泥浆护壁在管道定向钻穿越中的重要性分析

林嘉添

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

1 项目概况

红星水库是一宗小(1)型水利工程，位于湛江市东海岛试验区东山镇东北约3 km处，集雨面积为28 km2，校核库容为726万m3、相应水位为4.26 m，设计库容为626万m3、相应水位为3.94 m，正常蓄水库容为606万m3、相应水位为3.86 m。红星水库由位于东北侧的主坝、东侧的东副坝和西侧及南侧的西副坝组成。

某拟建某输气管道项目，受周边用地限制，需从红星水库下方穿过，穿越水库西副坝和东副坝。穿越管道水平长度为1 613 m，入土点位于红星水库现西副坝轴线西北侧约365 m处，距水库扩建西副坝轴线约113 m，入土角为18°。出土点位于红星水库现东副坝轴线西北侧约263 m处，距水库扩建东副坝轴线约279 m，出土角为6°。天然气管在红星水库下管顶高程为-46.0 m，管顶覆土为47～48.6 m。穿越管道规格φ508×11.9，L 415直缝电阻焊钢管，3层PE加强级防腐。根据定向钻施工方案，定向钻的钻孔孔径为φ800。

根据本项目地质勘察成果，项目区坝基地质主要有粉质黏土和中砂，黏土层和中砂层交织。项目区地质剖面见图1，各土层地质参数见表1。

图1 定向钻穿越管道纵剖面示意

表1 计算分析采用的岩土体物理力学指标

本项目采用定向钻施工。定向钻具有施工简便、快速、不占用河道行洪断面等诸多特点，广泛应用于燃气、油气和供水管道穿越河流敷设中[1]。定向钻管道外周与扩孔孔壁之间的环空部位，其工程性质类似于软土，在其固结过程中伴随着收缩而形成空洞，造成堤防不均匀沉降甚至坍塌[2]。

由于本项目管道需穿越水库西副坝和东副坝，在定向钻过程中，由于施工影响，淘挖管道线位局部土体，可能造成坝基沉降、位移，进而影响水库安全。为避免项目建设对水库安全造成影响，确保项目建设不会影响水库安全，本文研究了不同施工条件下，定向钻对水库安全影响。

2 分析计算方法

库坝稳定影响因素有库坝结构、坝基土层特性、水库水位等。本项目管道从地下穿越副坝，不破坏库坝结构，对库坝的影响主要表现在对坝基土层的影响。本项目管道从水库库坝下方穿越，在库坝下埋深较深，管顶覆土为47～48.6 m，且根据地质勘察成果，项目区库坝下不存在软弱土层，管道穿越位置不经过库坝最危险滑裂面，不会影响库坝抗滑稳定。项目建设对库坝的影响，主要为在定向钻过程中，地下钻孔可能导致坝基土层位移、沉降，进而造成库坝的位移、沉降。因此，本文根据项目区地质情况及定向钻管道穿越设计方案，分析项目建设对库坝位移、沉降的影响。

本文采用岩土通用软件FLAC3D开展计算分析。数值计算中，岩土体采用莫尔—库仑(Mohr-Coulomb)理想弹塑性模型。莫尔—库仑本构模型是理想弹塑性的，考虑了强度随围压的变化，在主应力空间内其屈服面为一不规则六面锥，该模型被广泛用来对岩土工程问题进行数值分析[3]。衬砌和混凝土板等结构采用线弹性模型。

计算模型同时包括下穿的天然气管道和水库，模型共剖分了110 820个单元和118 203个节点。根据地质勘察报告，对计算分析范围内的地层进行了适当概化，计算模型共包含4种地层：中砂、黏土、中砂、黏土(计算分析采用的岩土体物理力学参数见表1)。

计算时，共拟定如下几种计算分析工况。

1) 初始工况

计算定向钻下穿施工前的土体应力分布情况，考虑的荷载效应为地表水压力、自重荷载、建基面设计荷载。

2) 不考虑泥浆护壁钻孔工况

计算分析钻孔过程中，在管道临空面释放荷载作用下，管道周围土体的稳定性及影响范围。暂不考虑泥浆护壁的产生的压力作用。

3) 考虑泥浆护壁钻孔工况

计算分析钻孔过程中，在管道临空面释放荷载作用下管道周围土体的稳定性及影响范围。考虑泥浆护壁的产生的静水压力作用。

计算后，对比施工工况相对初始工况的沉降、地层应力变化，分析定向钻施工对水库的影响。

3 结果讨论

3.1 不考虑泥浆护壁钻孔工况

不考虑泥浆护壁钻孔工况，钻孔洞顶沉降监测见图2，天然气管道钻孔正上方的地表沉降监测见图3。可见，钻孔洞顶、钻孔正上方的地表均发生了较大的沉降后趋于收敛，钻孔洞顶最大沉降达到约2 500 mm，钻孔正上方地表沉降达到约250 mm。

