泥漿護壁在管道定向鉆穿越中的重要性分析

林嘉添

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635)

1 項目概況

紅星水庫是一宗小(1)型水利工程，位于湛江市東海島試驗區東山鎮東北約3 km處，集雨面積為28 km2，校核庫容為726萬m3、相應水位為4.26 m，設計庫容為626萬m3、相應水位為3.94 m，正常蓄水庫容為606萬m3、相應水位為3.86 m。紅星水庫由位于東北側的主壩、東側的東副壩和西側及南側的西副壩組成。

某擬建某輸氣管道項目，受周邊用地限制，需從紅星水庫下方穿過，穿越水庫西副壩和東副壩。穿越管道水平長度為1 613 m，入土點位于紅星水庫現西副壩軸線西北側約365 m處，距水庫擴建西副壩軸線約113 m，入土角為18°。出土點位于紅星水庫現東副壩軸線西北側約263 m處，距水庫擴建東副壩軸線約279 m，出土角為6°。天然氣管在紅星水庫下管頂高程為-46.0 m，管頂覆土為47～48.6 m。穿越管道規格φ508×11.9，L 415直縫電阻焊鋼管，3層PE加強級防腐。根據定向鉆施工方案，定向鉆的鉆孔孔徑為φ800。

根據本項目地質勘察成果，項目區壩基地質主要有粉質黏土和中砂，黏土層和中砂層交織。項目區地質剖面見圖1，各土層地質參數見表1。

圖1 定向鉆穿越管道縱剖面示意

表1 計算分析采用的巖土體物理力學指標

本項目采用定向鉆施工。定向鉆具有施工簡便、快速、不占用河道行洪斷面等諸多特點，廣泛應用于燃氣、油氣和供水管道穿越河流敷設中[1]。定向鉆管道外周與擴孔孔壁之間的環空部位，其工程性質類似于軟土，在其固結過程中伴隨著收縮而形成空洞，造成堤防不均勻沉降甚至坍塌[2]。

由于本項目管道需穿越水庫西副壩和東副壩，在定向鉆過程中，由于施工影響，淘挖管道線位局部土體，可能造成壩基沉降、位移，進而影響水庫安全。為避免項目建設對水庫安全造成影響，確保項目建設不會影響水庫安全，本文研究了不同施工條件下，定向鉆對水庫安全影響。

2 分析計算方法

庫壩穩定影響因素有庫壩結構、壩基土層特性、水庫水位等。本項目管道從地下穿越副壩，不破壞庫壩結構，對庫壩的影響主要表現在對壩基土層的影響。本項目管道從水庫庫壩下方穿越，在庫壩下埋深較深，管頂覆土為47～48.6 m，且根據地質勘察成果，項目區庫壩下不存在軟弱土層，管道穿越位置不經過庫壩最危險滑裂面，不會影響庫壩抗滑穩定。項目建設對庫壩的影響，主要為在定向鉆過程中，地下鉆孔可能導致壩基土層位移、沉降，進而造成庫壩的位移、沉降。因此，本文根據項目區地質情況及定向鉆管道穿越設計方案，分析項目建設對庫壩位移、沉降的影響。

本文采用巖土通用軟件FLAC3D開展計算分析。數值計算中，巖土體采用莫爾—庫侖(Mohr-Coulomb)理想彈塑性模型。莫爾—庫侖本構模型是理想彈塑性的，考慮了強度隨圍壓的變化，在主應力空間內其屈服面為一不規則六面錐，該模型被廣泛用來對巖土工程問題進行數值分析[3]。襯砌和混凝土板等結構采用線彈性模型。

計算模型同時包括下穿的天然氣管道和水庫，模型共剖分了110 820個單元和118 203個節點。根據地質勘察報告，對計算分析范圍內的地層進行了適當概化，計算模型共包含4種地層：中砂、黏土、中砂、黏土(計算分析采用的巖土體物理力學參數見表1)。

計算時，共擬定如下幾種計算分析工況。

1) 初始工況

計算定向鉆下穿施工前的土體應力分布情況，考慮的荷載效應為地表水壓力、自重荷載、建基面設計荷載。

2) 不考慮泥漿護壁鉆孔工況

計算分析鉆孔過程中，在管道臨空面釋放荷載作用下，管道周圍土體的穩定性及影響范圍。暫不考慮泥漿護壁的產生的壓力作用。

3) 考慮泥漿護壁鉆孔工況

計算分析鉆孔過程中，在管道臨空面釋放荷載作用下管道周圍土體的穩定性及影響范圍?？紤]泥漿護壁的產生的靜水壓力作用。

計算后，對比施工工況相對初始工況的沉降、地層應力變化，分析定向鉆施工對水庫的影響。

3 結果討論

3.1 不考慮泥漿護壁鉆孔工況

不考慮泥漿護壁鉆孔工況，鉆孔洞頂沉降監測見圖2，天然氣管道鉆孔正上方的地表沉降監測見圖3?？梢姡@孔洞頂、鉆孔正上方的地表均發生了較大的沉降后趨于收斂，鉆孔洞頂最大沉降達到約2 500 mm，鉆孔正上方地表沉降達到約250 mm。

