南水北調配套工程軟弱地層孔壁穩定力學分析

李春陽

(河南省南水北調中線工程建設管理局，河南 鄭州 45016)

1 大直徑孔壁失穩的危害性

大直徑孔壁失穩是水平定向鉆施工中的常見問題，尤其是在軟弱地層中鋪設大直徑管道，這是因為鉆孔的直徑越大，孔壁越容易失穩，現場施工也驗證了這一點：孔壁失穩常常發生在擴孔或回拖管道的過程中。

在擴孔過程中發生孔壁失穩，會使回擴速度降低，鉆桿的旋轉扭矩增大，鉆機功耗增加。塌孔嚴重時，可能會出現卡鉆事故，導致擴孔器無法繼續切削前進，這時應嘗試將擴孔器從出土點推出，否則待塌孔更加嚴重時，可能導致擴孔器向前向后都無法動彈，釀成更嚴重的事故。

在回拖管道過程中發生孔壁失穩便是“致命”的，輕則導致回拖力增加，需采取輔助措施幫助回拖，重則導致管道卡死，工程失敗。由此可見，孔壁失穩給水平定向鉆施工帶來的危害是巨大的，在軟弱地層鋪設大直徑管道時，施工單位必須采取措施預防孔壁失穩。

2 孔壁失穩機理

水平定向鉆在軟弱地層中敷設管道，孔壁圍巖一般為由各種軟弱的層狀結構巖土體和散體結構土體組成的塑性圍巖。這類圍巖的變形失穩主要是在應力重分布作用下發生的，主要有塑性擠出、膨脹內鼓、塑流涌出和重力坍塌等不同類型。各種類型的失穩機理如表1所示。

表1 水平定向鉆孔孔壁巖土體為塑性圍巖的失穩機理簡表

①塑性擠出。塑性擠出易發生于固結強度高的泥巖、粘土等。鉆孔鉆進后，當圍巖應力超過其屈服強度時，軟弱的塑性物質就會沿最大應力梯度方向向阻力小的空間擠出。②膨脹內鼓。膨脹內鼓易發生于富含粘土礦物(特別是易水化的蒙脫石粘土礦物)的塑性土層。鉆孔鉆進后，圍巖表層減壓區的形成往往促使水分由內部高應力區向圍巖表層轉移，同時鉆孔內的泥漿中的水分也與孔壁接觸，結果使易于吸水膨脹的巖土層發生強烈的膨脹內鼓變形，導致鉆孔縮徑直至失穩破壞。③塑流涌出。塑流涌出是當鉆孔揭穿了松散含水帶時，松散物質就會和水一起在壓力下呈泥漿狀突然涌入鉆孔中。在流砂層中鉆進時就是這種失穩機理。④重力坍塌。重力坍塌是松散的巖土體由于結構松散、土層顆粒之間的粘聚力很小而在重力作用下發生的塌方，導致鉆孔被破壞。在松散砂層、卵礫石層中鉆進時就是這種失穩機理。

3 孔壁穩定力學分析

由于地下開孔，使孔壁周圍的土體失去了原有的支撐，破壞了原來的受力平衡狀態，周圍土體將向孔洞內產生位移。其位移的結果，又改變了鄰近土體的相對平衡關系，從而引起孔壁周圍一定范圍內應力、應變及能量的調整，以達到新的平衡，形成新的應力狀態。即引起天然應力大小、方向和性質的改變，這就是應力重分布作用。經應力重分布作用后新的應力狀態與土體的力學屬性、天然應力及開挖孔洞斷面密切相關。

4 孔壁穩定的彈塑性力學分析

在鉆孔施工中，由于地應力重新分布，孔壁局部區域應力又可能超過土體彈性極限進入塑性狀態，處于塑性狀態的土體在孔壁周圍形成一個塑性圈，塑性區以外的土體則處于彈性狀態。針對軟弱土的力學性質特點，假定靜止側壓力系數λ=1時，鉆孔孔壁周圍的土應力及變形的彈塑性解。由于側壓力系數λ=1，那么孔壁周圍應力分布應是軸對稱的，塑性區是一等厚圓，計算簡圖如圖1所示。

