水平定向鉆穿越河道的風險分析

劉 堅,劉紅梅

(廣東粵水電勘測設計有限公司，廣東 佛山 528000)

1 概述

水平定向鉆管道定向穿越的基本原理是：按設計曲線用水平定向鉆機沿預先設定的地下敷設管道的軌跡鉆1個小口徑導向孔，隨后再用擴孔器回拉分級擴孔，當擴孔至尺寸要求后，回拖敷設地下管線。鉆導向孔、擴孔及回拖均需要用泥漿(鉆井液)護壁。施工過程示意見圖1。

(1)鉆導向孔

(2)預擴孔

(3)管線回拖

水平定向鉆技術最早出現在20世紀70年代，是傳統的公路頂管穿越的方法和油田定向鉆井技術的結合，可用于輸送石油、天然氣、石化產品、水、污水等流體和電力、光纜各類管道的施工[1]。與其他穿越方式如頂管、盾構隧道施工方法相比，具有穿越速度快，節約施工成本，成孔直徑與穿越管道直徑比值小等優點，這已成為目前廣泛采用的施工方法。它也常應用于河道、堤圍的穿越，在施工過程中及后期的使用中，可能會對河道及堤圍造成一些不利的影響。現將水平定向鉆對河道可能造成的風險進行分析，并提出預防措施供參考。同時結合實例介紹了定向鉆引發的堤圍險情和處理措施。

2 水平定向鉆穿越河道、堤圍的主要風險類型

水平定向鉆穿越對河道、堤圍的風險主要有以下幾類。

2.1 堤圍豎向變形

堤圍豎向變形主要包括：沉降、隆起、塌陷等變形。造成豎向變形有多種原因，如：施工工藝、地質、施工過程控制等。

1) 施工工藝的原因

水平定向鉆最終的擴孔直徑通常為管道外徑的1.2～1.5倍，施工完成后孔壁與管道之間形成了由泥漿填充的空隙，這些空隙內的泥漿在后期容易發生固結等塑性變形，使得堤圍發生沉降變形，尤其在大管徑、定向鉆埋深淺的情況下風險更大。

2) 地質原因

在松散的沙土層中進行定向鉆孔時，容易發生孔壁坍塌等事故，這也容易造成堤圍發生沉降變形。

3) 施工過程控制原因

實際施工中受多種因素影響，鉆孔通道可能被阻斷而造成返漿中斷，此時鉆井液仍在不斷地泵入孔中，鉆井液壓力升高，尤其是當拖管過程的回拖速度過快，鉆井液受回擴器之后的管道擠壓，將使阻斷處至回擴器區間的鉆井液壓力急劇上升，形成施工俗稱的“液壓鎖”和“憋壓”現象。壓力增大容易產生地面冒漿、隆起等現象[2]。

2.2 堤圍橫向變形

堤圍豎向變形主要包括：水平位移、滑坡等變形。造成橫向變形的原因有施工擾動影響、施工開挖等。

1) 施工擾動影響

水平定向鉆在鉆進過程中會擾動周邊的土體，這將造成局部土體的抗剪強度降低，同時泥漿進入土層的裂隙內將形成軟弱夾層，這些對于堤圍的抗滑穩定不利。尤其當成排布置數根管道時，整體影響寬度可達20 m以上，足以影響堤坡抗滑穩定性[3]。

2) 施工開挖影響

水平定向鉆在鉆進過程中有時會由于管道未牽引到位，需要在堤腳附近把管道開挖出來進行駁接。管道通常埋深較大，開挖容易造成堤圍的水平變位及滑坡等不利影響，詳見后文的實例分析。

2.3 堤腳附近及河道冒漿

冒漿也是水平定向鉆施工中經常出現的現象，主要由施工工藝、地質、勘察孔冒漿等多種原因造成。施工工藝及地質原因與堤圍豎向變形的原因類似。

勘察孔冒漿常發生在勘察孔離穿越線太近的情況，文獻[4]中實例講述勘察孔距穿越管線只有5 m，在施工時發生了泥漿泄露事故。

2.4 滲透破壞

在定向鉆施工過程中可能發生的滲透破壞主要是管涌，主要與施工工藝及地質情況有關。

1) 施工工藝的原因

水平定向鉆施工完成后，隨著后期環空泥漿固結和土體蠕動變形，會在管道周圍形成軟弱帶，可能為形成管涌提供通路。并不是所有的水平定向鉆穿越堤防工程都會造成管涌，但環狀空間的存在提供了這一通道，如果存在滲透水流作用，環空泥架中的細顆粒物質可能在組成砂層的粗顆粒中移動以至流失就有可能將這種軟弱帶發展成“主滲漏帶”，進一步發展形成管涌[5]。

2) 地質原因

在穿越強透水層時，尤其是透水層與河水連通的情況下，極易發生管涌。某天然氣管道定向鉆穿越靳江河時，由于地質條件復雜，施工時鉆頭卡鉆，施工單位在河底開挖鉆頭，將河堤處一水塘的覆蓋層挖穿，由于內河水的壓力而形成管涌[6]。