圖2 不考慮泥漿護壁鉆孔工況鉆孔洞頂沉降監測示意

圖3 不考慮泥漿護壁鉆孔工況鉆孔正上方地表沉降監測示意

洞周變形分布見圖4。不考慮泥漿護壁鉆孔工況，鉆孔洞周發生了較大的變形，最大位移達2 652 mm，發生在鉆孔的洞頂。天然氣管道鉆孔正上方的地表變形分布見圖5。不考慮泥漿護壁鉆孔工況，地表發生了較大的變形，最大位移達到約260 mm，發生在鉆孔的正上方附近。

圖4 不考慮泥漿護壁鉆孔工況洞周變形分布示意

圖5 不考慮泥漿護壁鉆孔工況地表變形分布示意

不考慮泥漿護壁鉆孔工況與初始工況相比，土體地應力發生了較明顯的重新分布。尤其是鉆孔周圍地應力重新分布比較明顯，由于鉆孔后臨空面荷載的釋放，第一主應力沿鉆孔徑向分布，第三主應力沿鉆孔環向分布。最小第三主應力由-963 kPa變為-994 kPa，最大第一主應力維持在0 kPa左右。

鉆孔之后，土體中出現了大范圍的塑性區。這是由于土體力學參數較低，開挖擾動之后土體出現塑性流動，導致塑性區不斷擴大。

綜合上述計算結果可知，不考慮泥漿護壁鉆孔工況，土體的塑性區范圍很大，延伸至地表，表明天然氣管道鉆孔后影響范圍很大。同時，區域內土體變形較大，地表最大位移達到約260 mm。可見，不考慮泥漿護壁鉆孔工況，天然氣管道鉆孔將對地表的水工建筑物和水庫的安全運行產生明顯影響。

3.2 考慮泥漿護壁鉆孔工況

考慮泥漿護壁鉆孔工況，鉆孔洞頂沉降監測見圖6，天然氣管道鉆孔正上方的地表沉降監測見圖7。鉆孔洞頂、鉆孔正上方的地表的沉降趨于收斂，鉆孔洞頂最大沉降約為17 mm，鉆孔正上方地表沉降約1.7 mm。

圖6 考慮泥漿護壁鉆孔工況鉆孔洞頂沉降監測示意

圖7 考慮泥漿護壁鉆孔工況鉆孔正上方地表沉降監測示意

洞周變形分布見圖8。考慮泥漿護壁鉆孔工況，鉆孔洞周變形較小，最大位移約為18 mm，發生在鉆孔的洞頂。天然氣管道鉆孔正上方的地表變形分布見圖9?？紤]泥漿護壁鉆孔工況，地表發生的變形很小，最大位移僅1.7 mm，發生在鉆孔的正上方附近。

圖8 考慮泥漿護壁鉆孔工況洞周變形分布示意

圖9 考慮泥漿護壁鉆孔工況地表變形分布示意

考慮泥漿護壁鉆孔工況與初始工況相比，鉆孔洞周土體地應力發生了重新分布，但影響范圍有限，不超過5倍洞徑(即4 m)。在鉆孔范圍之外，土體地應力分布基本維持不變。

鉆孔之后，洞周塑性區深度較淺，最大塑性區深度約為1 m。

綜合上述計算結果可知，考慮泥漿護壁鉆孔工況，洞周土體的最大塑性區深度約為1 m，洞周地應力擾動范圍約為4 m，鉆孔上方地表最大位移約為1.7 mm?？梢姡紤]泥漿護壁鉆孔工況，天然氣管道鉆孔不會影響地表的水工建筑物和水庫的安全運行。

3.3 討論

不同工況下的計算結果見表2。對比是否考慮泥漿護壁的計算結果可知，泥漿護壁對于本項目具有決定性的作用。若采用泥漿護壁，定向鉆施工對周圍土體的影響范圍十分有限，洞周塑性區、洞周應力重分布范圍很小，不會延伸到地表，不會影響壩基。地表最大位移1.7 mm。根據行業部門要求并結合類似工程經驗，堤防穿越沉降控制參數：報警值為10 mm，控制允許值為20 mm[4]。地表壩基最大位移小于沉降控制允許值，不會影響庫壩安全。

表2 定向鉆施工對紅星水庫安全影響的計算分析結果

4 結語

水庫工程是重要的水利工程，其作用為防洪、蓄水、調洪、供水等，對保護國民經濟和人民生活起到重要作用。管道穿越紅星水庫時，必須慎之又慎，復核水庫地質，分析管道穿越影響，避免影響水庫安全。本文通過計算分析論證，分析了管道穿越對水庫的影響。結果表明，施工過程中，泥漿護壁對于鉆孔孔壁穩定具有十分重要的意義。因此，在定向鉆施工過程中，應非常重視泥漿護壁的作用，并嚴格按設計及現場試驗要求控制泥漿質量，確保泥漿護壁的壓力持續作用在孔壁上。同時，施工時應加強監測，若發現監測數據明顯增大，應及時采取應對措施，以確保水庫安全。