定向鉆穿越管道施工引起曹娥江堤防土層變形計算分析

殷學(xué)成，柴文琦，李樹巍

（浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310016）

1 問題的提出

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，近幾十年來長距離輸送油氣、輸水、通信等管道得到蓬勃發(fā)展，而定向鉆穿越作為一種先進的非開挖管道穿越施工方法，因其施工時不會破壞水域堤防、對河床擾動少、施工期短、工程造價低等特點，在地質(zhì)條件適宜的情況下，得以大規(guī)模應(yīng)用于大中型河流穿越工程中[1]。

定向管道施工對地面建筑物及周圍環(huán)境影響較小，但是仍會對周圍土體產(chǎn)生擾動，從而引起地面變形。目前，對地下管道施工的研究踵事增華，其中頂管法和盾構(gòu)法在理論和工程實踐中得到大量的研究和應(yīng)用[2-3]，但是對定向鉆管道施工引起的地面變形研究比較缺乏，多集中在定向鉆管道的施工工藝和技術(shù)上，以及定向鉆技術(shù)穿越河流的防洪評價分析[4-5]。

本文以定向鉆管道穿越曹娥江工程為例，通過Plaxis軟件數(shù)值模擬對管道施工引起的曹娥江堤防堤頂路面變形進行研究分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

2 Plaxis有限元軟件簡介

Plaxis軟件是由荷蘭PLAXIS B.V.公司研究開發(fā)的二維計算程序，被廣泛應(yīng)用于巖土工程的變形和穩(wěn)定性研究中。該軟件借助先進的本構(gòu)模型，能夠模擬土體的非線性、時間相關(guān)性和各向異性行為，還能考慮結(jié)構(gòu)模型和土體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用等[6]。

Plaxis計算軟件中主要通過線彈性模型和Mohr-Culomb模型模擬地基土[6]。

（1）線彈性模型。該模型參數(shù)中包含以下參數(shù)：抗彎剛度EI（kN · m2），軸向剛度EA（kN/m），重度w（kg/ cm3），厚度d（m），泊松比μ。

（2）Mohr-Culomb模型。模型中包括以下5個輸入?yún)?shù)：土體彈性模量E（kPa）和泊松比μ，表示土體塑性的粘聚力C（kPa）和摩擦角φ（°），剪脹角ψ（°）。Mohr-Culomb模型屈服準則：

同時，該模型對塑性勢函數(shù)進行了定義：

式（2）中：g為勢函數(shù)包含第三個塑性參數(shù)，即剪脹角ψ。

3 工程實例

紹興—杭州成品油管道工程（以下簡稱“紹—杭管道”）穿越曹娥江堤防某處，距離袍江大橋西80 m，采用管徑φ406.4 mm直縫埋弧鋼管，穿越長度約為1 210 m，右岸入土點距堤腳85 m，入土角取10°，左岸出土角距堤腳95 m，出土角取10°，穿越管段在曹娥江堤防下高程為-18.00 m，實際埋深約28.0 m。

3.1 計算工況及模型概化

該模型考慮的輸油管道直徑為600 mm（按擴孔孔徑比拖管管徑大50%考慮），管道穿越處流域水位高程取6.65 m，堤防高10.0 m。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)情況，工程管道穿越段地質(zhì)分布自上而下分別為：1-1堤身素填土（層厚△H=5.5 m）， 2-2砂質(zhì)粉土（層厚△H=9.5 m），3-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（層厚△H=19.6 m），4-1粉質(zhì)黏土（層厚△H=5.1 m），4-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土 （層厚△H=4.8 m）。土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)表

管道位于地下淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中，為滿足有限元理論位移協(xié)調(diào)的原則，需要在2種材料間加設(shè)界面單元，以此有效模擬鋼管與土體之間的相對位移。鋼管與土體的接觸表面是介于完全光滑和完全粗糙之間，在Plaxis軟件中可以通過設(shè)定界面強度折減因子Rinter來衡量[6]。該折減因子Rinter關(guān)系式為：

式中：ci和φi分別為界面的內(nèi)聚力（kPa）和摩擦角（°）；csoil和φsoil分別為土層的內(nèi)聚力（kPa）和摩擦角（°）；Rinter取0.7。

Plaxis數(shù)學(xué)模型采用15節(jié)點單元，共有866個單元，10 392個節(jié)點，以合適的邊界條件加以模擬（見圖1）。

圖1 定向鉆管道穿越曹娥江堤防有限元計算模型圖

3.2 模型結(jié)果分析

定向鉆管道施工造成地表輕微下陷，圖2為定向鉆管道施工引起的堤防地基土層豎直方向上的變形云圖。從圖2中可以看出，定向鉆管道施工后，土層沉降對稱分布，最大沉降出現(xiàn)在管道中心軸線位置，管道上方的土層沉降隨深度的增加而增加，在接近管道頂端位置達到最大；而管道下方土體出現(xiàn)向上的位移，在管道底端達到最大。

