定向钻穿堤数值模拟分析及工程案例对比

任火良，陈文江

（浙江省钱塘江管理局嘉兴管理处, 浙江 嘉兴 314300）

定向钻穿堤数值模拟分析及工程案例对比

任火良，陈文江

（浙江省钱塘江管理局嘉兴管理处, 浙江 嘉兴 314300）

随着水利事业的兴起，钱塘江流域开展大规模的建设。运用Plaxis2d软件建立数值模型，选择土层合理参数和本构模型，模拟定向钻穿堤过程对堤防的影响，并与曹娥江定向钻穿越管道工程监测成果进行对比分析，探讨了定向钻穿堤过程对堤防的影响。

定向钻施工；数值模拟；工程监测；成果对比

近年来，钱塘江流域正在开展大规模的水利工程建设，众多引排水管道工程需要从江底穿越[1]。水平定向钻穿越技术[2]通常作为中小管道穿堤的首选，其具有工期短、适用条件广、对环境影响小、施工成本以及后期运营维修成本低等优点。本文在深入理解定向钻穿越技术的基础上，利用有限元软件，采用莫尔库仑模型，研究定向钻穿堤施工过程对海塘安全性的影响[3-4]，并结合上虞市经济开发区交汇井泵站迁建工程曹娥江穿越管工程监测[5],对比数值模拟与实测成果，为今后工程设计和施工提供参考依据。下取40 m。海塘堤顶高程10.40 m，定向钻中心轴线高程为- 6.00 m，管道直径为1.20 m。采用15节点高精度三角形单元，莫尔库伦本构进行模拟。网格单元划分质量是数值计算的一个重点，为提高划分质量，在钻孔周围建立一块矩形区域，对矩形区域沿线进行加密(见图1)，模型划分1 064个单元，8 729个节点，应力点数12 768个。

图1 有限元计算模型网格图

1 工程简介

曹娥江过江穿越管工程是上虞区经济开发区交汇井泵站迁建工程的一部分，采用定向钻技术穿越江底施工，入土点位于东侧，入土角为8°，出土端位于西侧，出土角为5°，入土端和出土端曲率半径均为2 000 m。穿越管线采用钢管，其尺寸为Φ1 200 mm×18 mm，设计工作压力为0.4 MPa。

2 定向钻穿堤数值模拟分析

2.1 计算模型与参数

利用Plaxis2D有限元分析软件构建数值模型。模型左右边界自定向钻轴线向两侧取各40 m，下侧边界自堤顶向

数值计算中，不同土层重度、摩擦角、粘聚力参数等根据本工程地质勘查选取，泊松比根据土质参照工程地质手册取值，土的弹性模量根据贾堤等提出的计算公式计算：E = αES。式中：α取值范围为3 ～ 5，PLAXIS中定义E为50%强度的割线模量(MPa)，ES为土的压缩模量（MPa）。模型计算参数见表1。

表1 模型计算参数表

2.2 定向钻施工过程模拟

首先采用标准固定界面，建立土与结构接触面单元，通过激活或冻结类组和结构对象来模拟定向钻施工过程。主要步骤如下：

（1）初始地应力生成。据现场实测地下水位、土层性质生成初始应力。堤防形成时间较长，可以假定施工前土体固结完成，地应力场比较稳定。

（2）钻导向孔。采用直径230 mm的钻头进行钻孔，模拟时将导向孔内土体冻结，通过设置水压代替施工。

（3）扩孔。通常定向钻需要多次扩孔才能满足工程要求，最终扩孔至设计孔径1 200 mm，扩孔阶段泥浆压力使周围土体产生变形。

（4）管道回拖+泥浆收缩。扩孔后将管道回拖，管道回拖完成后，管道内部类组疏干类型，管道周围泥浆稳定后出现轻微收缩。

2.3 数值计算结果分析

经过上述几个步骤，竖向位移计算结果见图2。土层竖向位移呈对称分布，钻孔上方土体位移随着深度增加而增加，最大值出现在钻孔顶端，钻孔下方周围土体出现轻微隆起，越靠近钻孔底端，隆起越大。定向钻施工完成后，钻孔周边有效应力场发生变化，有效应力由浅到深逐渐增大，钻孔周边主应力近似垂直钻孔壁（见图3）。

