定向钻工艺管道穿越沁河防洪影响研究

2018-09-10王昊刘树利刘志潜王书宁李艳李栓才

人民黄河 2018年2期

王昊刘树利刘志潜王书宁李艳李栓才

摘要：针对近年来在沁河下游防洪确保堤段实施的几处采用大型定向钻工艺穿越沁河管道工程施工中出现的问题，分析了定向钻工艺管道施工影响沁河下游防洪安全的主要因素、定向钻工艺管道施工发生严重冒浆等意外情况的原因以及某工程施工时未发生冒浆的施工经验。结果表明：①采用定向钻工艺全程穿越沁河管道工程可能会对沁河下游防洪构成安全威胁；②受穿越管线通过的地层承载力差、地层不均匀等不利地质条件影响，以及现有定向钻穿越施工工艺水平与泥浆压力控制手段的局限，不能确保施工钻进过程中泥浆压力处于可控范围，也不能确保施工钻进过程中绝对不冒浆；③由于河道管理部门没有监控设备，缺乏监控手段，因此難以对定向钻穿越施工工艺与泥桨压力控制情况实施全程、实时、有效的监管。建议：①在地质条件薄弱堤段慎用定向钻施工工艺全程穿越沁河下游河道；②委托安全评估机构对已建采用定向钻工艺穿越施工的管线进行安全评估；③加强已建定向钻工艺穿越沁河管道工程的观测；④编制防守预案，做好应对。

关键词：定向钻工艺；防洪影响；管道工程；沁河

中图分类号：P634.7；TV871.1 文献标志码：A doi ；10.3969/i.issn.1000-1379.2018.02.008

沁河是黄河下游左岸最大的一条支流，沁河下游丹河口到入黄口河段为地上悬河，堤防临背悬差一般为2～4m，最高达7m，该河段左岸堤防是国务院明确的黄河防洪确保堤段，防洪安全至关重要。2003年以来，先后有5处管道工程采用大型定向钻工艺穿越沁河下游河道与堤防。由于定向钻工艺施工质量控制难度大，以及沁河下游河道地质条件的特殊性与复杂性，因此施工过程中往往出现冒浆等意外情况，对沁河下游防洪安全造成一定影响。

1 定向钻穿越沁河管线工程概况

定向钻穿越施工是一种地下非开挖管道施工技术，具有施工简便、快速，对自然环境影响小等诸多优点，采用定向钻技术穿越河流及堤防施工越来越普遍。根据资料[1-5]，2003年以来，先后有西气东输穿沁工程等5处管道工程使用大型定向钻工艺穿越沁河，管道长度1100～1800m，管道外径0.168～1.016m，管道埋深22.0～33.5m。

2 管道穿越沁河施工出现的意外情况及处理措施

受施工所需泥浆压力较大、软弱土质及施工人为控制技术等因素影响，有3处工程曾发生施工冒浆等情况。针对严重影响防洪安全的某工程出现多处冒浆等情况，建设单位采取了一系列应急除险加固措施，包括：在堤外修筑新堤，新老堤之间进行放淤；在新堤堤身处沿管壁周围防渗处理，在新堤背水侧修筑反滤后戗；对堤身及堤脚出现的裂缝进行开挖和黏土回填处理。针对其他工程施工过程中出现的冒浆等情况，也分别采取开挖基坑、回填夯实以及在两岸堤防临河堤肩修筑截渗墙等措施进行了加固处理。

3 某穿沁工程的成功经验

根据资料[6]，在沁北引黄管道穿沁工程定向钻穿越施工中，参建单位认真研究穿越施工技术要点，仔细制定防冒浆施工措施，提前对穿越路线的薄弱地带进行加固，严格控制入土点和出土点位置、导向孔施工轨迹，合理控制钻进速度、扩孔速度及最大泥浆压力，实现了不冒浆的预期目标，并创造了定向钻穿越直径1016mm、管道长度1750m、最大埋深33.5m的国内施工纪录。

4 定向钻穿河管道工程对沁河下游防洪的影响

4.1 沁河下游防洪要求

丹河口以下沁河河道为地上悬河，其长度为59km的左堤全部为国务院明确的确保堤段，防汛压力巨大。近年来在沁河上采用定向钻工艺全程穿越沁河的管道全部位于上述确保堤段范围，进一步增大了防汛压力。

