基于ABAQUS的水平定向鉆進施工后土體變形分析

(昆山市水利水務工程質量安全監(jiān)督站，江蘇 昆山 215300)

水平定向鉆進技術作為一種新型的地下管線施工技術，目前已在鋪設供水管道、排水管道、石油和天然氣管道、電信管線、城市燃氣管道、城市集中供暖管道以及電力、有線電視網等市政工程中有了廣泛的應用[1]。該技術具有不影響地面交通，不影響人們的正常生活，對土體的結構破壞小，安全可靠，周期短，穿越精度高、環(huán)境污染小等優(yōu)點[2]。與一般同情況下其他技術相比，采用水平定向鉆穿越技術進行的河流穿越施工可以節(jié)省大量的人力物力，綜合成本大大降低，而且管直徑越大、埋深越深，效益就越明顯[3]。

水平定向鉆進技術在施工過程中不可避免地會造成孔洞周圍附件土體的變形[4-6]，然而，目前對其施工過程中土體變形的影響范圍及規(guī)律研究得比較少，缺少關于水平定向鉆進施工對鉆孔周圍土體變形的影響這一理論的參考，在施工組織設計中總是忽略它的影響，因而在實際工程作業(yè)中，也就缺少這方面安全性的參考，往往按照以往的經驗來施工，這對于施工安全來說是不利的。因此,本文針對水平定向鉆孔施工后孔洞附近的土體變形問題，借助ABAQUS有限元分析軟件，結合工程實例，對不同工況下鉆孔周圍土體變形進行數值模擬，分析水平定向鉆進施工對孔洞附近土體變形的影響。研究其土體變形規(guī)律，可對水平定向鉆進工程施工和設計提供有效指導，具有很強的工程實用價值。

1 工程概況

DN820管道穿越淮河供水工程位于淮上區(qū)東部昌平街附近，距淮河公路橋約300m，工程輸水管線長約0.97km，采用單管敷設，管徑為820mm，采用水平定向鉆法施工。管道分三段布置，第一段長25.0m，管道中心高程16.40m，第二段長22.0m，管道中心高程從16.40m漸變到14.07m，第三段長36.0m，管道中心高程為14.07m。這三段管道高程主要根據灘地高程的變化而變化。在樁號為0+083處采用非開挖定向穿越淮河及淮北大堤，定向穿越入土角10°，出土角8°，入土處樁號為0+916.64，水平定向鋪設的管道總長為833.64m，管道在淮河主槽段中心高程為-24.0m。在樁號0+916.64～0+974.29的管道采用明挖埋管施工，管道水平轉角90°，管頂覆土深度為1.5m，管道長度為57.65m，該段管道與昌平街管網連接。

2 數值計算模型

數值模擬過程主要是利用線彈性模型對土體進行材料屬性賦值，利用ABAQUS進行初始應力場的計算，然后平衡地應力。當地應力平衡之后，就模擬開挖鉆孔，施加均布泥漿壓力。本文選取灘地處斷面進行模擬計算。

2.1 基本假設

在水平定向鉆進過程中，成孔時，鉆孔周圍土體變形最大。在滿足工程計算精度要求前提下，為簡化計算，選擇回拉擴孔后的斷面進行計算，并作以下假設：

a.只模擬成孔時的土體變形，不嘗試模擬鉆導向孔和擴孔的過程。

b.鉆井泥漿是靜止不動的，不形成泥漿液梯度， 泥漿壓力形成是完全相同的，并且泥漿充滿整個鉆孔。

c.土體不分層，均為輕粉質壤土，土體是線彈性的、各向同性的。鉆孔均位于地下水位線以上，不考慮靜水壓力。

2.2 邊界條件及計算工況

模型頂部邊界是地表,為自由面，不施加任何約束；模型兩邊為連桿約束，限制其水平方向位移，即水平向自由度為0；底面為固定約束。

選取820mm孔徑下不同埋深及泥漿壓力，計算鉆孔周圍土體豎向變形，為進一步分析孔徑的影響，選取孔徑600mm和1000mm、埋深15m做對比模擬分析，擬定的計算工況見下表。