计算完成后，在数值模型上通过布设监测点，查看测点位移变化。以编号管轴线上方堤顶表面测点H为中心，向两侧分别布设13个测点，间距分别为3.1，3.1，4.6，4.6，6.2，6.2，6.2 m，编号依次为A ～ O。

图2 施工完成后模型竖向位移云图

图3 施工完成后模型有效应力图

监测点竖向位移变化见图4：①堤顶表面测点沿着钻孔轴线对称分布，轴线上沉降量大，两侧逐渐降低。堤顶地表测点沉降最大值为32.2 mm，位于钻孔轴线正上方，两侧边缘测点沉降值为2.8 mm；②定向钻施工主要影响范围为钻孔轴线两侧约15.0 m。

图4 堤顶地表沉降测点沉降量图

3 工程监测成果

3.1 监测点布置

定向钻穿越堤防过程中会扰动周围土层，使土层原始应力发生改变和土体平衡遭到破坏，地面产生沉降，影响堤防安全，因此，施工过程中有必要开展堤防监测。沿管轴线向堤顶两侧各布设6个观测点，测点间距分别为3.0，3.0，4.0，5.0，5.0，10.0 m，共计13个，编号依次为S1 ～ S13。

3.2 观测结果

自2014 年10月29日开始钻导向孔至12月29日工程回拖管施工完成，截至2015年1月5日，堤顶各观测点累计沉降见图5，最大值为30.9 mm，位于管轴线上部观测点S7。

图5 右岸堤顶观测点的累计沉降量图

4 成果对比

利用Plaxis2D有限元软件建立合理数值模型，根据地质勘查成果选取合理土层参数，模拟定向钻导向孔施工、预扩孔施工以及管道回拖施工过程，将数值计算成果与现场监测成果进行对比分析。图6为管轴线上部堤顶测点沉降随时间变化关系曲线图，图7为堤顶观测点累计沉降量图。

图6 右岸管轴线堤顶观测点S7（H）沉降曲线图

图7 右岸堤顶观测点的累计沉降量图

（1）钻导向孔阶段，地表沉降速率缓慢，线性比较明显；扩孔阶段，随着孔径逐渐增加，周围土层受到扰动随之增大，因此测点沉降速率显著增加，沉降量较大，约占施工期的2/3；回拖阶段，沉降速率减小，主要由于拖管周围泥浆收缩引起沉降。

（2）数值模拟与实测堤顶地表沉降趋势一致，地表沉降沿管轴线对称分布，中间大，两端小，表明离管轴线越远，地表沉降受施工影响越小。

（3）从现场实测数据和模拟结果可以看出，定向钻施工主要影响范围自钻孔轴线向两侧约15.0 m。

5 结 论

（1）利用Plaxis2D有限元软件，建立数值模型，选取土层参数、边界条件、本构模型等能够较好地模拟定向钻施工过程，其计算结果与现场监测结果基本吻合。

（2）定向钻施工过程中，尽管影响地层变形的因素较多，如复杂的地质条件、钻孔孔径、地面荷载、过程控制以及施工人员素质等。但施工前，通过合理选取参数进行数值模拟，能够预测定向钻施工过程中，地表土体的变形趋势以及主要影响范围，从而做到有的放矢。

（3）施工过程中，开展监测工作，不仅检验设计的正确性与合理性，还能为科研积累资料，进而提高堤防工程设计管理水平。

[1] 邴风举，王新，习宁，等.顶管施工三维数值模拟及土质适用性研究[J].地下空间与工程学报，2011,7(6)：1209 - 1215.

[2]岳青华.多管并行定向钻穿堤数值模拟分析[J].科技研究，2014（12）：173 - 175.

[3] 郑烨，樊建苗.盾构施工对堤顶沉降的预测及控制研究[J].山西建筑，2013,39(7)：178 - 179.

[4] 杨迎晓，陈峰.钱塘江边冲海积粉土基坑安全性数值分析[J].岩土工程学报，2014,36(2)：18 - 23.

[5] 徐学勇，樊延强，宋庆晓，等.软土地区盾构掘进引起地表沉降变形计算与分析[J].土工基础，2013,37(1)：80 - 82.

（责任编辑 郎忘忧）

TP319

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1008 - 701X(2017)03 - 0044 - 03

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.013

2016-03-25

任火良(1963 - )，男，高级工程师，大学本科，主要从事水利工程技术管理。