3 預防措施

3.1 堤圍豎向變形預防措施

1) 對施工工藝的預防措施

規程[7]5.5.3條規定：管道穿越沉降嚴格控制地區時，管道與孔壁環空間隙內的應采用水泥砂漿置換。另外要保證堤圍底下管道的埋深不宜過淺，常常不應小于管徑的5～6倍。文獻[3]建議管道在堤基以下的埋深按堤防建基面以下不小于管徑10倍且不小于2倍堤身高度來初擬，同時還應滿足結構和防滲等要求。

若埋深過淺，可以采取對上覆的堤圍進行加固處理，如攪拌樁、旋噴樁、灌漿等，以減小堤圍豎向變形。

2) 不良地質的預防措施

在容易坍塌的土層中，除了采取上覆堤圍的加固措施外，針對性的泥漿配方也非常重要。一般在沙土層中采用粘度較大的泥漿，在黏土層中采用粘度較小的泥漿進行護壁。以上措施都可減少孔壁坍塌的風險。

3) 地面隆起預防措施

施工過程中由于泥漿壓力過大引起的地面隆起，可以通過觀察返漿情況，調整管道回拖速度，來避免返漿受阻，控制泥漿的壓力，預防地面隆起的發生。

3.2 堤圍橫向變形預防補救措施

1) 施工擾動預防措施

當原有堤圍存在靈敏度較高的軟土堤基時，可考慮事前進行加固處理，如采用攪拌樁、旋噴樁或堤腳反壓等加固堤基措施，保證堤基擾動后的穩定性。

2) 施工開挖預防措施

防止施工大開挖的關鍵點是管道牽引到位。管道牽引不到位通常是由于管道焊接場地不夠或者管道回拖過程中卡鉆。若一次焊接場地不夠，可以回拖部分管道后再進行二次焊接再回拖。此時需要控制好二次焊接的時間，防止回拖中斷時間過長，影響管道二次回拖。卡鉆主要是地質影響，在容易卡鉆的土層中(沙土、軟土)要進行專項設計。

若確實無法避免需要大開挖，則需做好基坑支護措施，同時要做好基坑的截滲，防止對堤圍產生不利影響。

3.3 堤腳附近及河道冒漿預防措施

防止冒漿設計要讓穿越管道有一定的埋深，避免泥漿從地面冒出。勘察鉆孔要離管道軸線不小于10 m，勘察時要對鉆孔進行封孔處理。另外施工時需控制泥漿壓力，防止施工速度過快導致“液壓鎖”和“憋壓”現象，防止泥漿壓力過大而導致冒漿。

3.4 滲透破壞預防措施

1) 對施工工藝的預防措施

規程[7]條文說明：管道回拖完成后，有時管道與鉆孔之間會存在較大間隙，在穿越堤壩、敏感區域或埋深淺時，較大的環空間隙可能會引起堤壩管涌、地面塌陷等事故，此時必須對該環空進行注漿加固處理。

環空注漿有2種方式：管道回拖時的同步注漿和回拖后的注漿。同步注漿的方法存在阻塞鉆桿的風險，一般不建議采用。回拖后的注漿是指管道回拖就位后，通過位于環狀空間和管道之間的注漿管進行注漿加固某些區域的注漿方法。注漿管多采用硅芯管，埋設注漿管可以通過使用多管拖管頭將注漿管與管道一同拉入孔內，管道敷設就位后，注漿管不能影響生產管的正常使用(如圖2所示)。因此，在管道回拖前，應該對注漿管的材質和直徑進行設計，選擇合適的注漿管，待生產管鋪設就位后，就可以進行環空注漿[5]。環空注漿可以只在堤圍一定范圍內進行加固。

圖2 水平定向鉆鋪管后環空注漿示意

有些工程在入土點及出土點附近進行開挖，采用混凝土節水環等措施。筆者認為該方法與防滲設計理念“前堵后排”不符，加固效果值得商榷。建議采用該方法時應與環空注漿加固結合使用。

2) 不良地質的預防措施

產生滲透破壞的不良地質主要是砂土層，尤其砂土層與河水聯通的情況。預防措施可以分兩種情況考慮：砂土層深厚和砂土層有限深。

在砂土層深厚的情況下，管道在砂土中穿越河道，此時采用環空注漿是最好的加固方式。

在砂土有限深的情況下，管道盡量選擇在砂土以下的黏土層中穿越河道，此時可以采用環空注漿加固或者在管道穿過砂土層的位置采用圍封截滲樁將管道附近局部砂土與周圍透水砂層隔離開，防止外江水通過砂土層直接進入管道環空部位。圍封截滲樁可以采用密排攪拌樁、旋噴樁等。加固示意見圖3。

