、實時、有效的監(jiān)管。建議：①在地質條件薄弱堤段慎用定向鉆施工工藝全程穿越沁河下游河道；②委托安全評估機構對已建采用定向鉆工藝穿越施工的管線進行安全評估；③加強已建定向鉆工藝穿越沁河管道工程的觀測；④編制防守預案，做好應對。

關鍵詞：定向鉆工藝；防洪影響；管道工程；沁河

中圖分類號：P634.7；TV871.1 文獻標志碼：A doi ；10.3969/i.issn.1000-1379.2018.02.008

沁河是黃河下游左岸最大的一條支流，沁河下游丹河口到入黃口河段為地上懸河，堤防臨背懸差一般為2～4m，最高達7m，該河段左岸堤防是國務院明確的黃河防洪確保堤段，防洪安全至關重要。2003年以來，先后有5處管道工程采用大型定向鉆工藝穿越沁河下游河道與堤防。由于定向鉆工藝施工質量控制難度大，以及沁河下游河道地質條件的特殊性與復雜性，因此施工過程中往往出現(xiàn)冒漿等意外情況，對沁河下游防洪安全造成一定影響。

1 定向鉆穿越沁河管線工程概況

定向鉆穿越施工是一種地下非開挖管道施工技術，具有施工簡便、快速，對自然環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點，采用定向鉆技術穿越河流及堤防施工越來越普遍。根據(jù)資料[1-5]，2003年以來，先后有西氣東輸穿沁工程等5處管道工程使用大型定向鉆工藝穿越沁河，管道長度1100～1800m，管道外徑0.168～1.016m，管道埋深22.0～33.5m。

2 管道穿越沁河施工出現(xiàn)的意外情況及處理措施

受施工所需泥漿壓力較大、軟弱土質及施工人為控制技術等因素影響，有3處工程曾發(fā)生施工冒漿等情況。針對嚴重影響防洪安全的某工程出現(xiàn)多處冒漿等情況，建設單位采取了一系列應急除險加固措施，包括：在堤外修筑新堤，新老堤之間進行放淤；在新堤堤身處沿管壁周圍防滲處理，在新堤背水側修筑反濾后戧；對堤身及堤腳出現(xiàn)的裂縫進行開挖和黏土回填處理。針對其他工程施工過程中出現(xiàn)的冒漿等情況，也分別采取開挖基坑、回填夯實以及在兩岸堤防臨河堤肩修筑截滲墻等措施進行了加固處理。

3 某穿沁工程的成功經(jīng)驗

根據(jù)資料[6]，在沁北引黃管道穿沁工程定向鉆穿越施工中，參建單位認真研究穿越施工技術要點，仔細制定防冒漿施工措施，提前對穿越路線的薄弱地帶進行加固，嚴格控制入土點和出土點位置、導向孔施工軌跡，合理控制鉆進速度、擴孔速度及最大泥漿壓力，實現(xiàn)了不冒漿的預期目標，并創(chuàng)造了定向鉆穿越直徑1016mm、管道長度1750m、最大埋深33.5m的國內施工紀錄。

4 定向鉆穿河管道工程對沁河下游防洪的影響

4.1 沁河下游防洪要求

丹河口以下沁河河道為地上懸河，其長度為59km的左堤全部為國務院明確的確保堤段，防汛壓力巨大。近年來在沁河上采用定向鉆工藝全程穿越沁河的管道全部位于上述確保堤段范圍，進一步增大了防汛壓力。

4.2 河道管理范圍內建設項目技術審查要求

首次采用定向鉆工藝穿越沁河的西氣東輸穿沁工程出現(xiàn)冒漿等問題后，黃委出臺了《黃河河道管理范圍內建設項目技術審查標準（試行）》（簡稱《標準》）。《標準》明確：管線工程確需采取穿越堤防方式的，須經(jīng)充分論證并采取相應的補救措施，保證管線本身出現(xiàn)任何安全故障時不得危及堤防安全；穿堤處管線頂部高程應在堤防兩側地面30m以下，管線穿越堤基時，入土點和出土點需距離堤防堤腳線200m以上，同時必須對穿堤位置上下游200m范圍內的堤防進行加固處理[7]。

