定向鉆施工對海塘影響分析及保護措施研究

張欽杰，田利勇，曹睿哲

(上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200061)

海塘是指長江口、東海和杭州灣沿岸以及島嶼四周修筑的堤防(含堤防構筑物)及其護灘、保灘工程，是上海抵御風暴潮災害的第一道防線，是最重要的安全屏障，其安全可靠性和防御能力直接關系到上海沿河地區安全[1]。近年來隨著上海地區基礎設施建設發展，海塘管理范圍內新建管線(包括給水、排水、輸油、燃氣、電力、通訊等)等穿堤項目越來越多，構筑物穿越海塘可能會影響海塘堤防結構運行狀態，產生堤岸結構變形或河床沖刷、淤積等現象，甚至造成海塘堤防結構損壞，發生險情。上海新建海塘90%以上都采用了有別于傳統的水力充填堤壩結構，以砂性土充填土工織物外加結構護面，在對海塘進行穿堤結構物建造的時候，如何保證海塘穩定及減輕對海塘變形影響是需要解決的問題。目前上海地區穿堤管道主要以非開挖施工工藝為主，其中水平定向鉆技術是其中的一種[2]，是近年發展起來的一項高新技術，將石油工業的定向鉆進技術和傳統的管線施工方法結合，主要用于穿越道路、河道、建筑物等障礙物。與傳統大開挖埋管施工方式相比，水平定向鉆技術具有施工速度快、精度高、成本低等優點，目前已在上海地區多個構筑物穿越海塘的工程項目中得以應用[3]。

1 定向鉆施工對海塘影響分析

1.1 海塘滲流穩定影響分析

穿堤工程中構筑物與海塘的連接部位是較為薄弱的環節。涵洞、涵管等穿堤構筑物與同部位海堤的基礎處理和結構型式有所不同，有可能會造成沉降量的不同，導致基底托空，特別是穿堤構筑物在有水位差工況下運行時，托空處即為一個滲漏通道，將直接影響海塘的安全[4]。因此穿構筑物與海堤連接處滲流穩定極其重要，必須采取必要的防滲流處理措施。

1.1.1影響因素分析

各類穿堤構筑物施工無可避免會對土體造成擾動，且由于材質的不同，穿堤構筑物管壁與地基土的接觸面并非如土顆粒之間緊密有序，因此接觸面為薄弱面。若地基土為無粘性土，接觸面則很容易發生接觸沖刷，導致土體流失，而土體的流失使得接觸面間隙變大，相應的滲透速度也變大，繼而加速沖刷，進入惡性循環，最終危及大堤安全。所以，穿堤構筑物對大堤安全的重要影響就是防止接觸沖刷[5]。由于外海潮位是變動的，滲透水流實際上是具有雙向滲流特性。鑒于此特點，接觸面的水頭及地下水滲透速度是影響穿構筑物與海堤連接處滲流穩定的主要因素[6]。

1.1.2滲流控制的目的

為保障穿構筑物與海堤連接處滲流穩定，需進行滲流控制。滲流控制的目的一方面保證壩體和壩基的滲透穩定，其抗滲水力比降或滲透流速滿足穩定要求；另一方面控制下游水頭，防止管壁和土體之間接觸沖刷，保證大堤安全。

1.1.3滲控措施要求

(1)防滲處理措施

目前對于穿堤構筑物(以非開挖施工工藝為主的)常用的防滲處理有堤身大面積壓密注漿和截滲墻方案兩大類[7]。壓密注漿對控制地基沉降和管道防滲有優勢，但全斷面施工費用較高。截滲墻施工工藝適應性強，防滲體應具有較強的變形適應能力和具有較好的可修補性[8]。

(2)跟蹤注漿

為了進一步降低非開挖施工對土體造成的擾動，在穿堤管壁四周可采用跟蹤注漿工藝，以減少管壁與地基土的接觸面間的接觸沖刷。

(3)止水措施

為有效地防止出滲點帶出堤身土料，穿堤管道外壁與接收井連接間應設置必要的止水措施，并且為防止海水從管內回灌入堤內，穿堤施工時應注意密封處理。

1.2 海塘變形影響分析

定向鉆施工對周邊環境的影響機理主要表現為地面或建構筑物隆起和沉降，造成的隆起主要是由于擴孔器對周邊土體的擠壓和通道泥漿的壓力，造成的沉降主要是因管道周邊泥漿的塑性變形引起土體變形及擾動后土體的固結變形[9]。對于定向鉆施工，因采用管徑相對較小，成孔后采用泥漿護壁，在不出現坍孔的正常情況下，對環境的影響范圍及擾動一般小于同等條件下的盾構、頂管等類似非開挖工藝造成的影響。

2 工程案例

2.1 工程概況

上海地區某通信工程為滿足國際通信需要，鋪設海底光纜，光纜設計登陸點位于上海臨城新港東南部的南匯嘴海岸，其路由走向從南匯嘴海岸下海后向東南方向。工程位置示意圖如圖1所示。

2.2 海纜穿堤方案設計

本次海纜登陸需要穿越的堤防為臨港新城二期圍堤工程。該段堤防為上海市一線海塘，防洪標準高，海纜穿堤施工應盡量減少對大堤防洪安全及正常運行的不利影響。

根據布置需要，在大堤內坡腳以內40m登陸點位置進行非開挖定向鉆施工，共埋設兩根海纜保護套管。水平定向鉆進穿越鋪設施工首先采用鉆進導向孔，然后擴孔，最后回拉鋪管的施工技術[10]。光纜保護套管采用MPP管材，外徑22.5cm，管壁厚20mm。穿堤平面布置及斷面如圖2—3所示。

