泥漿護(hù)壁在管道定向鉆穿越中的重要性分析

林嘉添

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635)

1 項(xiàng)目概況

紅星水庫(kù)是一宗小(1)型水利工程，位于湛江市東海島試驗(yàn)區(qū)東山鎮(zhèn)東北約3 km處，集雨面積為28 km2，校核庫(kù)容為726萬(wàn)m3、相應(yīng)水位為4.26 m，設(shè)計(jì)庫(kù)容為626萬(wàn)m3、相應(yīng)水位為3.94 m，正常蓄水庫(kù)容為606萬(wàn)m3、相應(yīng)水位為3.86 m。紅星水庫(kù)由位于東北側(cè)的主壩、東側(cè)的東副壩和西側(cè)及南側(cè)的西副壩組成。

某擬建某輸氣管道項(xiàng)目，受周邊用地限制，需從紅星水庫(kù)下方穿過(guò)，穿越水庫(kù)西副壩和東副壩。穿越管道水平長(zhǎng)度為1 613 m，入土點(diǎn)位于紅星水庫(kù)現(xiàn)西副壩軸線西北側(cè)約365 m處，距水庫(kù)擴(kuò)建西副壩軸線約113 m，入土角為18°。出土點(diǎn)位于紅星水庫(kù)現(xiàn)東副壩軸線西北側(cè)約263 m處，距水庫(kù)擴(kuò)建東副壩軸線約279 m，出土角為6°。天然氣管在紅星水庫(kù)下管頂高程為-46.0 m，管頂覆土為47～48.6 m。穿越管道規(guī)格φ508×11.9，L 415直縫電阻焊鋼管，3層PE加強(qiáng)級(jí)防腐。根據(jù)定向鉆施工方案，定向鉆的鉆孔孔徑為φ800。

根據(jù)本項(xiàng)目地質(zhì)勘察成果，項(xiàng)目區(qū)壩基地質(zhì)主要有粉質(zhì)黏土和中砂，黏土層和中砂層交織。項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1，各土層地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 定向鉆穿越管道縱剖面示意

表1 計(jì)算分析采用的巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

本項(xiàng)目采用定向鉆施工。定向鉆具有施工簡(jiǎn)便、快速、不占用河道行洪斷面等諸多特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于燃?xì)?、油氣和供水管道穿越河流敷設(shè)中[1]。定向鉆管道外周與擴(kuò)孔孔壁之間的環(huán)空部位，其工程性質(zhì)類似于軟土，在其固結(jié)過(guò)程中伴隨著收縮而形成空洞，造成堤防不均勻沉降甚至坍塌[2]。

由于本項(xiàng)目管道需穿越水庫(kù)西副壩和東副壩，在定向鉆過(guò)程中，由于施工影響，淘挖管道線位局部土體，可能造成壩基沉降、位移，進(jìn)而影響水庫(kù)安全。為避免項(xiàng)目建設(shè)對(duì)水庫(kù)安全造成影響，確保項(xiàng)目建設(shè)不會(huì)影響水庫(kù)安全，本文研究了不同施工條件下，定向鉆對(duì)水庫(kù)安全影響。

2 分析計(jì)算方法

庫(kù)壩穩(wěn)定影響因素有庫(kù)壩結(jié)構(gòu)、壩基土層特性、水庫(kù)水位等。本項(xiàng)目管道從地下穿越副壩，不破壞庫(kù)壩結(jié)構(gòu)，對(duì)庫(kù)壩的影響主要表現(xiàn)在對(duì)壩基土層的影響。本項(xiàng)目管道從水庫(kù)庫(kù)壩下方穿越，在庫(kù)壩下埋深較深，管頂覆土為47～48.6 m，且根據(jù)地質(zhì)勘察成果，項(xiàng)目區(qū)庫(kù)壩下不存在軟弱土層，管道穿越位置不經(jīng)過(guò)庫(kù)壩最危險(xiǎn)滑裂面，不會(huì)影響庫(kù)壩抗滑穩(wěn)定。項(xiàng)目建設(shè)對(duì)庫(kù)壩的影響，主要為在定向鉆過(guò)程中，地下鉆孔可能導(dǎo)致壩基土層位移、沉降，進(jìn)而造成庫(kù)壩的位移、沉降。因此，本文根據(jù)項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)情況及定向鉆管道穿越設(shè)計(jì)方案，分析項(xiàng)目建設(shè)對(duì)庫(kù)壩位移、沉降的影響。