除西氣東輸穿越沁河工程外，其他工程均滿足上述要求。該工程人土點和出土點距離堤防堤腳線均小于200m，穿堤處管線頂部高程距堤防兩側地面左堤僅9.37m、右堤19.00m，兩項主要指標均不滿足《標準》要求。2003年施工時，穿越軸線上曾多次發(fā)生冒漿和凹陷現(xiàn)象，左岸堤腳局部出現(xiàn)裂縫。后經(jīng)黃河防汛抗旱總指揮部辦公室批復，采取了一系列應急除險加固措施。

4.3 灘地與堤基的地層結構及土體滲透變形分析

根據(jù)資料[1-5]，沁河下游河段位于沖積平原區(qū)，河道地質構造大部分為多層結構類型，以沙性土為主，黏性土和沙性土相間分布。在洪水作用下，臨背河形成較大水位差，使得灘地與堤基地層土體的滲透壓力增大。當土體內部滲透水流的滲透比降超過土體允許比降時，部分土體即發(fā)生滲透變形破壞，內部形成滲流集中沖刷，逐漸發(fā)展成為滲流通道，發(fā)生滲透變形險情。

根據(jù)資料[8]，沁河下游不同土類允許的滲透比降分別為：壤土，0.3～0.6；沙壤土，0.35～0.52；粉沙，0.25～0.34。標準內大洪水（武陟水文站洪峰流量4000m3/s）下，沁河下游河段洪水位高出左岸背河地面2.00～8.45m。按最不利工況考慮，經(jīng)計算，定向鉆穿沁管道入土點和出土點距離堤腳應不小于33.8m?，F(xiàn)有的5處定向鉆穿沁管道工程均滿足該指標。

4.4 管道周圍截滲處理情況

一般情況下，應在管道入土點、出土點地面以下可能發(fā)生滲水的部位設置截滲環(huán)，在定向鉆入土點、出土點采用黏土夯填，消除擴孔與管道之間的空隙，使其與管體充分接觸，換填厚度不小于m3，范圍為5m×5m（邊長）。西氣東輸穿沁除險加固工程和博愛一洛陽煤層氣輸氣管道工程均采用該防滲措施，但該方法防護范圍有限，難以防止在堤防和防滲處理中間段從管道中的地質薄弱或裂縫處發(fā)生滲水。其他項目在人土點、出土點均未做截滲處理。

4.5 采用定向鉆工藝穿越沁河管道工程運行工況初步分析

采用定向鉆工藝進行穿越沁河管道擴孔施工時，擴孔直徑必須大于鋪設管道的外徑，如1.0m的管道擴孔外徑需達到1.5m，在整個管道路徑上人為形成一環(huán)形通道；安設管道（拉管）后，管道向上拉起，在管道下部形成一通道，高度約為擴孔孔徑與管道外徑之差。投入運行后，對于地下水位以下的管道部分，盡管孔徑周圍土體會回縮，但受管道外壁的頂托，下部遺留的通道仍會形成過水通道，特別是此通道出現(xiàn)在堤防工程下部；對于地下水位以上的管道部分，泥漿會出現(xiàn)干縮，管道內油氣壓力的不斷變化會造成管道的震動，擾動管道周圍的土壤，長時間后就會在管道周圍形成過水通道，影響沁河的防洪安全。國內定向鉆工藝建壩下涵管等失敗的例子[9]也證明定向鉆涵管周圍的防滲處理難度極大。

根據(jù)資料[1-5]，丹河口以下沁河河道兩岸地下水位埋深為1.30～5.60m。地下水位以下，定向鉆管道周圍泥漿長期沉淀，可能沿管道頂部形成充滿清水的貫通通道；地下水位以上，定向鉆管道周圍泥漿干縮，極易沿管道形成貫通通道。發(fā)生標準內大洪水（武陟水文站洪峰流量4000m3/s）時，丹河口至沁河口河段洪水位高出左岸背河地面2.00～8.45m。在臨背河水位壓力差作用下，洪水有可能通過兩岸堤防之間灘地某個冒漿通道與河道內地下管道周圍通道貫通，在兩岸人土點、出土點周圍滲出或翻沙冒水，形成滲透破壞，出現(xiàn)管涌險情。