圖1 塑性區計算簡圖

4.1 塑性區應力的計算

對于軸對稱問題，平衡方程為：

(1)

式中：σr—徑向應力；σθ—環向應力；r—塑性區一點至鉆孔軸心的距離。

在塑性區還應滿足塑性條件，這里采用摩爾庫侖準則作為塑性條件，式為：

(2)

將式(2)代入平衡方程式(1)，得：

(3)

解此非齊次方程得：

(4)

(5)

將式(5)代入式(4)及式(3)，即得塑性區應力，有：

(6)

粘土層鉆進過程中，由于泥漿的護壁及鉆桿柱的擾動，孔壁周圍塑性土體可視為飽和狀態，即內摩擦角為零，于是式(2)可變為：

(7)

將式(7)代入平衡方程式(1)，得：

(8)

解得：

(9)

M=p0+2clnr0

(10)

將式(10)代入式(9)和(7)，則可求得：

(11)

上式中字母含義同上。

式(11)表明塑性應力與上覆土層的自重應力無關，與孔壁壓力及土的物理力學性質有關。徑向應力與切向應力均隨r的增大而減小。

p0>2c，此條件應為孔壁極限平衡的最低限制條件。假設鉆孔內無內壓力平衡，此時孔壁邊界條件為：p0=0,r=r0則有：

(12)

式中字母含義同上。

此時，切向應力為負值，孔壁周圍土體開始失穩變形，在應力的調整下，必然產生向孔內的移動變形，即縮孔的產生。在重力及其他因素干擾下，徑向應力不會再呈現沿孔軸的對稱狀態，因此容易產生塌孔或漏失等孔壁失穩現象。

4.2 塑性區半徑的確定

應用塑性區和彈性區交界的協調條件來確定塑性區半徑，如圖2所示。

圖2 塑性區半徑計算圖

在交界處，彈性區徑向應力等于塑性區徑向應力，切向應力也是如此，表達式為：

(13)

式中角標e表示彈性區應力分量。

因此彈塑性界面上有如下等式成立：

(14)

式中：γ—上覆土層容重，kN/m3；h—鉆孔軸線與地面的垂直距離，m。

因此，r=R處的應力為：

σθ=σr=γh

(15)

當土內摩擦角φ≠0時整理后得r=R處的應力：

(16)

式(16)表明彈塑性界面上應力是一個取決于γ、h、c、φ值的函數，而與孔內壓力p0無關。

將r=R代入式(6)，并考慮式(16)，得到塑性區半徑R與p0的關系式：

(17)

從式(17)可知，p0越小，則R越大，由此可見增大孔內泥漿壓力可以降低塑性區厚度，減小塑性變形。

將式(17)代入式(1)得，彈塑性解析時彈性區應力方程式為：

(18)

5 結語

南水北調供水配套工程輸水管線軟弱地層大直徑孔壁穩定影響因素分析：①地質因素：與巖土體本身的完整程度和地層壓力有關；②泥漿因素：護壁作用、沖刷作用和水化作用；③施工工藝因素：鉆孔直徑、覆土厚度、裸眼時間及鉆進工藝。分析了層狀結構和散體結構土體的失穩機理，采用彈塑性力學相關知識分析孔壁穩定的臨界狀態，得到孔壁土體塑性區半徑R與泥漿壓力p0間的關系。并以沙潁河穿越工程2號管為例，利于R與p0的關系計算出鉆孔塑性半徑與鉆孔半徑的比值，計算結果反映出的孔壁穩定性狀況與現場實際施工工況基本相符。應用數值模擬軟件COMSOL Multiphsics對沙潁河穿越工程擴孔1 400 mm時的鉆孔工況進行模擬。模擬結果表明，鉆孔上方土體可能出現失穩或較嚴重的縮徑現象。總結出三項孔壁穩定技術：①泥漿護壁技術：軟弱地層可選用Na-CMC泥漿體系或MMH泥漿體系；②注漿加固技術：垂直注漿法、導管注漿法和隨鉆注漿法；③套管隔離技術：夯管法和頂管法。