水平定向鉆施工工藝對堤防穩定的影響分析

張 胤，程 大 鵬，羅 坤，李 軍

(1.南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210006； 2.南京市浦口區水務局，江蘇 南京 211800)

水平定向鉆(Horizontal Directional Drilling，簡稱HDD)埋管技術是20世紀70年代從石油和天然氣工業引入的非開挖(鉆孔)敷設管線技術[1]。與傳統的開挖或高架跨越敷設管線方式相比，該技術為解決油、氣、水、電等生命線管線穿越水域、公路、鐵路或其他障礙物提供了經濟、高效的施工方案，具有不占用土地、不影響交通和景觀等明顯優點，已為全球管線、管網基礎設施建設做出了重要的貢獻[2]。隨著我國社會和經濟的發展，管線穿越工程建設數量日益增多，采用大管徑敷設的現象也頻繁顯現[3-5]。在水利行業，涉及管線穿越河道、堤防的建設項目亦與日俱增，并呈現出快速增長的勢頭[6]。在磨子峪水庫除險加固工程中，水平定向鉆孔技術就較好地解決了新建輸水涵管的難題[7]。據統計，2016年光江蘇省定向鉆穿越河道達200余處[8-9]。隨著施工機械、施工材料以及信息化施工管理技術的發展，并歷經近半個世紀的工程應用，水平定向鉆埋管施工技術本身在鉆機功率和效率、管線定位[10]、護壁泥漿的環保性能、管徑尺寸[11]、穿越長度[12]、埋管深度[13]等方面已取得了長足的進展，并已漸趨成為一項成熟的先進實用技術。但是，其施工過程中采用增壓泥漿護壁和擴孔埋管對地基及建(構)筑物應力、變形和穩定性所造成的影響，卻鮮見有研究報道，可資借鑒的研究成果并不多見[14]。同時，隨著管徑的增大、施工項目的增多，一些工程事故卻時有發生[15-16]。比如，2016年4月儀征-長嶺原油管道復線工程在定向鉆穿越南京市浦口區永寧河施工過程中就曾出現過河底和堤防背水坡時冒漿、堤防沉降、混凝土護坡開裂損壞等現象。而這類事故，對于保障防洪安全、保護人民生命和財產安全的堤防工程而言，是必須杜絕的。因此，科學分析和評價水平定向鉆埋管技術對堤防安全的作用影響是水利技術人員和管理人員當前和今后都迫切需要攻克的技術難題，是提升水平定向鉆埋管這一先進技術在堤防工程中的應用水平迫切需要解決的重要環節。

本文基于Bishop堤防穩定計算公式，提出一套適用于水平定向鉆穿堤穩定分析的修正公式，自編程序實現其計算功能。結合南京市某給水管埋設工程，重點分析水平定向鉆擴孔施工工藝對堤防穩定的影響。分析潛在滑弧因擴孔而發生的變化規律，及擴孔過程對堤防穩定的影響。從水平定向鉆管線施工設計方面進行堤防穩定敏感性分析。相關成果可為水利行業防洪減災與工程管理，以及水利行業與其他行業涉及管線工程的交叉規劃與建設提供重要技術基礎和依據。

1 Bishop修正公式

Bishop法屬于土坡穩定分析中的“條分法”，簡化Bishop法的基本假定為：① 滑裂面形狀為圓弧形；② 土條間只有水平推力作用，條間剪力為零。

依據以上兩個基本假定條件，可以得到簡化Bishop法的安全系數計算公式如下：

(1)

水平定向鉆在掘進時，管壁受到周圍土體對其作用的側向摩阻力。該側向摩阻力可近似根據《建筑樁基技術規范》中公式5.3.3-1計算，也可根據現場試驗監測得到，本文采用第一種方法計算相關側向摩阻力。考慮到水平定向鉆掘進對堤防邊坡產生的下滑力，則公式(1) 可修正為

(2)

(3)

式中：Fs為土坡抗滑穩定安全系數；Wi為土條自重，kN；Fi為土條所受水平定向鉆掘進時產生的側向摩阻力，kN；bi為土條寬度，m；αi為土條底邊傾角；ci為土的有效凝聚力，kN/m2；φi為土的有效內摩擦角；R為滑動圓弧半徑；ui為作用于土條底邊上的孔隙水壓力；mαi為作用在土條底邊中心處的水平附加力對滑動圓心的矩。