5 結論和建議

5.1 結論

（1）采用定向鉆技術全程穿越沁河管道工程可能會在沁河下游防洪方面形成安全隱患。

（2）受穿越管線通過的地層承載力差、地層不均勻等不利地質條件影響，以及現(xiàn)有定向鉆穿越施工工藝水平與泥漿壓力控制手段的局限，不能確保施工鉆進過程中泥漿壓力處于可控的范圍，也不能確保施工鉆進過程中絕對不冒漿。一旦冒漿，將必然導致在冒漿處沿管道形成貫通過水通道，成為防洪安全“明患”，對沁河防洪安全構成極大威脅。

（3）由于河道管理部門沒有監(jiān)控設備，缺乏監(jiān)控手段，因此難以對定向鉆穿越施工工藝與泥漿壓力控制情況實施全程、實時、有效的監(jiān)管。

5.2 建議

（1）在地質條件薄弱堤段慎用定向鉆施工工藝全程穿越沁河下游河道。為確保沁河防洪安全，建議今后的穿沁管道在地質條件薄弱堤段慎用定向鉆工藝全程穿越沁河的施工模式。盡管定向鉆工藝存在施工成本低、速度快等優(yōu)點，但鑒于沁河河道土質松散，管道在施工時易出現(xiàn)冒漿，甚至造成河道或堤防工程塌陷現(xiàn)象，加之運行中又易在管道周圍形成過水通道等不利因素，在沁河大洪水時極易形成河道（施工冒漿處或地質薄弱處）一管道一堤防下部一堤外的滲水通道，對沁河防洪安全構成巨大威脅，特別是有兩處穿沁管道工程在加深了埋深等措施后再次出現(xiàn)了冒漿現(xiàn)象?？紤]到沁河防洪安全的重要性，應不再使用穿越方式通過沁河。

為降低施工成本，建議使用爬越方式穿越沁河。即河道內使用定向鉆，堤防工程處使用爬越方式。開挖施工盡管存在工程質量容易控制等優(yōu)點，但施工成本高、工期長，受影響因素多。如將河道內施工改為定向鉆模式，可大大減輕建設單位負擔。同時，盡管河道內可能形成滲水通道，但因為爬越管道超過防洪水位，所以可完全杜絕因管道施工造成的堤防內外滲水，確保沁河防洪安全。

鑒于已批準施工項目中出現(xiàn)的意外冒漿或塌陷現(xiàn)象均與地質結構有關，今后應加密地質勘探點，摸清管道處地質情況，保障施工安全，盡可能減輕對防洪工程的影響。

（2）委托安全評估機構對已建采用定向鉆工藝穿越施工的管線進行安全評估。對于運行時間較長且主體工程施工時出現(xiàn)過險情的項目，相關部門可申請專項經(jīng)費，對管道進行開挖，詳細勘察和研究管道投入運行后周圍土體情況，分析管道周圍滲水情況，制定相應的具體處理措施。

（3）加強已建定向鉆穿越沁河管道工程的觀測。對全程采用定向鉆工藝施工的5處穿沁工程，要加強汛期洪水時的運行觀測。要安排專人進行觀測，特別是出現(xiàn)持續(xù)時間較長的洪水時，要密切關注定向鉆穿越管道上下游各200m范圍內的臨背河情況。

（4）要編制防守預案，做好應對。編制專項防守預案，積極做好應對。尤其要提前備足搶險料物，如柳料、石料、土方等，洪水時一旦出現(xiàn)管涌等險情，則可立即投入搶險，避免險情擴大。

參考文獻：

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[9]喻蔚然，傅瓊華，馬秀峰.定向鉆法建壩下涵管失敗引發(fā)的思考[J].人民黃河，2013，35（8）：123-125.