4.2 河道管理范围内建设项目技术审查要求

首次采用定向钻工艺穿越沁河的西气东输穿沁工程出现冒浆等问题后，黄委出台了《黄河河道管理范围内建设项目技术审查标准（试行）》（简称《标准》）。《标准》明确：管线工程确需采取穿越堤防方式的，须经充分论证并采取相应的补救措施，保证管线本身出现任何安全故障时不得危及堤防安全；穿堤处管线顶部高程应在堤防两侧地面30m以下，管线穿越堤基时，入土点和出土点需距离堤防堤脚线200m以上，同时必须对穿堤位置上下游200m范围内的堤防进行加固处理[7]。

除西气东输穿越沁河工程外，其他工程均满足上述要求。该工程人土点和出土点距离堤防堤脚线均小于200m，穿堤处管线顶部高程距堤防两侧地面左堤仅9.37m、右堤19.00m，两项主要指标均不满足《标准》要求。2003年施工时，穿越轴线上曾多次发生冒浆和凹陷现象，左岸堤脚局部出现裂缝。后经黄河防汛抗旱总指挥部办公室批复，采取了一系列应急除险加固措施。

4.3 滩地与堤基的地层结构及土体渗透变形分析

根据资料[1-5]，沁河下游河段位于冲积平原区，河道地质构造大部分为多层结构类型，以沙性土为主，黏性土和沙性土相间分布。在洪水作用下，临背河形成较大水位差，使得滩地与堤基地层土体的渗透压力增大。当土体内部渗透水流的渗透比降超过土体允许比降时，部分土体即发生渗透变形破坏，内部形成渗流集中冲刷，逐渐发展成为渗流通道，发生渗透变形险情。

根据资料[8]，沁河下游不同土类允许的渗透比降分别为：壤土，0.3～0.6；沙壤土，0.35～0.52；粉沙，0.25～0.34。标准内大洪水（武陟水文站洪峰流量4000m3/s）下，沁河下游河段洪水位高出左岸背河地面2.00～8.45m。按最不利工况考虑，经计算，定向钻穿沁管道入土点和出土点距离堤脚应不小于33.8m。现有的5处定向钻穿沁管道工程均满足该指标。

4.4 管道周围截渗处理情况

一般情况下，应在管道入土点、出土点地面以下可能发生渗水的部位设置截渗环，在定向钻入土点、出土点采用黏土夯填，消除扩孔与管道之间的空隙，使其与管体充分接触，换填厚度不小于m3，范围为5m×5m（边长）。西气东输穿沁除险加固工程和博爱一洛阳煤层气输气管道工程均采用该防渗措施，但该方法防护范围有限，难以防止在堤防和防渗处理中间段从管道中的地质薄弱或裂缝处发生渗水。其他项目在人土点、出土点均未做截渗处理。

4.5 采用定向钻工艺穿越沁河管道工程运行工况初步分析

采用定向钻工艺进行穿越沁河管道扩孔施工时，扩孔直径必须大于铺设管道的外径，如1.0m的管道扩孔外径需达到1.5m，在整个管道路径上人为形成一环形通道；安设管道（拉管）后，管道向上拉起，在管道下部形成一通道，高度约为扩孔孔径与管道外径之差。投入运行后，对于地下水位以下的管道部分，尽管孔径周围土体会回缩，但受管道外壁的顶托，下部遗留的通道仍会形成过水通道，特别是此通道出现在堤防工程下部；对于地下水位以上的管道部分，泥浆会出现干缩，管道内油气压力的不断变化会造成管道的震動，扰动管道周围的土壤，长时间后就会在管道周围形成过水通道，影响沁河的防洪安全。国内定向钻工艺建坝下涵管等失败的例子[9]也证明定向钻涵管周围的防渗处理难度极大。

根据资料[1-5]，丹河口以下沁河河道两岸地下水位埋深为1.30～5.60m。地下水位以下，定向钻管道周围泥浆长期沉淀，可能沿管道顶部形成充满清水的贯通通道；地下水位以上，定向钻管道周围泥浆干缩，极易沿管道形成贯通通道。发生标准内大洪水（武陟水文站洪峰流量4000m3/s）时，丹河口至沁河口河段洪水位高出左岸背河地面2.00～8.45m。在临背河水位压力差作用下，洪水有可能通过两岸堤防之间滩地某个冒浆通道与河道内地下管道周围通道贯通，在两岸人土点、出土点周围渗出或翻沙冒水，形成渗透破坏，出现管涌险情。

