定向钻施工对海塘影响分析及保护措施研究

2020-03-10张钦杰田利勇曹睿哲

水利规划与设计 2020年2期

张钦杰，田利勇，曹睿哲

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061)

海塘是指长江口、东海和杭州湾沿岸以及岛屿四周修筑的堤防(含堤防构筑物)及其护滩、保滩工程，是上海抵御风暴潮灾害的第一道防线，是最重要的安全屏障，其安全可靠性和防御能力直接关系到上海沿河地区安全[1]。近年来随着上海地区基础设施建设发展，海塘管理范围内新建管线(包括给水、排水、输油、燃气、电力、通讯等)等穿堤项目越来越多，构筑物穿越海塘可能会影响海塘堤防结构运行状态，产生堤岸结构变形或河床冲刷、淤积等现象，甚至造成海塘堤防结构损坏，发生险情。上海新建海塘90%以上都采用了有别于传统的水力充填堤坝结构，以砂性土充填土工织物外加结构护面，在对海塘进行穿堤结构物建造的时候，如何保证海塘稳定及减轻对海塘变形影响是需要解决的问题。目前上海地区穿堤管道主要以非开挖施工工艺为主，其中水平定向钻技术是其中的一种[2]，是近年发展起来的一项高新技术，将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法结合，主要用于穿越道路、河道、建筑物等障碍物。与传统大开挖埋管施工方式相比，水平定向钻技术具有施工速度快、精度高、成本低等优点，目前已在上海地区多个构筑物穿越海塘的工程项目中得以应用[3]。

1 定向钻施工对海塘影响分析

1.1 海塘渗流稳定影响分析

穿堤工程中构筑物与海塘的连接部位是较为薄弱的环节。涵洞、涵管等穿堤构筑物与同部位海堤的基础处理和结构型式有所不同，有可能会造成沉降量的不同，导致基底托空，特别是穿堤构筑物在有水位差工况下运行时，托空处即为一个渗漏通道，将直接影响海塘的安全[4]。因此穿构筑物与海堤连接处渗流稳定极其重要，必须采取必要的防渗流处理措施。

1.1.1影响因素分析

各类穿堤构筑物施工无可避免会对土体造成扰动，且由于材质的不同，穿堤构筑物管壁与地基土的接触面并非如土颗粒之间紧密有序，因此接触面为薄弱面。若地基土为无粘性土，接触面则很容易发生接触冲刷，导致土体流失，而土体的流失使得接触面间隙变大，相应的渗透速度也变大，继而加速冲刷，进入恶性循环，最终危及大堤安全。所以，穿堤构筑物对大堤安全的重要影响就是防止接触冲刷[5]。由于外海潮位是变动的，渗透水流实际上是具有双向渗流特性。鉴于此特点，接触面的水头及地下水渗透速度是影响穿构筑物与海堤连接处渗流稳定的主要因素[6]。

1.1.2渗流控制的目的

为保障穿构筑物与海堤连接处渗流稳定，需进行渗流控制。渗流控制的目的一方面保证坝体和坝基的渗透稳定，其抗渗水力比降或渗透流速满足稳定要求；另一方面控制下游水头，防止管壁和土体之间接触冲刷，保证大堤安全。

1.1.3渗控措施要求

(1)防渗处理措施

目前对于穿堤构筑物(以非开挖施工工艺为主的)常用的防渗处理有堤身大面积压密注浆和截渗墙方案两大类[7]。压密注浆对控制地基沉降和管道防渗有优势，但全断面施工费用较高。截渗墙施工工艺适应性强，防渗体应具有较强的变形适应能力和具有较好的可修补性[8]。

(2)跟踪注浆

为了进一步降低非开挖施工对土体造成的扰动，在穿堤管壁四周可采用跟踪注浆工艺，以减少管壁与地基土的接触面间的接触冲刷。

(3)止水措施

为有效地防止出渗点带出堤身土料，穿堤管道外壁与接收井连接间应设置必要的止水措施，并且为防止海水从管内回灌入堤内，穿堤施工时应注意密封处理。

1.2 海塘变形影响分析

定向钻施工对周边环境的影响机理主要表现为地面或建构筑物隆起和沉降，造成的隆起主要是由于扩孔器对周边土体的挤压和通道泥浆的压力，造成的沉降主要是因管道周边泥浆的塑性变形引起土体变形及扰动后土体的固结变形[9]。对于定向钻施工，因采用管径相对较小，成孔后采用泥浆护壁，在不出现坍孔的正常情况下，对环境的影响范围及扰动一般小于同等条件下的盾构、顶管等类似非开挖工艺造成的影响。

2 工程案例

2.1 工程概况

上海地区某通信工程为满足国际通信需要，铺设海底光缆，光缆设计登陆点位于上海临城新港东南部的南汇嘴海岸，其路由走向从南汇嘴海岸下海后向东南方向。工程位置示意图如图1所示。