本文采用巖土通用軟件FLAC3D開(kāi)展計(jì)算分析。數(shù)值計(jì)算中，巖土體采用莫爾—庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)理想彈塑性模型。莫爾—庫(kù)侖本構(gòu)模型是理想彈塑性的，考慮了強(qiáng)度隨圍壓的變化，在主應(yīng)力空間內(nèi)其屈服面為一不規(guī)則六面錐，該模型被廣泛用來(lái)對(duì)巖土工程問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值分析[3]。襯砌和混凝土板等結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。

計(jì)算模型同時(shí)包括下穿的天然氣管道和水庫(kù)，模型共剖分了110 820個(gè)單元和118 203個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，對(duì)計(jì)算分析范圍內(nèi)的地層進(jìn)行了適當(dāng)概化，計(jì)算模型共包含4種地層：中砂、黏土、中砂、黏土(計(jì)算分析采用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1)。

計(jì)算時(shí)，共擬定如下幾種計(jì)算分析工況。

1) 初始工況

計(jì)算定向鉆下穿施工前的土體應(yīng)力分布情況，考慮的荷載效應(yīng)為地表水壓力、自重荷載、建基面設(shè)計(jì)荷載。

2) 不考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況

計(jì)算分析鉆孔過(guò)程中，在管道臨空面釋放荷載作用下，管道周圍土體的穩(wěn)定性及影響范圍。暫不考慮泥漿護(hù)壁的產(chǎn)生的壓力作用。

3) 考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況

計(jì)算分析鉆孔過(guò)程中，在管道臨空面釋放荷載作用下管道周圍土體的穩(wěn)定性及影響范圍。考慮泥漿護(hù)壁的產(chǎn)生的靜水壓力作用。

計(jì)算后，對(duì)比施工工況相對(duì)初始工況的沉降、地層應(yīng)力變化，分析定向鉆施工對(duì)水庫(kù)的影響。

3 結(jié)果討論

3.1 不考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況

不考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況，鉆孔洞頂沉降監(jiān)測(cè)見(jiàn)圖2，天然氣管道鉆孔正上方的地表沉降監(jiān)測(cè)見(jiàn)圖3?？梢?jiàn)，鉆孔洞頂、鉆孔正上方的地表均發(fā)生了較大的沉降后趨于收斂，鉆孔洞頂最大沉降達(dá)到約2 500 mm，鉆孔正上方地表沉降達(dá)到約250 mm。

圖2 不考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況鉆孔洞頂沉降監(jiān)測(cè)示意

圖3 不考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況鉆孔正上方地表沉降監(jiān)測(cè)示意

洞周變形分布見(jiàn)圖4。不考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況，鉆孔洞周發(fā)生了較大的變形，最大位移達(dá)2 652 mm，發(fā)生在鉆孔的洞頂。天然氣管道鉆孔正上方的地表變形分布見(jiàn)圖5。不考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況，地表發(fā)生了較大的變形，最大位移達(dá)到約260 mm，發(fā)生在鉆孔的正上方附近。

圖4 不考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況洞周變形分布示意

圖5 不考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況地表變形分布示意

不考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況與初始工況相比，土體地應(yīng)力發(fā)生了較明顯的重新分布。尤其是鉆孔周圍地應(yīng)力重新分布比較明顯，由于鉆孔后臨空面荷載的釋放，第一主應(yīng)力沿鉆孔徑向分布，第三主應(yīng)力沿鉆孔環(huán)向分布。最小第三主應(yīng)力由-963 kPa變?yōu)?994 kPa，最大第一主應(yīng)力維持在0 kPa左右。

鉆孔之后，土體中出現(xiàn)了大范圍的塑性區(qū)。這是由于土體力學(xué)參數(shù)較低，開(kāi)挖擾動(dòng)之后土體出現(xiàn)塑性流動(dòng)，導(dǎo)致塑性區(qū)不斷擴(kuò)大。

