水平定向鉆施工工藝對堤防的影響分析及補救措施

程誠

水平定向鉆施工工藝對堤防的影響分析及補救措施

程誠

一、水平定向鉆施工工藝

水平定向鉆施工工藝是在不開挖地表面的條件下，鋪設多種地下公用設施（管道、電纜等）的一種施工工藝，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等優點，廣泛應用于供水、電力、電訊、天然氣、煤氣、石油等管線鋪設施工中，適用于沙土、粘土、卵石等地況，我國大部分非硬巖地區都可施工，工作環境溫度為-15℃～+45℃。

水平定向鉆進鋪管的施工順序為：地質勘探、規劃和設計鉆孔軌跡、配制鉆液、鉆導向孔、回拉擴孔、回拉鋪管。

1.地層勘探及地下管線探測

地層勘探主要了解有關地層和地下水的情況，為選擇鉆進方法和配制鉆液提供依據。其內容包括：土層的標準分類、孔隙度、含水性、透水性以及地下水位、基巖深度和含卵礫石情況等。可采用查資料、開挖和鉆探方法獲取。地下管線探測主要了解有關地下已有管線和其他埋設物的位置，為設計鉆進軌跡提供依據。

2.鉆進軌跡的規劃與設計

導向孔軌跡設計是否合理對管線施工能否成功至關重要。鉆孔軌跡的設計主要是根據工程要求、地層條件、地形特征、地下障礙物的具體位置、鉆桿的出入土角度、鉆桿允許的曲率半徑、鉆頭的變向能力、導向監控能力和被鋪設管線的性能等，給出最佳鉆孔路線。

3.配制鉆液

鉆液在施工中起著非常重要的作用。鉆液是指在鉆進施工中用來與鉆孔過程中切削下來的土（或沙石）屑混合，懸浮并將這些混合物排出鉆孔的一種液體，而泥漿則是鉆液與鉆孔中鉆屑的混合物。鉆液可冷卻鉆頭（冷卻和保護其內部傳感器）、潤滑鉆具，更重要的是可以懸浮和攜帶鉆屑，使混合后的鉆屑成為流動的泥漿順利地排出孔外，既為回拖管線提供足夠的環形空間，又可減少回拖管線的重量和阻力，殘留在孔中的泥漿可以起到護壁的作用。

在不同的地質條件下，需要不同成份的鉆液。鉆液由水、膨潤土和聚合物組成。施工中用水做鉆液的主要成份，膨潤土和聚合物用做鉆液添加劑。鉆液的品質越好與鉆屑混合越適當，所制造的泥漿的流動性和懸浮性越好，回擴成孔的效果越理想，成功的概率越大。

4.鉆導向孔

鉆導向孔的關鍵技術是鉆機、鉆具的選擇和鉆進過程的監測與控制。可根據不同的地質條件以及工程的具體情況，選擇合適的鉆機、鉆具和鉆進方法來完成導向孔的鉆進。

5.回拉擴孔鋪管

在回拉擴孔鋪管施工中的關鍵技術是根據不同的土層、地下水位以及最終成孔直徑正確地選擇回擴鉆具和每次的進刀量，正確地選配鉆液和確定鉆液的流量。

當導向孔鉆進完成后，卸下導向鉆頭、發射器容納管，接上反向擴孔鉆頭和旋轉接頭（分動器），然后在旋轉接頭后接上回拉鉆桿，進行回拉擴孔鉆進。對直徑較大的孔，可進行多次擴孔鉆進，使鉆孔直徑逐漸擴大至尺寸要求。

當擴孔鉆進完成后，在回拉鉆桿后接上回擴頭和旋轉接頭，在旋轉接頭后接上拉管頭和待鋪設的管線進行反擴鋪管。

二、對堤防的影響

定向鉆穿越堤防雖然具有不開挖地面、不破壞地層結構、不損壞河堤、不擾動河床、對堤防工程影響較小的特點，但在穿越過程中總是無法避免會對管道周邊的原土體產生擾動，影響原土體的密實度，使管道周圍土體的滲透系數增大，甚至可能會沿管道周邊形成一條滲流通道，這對于堤防的穩定和安全是相當不利的，應對此段堤防進行滲流穩定分析。

1.案例分析

（1）案例概況

選取淮南垃圾焚燒發電廠取水工程為典型案例。該取水工程補給水泵房建在廠區內（距離堤防背水側堤腳130m），利用設在河床中的取水頭部和自流引水管取水至泵房。該工程引水管采用D325×8mm無縫鋼管，管長386m，采用水平定向鉆施工工藝穿越堤防、灘地與取水頭部和泵房連接，引水管中心標高為13.20m。

（2）堤基滲流穩定分析工況和參數確定

采用兩種工況對堤防進行滲流分析：

①管壁周圍土層按原狀考慮，滲透系數選用原狀土的系數；

②管壁周圍上下2.5m范圍土層被擾動，滲透系數高于原狀土系數一個數量級。

堤基土層分布及滲透系數見表1。

（3）進行堤基滲流分析

按《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）計算斷面處于自流引水管道穿越堤防處。具體計算采用河海大學工程力學研究所研制的有限元分析程序“水工結構有限元分析系統AutoANKv5.5”（網絡版）進行。

