南水北調(diào)配套工程軟弱地層孔壁穩(wěn)定力學(xué)分析

李春陽(yáng)

(河南省南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局，河南 鄭州 45016)

1 大直徑孔壁失穩(wěn)的危害性

大直徑孔壁失穩(wěn)是水平定向鉆施工中的常見(jiàn)問(wèn)題，尤其是在軟弱地層中鋪設(shè)大直徑管道，這是因?yàn)殂@孔的直徑越大，孔壁越容易失穩(wěn)，現(xiàn)場(chǎng)施工也驗(yàn)證了這一點(diǎn)：孔壁失穩(wěn)常常發(fā)生在擴(kuò)孔或回拖管道的過(guò)程中。

在擴(kuò)孔過(guò)程中發(fā)生孔壁失穩(wěn)，會(huì)使回?cái)U(kuò)速度降低，鉆桿的旋轉(zhuǎn)扭矩增大，鉆機(jī)功耗增加。塌孔嚴(yán)重時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)卡鉆事故，導(dǎo)致擴(kuò)孔器無(wú)法繼續(xù)切削前進(jìn)，這時(shí)應(yīng)嘗試將擴(kuò)孔器從出土點(diǎn)推出，否則待塌孔更加嚴(yán)重時(shí)，可能導(dǎo)致擴(kuò)孔器向前向后都無(wú)法動(dòng)彈，釀成更嚴(yán)重的事故。

在回拖管道過(guò)程中發(fā)生孔壁失穩(wěn)便是“致命”的，輕則導(dǎo)致回拖力增加，需采取輔助措施幫助回拖，重則導(dǎo)致管道卡死，工程失敗。由此可見(jiàn)，孔壁失穩(wěn)給水平定向鉆施工帶來(lái)的危害是巨大的，在軟弱地層鋪設(shè)大直徑管道時(shí)，施工單位必須采取措施預(yù)防孔壁失穩(wěn)。

2 孔壁失穩(wěn)機(jī)理

水平定向鉆在軟弱地層中敷設(shè)管道，孔壁圍巖一般為由各種軟弱的層狀結(jié)構(gòu)巖土體和散體結(jié)構(gòu)土體組成的塑性圍巖。這類圍巖的變形失穩(wěn)主要是在應(yīng)力重分布作用下發(fā)生的，主要有塑性擠出、膨脹內(nèi)鼓、塑流涌出和重力坍塌等不同類型。各種類型的失穩(wěn)機(jī)理如表1所示。

表1 水平定向鉆孔孔壁巖土體為塑性圍巖的失穩(wěn)機(jī)理簡(jiǎn)表

①塑性擠出。塑性擠出易發(fā)生于固結(jié)強(qiáng)度高的泥巖、粘土等。鉆孔鉆進(jìn)后，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過(guò)其屈服強(qiáng)度時(shí)，軟弱的塑性物質(zhì)就會(huì)沿最大應(yīng)力梯度方向向阻力小的空間擠出。②膨脹內(nèi)鼓。膨脹內(nèi)鼓易發(fā)生于富含粘土礦物(特別是易水化的蒙脫石粘土礦物)的塑性土層。鉆孔鉆進(jìn)后，圍巖表層減壓區(qū)的形成往往促使水分由內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)向圍巖表層轉(zhuǎn)移，同時(shí)鉆孔內(nèi)的泥漿中的水分也與孔壁接觸，結(jié)果使易于吸水膨脹的巖土層發(fā)生強(qiáng)烈的膨脹內(nèi)鼓變形，導(dǎo)致鉆孔縮徑直至失穩(wěn)破壞。③塑流涌出。塑流涌出是當(dāng)鉆孔揭穿了松散含水帶時(shí)，松散物質(zhì)就會(huì)和水一起在壓力下呈泥漿狀突然涌入鉆孔中。在流砂層中鉆進(jìn)時(shí)就是這種失穩(wěn)機(jī)理。④重力坍塌。重力坍塌是松散的巖土體由于結(jié)構(gòu)松散、土層顆粒之間的粘聚力很小而在重力作用下發(fā)生的塌方，導(dǎo)致鉆孔被破壞。在松散砂層、卵礫石層中鉆進(jìn)時(shí)就是這種失穩(wěn)機(jī)理。

3 孔壁穩(wěn)定力學(xué)分析

由于地下開(kāi)孔，使孔壁周圍的土體失去了原有的支撐，破壞了原來(lái)的受力平衡狀態(tài)，周圍土體將向孔洞內(nèi)產(chǎn)生位移。其位移的結(jié)果，又改變了鄰近土體的相對(duì)平衡關(guān)系，從而引起孔壁周圍一定范圍內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變及能量的調(diào)整，以達(dá)到新的平衡，形成新的應(yīng)力狀態(tài)。即引起天然應(yīng)力大小、方向和性質(zhì)的改變，這就是應(yīng)力重分布作用。經(jīng)應(yīng)力重分布作用后新的應(yīng)力狀態(tài)與土體的力學(xué)屬性、天然應(yīng)力及開(kāi)挖孔洞斷面密切相關(guān)。

4 孔壁穩(wěn)定的彈塑性力學(xué)分析

在鉆孔施工中，由于地應(yīng)力重新分布，孔壁局部區(qū)域應(yīng)力又可能超過(guò)土體彈性極限進(jìn)入塑性狀態(tài)，處于塑性狀態(tài)的土體在孔壁周圍形成一個(gè)塑性圈，塑性區(qū)以外的土體則處于彈性狀態(tài)。針對(duì)軟弱土的力學(xué)性質(zhì)特點(diǎn)，假定靜止側(cè)壓力系數(shù)λ=1時(shí)，鉆孔孔壁周圍的土應(yīng)力及變形的彈塑性解。由于側(cè)壓力系數(shù)λ=1，那么孔壁周圍應(yīng)力分布應(yīng)是軸對(duì)稱的，塑性區(qū)是一等厚圓，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 塑性區(qū)計(jì)算簡(jiǎn)圖