2.2 海缆穿堤方案设计

本次海缆登陆需要穿越的堤防为临港新城二期围堤工程。该段堤防为上海市一线海塘，防洪标准高，海缆穿堤施工应尽量减少对大堤防洪安全及正常运行的不利影响。

根据布置需要，在大堤内坡脚以内40m登陆点位置进行非开挖定向钻施工，共埋设两根海缆保护套管。水平定向钻进穿越铺设施工首先采用钻进导向孔，然后扩孔，最后回拉铺管的施工技术[10]。光缆保护套管采用MPP管材，外径22.5cm，管壁厚20mm。穿堤平面布置及断面如图2—3所示。

图1 工程位置示意图

图2 穿堤平面布置图

2.3 穿堤处防渗处理方案

为保障穿构筑物与海堤连接处渗流稳定，对海缆穿越大堤处采用截渗墙方案进行防渗处理[11]。截渗墙方案可分为以下三类：

(1)搅拌成墙施工法，实际上就是利用深层搅拌机械在堤身、堤基一定深度范围内钻进搅拌，就地将土体与输入的水泥(或石灰)等固化剂充分拌和，使固化剂与土体产生一系列的物理—化学变化而凝结成墙体达到防渗目的。搅拌成墙机械又分为单头、双头和多头搅拌桩，三轴搅拌桩(SMW)，横向连续切削式地下连续墙工法(TRD)，双轮铣深搅工艺(CSM)等[12]。

(2)置换成墙施工法，是将堤身、堤基一定深度内的需置换土体挖除成槽，再填筑或铺设塑性混凝土、防渗膜等防渗墙体材料并连成整体的防渗墙，根据成槽工艺又分为：垂直铺塑法、锯(拉)槽法、射水法、抓斗法等。置换成墙防渗工程均需进行泥浆护壁。

图3 光缆穿堤断面图

(3)高压喷浆成墙施工法，是以高压喷射流直接冲击破坏土体，浆液与土搅拌固结来建造防渗墙。高压喷浆按其喷射方式分为旋喷、摆喷和定喷三种；接其喷管数目又可分为单管、二重管、三重管和多重管四种[13]。

根据以上各施工工艺的技术原理、特点可知，搅拌成墙和置换成墙必须在定向钻施工前完成，对定向钻的施工造成困难，而高压喷浆施工工艺可以在定向钻施工完成后进行防渗处理，而且高压喷浆压力高，墙体与管道的衔接好，另外，浆液对接触面间隙具有一定的填充补强的作用，对防渗有利，所以推荐采用高压喷浆施工工艺。

高压旋喷桩竖向深度取20m，为减少绕渗，高压旋喷桩同时向海缆两侧各延伸20m。根据工程特点，确定施工参数如下：双排高压旋喷桩，施工工艺为新单管法，桩径Ф600，相邻桩体搭接长度不小于200mm，注桨材料采用42.5普通硅酸盐水泥，水泥用量每米桩长不少于250kg，桩身强度不小于2MPa，防渗墙的渗透系数不大于1×10-6cm/s[14]。具体布置形式如图4所示。

图4 防渗墙布置图

高压旋喷桩防渗长度按下式计算：

L=C×△H

(1)

式中，L—坝基防渗长度，m；△H—上、下游水位差，m；C—允许渗径系数。

根据地勘资料，桩基位于②-1层粉砂～砂质粉土层，允许渗径系数C可取7～5，取中值C=7。水头差最大为3m，则防渗长度要求为L=3×7=21m。高压旋喷桩有效防渗长度长20+1+8=29m。按照设计，实际高压旋喷桩防渗长度为29m>21m，因此高压旋喷桩防渗满足规范要求。

2.4 定向钻施工对大堤沉降的影响

埋设海缆保护套管，采用非开挖定向钻施工。穿管前，需先扩孔，再回拉铺管。根据施工工艺，本工程扩孔系数取1.5倍的系数，最大土层损失为33.3%。由于管道周围存在较大空隙，待管道拖拉施工完成后，周围土体会出现一定量的收缩，从而引起海堤的沉降变形[15]。若防浪墙沉降过大，可能产生基础破坏、墙体开裂等现象，影响程度大。

采用有限元分析软件模拟管道穿越后对防浪墙沉降的影响，以定量地反映管道穿越海塘的影响程度。图5是土层损失分别为33.3%和10%时的总体位移图。

图5 土层损失33.3%及土层损失10%时总体位移图

管线穿越海塘，周围分别出现33.3%、10%土层损失时，防浪墙顶位移量见表1。

表1 不同土层损失量下防浪墙顶位移量

根据计算结果，两种土层损失方案下防汛墙顶位移量均在允许范围内。但考虑计算的精度及施工的不确定性，为避免防汛大堤沉降过大，导致墙体变形、开裂等不良影响，施工中，施工单位必须采取有效措施，即在拖拉完成后对管壁四周跟踪注浆，注浆压力控制在0.3～0.5MPa，并及时注入速凝剂、水泥，加快管道周围土体固结[16]。根据同类工程已有的经验，采取上述措施后，防汛大堤沉降可控制在允许范围内。