2 模型分析背景

2.1 工程概況

南京市某給水管埋設工程，管線全長約2 190 m。其中穿越過秦淮新河工程定向鉆穿越長度540 m，敷設DN1000PE管1根。以路面為基準面，計劃穿越深度為20 m。入土點位于雨花臺區中興路北延秦淮新河南側，出土點位于建鄴區新河路秦淮新河北側。勘探深度范圍內揭露的土層分布，按其成因、類型、物理力學性質指標的差異劃分為2個工程地質層及若干亞層。穿越段管道埋深主要在②-2層淤泥質粉質黏土層為主的土層范圍內。地基土工程地質特征分層描述列于表1。根據工程地質勘測報告，各土層物理力學指標列于表2。

表1 地基土層描述Tab.1 List of subsoil description

表2 地基土層物理力學指標建議值Tab.2 List of suggested values of physical and mechanical indices of subsoil

2.2 堤防模型建立

鑒于水平定向鉆鉆孔直徑較小，其施工工藝對堤防的縱向影響范圍較小，計算模型可近似采用平面應力模型分析(見圖1)。模型縱向為1 m寬度，其水平定向鉆穿越軌跡與土層分布如圖2所示。該模型近似方法操作簡單，對于一般中小型水平定向鉆項目，在保證一定精度的同時應用較為普遍。

圖1 土條沿堤防邊坡縱向剖分示意Fig.1 Schematic diagram of longitudinal division of soil strip along embankment slope

圖2 水平定向鉆穿越堤防邊坡剖面示意Fig.2 Horizontal directional drilling through the embankment slope profile

2.3 模型邊界條件分析

計算模型中，垂直于堤防橫剖面的厚度考慮為單位長1 m，若取堤防橫剖面兩側一定范圍，將此范圍土體受到的平均附加力作為計算橫剖面所受到的力，即可實現二維到三維的轉化。此轉化的實現依據是：水平定向鉆穿越時鋪管阻力可由具體公式計算而得。

計算基本假定：① 只考慮水平定向鉆施工時鋪管側摩阻力對堤防土體的影響，不考慮注漿壓力的影響；② 土體為勻質、線彈性半無限體；③ 水平定向鉆穿越一次成功，軌跡單一，不考慮鉆孔機糾偏、旋轉的影響；④ 側摩阻力沿穿越軌跡均勻分布；⑤ 模型計算過程不考慮時間效應，僅為空間位置上的變化。

3 擴孔施工對軟弱地基堤防擾動影響分析

計算工況為施工工況，鉆機入土角度、出土角度均控制在8°。導向孔根據設計曲線鉆進，鋪設DN1000PE管，曲線按300D計算，分一孔實施，擬采用400，550，700，850，1 000，1 150，1 300 mm直徑擠擴鉆頭進行6次擴孔，然后用?1 300擴孔器進行清孔。最終擴孔直徑保證為1.2～1.5倍的鋪管直徑，確保管線鋪設通道通暢。

堤身高度取9.0 m，坡比為1∶5，堤身為壓素填土(土層①-2A)。穿越段管道埋深標高為-7.5 m，距離河底為10 m，在以②-2層淤泥質粉質黏土層為主的土層范圍內，水平定向鉆入土角及出土角均為8°。泥漿是由水、膨潤土攪拌而成，泥漿黏度可根據地質情況和管徑大小確定，泥漿黏度值可按規定選取。管線與周圍地層摩擦力采用地層豎向壓力乘以土體的摩擦系數，摩擦系數一般取0.2～0.3。

3.1 潛在滑弧分析

根據上述邊界條件及假設，計算分析堤防在水平定向鉆施工前后的安全穩定性，對比分析兩者潛在滑弧位置及相應安全系數的變化規律，定性并定量綜合比較水平定向鉆施工對原堤防安全穩定的影響。原堤安全穩定計算得到的滑弧如圖3所示，當水平定向鉆擴孔至1 m時堤防滑弧如圖4所示。在水平定向鉆穿越施工的影響下，堤防的安全系數減小，安全穩定性下降，相應的潛在滑弧有略微下移，潛在滑弧半徑增大。迎水坡潛在滑弧出露位置距坡腳由8.14 m擴大到17.57 m，背水坡潛在滑弧出露位置距坡腳由13.91 m擴大到20.61 m，表現出深層滑動傾向。