5 结论和建议

5.1 结论

（1）采用定向钻技术全程穿越沁河管道工程可能会在沁河下游防洪方面形成安全隐患。

（2）受穿越管线通过的地层承载力差、地层不均匀等不利地质条件影响，以及现有定向钻穿越施工工艺水平与泥浆压力控制手段的局限，不能确保施工钻进过程中泥浆压力处于可控的范围，也不能确保施工钻进过程中绝对不冒浆。一旦冒浆，将必然导致在冒浆处沿管道形成贯通过水通道，成为防洪安全“明患”，对沁河防洪安全构成极大威胁。

（3）由于河道管理部门没有监控设备，缺乏监控手段，因此难以对定向钻穿越施工工艺与泥浆压力控制情况实施全程、实时、有效的监管。

5.2 建议

（1）在地质条件薄弱堤段慎用定向钻施工工艺全程穿越沁河下游河道。为确保沁河防洪安全，建议今后的穿沁管道在地质条件薄弱堤段慎用定向钻工艺全程穿越沁河的施工模式。尽管定向钻工艺存在施工成本低、速度快等优点，但鉴于沁河河道土质松散，管道在施工时易出现冒浆，甚至造成河道或堤防工程塌陷现象，加之运行中又易在管道周围形成过水通道等不利因素，在沁河大洪水时极易形成河道（施工冒浆处或地质薄弱处）一管道一堤防下部一堤外的渗水通道，对沁河防洪安全构成巨大威胁，特别是有两处穿沁管道工程在加深了埋深等措施后再次出现了冒浆现象。考虑到沁河防洪安全的重要性，应不再使用穿越方式通过沁河。

为降低施工成本，建议使用爬越方式穿越沁河。即河道内使用定向钻，堤防工程处使用爬越方式。开挖施工尽管存在工程质量容易控制等优点，但施工成本高、工期长，受影响因素多。如将河道内施工改为定向钻模式，可大大减轻建设单位负担。同时，尽管河道内可能形成渗水通道，但因为爬越管道超过防洪水位，所以可完全杜绝因管道施工造成的堤防内外渗水，确保沁河防洪安全。

鉴于已批准施工项目中出现的意外冒浆或塌陷现象均与地质结构有关，今后应加密地质勘探点，摸清管道处地质情况，保障施工安全，尽可能减轻对防洪工程的影响。

（2）委托安全评估机构对已建采用定向钻工艺穿越施工的管线进行安全评估。对于运行时间较长且主体工程施工时出现过险情的项目，相关部门可申请专项经费，对管道进行开挖，详细勘察和研究管道投入运行后周围土体情况，分析管道周围渗水情况，制定相应的具体处理措施。

（3）加强已建定向钻穿越沁河管道工程的观测。对全程采用定向钻工艺施工的5处穿沁工程，要加强汛期洪水时的运行观测。要安排专人进行观测，特别是出现持续时间较长的洪水时，要密切关注定向钻穿越管道上下游各200m范围内的临背河情况。

（4）要编制防守预案，做好应对。编制专项防守预案，积极做好应对。尤其要提前备足抢险料物，如柳料、石料、土方等，洪水时一旦出现管涌等险情，则可立即投入抢险，避免险情扩大。

参考文献：

[1]黄河水利委员会勘测规划设计研究院.西气东输沁河穿越工程沁河大堤应急度汛加固设计报告[R].郑州：黄河水利委员会勘测规划设计研究院，2003：1-14.

[2]河南黄河勘测设计研究院.武陟—温县天然气管道穿越沁河堤防遗留隐患处理措施专项设计报告[R].郑州：河南黄河勘测设计研究院，2012：1-10.

[3]黄河勘测设计有限公司.焦作市沁北引黄灌区项目穿沁河倒虹吸工程防洪评价报告[R].郑州：黄河勘测设计有限公司，2012：7-9.

[4]黄河水利科学研究院.博爱—洛阳煤层气输气管道工程穿越沁河防洪评价报告[R].郑州：黄河水利科学研究院，2013：7-10，60.

[5]河南黄河勘测设计研究院.博爱—郑州—薛店天然气管道工程穿越工程：沁河定向钻穿越工程变更方案防洪评价报告[R].郑州：河南黄河勘测设计研究院，2013：7-14.

[6]李怀前，申胜斌，王书宁，等.大型定向钻技术在引黄管道穿越沁河的实践探索[J].人民黄河，2015，37（增刊2）：169-171.

[7]黄河水利委员会.黄河下游河道管理制度汇编[Z].郑州：黄河水利委员会，2010：159.