①管壁周圍土層按原狀考慮工況

圖2 堤基滲流等勢線圖（管壁周圍土體滲透系數提高一個數量級）

堤防堤頂高程28.50m，堤防迎水側地面高程20.00m，設計洪水位25.00m，背水側地面高程21.00m，行洪區內無水，水位與地面持平，滲流場計算成果見圖1。計算結果表明最大滲流出逸坡降為0.10，滿足規范設計要求。

②管壁周圍土層被擾動工況

自流引水管道采用定向鉆施工，原有管壁四周土層可能被擾動，致使管道外壁易形成滲漏通道，相當于原有管壁四周土層中有承壓水，為模擬該條件下計算工況，假定管壁上下各2.5m土層（16.0～11.0m高程）被擾動，該范圍內土體滲透系數比原狀土提高一個數量級進行分析計算。滲流場計算成果見圖2。計算結果表明最大滲流出逸坡降為0.15，滿足規范設計要求。

（4）成果分析

計算成果表明：兩種工況下，出逸坡降值小于堤基②層砂壤土～輕粉質壤土允許出逸坡降［J］=0.40～0.50及③層粉質壤土土的允許出逸坡降［J］=0.50～0.60，因此，在正常施工條件下，堤防滲透穩定能滿足要求。

2.影響分析

在正常施工條件下，定向鉆施工后，堤防滲透穩定仍能滿足相關規范要求，但是考慮定向鉆施工對原有管壁四周土層擾動時，滲流出逸坡降由0.10增大至0.15，因此定向鉆施工對堤防滲流穩定有一定的影響。

同時，考慮到水平定向鉆施工過程中，需配制鉆液，鉆液由水、膨潤土和聚合物組成，其中水作為鉆液的主要成份，膨潤土和聚合物作為鉆液添加劑。膨潤土的主要特性是膨脹性，遇水后體積變大，施工完成后，留在鉆孔里的鉆液中的膨潤土對堤防有一定的影響。

三、防治與補救措施

水平定向鉆施工過程中會對堤防產生一定的影響，因此為防止施工引起的堤防變形、滲透破壞等情況的發生，應采取適當防補措施：

1.用水泥、粘土泥漿置換原定向鉆水基泥漿，填補管道周圍空隙

定向鉆最終成孔直徑為設計管徑1.2倍，管道鋪設完成后，引水管四周尤其是上部將形成最大6.5cm的間隙而成為直接的漏水通道，威脅堤防的安全。

水平定向鉆水基泥漿多以膨潤土為主要添加劑，膨潤土是以蒙脫石為主要成分的含水粘土礦，主要化學成分是二氧化硅、三氧化二鋁，還含有鎂、鈣、鐵、鈉等氧化物，其中氧化鈉和氧化鈣的含量對膨潤土的物理化學性質和工藝技術性能影響頗大。膨潤土的主要特性是膨脹性，遇水后體積膨脹至原來的數倍乃至幾十倍。由于定向鉆泥漿為事先用水配置好的水基泥漿，體積已經膨脹，當敷設管線施工完畢后，水基泥漿因失水慢慢收縮，致使管道四周形成空隙，易形成滲流通道。

因此，應采用水泥、粘土等防滲性較好的混合泥漿置換原定向鉆水基泥漿，防止管道四周留下較大空隙，以提高管道四周土體的防滲性。置換原定向鉆水基泥漿，填補管道周圍空隙的方法，在管道回拖敷設的同時，可利用出土井在管壁外空隙間設灌漿管采用灌漿泵進行灌漿施工，灌漿材料使用水泥、粘土漿，灌漿施工工藝嚴格按照有關規范執行。

2.盡量減小預擴孔直徑，避免引起土體失穩和形成防滲通道

水平定向鉆在管道敷設之前，通過鉆導向孔、預擴孔將孔洞預擴至比管道外徑偏大尺寸。為便于管道拖曳敷設，施工時往往會加大預擴孔徑，但隨著孔徑的增大，管道敷設后泥漿體積縮小，土體與管道間遺留的空隙越大，對土體穩定和防滲不利。因此，應在滿足施工的條件下，盡量減小預擴孔直徑，避免引起土體失穩和形成防滲通道。

3.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、溶合、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，由于土壤中水份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。

4.合理控制拖曳力和拖曳速度，防止引起土體變形

水平定向鉆擴孔完成后，需利用拖曳機械將管道一次性拖至孔洞中，從而實現管線敷設。拖曳力越大，拖曳速度越大，越容易實現管線敷設。但拖曳力過大，拖曳速度過快，可能造成土體受剪切力形成較大變形，特別在管道的水平段與斜段的交接處和入土點附近往往引起的土體變形較大。因此，應根據地質和地層條件選擇拖曳機械，合理控制拖曳力和拖曳速度，防止引起土體變形■

（作者單位：安徽省淮河河道管理局233000）