模擬工況表

2.3 土體力學參數

計算模型中土體為輕粉質壤土，層厚0.6～8.0m，層底分布高程為12.00～14.00m。輕粉質壤土土體力學參數：密度為1950kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為8.52MPa。

2.4 網格劃分

根據不同鉆孔直徑和不同埋深分別建立模型。由于模型關于過管道中心點豎軸線幾何對稱，且所受荷載也對稱，因此可建立軸對稱模型。取鉆孔右邊16m、底部12m、孔徑820mm、埋深為6m的模型開挖前后網格，如圖1和圖2所示。

圖1 鉆孔直徑820mm、埋深6m開挖前的軸對稱網格模型圖2 鉆孔直徑820mm、埋深6m開挖后的軸對稱網格模型

3 計算結果與分析

本文模擬計算了5種不同工況下在最后一級擴孔后即成孔時鉆孔周圍土體的變形，包括(a)開挖后的豎向位移云圖、(b)鉆孔正上方及正下方土體的豎向位移變化、(c)孔上一點至邊上土體的豎向位移變化、(d)孔上一點至邊上土體的水平向位移變化、(e)沿鉆孔圓弧的土體豎向位移變化。其具體變形計算結果見圖3～圖7。

a.鉆孔直徑820mm、埋深6m工況下計算結果見圖3。

b.鉆孔直徑820mm、埋深10m工況下計算結果見圖4。

c.鉆孔直徑820mm、埋深15m工況下計算結果見圖5。

d.鉆孔直徑600mm、埋深15m工況下計算結果見圖5。

e.鉆孔直徑1000mm、埋深15m工況下計算結果見圖7。

從以下圖3～7(a)可以看出，鉆孔周圍上部土體隆起，下部土體沉降。越靠近鉆孔，土體豎向位移越大，且土體最大隆起位移大于最大沉降位移。對比圖3～5(a)，相同孔徑時，鉆孔周圍最大隆起位移和最大沉降位移均隨著埋深的增加而減小，且兩者絕對值的差值，也隨著埋深的增大而減??；對比圖5～7(a)可知相同埋深時，鉆孔周圍最大隆起位移和最大沉降位移則隨著孔徑的增大而增大，且其絕對值的差值，一樣隨著孔徑的增大而增大。

圖3 孔徑820m、埋深6m工況下計算結果

圖4 孔徑820m、埋深10m工況下計算結果

圖5 孔徑820m、埋深15m工況下計算結果

圖6 孔徑600m、埋深15m工況下計算結果

圖7 孔徑1000m、埋深15m工況下計算結果

從以上圖3～7(b)可以看出，鉆孔上部土體隆起，下部土體沉降，隆起和沉降的最大值均在鉆孔邊緣處。并且鉆孔正上方及正下方土體的位移變化幅度，隨著鉆孔間距離的增加而減??；在距離鉆孔約6倍半徑范圍內，變化幅度較大，且發(fā)生較大位移的土體也在該范圍內。

從以上圖3～7(c)(d)(e)可以看出，孔上一點至兩邊土體的豎向位移和水平位移均隨著遠離鉆孔而減小，與豎向變形相比較，水平向變形更快地趨于穩(wěn)定。對比圖3～5(a)孔徑相同埋深不同時，鉆孔同一點處的土體水平位移基本相同；對比圖5～7(a)埋深相同時，鉆孔處土體最大水平位移則隨孔徑增大而增大。且各種工況下位移為0的點基本發(fā)生在鉆孔的下半段圓弧。

4 結 論

本文借助ABAQUS有限元軟件對不同孔徑、不同鋪埋深鉆孔周圍土體變形進行數值模擬計算，通過對比分析可以得知：土體的豎向位移隨著孔徑增大而增大，隨著鉆孔埋深的增加而減小；土體的水平向位移與埋深關系不大，但隨著孔徑增大而增大。這為今后水平定向鉆進施工后孔洞附近的土體變形規(guī)律的進一步研究及后續(xù)設計指導提供了借鑒。