定向鉆施工引起堤防塌陷原因及加固方案研究

詹旺林 李林兵 高鴻

摘要：塌陷險情對堤防危害大，如處理不當，將嚴重危及堤防安全。結合工程實例，對定向鉆引起堤防塌陷的原因進行綜合分析認為，在巖溶發(fā)育地區(qū)，定向鉆施工客觀上連通了覆蓋層和溶洞內部，且在地下水位波動的影響下，覆蓋層土體流失形成土洞，當土洞失穩(wěn)塌陷，便在地面形成塌坑。針對險情發(fā)生的原因，提出了綜合治理方案：在現有管線入巖位置進行截滲，封堵土體沿管壁進入基巖溶洞或溶隙的路徑，對已探明的溶洞進行灌漿填充，對管壁周邊空隙及管頂松散土體進行黏土固化漿液灌漿填充，并在下游坡腳增設水平壓蓋。研究成果可為類似工程提供參考。

關鍵詞：堤防塌陷; 定向鉆施工; 溶洞; 灌漿; 綜合治理

中圖法分類號：TV871 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.016

文章編號：1006 - 0081（2022）04 - 0096 - 05

0 引 言

定向鉆是在不開挖地表的條件下，鋪設多種地下公用設施（管道、電纜等）的一種施工方法，20世紀70年代首先在西方發(fā)達國家興起，后逐漸被中國廣泛采用。該方法具有施工速度快、精度高、成本低等優(yōu)點，廣泛應用于供水、煤氣、電力、電訊、天然氣、石油等管線的鋪設工程。

定向鉆施工技術常被應用于江河堤防穿越。定向鉆施工主要包括導向孔、預擴孔、管道回拖等工序。在擴孔施工過程中，擴孔器在旋轉擴孔的同時噴出一定配比的泥漿，這既能對導向孔起護壁作用，也能為管道回拖提供潤滑[1-2]。在長距離管道施工中，泥漿一般需維持較高的壓力;在管道入土點及出土點附近，管頂的土層厚度較小，往往容易出現冒漿的情況。當黏土漿液夾雜泥沙冒出地面，堤基覆蓋層的防滲性能將變差。護壁泥漿干縮形成的滲流通道也容易造成管涌險情[3]。

當定向鉆穿越地表覆蓋層及下伏基巖且基巖溶洞（溶隙）發(fā)育時，覆蓋層土體在地下水位波動的作用下極易沿溶洞（溶隙）流失，進而造成地面塌陷。塌陷險情對堤防的危害極大，如果任其發(fā)展或處理不當，將嚴重危及堤防安全，必須高度重視。

目前分析定向鉆施工引起堤防塌陷的原因及相應加固治理方面的研究不多。對于堤防塌陷，大多針對堤防本身進行加固處理，如塌坑開挖回填、堤身黏土灌漿、上游斜墻防滲、下游排水反濾導滲等常規(guī)措施[4-5]。而定向鉆施工引起的堤防塌陷有深層次的水文及地質方面的原因，采取常規(guī)治理手段不能從源頭解決其根本問題，必須對堤基及堤身進行系統治理，才能取得良好效果。另外，該案例也作為類似水文及地質條件下的定向鉆施工警示：應提前做好堤基的加固處理工作，以免危及堤防安全的塌陷發(fā)生。

1 工程基本情況

儀征-長嶺原油管道復線工程橫跨江蘇、安徽、湖北、江西4省，經過揚州、南京、巢湖、安慶、黃岡、九江等城市。九江至黃岡段管道直徑559 mm，水平投影長度2 338 m，工程采用定向鉆方式穿越長江主河槽。

河道右岸為九江長江干堤（Ⅰ級堤防），穿越斷面樁號12+796。入土點距堤內坡腳約50 m，鉆孔入土角度10°，穿堤段管道位于堤頂下垂直深度約20.8 m。為解決管壁泥漿收縮管周空隙問題，在入土點附近順管道外壁插入20 m長鉆孔花管，待定向鉆施工完成后，進行入土點注漿，并在其附近一定范圍內對地層進行錐探密實注漿[6]。