4.1 塑性區(qū)應(yīng)力的計(jì)算

對(duì)于軸對(duì)稱問(wèn)題，平衡方程為：

(1)

式中：σr—徑向應(yīng)力；σθ—環(huán)向應(yīng)力；r—塑性區(qū)一點(diǎn)至鉆孔軸心的距離。

在塑性區(qū)還應(yīng)滿足塑性條件，這里采用摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則作為塑性條件，式為：

(2)

將式(2)代入平衡方程式(1)，得：

(3)

解此非齊次方程得：

(4)

(5)

將式(5)代入式(4)及式(3)，即得塑性區(qū)應(yīng)力，有：

(6)

粘土層鉆進(jìn)過(guò)程中，由于泥漿的護(hù)壁及鉆桿柱的擾動(dòng)，孔壁周圍塑性土體可視為飽和狀態(tài)，即內(nèi)摩擦角為零，于是式(2)可變?yōu)椋?/p>

(7)

將式(7)代入平衡方程式(1)，得：

(8)

解得：

(9)

M=p0+2clnr0

(10)

將式(10)代入式(9)和(7)，則可求得：

(11)

上式中字母含義同上。

式(11)表明塑性應(yīng)力與上覆土層的自重應(yīng)力無(wú)關(guān)，與孔壁壓力及土的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力均隨r的增大而減小。

p0>2c，此條件應(yīng)為孔壁極限平衡的最低限制條件。假設(shè)鉆孔內(nèi)無(wú)內(nèi)壓力平衡，此時(shí)孔壁邊界條件為：p0=0,r=r0則有：

(12)

式中字母含義同上。

此時(shí)，切向應(yīng)力為負(fù)值，孔壁周圍土體開(kāi)始失穩(wěn)變形，在應(yīng)力的調(diào)整下，必然產(chǎn)生向孔內(nèi)的移動(dòng)變形，即縮孔的產(chǎn)生。在重力及其他因素干擾下，徑向應(yīng)力不會(huì)再呈現(xiàn)沿孔軸的對(duì)稱狀態(tài)，因此容易產(chǎn)生塌孔或漏失等孔壁失穩(wěn)現(xiàn)象。

4.2 塑性區(qū)半徑的確定

應(yīng)用塑性區(qū)和彈性區(qū)交界的協(xié)調(diào)條件來(lái)確定塑性區(qū)半徑，如圖2所示。

圖2 塑性區(qū)半徑計(jì)算圖

在交界處，彈性區(qū)徑向應(yīng)力等于塑性區(qū)徑向應(yīng)力，切向應(yīng)力也是如此，表達(dá)式為：

(13)

式中角標(biāo)e表示彈性區(qū)應(yīng)力分量。

因此彈塑性界面上有如下等式成立：

(14)

式中：γ—上覆土層容重，kN/m3；h—鉆孔軸線與地面的垂直距離，m。

因此，r=R處的應(yīng)力為：

σθ=σr=γh

(15)

當(dāng)土內(nèi)摩擦角φ≠0時(shí)整理后得r=R處的應(yīng)力：

(16)

式(16)表明彈塑性界面上應(yīng)力是一個(gè)取決于γ、h、c、φ值的函數(shù)，而與孔內(nèi)壓力p0無(wú)關(guān)。

將r=R代入式(6)，并考慮式(16)，得到塑性區(qū)半徑R與p0的關(guān)系式：

(17)

從式(17)可知，p0越小，則R越大，由此可見(jiàn)增大孔內(nèi)泥漿壓力可以降低塑性區(qū)厚度，減小塑性變形。

將式(17)代入式(1)得，彈塑性解析時(shí)彈性區(qū)應(yīng)力方程式為：

(18)

5 結(jié)語(yǔ)

南水北調(diào)供水配套工程輸水管線軟弱地層大直徑孔壁穩(wěn)定影響因素分析：①地質(zhì)因素：與巖土體本身的完整程度和地層壓力有關(guān)；②泥漿因素：護(hù)壁作用、沖刷作用和水化作用；③施工工藝因素：鉆孔直徑、覆土厚度、裸眼時(shí)間及鉆進(jìn)工藝。分析了層狀結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)土體的失穩(wěn)機(jī)理，采用彈塑性力學(xué)相關(guān)知識(shí)分析孔壁穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，得到孔壁土體塑性區(qū)半徑R與泥漿壓力p0間的關(guān)系。并以沙潁河穿越工程2號(hào)管為例，利于R與p0的關(guān)系計(jì)算出鉆孔塑性半徑與鉆孔半徑的比值，計(jì)算結(jié)果反映出的孔壁穩(wěn)定性狀況與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工工況基本相符。應(yīng)用數(shù)值模擬軟件COMSOL Multiphsics對(duì)沙潁河穿越工程擴(kuò)孔1 400 mm時(shí)的鉆孔工況進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明，鉆孔上方土體可能出現(xiàn)失穩(wěn)或較嚴(yán)重的縮徑現(xiàn)象。總結(jié)出三項(xiàng)孔壁穩(wěn)定技術(shù)：①泥漿護(hù)壁技術(shù)：軟弱地層可選用Na-CMC泥漿體系或MMH泥漿體系；②注漿加固技術(shù)：垂直注漿法、導(dǎo)管注漿法和隨鉆注漿法；③套管隔離技術(shù)：夯管法和頂管法。