南水北调配套工程软弱地层孔壁稳定力学分析

李春阳

(河南省南水北调中线工程建设管理局，河南 郑州 45016)

1 大直径孔壁失稳的危害性

大直径孔壁失稳是水平定向钻施工中的常见问题，尤其是在软弱地层中铺设大直径管道，这是因为钻孔的直径越大，孔壁越容易失稳，现场施工也验证了这一点：孔壁失稳常常发生在扩孔或回拖管道的过程中。

在扩孔过程中发生孔壁失稳，会使回扩速度降低，钻杆的旋转扭矩增大，钻机功耗增加。塌孔严重时，可能会出现卡钻事故，导致扩孔器无法继续切削前进，这时应尝试将扩孔器从出土点推出，否则待塌孔更加严重时，可能导致扩孔器向前向后都无法动弹，酿成更严重的事故。

在回拖管道过程中发生孔壁失稳便是“致命”的，轻则导致回拖力增加，需采取辅助措施帮助回拖，重则导致管道卡死，工程失败。由此可见，孔壁失稳给水平定向钻施工带来的危害是巨大的，在软弱地层铺设大直径管道时，施工单位必须采取措施预防孔壁失稳。

2 孔壁失稳机理

水平定向钻在软弱地层中敷设管道，孔壁围岩一般为由各种软弱的层状结构岩土体和散体结构土体组成的塑性围岩。这类围岩的变形失稳主要是在应力重分布作用下发生的，主要有塑性挤出、膨胀内鼓、塑流涌出和重力坍塌等不同类型。各种类型的失稳机理如表1所示。

表1 水平定向钻孔孔壁岩土体为塑性围岩的失稳机理简表

①塑性挤出。塑性挤出易发生于固结强度高的泥岩、粘土等。钻孔钻进后，当围岩应力超过其屈服强度时，软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向向阻力小的空间挤出。②膨胀内鼓。膨胀内鼓易发生于富含粘土矿物(特别是易水化的蒙脱石粘土矿物)的塑性土层。钻孔钻进后，围岩表层减压区的形成往往促使水分由内部高应力区向围岩表层转移，同时钻孔内的泥浆中的水分也与孔壁接触，结果使易于吸水膨胀的岩土层发生强烈的膨胀内鼓变形，导致钻孔缩径直至失稳破坏。③塑流涌出。塑流涌出是当钻孔揭穿了松散含水带时，松散物质就会和水一起在压力下呈泥浆状突然涌入钻孔中。在流砂层中钻进时就是这种失稳机理。④重力坍塌。重力坍塌是松散的岩土体由于结构松散、土层颗粒之间的粘聚力很小而在重力作用下发生的塌方，导致钻孔被破坏。在松散砂层、卵砾石层中钻进时就是这种失稳机理。

3 孔壁稳定力学分析

由于地下开孔，使孔壁周围的土体失去了原有的支撑，破坏了原来的受力平衡状态，周围土体将向孔洞内产生位移。其位移的结果，又改变了邻近土体的相对平衡关系，从而引起孔壁周围一定范围内应力、应变及能量的调整，以达到新的平衡，形成新的应力状态。即引起天然应力大小、方向和性质的改变，这就是应力重分布作用。经应力重分布作用后新的应力状态与土体的力学属性、天然应力及开挖孔洞断面密切相关。

4 孔壁稳定的弹塑性力学分析

在钻孔施工中，由于地应力重新分布，孔壁局部区域应力又可能超过土体弹性极限进入塑性状态，处于塑性状态的土体在孔壁周围形成一个塑性圈，塑性区以外的土体则处于弹性状态。针对软弱土的力学性质特点，假定静止侧压力系数λ=1时，钻孔孔壁周围的土应力及变形的弹塑性解。由于侧压力系数λ=1，那么孔壁周围应力分布应是轴对称的，塑性区是一等厚圆，计算简图如图1所示。