2 塌坑險情

2.1 險情概況

2015年6月，定向鉆穿越長江段管道施工完成。同年12月11日，堤防管理人員巡堤發(fā)現管道穿堤段背水坡面及內堤腳有兩處塌坑：坡面塌坑呈橢圓形，長軸3.2 m，短軸2.0 m，面積約5 m2;堤腳橢圓形塌坑位于下游坡腳外5 m處，長軸2.1 m，短軸1.8 m，面積約3 m2。兩處塌坑可見深度約1 m。另外堤腳擋墻存在明顯沉降，沉陷段長約10 m，與兩側擋墻頂高落差約0.1～0.2 m。12月28日，在距上游堤腳4.5 m處又新增一圓形塌坑，直徑3.7 m，深2.3 m，塌坑面積約11 m2。三處塌坑處于同一直線上，與穿江管道位置基本對應。塌坑平面位置見圖1。

2.2 地質情況

2.2.1 工程地質

工程區(qū)位于長江漫灘一級階地，屬河流沖積地貌單元，區(qū)內地形平緩[7]。

上部第四系覆蓋層主要分布有淤泥質粉質黏土、粉質黏土，其中淤泥質粉質黏土弱透水、含水量高、強度低，厚度7～15 m。下伏基巖為第三系礫巖，礫質含碳酸鈣，多為砂質膠結，有溶隙，溶洞發(fā)育。管線鉆孔地質縱剖面見圖2。將各土層自上而下分述如下。

（1） 第四系全新統人工填土（Qr）：素填土，即堤身填筑土，土料均勻，為磚紅色粉質黏土，稍濕，中等密實，主要成分為網紋狀黏土。

（2） 第四系全新統沖積層（[Qal4]）：淤泥質粉質黏土，呈褐色、灰綠色，呈飽和軟塑狀，局部含動植物腐殖質，有腐臭味，中高壓縮性，底部含礫。厚度9.8～20.4 m，分布高程17.8～-4.9 m。

（3） 第四系中更新統沖積層（[Qal2]）：粉質黏土，硬塑狀，局部含卵礫，粉粒含量較高，切面粗糙無光澤，壓縮性低，底部一般含卵石。厚度4.4～8.5 m，分布高程7.4～-1.1 m。

（4） 下第三系新余群、臨江組并層（E1-2）：礫巖，黃白色，呈砂質膠結、局部鈣質膠結，礫徑10～100 mm，礫質為鈣質、硅質、泥質等，巖心呈塊狀、短柱狀，可見溶隙發(fā)育。ZK4孔在孔深22.9～27.0 m和27.8～32.6 m見充填溶洞。

2.2.2 水文地質

區(qū)內地下孔隙潛水主要賦存于第四系全新統（[Qal4]）表層粉質黏土、砂壤土、粉細砂層孔隙中。長江九江段最低和最高水位一般在8～19 m高程之間起伏波動，最高與最低水位波動幅度達10 m以上，年復一年、循環(huán)往復。地基下第四系覆蓋層中地下水與長江水位聯系密切，表現為汛期受長江水補給，具承壓性，枯水期地表徑流補給長江水。

2.3 塌陷原因分析

通過查閱管道及防滲專項設計方案、施工記錄、調研詳細施工過程，經綜合分析，認為塌坑產生的原因主要為以下兩個方面。

2.3.1 地下水位波動

在地表發(fā)生塌陷前，由于土體流失，地表下一定深度首先產生土洞，當土洞結構不足以支撐上部土體重量時，土洞垮塌，繼而在地表形成塌坑。

根據萬志清等[8]的研究，形成土洞的條件有3個。① 有開口面向覆蓋層的溶洞、溶隙或斷裂裂隙，能容納水流帶來的上覆土層。② 有一定厚度的覆蓋巖土層：由于地下水長期浸泡覆蓋于可溶巖上的土層，土層通常呈軟塑至流塑狀，其抗拉和抗剪強度極低，在地下水反復波動作用下形成土洞的雛形。③ 有地下水的活動：地下水是作用于覆蓋層中的最常見外力，對土層起直接的破壞作用，尤其是地下水的波動幅度、流動速度及波動頻度對土層破壞的影響顯著[9]。