圖1 工程位置示意圖

圖2 穿堤平面布置圖

2.3 穿堤處防滲處理方案

為保障穿構筑物與海堤連接處滲流穩定，對海纜穿越大堤處采用截滲墻方案進行防滲處理[11]。截滲墻方案可分為以下三類：

(1)攪拌成墻施工法，實際上就是利用深層攪拌機械在堤身、堤基一定深度范圍內鉆進攪拌，就地將土體與輸入的水泥(或石灰)等固化劑充分拌和，使固化劑與土體產生一系列的物理—化學變化而凝結成墻體達到防滲目的。攪拌成墻機械又分為單頭、雙頭和多頭攪拌樁，三軸攪拌樁(SMW)，橫向連續切削式地下連續墻工法(TRD)，雙輪銑深攪工藝(CSM)等[12]。

(2)置換成墻施工法，是將堤身、堤基一定深度內的需置換土體挖除成槽，再填筑或鋪設塑性混凝土、防滲膜等防滲墻體材料并連成整體的防滲墻，根據成槽工藝又分為：垂直鋪塑法、鋸(拉)槽法、射水法、抓斗法等。置換成墻防滲工程均需進行泥漿護壁。

圖3 光纜穿堤斷面圖

(3)高壓噴漿成墻施工法，是以高壓噴射流直接沖擊破壞土體，漿液與土攪拌固結來建造防滲墻。高壓噴漿按其噴射方式分為旋噴、擺噴和定噴三種；接其噴管數目又可分為單管、二重管、三重管和多重管四種[13]。

根據以上各施工工藝的技術原理、特點可知，攪拌成墻和置換成墻必須在定向鉆施工前完成，對定向鉆的施工造成困難，而高壓噴漿施工工藝可以在定向鉆施工完成后進行防滲處理，而且高壓噴漿壓力高，墻體與管道的銜接好，另外，漿液對接觸面間隙具有一定的填充補強的作用，對防滲有利，所以推薦采用高壓噴漿施工工藝。

高壓旋噴樁豎向深度取20m，為減少繞滲，高壓旋噴樁同時向海纜兩側各延伸20m。根據工程特點，確定施工參數如下：雙排高壓旋噴樁，施工工藝為新單管法，樁徑Ф600，相鄰樁體搭接長度不小于200mm，注槳材料采用42.5普通硅酸鹽水泥，水泥用量每米樁長不少于250kg，樁身強度不小于2MPa，防滲墻的滲透系數不大于1×10-6cm/s[14]。具體布置形式如圖4所示。

圖4 防滲墻布置圖

高壓旋噴樁防滲長度按下式計算：

L=C×△H

(1)

式中，L—壩基防滲長度，m；△H—上、下游水位差，m；C—允許滲徑系數。

根據地勘資料，樁基位于②-1層粉砂～砂質粉土層，允許滲徑系數C可取7～5，取中值C=7。水頭差最大為3m，則防滲長度要求為L=3×7=21m。高壓旋噴樁有效防滲長度長20+1+8=29m。按照設計，實際高壓旋噴樁防滲長度為29m>21m，因此高壓旋噴樁防滲滿足規范要求。

2.4 定向鉆施工對大堤沉降的影響

埋設海纜保護套管，采用非開挖定向鉆施工。穿管前，需先擴孔，再回拉鋪管。根據施工工藝，本工程擴孔系數取1.5倍的系數，最大土層損失為33.3%。由于管道周圍存在較大空隙，待管道拖拉施工完成后，周圍土體會出現一定量的收縮，從而引起海堤的沉降變形[15]。若防浪墻沉降過大，可能產生基礎破壞、墻體開裂等現象，影響程度大。

采用有限元分析軟件模擬管道穿越后對防浪墻沉降的影響，以定量地反映管道穿越海塘的影響程度。圖5是土層損失分別為33.3%和10%時的總體位移圖。

圖5 土層損失33.3%及土層損失10%時總體位移圖

管線穿越海塘，周圍分別出現33.3%、10%土層損失時，防浪墻頂位移量見表1。

表1 不同土層損失量下防浪墻頂位移量

根據計算結果，兩種土層損失方案下防汛墻頂位移量均在允許范圍內。但考慮計算的精度及施工的不確定性，為避免防汛大堤沉降過大，導致墻體變形、開裂等不良影響，施工中，施工單位必須采取有效措施，即在拖拉完成后對管壁四周跟蹤注漿，注漿壓力控制在0.3～0.5MPa，并及時注入速凝劑、水泥，加快管道周圍土體固結[16]。根據同類工程已有的經驗，采取上述措施后，防汛大堤沉降可控制在允許范圍內。

3 結語

(1)為保障穿堤構筑物施工期間海塘安全穩定，穿堤構筑物施工過程中，應考慮穿堤建(構)筑物與海堤的連接部位的滲流穩定，并進行必要防滲處理措施。

(2)對于采用定向鉆施工工藝的穿堤管道，一般管道埋深較深，管徑不大，推薦采用截滲墻的滲控措施。通過不同截滲墻施工工藝方案比選，推薦采用高壓噴漿施工工藝。

(3)因穿堤管道施工完成后周圍土體會出現一定量的收縮，從而引起海堤的沉降變形。可采用有限元分析方法，考慮相應土層損失，模擬管道穿越后對海塘沉降的影響。