圖2 管道施工引起的堤防地基土層豎直方向上的變形云圖

同時，研究文獻7～8提出不排水固結(jié)的條件下，管道施工因土體損失而導(dǎo)致地面變形的計算方法。Peck給出的地面沉降橫向分布的預(yù)估公式[7]，在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

式（4）～（5）中：S（x）為地面沉降量（m）；x為離管道軸線的水平距離（m）；Smax為管道軸線上方地面最大沉降量（m）；V1為單位長度上的土體損失率（m3/m），主要與工程地質(zhì)情況、管道施工方法與施工工藝等因素有關(guān)；i為沉降槽寬度系數(shù)（m），管道在黏土中埋深h滿足3 m≤h≤34 m時，i的經(jīng)驗公式可表示為：

圖3為Plaxis計算模型得到的堤頂路面沉降與水平距離的變化曲線，該變化趨勢與Peck公式法一致。經(jīng)過比較，Plaxis模型計算得到管道軸線位置的沉降最大值為1.73 mm，與Peck公式法得到的沉降最大值1.71 mm比較接近。

圖3 Plaxis模型與Peck公式法堤頂路面沉降橫向分布比較圖

3.3 管道埋深改變時的堤頂路面沉降規(guī)律

本文設(shè)置定向鉆管道埋深分別為5，10，15，20，25，30，35 m共7種情形來分析管道埋深對堤頂路面沉降的變化規(guī)律。數(shù)值計算的模型基本同圖2，只是管道的原點坐標是變化的。圖4～5為Plaxis數(shù)值模擬的計算結(jié)果。

圖4為具有代表性的4種定向鉆管道地下埋深變化時堤身土層豎向變形等值線云圖。從圖4上可以得出，當(dāng)管道埋深變化時，堤身土層豎向變形的等值線云圖形狀及其等值線上的數(shù)值也會隨之變化；經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，隨著管道埋深變小，堤頂路面沉降隨之變大。

由圖5可以得到：1對于同一管道埋深，管道正上方的堤頂路面沉降最大；2圖中所有曲線基本相交于2點（-28.0，-0.3）和（28.0，0.3）；3在x軸的[-28，28]范圍內(nèi)，堤頂路面的沉降隨著管道埋深的減小而增大，在[-50，-28]和[28，50]范圍內(nèi)，堤頂路面的沉降隨著管道埋深的增大而增大。

圖4 管道埋深不同時的土層豎向位移云圖

圖5 管道埋深變化時堤頂路面沉降與水平距離關(guān)系圖

4 結(jié)論與建議

（1）通過Plaxis數(shù)值模擬定向鉆管道穿越曹娥江堤防，結(jié)果表明定向鉆管道施工會引起土層在豎直方向的位移變化，最大沉降出現(xiàn)在管道中心軸線位置；并與Peck經(jīng)驗公式法比較可知，堤頂路面的最大沉降相比經(jīng)驗公式法略大，因為Plaxis模型適應(yīng)復(fù)雜邊界調(diào)節(jié)和地層結(jié)構(gòu)，其計算結(jié)果較Peck經(jīng)驗公式更為合理。

（2）對于同一管道埋深時，管道軸線正上方的堤頂路面沉降最大；管道埋深變化時，堤頂路面最大沉降與管道埋深的深度呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。因此，在曹娥江定向鉆管道時，要嚴格控制管道埋深，以控制合理的堤頂路面沉降。

（3）為將定向鉆管道穿越曹娥江堤防產(chǎn)生的沉降控制在合理范圍內(nèi)，除了建立現(xiàn)場沉降變形監(jiān)測系統(tǒng)，還應(yīng)采用平衡功能較好的定向鉆機，減少減阻泥漿套的厚度，嚴格控制出泥量，定向鉆結(jié)束后采用水泥砂漿加固減阻泥漿等措施；同時，施工過程中應(yīng)根據(jù)不同穿越地層和深度，適當(dāng)調(diào)整泥漿的工作壓力和排量，防止由于泥漿壓力和性能改變造成泥漿漏失，減少由于冒漿誘導(dǎo)產(chǎn)生地層裂縫的可能性。

（4）得出的堤頂路面沉降規(guī)律對穿越曹娥江流域堤防的管道施工有一定的參考價值。