水平定向鉆施工工藝對堤防穩定的影響分析

楊杰

（中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000）

引言

水平定向鉆(HorizontalDirectionalDrilling，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，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。目前水平定向鉆埋管技術已成為天燃氣管道鋪設工程中的首選，且該工藝可在－15°～45°環境下正常工作，不需要大開挖施工，使得該技術的應用發展更為迅速。尤其隨著城鎮化建設發展，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。研究發現，水平定向鉆鉆孔深度可達60m、長度可達幾千米、埋管直徑可達1.2m，泥漿壓力可達兆帕級，擴孔直徑一般為埋管直徑的1.5倍。現行的國內外相關的規范和研究成果主要集中在埋管線路設計(包括曲率半徑、入鉆(出管)角度、出鉆(入管)角度、埋深等)，埋管施工設計(包括泥漿性能、泥漿壓力、管線牽引拉力等)，以及管道的受力分析(包括管道外壁上的土壓力、管道的彎曲應力和變形、軸向應力和變形、以及壓屈穩定性等)。但其施工過程中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，可資借鑒的相關研究成果并不多見，僅見有關于水平定向鉆施工引起地表隆起和塌陷方面的機理研究。現有的國內外有關水平定向鉆穿越敷設管線的設計規范并未考慮水平定向鉆施工過程中泥漿護壁鉆孔對地基應力變形和上覆建筑物安全穩定性的影響，比如，美國ASTMF1962－11 規范第1.4 條中就特別申明，該規范并不涉及水平定向鉆的應用安全，應用安全由用戶負責。再如，我國《油氣輸送管道穿越工程設計規范》(GB50423—2013)第3.3.9款規定：“當采用水平定向鉆或隧道穿越河流堤壩時，應根據不同的地質條件采取措施控制堤壩和地面的沉降，防止穿越管道處發生管涌，不應危及堤壩的安全”。但是很多水平定向鉆穿越河流堤壩時并沒有采取控制沉降的措施，即便一些工程采取了相應措施，但對這些措施的效果還缺乏必要的分析評價。在我國，已見報道的和未見報道的因水平定向鉆埋管穿越堤防施工引起的工程事故已經引起了水利管理部門的高度重視，對于事故后分析和處理方面的研究已取得了一定的經驗。《堤防工程設計規范》(GB50286—2013)第10.2.1 款規定“壓力管道、熱力管道，輸送易燃、易爆流體的各類管道，宜跨堤布設，并采取相應的安全防護措施。確需穿過堤防時，應進行專門論證”。但是，目前仍缺乏在事前進行系統分析和評估水平定向鉆埋管對堤防運行安全影響的科學有效的技術方法，并亟待有預防和管控施工風險、保障工后長期運行安全的技術標準。

一、定向鉆穿越技術

定向鉆系統內部包括鉆機系統、控向與造斜系統、鉆具、泥漿系統、擴孔與回拖系統、動力輔助系統。定向鉆一般在穿越河流、湖泊、公路和山體或（構）筑物等障礙物施工中比較常見，用于大口徑、長距離石油天然氣管道的敷設。定向鉆施工的過程中以設計鉆孔軌跡為依據，使用定向鉆進技術先開一個導向孔，隨后在鉆桿端部換接大直徑的擴孔鉆頭進行擴孔，或換接直徑小于擴孔鉆頭的待敷設管線進行管道回拖，從而完成鋪設作業。

二、水平定向鉆施工工藝對堤防穩定的影響分析

（一）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10.0m(1 號位置)、堤頂中心(2 號位置)、堤頂后5.0m(3 號位置)、堤頂后10.0m(4 號位置)、堤腳前10.0m(5 號位置)、堤腳(6 號位置)和堤腳后10.0m(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、1000、1150、1300 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1-2 所示。由圖1 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5.0m(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2 可知：當水平定向鉆穿越管線逐漸接近堤頂后10.0m(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10.0m(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10.0m(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。