圖3 原堤防左岸潛在滑弧示意(背水坡K=3.473 7，迎水坡K=3.178 0，尺寸單位：m)Fig.3 Schematic diagram of potential sliding arc on the left embankment of the original dike(downstream slope K=3.473 7，upstream slope K=3.178 0)

圖4 水平定向鉆穿越后堤防左岸潛在滑弧示意(背水坡K=2.500 5，迎水坡K=2.223 2，尺寸單位：m)Fig.4 Schematic diagram of potential sliding arc of the left embankment of the dike after horizontal directional drilling(downstream slope K=2.500 5，upstream slope K=2.223 2)

3.2 擴孔過程穩定分析

根據水平定向鉆擴孔施工步驟，分別選取水平定向鉆穿越至堤頂前10.0 m(1號位置)、堤頂中心(2號位置)、堤頂后5.0 m(3號位置)、堤頂后10.0 m(4號位置)、堤腳前10.0 m(5號位置)、堤腳(6號位置)和堤腳后10.0 m(7號位置)7個計算分析位置，8號位置為全線擴孔完成狀態。模擬計算孔徑為?400、?550、?700、?850、?1 000、?1 150、?1 300的7次擴孔施工順序，得施工工況下水平定向鉆擴孔穿越到不同位置時堤防邊坡的安全系數如圖5～6所示。

由圖5可知：當水平定向鉆穿越管線逐漸接近堤頂中心(2號位置)時，堤防背水坡安全系數有明顯下降。水平定向鉆穿越管線對堤防背水坡安全穩定的影響在到達堤頂后5.0 m(3號位置)時逐漸減小，之后水平定向鉆穿越管線對堤防背水坡安全穩定影響可忽略不計。由圖6可知：當水平定向鉆穿越管線逐漸接近堤頂后10.0 m(4號位置)時，堤防迎水坡安全穩定明顯受到影響，相應安全系數在堤腳前10.0 m(5號位置)時有明顯下降。水平定向鉆穿越管線對堤防迎水坡安全穩定的影響范圍大致在堤頂后10.0 m(4號位置)與堤腳(6號位置)之間。該范圍之外，水平定向鉆穿越管線對堤防迎水坡安全穩定影響可忽略不計。

圖5 左岸堤防背水坡擴孔過程中各掘進位置的安全系數變化曲線Fig.5 The safety coefficient variation diagram of each tunneling position in the process of borehole expansion of the left embankment downstream slope

圖6 左岸堤防迎水坡擴孔過程中各掘進位置的安全系數變化曲線Fig.6 The safety coefficient variation of each tunneling position in the process of borehole expansion of the left embankment upstream slope

4 水平定向鉆參數對堤防安全穩定的敏感性分析

水平定向鉆施工對堤防的影響因素很多，本次研究主要從水平定向鉆穿越軌跡水平段埋深、直徑、出土角、入土角及堤防坡度5個方面，進行堤防安全穩定影響分析。

4.1 埋深的影響分析

基于水平定向鉆7次擴孔至?1 300后的施工狀態，假定左岸邊坡為管線穿入側，即模型計算入土角為8°，堤防為原設計狀態。分別計算了埋深h(h為水平定向鉆穿越管線頂部距離河床底部的垂直距離)為3，6，9，12，15 m情況下，水平定向鉆施工對堤防安全穩定的影響(見圖7)。可知：隨著埋深的增加，堤防的安全系數也隨之增加，且近似為線性變化，并有向原堤防安全系數值逼近的趨勢，說明隧道埋深越深，水平定向鉆穿越管線施工對堤防安全穩定的影響越小。當埋深超過約12倍洞徑時，其影響可忽略不計。

圖7 水平定向鉆穿越管線埋深對堤防安全系數的影響曲線Fig.7 The influence curve of horizontal directional drilling on safety coefficient of embankment