在此次勘察中，ZK4孔揭露有垂直分布兩個溶洞，說明巖溶較發(fā)育。場地巖層具有可以容納水流帶來覆蓋層的空間;覆蓋層為厚度15～20 m的黏性土，受長江水補給處于飽和狀態(tài)，性狀接近淤泥，屬于力學性能差的軟弱層;場區(qū)地下水活動頻繁，受長江水位每年10 m多的起伏變化影響。

由此可見，工程區(qū)具備形成土洞的3個條件，在外部條件（穿江管道）的作用下，現有平衡被打破，加速了土洞的形成，進而土洞垮塌，在地面形成塌坑。因此，此次受地下水位波動出現地面塌坑的原因可以概括為以下3點。

（1） 儀征-長嶺復線穿江管路的施工穿透了覆蓋層、進入下伏基巖，為發(fā)育巖溶的礫巖與地下水土間提供了良好的滲流通道。

（2） 地基土覆蓋層上部為深厚的第四系粉質黏土、淤泥質粉質黏土，屬軟弱土層，力學性能差;下伏基巖有巖溶發(fā)育;受長江水位變化，地下水運動頻繁，勘察區(qū)場地具有形成土洞的天然條件。

（3） 土洞形成過程中，由于地下水位波動所產生的水、氣壓力引起的拉壓作用，軟弱土產生壓縮變形，土洞塌陷，進而在地面形成塌坑。

2.3.2 泥漿干縮

管道入土點高程為16.6 m，管道穿江段最低點高程-45.4 m，兩者落差高達62.0 m，定向鉆施工過程中預擴孔（Φ800 mm）與管壁（Φ559 mm）之間的泥漿在自重作用下析水沉淀，干泥漿沉積于河床水平段，斜坡段的管道和擴孔之間則形成了空腔。原防滲專項方案采用在管道入土段管壁預埋灌漿花管、在入土點附近一定范圍內采用錐探灌漿使地層密實。經分析，預埋花管灌漿和土層錐探灌漿范圍偏小，效果不佳，因而造成管道頂部軟塑至流塑狀土體補充進空腔，進而形成地表塌坑。

3 加固處理方案

根據上述分析得出塌坑形成的主要原因，本次加固處理方案主要從以下3個方面綜合考慮：① 在現有管線入巖位置進行截滲，封堵土體沿管壁進入基巖溶洞的路徑，并對已探明的溶洞進行灌漿填充;② 對管壁周邊空隙及管頂松散土體進行黏土灌漿填充;③ 在大堤下游坡腳增設水平壓蓋，確保堤防安全。

3.1 基巖帷幕灌漿截滲

對管道由土層進入基巖的前段進行帷幕灌漿，充填水泥漿液，封堵覆蓋土層進入基巖裂隙和溶洞的途徑，并為已探明的溶洞充填灌漿。

基巖壓力灌漿布置于管道兩側，每側布置3排灌漿孔，排距2.0 m，孔距2.0 m，灌漿深度穿透強風化層，同時深入管底基巖以下至少5.0 m。

基巖灌漿止?jié){塞固定在基巖表面，灌漿壓力不小于1 MPa。水泥漿液選定3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1， 0.6∶1，0.5∶1六個比級，由稀至稠逐級調配使用。采用3∶1的漿液起灌，2∶1，1∶1，0.8∶1的漿液主灌，0.6∶1，0.5∶1的漿液用于特殊情況處理。遇大漏段則采用由稠至稀間歇性灌注。在規(guī)定壓力下，當注入率≤0.4 L/min時，再繼續(xù)灌注60 min;或注入率≤1 L/min時，再繼續(xù)灌注90 min，即可結束灌漿[10-12]。