圖3 有限深砂土層圍封隔離加固示意

4 實例分析

廣東省某重點工程天然氣管采用水平定向鉆穿越河道。入土點與出土點的水平長746.4 m。管道規格為Ф900×22.2 直縫埋弧焊鋼管。實際施工時，管道焊接施工場地的臨時征地得不到妥善解決，導致牽引管焊接長度比原設計少了94 m，使得管道端頭沒有到達原設計位置，管端部離堤圍很近，埋藏較深(堤腳以下7.6 m)。此后采用鋼板樁對頂支護進行開挖施工，開挖深度約為7.6 m。在進行第二道支撐前，挖至5 m深時，在堤頂處出現順堤圍的裂縫(長約16.5 m)，且存在一定的下沉，出現了滑坡險情的前兆。施工單位立刻對基坑進行了回填處理，防止險情進一步發展。

4.1 險情原因分析

管道軸線與堤圍軸線呈較小的角度(17°)，管道端頭底高程大約為-4.7 m，位于堤后。具體施工方案為在堤圍側打入12 m長鋼板樁、內涌側打入9 m長鋼板樁、采用Ф500鋼管對頂的基坑支護措施進行開挖施工，險情發生時的開挖斷面情況見圖4。

圖4 原施工方案剖面示意

堤頂出現裂縫時基坑內出現冒砂的現象。冒砂通常是由于管涌或者基坑突涌產生的。根據ZK10鉆孔(見圖4)可知，基坑底部存在一層砂礫層，其上為粉質粘土隔水層，砂礫層為承壓水層，該層地下水補給主要為外江及魚塘，平均承壓水頭位于地表面左右。根據規程[8]附錄C.0.1抗突涌計算公式驗算該基坑開挖到5 m時的抗突涌穩定性，公式如下。

(1)

式中Kty為突涌穩定性安全系數，不應小于1.1；D為承壓含水層頂面至坑底的土層厚度,m；γ為承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度,kN/m3；對成層土，取按土層厚度加權平均的天然重度；Δh為基坑內外的水頭差,m；γw為水的重度,kN/m3。

抗突涌計算簡圖見圖5。抗突涌穩定系數Kty=(20×2.6+21.3×2.4)÷(10×10)=1.03。抗突涌穩定系數小于規程[8]要求的1.1，處于臨界狀態，這與施工現場冒砂的情況相吻合。同時若粉質粘土層存在滲漏通道，還將有管涌發生的可能性。冒砂現象的出現，說明堤防底部的砂礫層有部分砂由于滲透破壞被帶走，由此導致堤基沉降，堤背水坡下滑，堤頂出現裂縫。

圖5 原施工方案抗突涌計算示意

除上述原因外，還有以下滑坡的不利因素存在：一是堤基有淤泥質土層，二是由于基坑排水地下水位下降，導致堤坡后的滲透坡降加大，對抗滑穩定不利。

4.2 基坑加固方案

由險情原因分析可知，加固的重點是防止基坑的滲透破壞，其次是基坑的穩定性。

基坑底位于富水的中砂層中，下臥粉質粘土隔水層及砂礫承壓水層。為減少降水對周圍環境的影響，采用坑內井點降水+防滲截水帷幕的方式處理，這樣可大大減少基坑涌水量，同時保證坑外水位不會降得太低。井點降水井的底標高位于砂礫承壓水層的底部，兼做降壓井，防止基坑突涌破壞。防滲帷幕底高程穿過承壓水層伸入隔水層不小于1.5 m，防滲帷幕采用旋噴樁、咬合排樁。

加固方案采用灌注樁和鋼板樁作為支護結構，平面上呈四邊形的封閉結構。為加強堤圍側的基坑安全，在堤圍側采用灌注樁支護，在內涌魚塘側采用鋼板樁支護，3排鋼管內支撐，支護高度7.6 m。截水措施堤圍側采用咬合灌注樁止水，樁與樁之間互相咬合200 mm，魚塘側除鋼板樁外另采用密排旋噴樁止水，基坑內側設置4個降水井兼減壓井。具體剖面方案見圖6所示。

采用該方案后，后續施工順利，沒有出現任何過大的變形及滲透破壞，加固效果良好。待管道連接完畢后，進行了基坑回填處理，并對堤圍采取了充填灌漿加固。

4.3 實例分析小結

本實例涉及到的風險類型有：堤圍豎向變形、堤圍橫向變形、滲透破壞。若開始就能解決好管道焊接場地的臨時征地問題，所有以上風險均可避免。

5 結語

水平定向鉆穿越河道、堤圍的主要風險類型有：堤圍豎向變形、堤圍橫向變形、堤腳附近及河道冒漿、滲透破壞等。

對于堤圍安全除了進行定量的抗滑穩定分析及滲流分析[9-10]，還應根據地質、現場地形地貌、臨時用地等情況進行定性分析。在風險較高的情況下，則應該采取必要的預防措施，降低安全風險。本文針對水平定向鉆穿越河道、堤圍的各類風險提出了一些預防措施，可為水平定向鉆涉河管理及風險評估提供參考。