图2 不考虑泥浆护壁钻孔工况钻孔洞顶沉降监测示意

图3 不考虑泥浆护壁钻孔工况钻孔正上方地表沉降监测示意

洞周变形分布见图4。不考虑泥浆护壁钻孔工况，钻孔洞周发生了较大的变形，最大位移达2 652 mm，发生在钻孔的洞顶。天然气管道钻孔正上方的地表变形分布见图5。不考虑泥浆护壁钻孔工况，地表发生了较大的变形，最大位移达到约260 mm，发生在钻孔的正上方附近。

图4 不考虑泥浆护壁钻孔工况洞周变形分布示意

图5 不考虑泥浆护壁钻孔工况地表变形分布示意

不考虑泥浆护壁钻孔工况与初始工况相比，土体地应力发生了较明显的重新分布。尤其是钻孔周围地应力重新分布比较明显，由于钻孔后临空面荷载的释放，第一主应力沿钻孔径向分布，第三主应力沿钻孔环向分布。最小第三主应力由-963 kPa变为-994 kPa，最大第一主应力维持在0 kPa左右。

钻孔之后，土体中出现了大范围的塑性区。这是由于土体力学参数较低，开挖扰动之后土体出现塑性流动，导致塑性区不断扩大。

综合上述计算结果可知，不考虑泥浆护壁钻孔工况，土体的塑性区范围很大，延伸至地表，表明天然气管道钻孔后影响范围很大。同时，区域内土体变形较大，地表最大位移达到约260 mm。可见，不考虑泥浆护壁钻孔工况，天然气管道钻孔将对地表的水工建筑物和水库的安全运行产生明显影响。

3.2 考虑泥浆护壁钻孔工况

考虑泥浆护壁钻孔工况，钻孔洞顶沉降监测见图6，天然气管道钻孔正上方的地表沉降监测见图7。钻孔洞顶、钻孔正上方的地表的沉降趋于收敛，钻孔洞顶最大沉降约为17 mm，钻孔正上方地表沉降约1.7 mm。

图6 考虑泥浆护壁钻孔工况钻孔洞顶沉降监测示意

图7 考虑泥浆护壁钻孔工况钻孔正上方地表沉降监测示意

洞周变形分布见图8。考虑泥浆护壁钻孔工况，钻孔洞周变形较小，最大位移约为18 mm，发生在钻孔的洞顶。天然气管道钻孔正上方的地表变形分布见图9。考虑泥浆护壁钻孔工况，地表发生的变形很小，最大位移仅1.7 mm，发生在钻孔的正上方附近。

图8 考虑泥浆护壁钻孔工况洞周变形分布示意

图9 考虑泥浆护壁钻孔工况地表变形分布示意

考虑泥浆护壁钻孔工况与初始工况相比，钻孔洞周土体地应力发生了重新分布，但影响范围有限，不超过5倍洞径(即4 m)。在钻孔范围之外，土体地应力分布基本维持不变。

钻孔之后，洞周塑性区深度较浅，最大塑性区深度约为1 m。

综合上述计算结果可知，考虑泥浆护壁钻孔工况，洞周土体的最大塑性区深度约为1 m，洞周地应力扰动范围约为4 m，钻孔上方地表最大位移约为1.7 mm。可见，考虑泥浆护壁钻孔工况，天然气管道钻孔不会影响地表的水工建筑物和水库的安全运行。

3.3 讨论

不同工况下的计算结果见表2。对比是否考虑泥浆护壁的计算结果可知，泥浆护壁对于本项目具有决定性的作用。若采用泥浆护壁，定向钻施工对周围土体的影响范围十分有限，洞周塑性区、洞周应力重分布范围很小，不会延伸到地表，不会影响坝基。地表最大位移1.7 mm。根据行业部门要求并结合类似工程经验，堤防穿越沉降控制参数：报警值为10 mm，控制允许值为20 mm[4]。地表坝基最大位移小于沉降控制允许值，不会影响库坝安全。

表2 定向钻施工对红星水库安全影响的计算分析结果

4 结语

水库工程是重要的水利工程，其作用为防洪、蓄水、调洪、供水等，对保护国民经济和人民生活起到重要作用。管道穿越红星水库时，必须慎之又慎，复核水库地质，分析管道穿越影响，避免影响水库安全。本文通过计算分析论证，分析了管道穿越对水库的影响。结果表明，施工过程中，泥浆护壁对于钻孔孔壁稳定具有十分重要的意义。因此，在定向钻施工过程中，应非常重视泥浆护壁的作用，并严格按设计及现场试验要求控制泥浆质量，确保泥浆护壁的压力持续作用在孔壁上。同时，施工时应加强监测，若发现监测数据明显增大，应及时采取应对措施，以确保水库安全。