3.2 黏土固化水泥漿液充填灌漿

對堤外塌坑松散土體、堤外坡和堤頂下方土體均進行灌漿密實，灌漿采用黏土固化水泥漿液。

黏土固化劑水泥灌漿技術是利用鉆機在地層中造孔，然后將按一定比例混合黏土固化劑、黏土、水泥和水組成的漿液注入到松散地層中，固化劑水泥漿液填充密實土層的裂隙、孔洞形成結石體[13]。

沿管線方向布置7排灌漿孔：管頂上方布置1排，兩側各布置3排;灌漿孔排距1.0 m，孔距1.0 m。管頂一排的灌漿孔底保留安全距離至管頂以上2 m，其他灌漿孔排布至基巖面。每排孔梅花形錯開布置，分三序施工，堤內灌漿壓力控制在0.1～0.2 MPa[14]。

黏土水泥比為8∶2， 固化劑用量為水泥用量的15%，水料比為0.5∶1，每拌漿液實際用料為黏土40 kg、水泥10 kg、水75 kg。灌漿縱剖面布置見圖3。

3.3 水平壓蓋

堤腳設水平壓蓋，范圍以管軸線向兩側各延伸10 m，總寬20 m，兩側各設1∶3斜坡與堤腳平臺銜接，壓蓋厚1.5 m，壓蓋材料采用風化料或砂石混合透水料，填筑料相對密度不小于0.65，壓蓋底部先清除雜草，后鋪設土工布，土工布兩端均嵌入堤腳平臺土體內30 cm。

3.4 滲流穩(wěn)定分析

為復核加固后的堤防安全，對其進行滲流穩(wěn)定計算。加固前后各地層所取參數如表1所示。

滲流穩(wěn)定分析考慮以下兩種情況。

（1） 加固后堤身的滲流穩(wěn)定。在長江防洪水位21.16 m下，通過建模對加固處理后的堤防進行滲流及抗滑穩(wěn)定復核，如圖4所示。采用畢肖普法計算得下游堤坡的抗滑穩(wěn)定安全系數為1.85。該段堤防為九江市城防堤，級別為Ⅰ級，根據GB 50286-2013《堤防工程設計規(guī)范》，正常運行工況下采用畢肖普法所得堤防的抗滑穩(wěn)定安全系數應不小于1.5，計算結果滿足規(guī)范要求。

（2） 基巖裂隙壓力水沿原油管道管壁向外滲流情況下的穩(wěn)定。在防洪水位下，內外水位差為3.96 m，沿管壁滲流的滲透比降J=△H/L=0.05，小于堤基土的允許滲透比降（J允=0.2），滿足滲流安全要求。

綜合以上分析可知，加固后堤防滲流穩(wěn)定情況滿足規(guī)范和設計要求，不會產生滲流破壞。

4 處理效果

針對儀征-長嶺原油管道定向鉆施工過程中造成長江干堤的塌陷險情，采用了基巖帷幕灌漿、壩身及壩基土層充填灌漿、背水坡堤腳增設水平壓蓋的處理方案。塌陷險情治理完成后，經過6個水文年豐枯變化的考驗，該段堤身未出現裂縫、滑坡、塌陷、滲透破壞等險情。該方案設備簡單、施工方便、效果可靠，可為類似工程借鑒。