图1 塑性区计算简图

4.1 塑性区应力的计算

对于轴对称问题，平衡方程为：

(1)

式中：σr—径向应力；σθ—环向应力；r—塑性区一点至钻孔轴心的距离。

在塑性区还应满足塑性条件，这里采用摩尔库仑准则作为塑性条件，式为：

(2)

将式(2)代入平衡方程式(1)，得：

(3)

解此非齐次方程得：

(4)

(5)

将式(5)代入式(4)及式(3)，即得塑性区应力，有：

(6)

粘土层钻进过程中，由于泥浆的护壁及钻杆柱的扰动，孔壁周围塑性土体可视为饱和状态，即内摩擦角为零，于是式(2)可变为：

(7)

将式(7)代入平衡方程式(1)，得：

(8)

解得：

(9)

M=p0+2clnr0

(10)

将式(10)代入式(9)和(7)，则可求得：

(11)

上式中字母含义同上。

式(11)表明塑性应力与上覆土层的自重应力无关，与孔壁压力及土的物理力学性质有关。径向应力与切向应力均随r的增大而减小。

p0>2c，此条件应为孔壁极限平衡的最低限制条件。假设钻孔内无内压力平衡，此时孔壁边界条件为：p0=0,r=r0则有：

(12)

式中字母含义同上。

此时，切向应力为负值，孔壁周围土体开始失稳变形，在应力的调整下，必然产生向孔内的移动变形，即缩孔的产生。在重力及其他因素干扰下，径向应力不会再呈现沿孔轴的对称状态，因此容易产生塌孔或漏失等孔壁失稳现象。

4.2 塑性区半径的确定

应用塑性区和弹性区交界的协调条件来确定塑性区半径，如图2所示。

图2 塑性区半径计算图

在交界处，弹性区径向应力等于塑性区径向应力，切向应力也是如此，表达式为：

(13)

式中角标e表示弹性区应力分量。

因此弹塑性界面上有如下等式成立：

(14)

式中：γ—上覆土层容重，kN/m3；h—钻孔轴线与地面的垂直距离，m。

因此，r=R处的应力为：

σθ=σr=γh

(15)

当土内摩擦角φ≠0时整理后得r=R处的应力：

(16)

式(16)表明弹塑性界面上应力是一个取决于γ、h、c、φ值的函数，而与孔内压力p0无关。

将r=R代入式(6)，并考虑式(16)，得到塑性区半径R与p0的关系式：

(17)

从式(17)可知，p0越小，则R越大，由此可见增大孔内泥浆压力可以降低塑性区厚度，减小塑性变形。

将式(17)代入式(1)得，弹塑性解析时弹性区应力方程式为：

(18)

5 结语

南水北调供水配套工程输水管线软弱地层大直径孔壁稳定影响因素分析：①地质因素：与岩土体本身的完整程度和地层压力有关；②泥浆因素：护壁作用、冲刷作用和水化作用；③施工工艺因素：钻孔直径、覆土厚度、裸眼时间及钻进工艺。分析了层状结构和散体结构土体的失稳机理，采用弹塑性力学相关知识分析孔壁稳定的临界状态，得到孔壁土体塑性区半径R与泥浆压力p0间的关系。并以沙颍河穿越工程2号管为例，利于R与p0的关系计算出钻孔塑性半径与钻孔半径的比值，计算结果反映出的孔壁稳定性状况与现场实际施工工况基本相符。应用数值模拟软件COMSOL Multiphsics对沙颍河穿越工程扩孔1 400 mm时的钻孔工况进行模拟。模拟结果表明，钻孔上方土体可能出现失稳或较严重的缩径现象。总结出三项孔壁稳定技术：①泥浆护壁技术：软弱地层可选用Na-CMC泥浆体系或MMH泥浆体系；②注浆加固技术：垂直注浆法、导管注浆法和随钻注浆法；③套管隔离技术：夯管法和顶管法。