（二）導向孔鉆進

該工程選擇GD5000-L 型定向鉆機，額定功率為2×294KW，生產能力為350T，因為工程地質涉及到砂層，所以導向孔鉆進使用φ140mm×9.6m鉆桿。以免鉆孔過程中導向孔和設計穿越曲線出現偏移的現象，現場地面設置人工磁場，以此保證控向系統準確性。開始鉆導向孔與安裝鉆桿之前，需要合理設置參數，具體如下：初始曲率半徑與收尾曲率半徑以1560m 為宜，入土角和出土角分別設置為8°、6°，出土點高差調整為1.25m，間隔角度是0.38°。按照設計曲線對現場所有鉆桿控向理論的參數進行優化，探頭實際參數、理論參數展開對比，使實際鉆孔曲線和理論曲線的誤差降到最低。鉆導向孔期間，要清理孔內雜質，并且保證孔壁穩定性與孔內泥漿面，降低阻力的同時鉆進漿液。漿液調配需要用到5%～7%的膨潤土、+0.20%～0.40%的增添劑、+0.30%的降濾失劑、+0.20%的固體潤滑劑，砂層中需要摻加0.20%的CMC 纖維素。正常在實施導向孔鉆進的過程中，施工人員需要運用馬氏漏斗，間隔2h 對泥漿粘度進行測量。導向孔施工期間使用的鉆頭噴嘴的泥漿壓力不能超過1MPa，否則會因為壓力超過限制導致冒漿現象。

為了提高導向的精準性，按照鉆桿長度、曲率要求，曲線段所有鉆桿角度統一調整為0.38°，控向人員做好控向工作，以施工規范要求與設計曲線展開鉆進作業，使所有鉆桿操作與設計階段設定的曲率半徑相符。鉆進施工期間要對鉆進方向進行測定，按照顯示設備呈現的數據明確鉆頭所處位置。控向人員實時監控穿越曲線，控向作業不能一蹴而就，以免期間出現卡鉆的問題。造斜段鉆進0.5～3m 需要進行一次量測，水平直線段則要間隔3～5m 實施一次量測，最終得到的量測參數、設計曲線理論參數展開對比，4 根鉆桿得到的累計折角誤差小于0.50°，軌跡偏離誤差小于鉆桿直徑1.50 倍，如果超出這一數值需要重新糾偏。

（三）鉆桿軌跡設計

鉆孔軌跡設計合不合理是管道施工能否成功的關鍵。鉆孔軌跡設計主要是依據設計要求、地質情況、地形特點、地下障礙物、鉆桿進出土角度、鉆桿轉彎半徑、鉆頭轉向能力、導向監控能力和被敷設管線性能等綜合確定。鉆孔軌跡按以下要求設計。①最小覆土深度不得小于設計管徑大小的5～6 倍；②管道敷設在現有建筑基礎上部時，與基礎水平凈間距要大于1.5 米；③管道敷設在現有建筑基礎下部時，須在持力層擴散角之外。

（四）合理控制泥漿壓力和盡量減少水玻璃用量

防止造成土體變形和遺留滲流通道水平定向鉆在鉆導向孔、預擴孔和回拖敷設穿越管線過程中，需要借助于專門配制的水基泥漿來維持孔洞的穩定。水基泥漿是以水為基礎，添加一定比例的膨潤土、水玻璃和高分子聚合物等，然后通過攪拌、融合、水化后打入孔洞。由于驅動地下鉆具和維持孔洞穩定的需要，要根據管道穿越的地質和地層條件來確定泥漿壓力。泥漿壓力過小，不利于孔洞的穩定和定向鉆的施工；但泥漿壓力過大，往往會造成冒漿、失漿、地面隆起、塌陷等土體變形現象，影響堤防安全穩定。因此，應根據地質和地層等條件，合理控制泥漿壓力，最大限度減小泥漿壓力，以防止因泥漿壓力過大而造成土體變形。另外，應盡量減少水基泥漿中水玻璃的用量。水玻璃俗稱泡花堿，化學名硅酸鈉，是一種水溶性硅酸鹽，其耐堿性和耐水性差，遇水即溶，由于土壤中水分的存在造成含水玻璃泥漿難以成形，長期遺留滲流通道對防滲不利。

結語

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。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。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。