5 結 論

定向鉆施工技術被廣泛應用于穿越江河堤防。由于堤防工程的特殊性，進行定向鉆施工時應密切關注以下幾個方面。

（1） 護壁泥漿干縮形成的滲流通道極易造成管涌險情，在定向鉆施工完成后，必須對管道入土點及出土點進行密實注漿，以封閉因泥漿干縮而形成的滲流通道。

（2） 當施工中出現冒漿時，應密切關注覆蓋層滲透系數的變化，在必要時可在堤腳增加水平壓蓋，以保證堤基滲流安全。

（3） 在穿越溶洞或裂隙發(fā)育的巖層時，應充分研究其可能造成的堤防塌陷風險，并提前采取適當的工程措施，以避免塌陷險情的發(fā)生。

參考文獻：

[1] 周志楊.定向鉆孔鋪設HDPE管技術在市政管道工程中的應用[J].廣州建筑，2010，38（3）：36-38.

[2] 陳曉霞，楊春雷，柴義，等.定向鉆擴孔反擴反輸泥漿工藝[J].石油工程建設，2010，36（2）：106-108，13-14.

[3] 余劍平，胡維忠.定向鉆穿越堤防對堤基的影響及防滲工程設計[J].人民長江，2006，37（8）：81-83，93.

[4] 侯衛(wèi)祥.河道堤防采煤塌陷治理方法研究與應用[J]. 山東煤炭科技，2013（2）：167-169.

[5] 王鑫.北沙河堤防裂縫與塌陷應急處理方案[J]. 東北水利水電，2020，38（8）：18-19.

[6] 張勇，向功興，齊運華.儀征-長嶺原油管道復線工程儀征至九江段九江長江穿越防洪補救措施（九江側）專項設計報告[R].武漢：長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，2014.

[7] 黃文相，高鴻.儀征—長嶺原油管道復線穿九江城防堤應急處理工程專項設計地質勘察報告 [R].九江：九江水利電力規(guī)劃設計，2014.

[8] 萬志清，秦四清，李志剛，等.土洞形成的機理及起始條件[J].巖土力學與工程學報，2003，22（8）：1377-1382.

[9] 歐陽振華，蔡美峰，李長洪.地表塌陷中隱伏土洞的形成與擴展機理研究[J].金屬礦山，2006（6）：16-18，52.

[10] SL62-2014? 水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范[S].

[11] 水利水電工程施工手冊編委會.水利水電工程施工手冊第1卷.地基與基礎工程[M].北京：中國電力出版社，2004.

[12] 王冬升.滇東巖溶地區(qū)帷幕灌漿單位注灰量與單位透水率相關分析[J].水利水電快報，2021，42（8）：67-72.

[13] 鄒雙七，張柳春.粘土固化劑防滲灌漿技術在堤壩除險加固中的應用[J].湖南水利水電，2011（4）：25-27.

[14] 陳利強，盧建華，章贏，等.堤壩粗粒土控制灌漿修復加固技術[J].水利水電快報，2021，42（10）：57-62.

（編輯：高小雲）

Research on causes and reinforcement scheme for embankment subsidence caused by directional drilling

ZHAN Wanglin，LI Linbing，GAO Hong

（Jiujiang Water Conservancy and Electric Power Planning and Design Institute of? Jiangxi Province， Jiujiang 332000，China）

Abstract： The danger of subsidence seriously threatens the safety of embankment if it is not be handled well. This paper makes a comprehensive analysis on the causes of embankment subsidence caused by directional drilling construction with engineering examples. It is considered that in karst area， directional drilling can connect overburden layer and karst cave， and under the influence of groundwater level fluctuation， the overburden layer soil will lost and soil-cave forms. When the soil-cave losses stable and subsides， the pit will form on ground surface. In view of the danger causes， a comprehensive treatment scheme is proposed： cutting off seepage at the drilling position to block soil falling path along pipe wall into foundation cave or karst cave， grouting? detected karst caves， and grouting clay soil slurry for the gaps around pipe wall and the loose soil on the pipe top; and adding weighting cover at downstream slope toe. This research result can provide a reference for similar engineering projects.

Key words： embankment subsidence; directional drilling; karst cave; grouting; comprehensive treatment