4.2 管線直徑的影響分析

為較清晰體現水平定向鉆穿越管線直徑對堤防安全穩定的影響，本次計算選取管線埋深為3 m，假定左岸邊坡為管線穿入側，即模型計算入土角為8°，堤防為原設計狀態。相應計算穿越管線直徑分別為500，800，1 000，1 200，1 500 mm時的堤防安全穩定性，計算結果如圖8所示。由圖8可知，當僅改變水平定向鉆穿越管線直徑時，隨著管線直徑的增加，堤防的安全系數隨之降低，說明水平定向鉆穿越管線直徑越大，對堤防的安全穩定的影響越大，且其近似呈線性變化。

圖8 水平定向鉆穿越管線直徑對堤防安全系數的影響曲線Fig.8 The influence curve of horizontal directional drilling pipeline diameter on safety coefficient of embankment

4.3 管線出、入土角的影響分析

采用水平定向鉆7次擴孔至?1 300后的施工狀態，堤防為原設計狀態，管線埋深為3 m。分別計算出、入土角為4°，6°，8°，10°，12°時堤防安全系數，計算結果如圖9所示。可知，隨著出、入土角角度的增加，堤防的安全系數幾乎不變。結合圖10，可知在堤防背水坡一定范圍內，水平定向鉆穿越施工出、入土角角度對堤防安全穩定影響較小，該角度的選取可僅參考施工工藝、地質等條件。

圖9 水平定向鉆穿越管線出、入土角對堤防安全系數的影響曲線Fig.9 The influence curve of horizontal directional drilling out angle or in angle on safety coefficient of embankment

圖10 水平定向鉆穿越管線出、入土角計算位置示意Fig.10 Schematic diagram of the calculated position of horizontal directional drilling out angle or in angle

4.4 堤防坡比的影響分析

采用水平定向鉆7次擴孔至?1 300后的施工狀態，管線埋深為3 m，假定左岸邊坡為管線穿入側，入土角為8°，分別計算分析堤防迎水坡坡比為1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，1∶6時的堤防安全系數(見圖11)。可知，當保持水平定向鉆穿越管道埋深和管徑一定時，堤防的安全系數隨著堤防迎水坡坡比的增加而呈線性規律增加，且坡度越小，其掘進對堤防的安全系數影響越小。

圖11 水平定向鉆掘進時堤防安全系數隨堤防坡比影響的變化曲線Fig.11 The variation curve of embankment safety coefficient with the influence of embankment slope ratio during horizontal directional drilling

5 結 論

(1) 通過水平定向鉆施工工藝，提出采用二分法優化后的Bishop修正計算方法，近似采用二維平面應力模型，并通過均勻分配管線實際三維所受摩擦力的方法來考慮施工的三維效應。該方法大大減少了建模計算的工作量，并簡化了計算步驟。

(2) 水平定向鉆穿越堤防擴孔過程中，第一次鉆孔施工對堤防迎、背水坡的影響最大，在后期6次擴孔結束后，堤防背水坡安全系數總體減少28.02%，堤防迎水坡安全系數總體減少30.04%。鉆孔穿越后，堤防迎、背水坡安全系數均約減少至施工前堤防安全系數的1/3，且對迎水坡影響較背水坡稍大一些。建議水平定向鉆穿越層附近存在軟弱夾層時，原堤防施工期安全系數計算值不宜小于1.6。

(3) 基于水平定向鉆施工對堤防影響因素的敏感性分析，各因素影響程度由高到低分別為埋深、管徑、堤防坡比、出土角及入土角。在水平定向鉆穿越的影響下，堤防的安全系數減小，其穩定性下降，相應的潛在滑弧有略微下移，潛在滑弧半徑增大，顯示出深層滑動傾向。

(4) 水平定向鉆穿越管線埋深、堤防坡比等因素與堤防的安全系數存在正比關系。其中當埋深超過約12倍管徑時，水平定向鉆施工對堤防的影響可忽略不計。而水平定向鉆穿越管徑與堤防安全系數存在近似線性變化的反比關系。穿越管線出、入土角對堤防安全穩定影響可忽略不計，該角度的選取可僅參考施工工藝、地質等條件。因此在施工過程中，應選取適當的水平定向鉆管徑和軌道埋深，加強堤防變形的安全監控，盡量減少對堤防的影響。