綜合上述計(jì)算結(jié)果可知，不考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況，土體的塑性區(qū)范圍很大，延伸至地表，表明天然氣管道鉆孔后影響范圍很大。同時(shí)，區(qū)域內(nèi)土體變形較大，地表最大位移達(dá)到約260 mm?？梢?jiàn)，不考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況，天然氣管道鉆孔將對(duì)地表的水工建筑物和水庫(kù)的安全運(yùn)行產(chǎn)生明顯影響。

3.2 考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況

考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況，鉆孔洞頂沉降監(jiān)測(cè)見(jiàn)圖6，天然氣管道鉆孔正上方的地表沉降監(jiān)測(cè)見(jiàn)圖7。鉆孔洞頂、鉆孔正上方的地表的沉降趨于收斂，鉆孔洞頂最大沉降約為17 mm，鉆孔正上方地表沉降約1.7 mm。

圖6 考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況鉆孔洞頂沉降監(jiān)測(cè)示意

圖7 考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況鉆孔正上方地表沉降監(jiān)測(cè)示意

洞周變形分布見(jiàn)圖8?？紤]泥漿護(hù)壁鉆孔工況，鉆孔洞周變形較小，最大位移約為18 mm，發(fā)生在鉆孔的洞頂。天然氣管道鉆孔正上方的地表變形分布見(jiàn)圖9。考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況，地表發(fā)生的變形很小，最大位移僅1.7 mm，發(fā)生在鉆孔的正上方附近。

圖8 考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況洞周變形分布示意

圖9 考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況地表變形分布示意

考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況與初始工況相比，鉆孔洞周土體地應(yīng)力發(fā)生了重新分布，但影響范圍有限，不超過(guò)5倍洞徑(即4 m)。在鉆孔范圍之外，土體地應(yīng)力分布基本維持不變。

鉆孔之后，洞周塑性區(qū)深度較淺，最大塑性區(qū)深度約為1 m。

綜合上述計(jì)算結(jié)果可知，考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況，洞周土體的最大塑性區(qū)深度約為1 m，洞周地應(yīng)力擾動(dòng)范圍約為4 m，鉆孔上方地表最大位移約為1.7 mm?？梢?jiàn)，考慮泥漿護(hù)壁鉆孔工況，天然氣管道鉆孔不會(huì)影響地表的水工建筑物和水庫(kù)的安全運(yùn)行。

3.3 討論

不同工況下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)比是否考慮泥漿護(hù)壁的計(jì)算結(jié)果可知，泥漿護(hù)壁對(duì)于本項(xiàng)目具有決定性的作用。若采用泥漿護(hù)壁，定向鉆施工對(duì)周圍土體的影響范圍十分有限，洞周塑性區(qū)、洞周應(yīng)力重分布范圍很小，不會(huì)延伸到地表，不會(huì)影響壩基。地表最大位移1.7 mm。根據(jù)行業(yè)部門要求并結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，堤防穿越沉降控制參數(shù)：報(bào)警值為10 mm，控制允許值為20 mm[4]。地表壩基最大位移小于沉降控制允許值，不會(huì)影響庫(kù)壩安全。

表2 定向鉆施工對(duì)紅星水庫(kù)安全影響的計(jì)算分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)工程是重要的水利工程，其作用為防洪、蓄水、調(diào)洪、供水等，對(duì)保護(hù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活起到重要作用。管道穿越紅星水庫(kù)時(shí)，必須慎之又慎，復(fù)核水庫(kù)地質(zhì)，分析管道穿越影響，避免影響水庫(kù)安全。本文通過(guò)計(jì)算分析論證，分析了管道穿越對(duì)水庫(kù)的影響。結(jié)果表明，施工過(guò)程中，泥漿護(hù)壁對(duì)于鉆孔孔壁穩(wěn)定具有十分重要的意義。因此，在定向鉆施工過(guò)程中，應(yīng)非常重視泥漿護(hù)壁的作用，并嚴(yán)格按設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)要求控制泥漿質(zhì)量，確保泥漿護(hù)壁的壓力持續(xù)作用在孔壁上。同時(shí)，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，若發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯增大，應(yīng)及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，以確保水庫(kù)安全。