水平定向钻施工上穿地铁隧道结构影响性分析

杨耀恒， 姜海刚， 司小东

(1.珠海城建市政建设有限公司，广东 珠海 519070； 2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)

0 引 言

随着当今社会城市化的迅速发展，各类地下管线工程因设计、施工、资金等方面原因造成了一系列的社会问题并引发大众关注，且在密集城市群发展规划中，市政配套工程的建设，不可避免地出现了市政管线与既有地铁线路空间位置重叠的现象。基于安全施工考虑，水平定向钻技术应用也随之越来越广泛。水平定向钻管道穿越技术以穿越精度高、施工速度快、造价低廉及利民环保等显著优势在管道工程穿越江河、湖泊、海岸等区域时发挥着重大作用[1]。张胤、石贤增等[2-5]对水平定向钻施工技术有一定研究，并取得了研究成果，但业内关于水平定向钻对既有轨道交通的影响研究较少，水平定向钻管道穿越技术作为管线敷设的关键技术在施工过程及地铁运营过程中均会产生重要影响。

在水平定向钻施工上穿地铁隧道过程中，如果破坏既有结构会对地铁既有线路运营造成极大的影响，甚至可能造成严重的财产损失及人员伤亡。为了规避风险，保证管线施工期间地铁结构安全，保障水平定向钻施工技术得到科学合理的应用，为后续类似工程施工提供强有力的技术支撑，有必要对其需要进行深入研究。

1 工程概况

1.1 工程简介

该城市新建道路，南北走向，南接香港路，北至梅岭西路，全长约636 m，红线宽度为24 m，规划为城市次干路，设计时速为40 km/h。本段为填方段，填方深度为0～0.4 m，两侧按1∶1.5自由放坡，放坡的水平宽度为0～0.6 m。新建道路位于地铁保护区内的长度为50 m。

采用水平定向钻施工的2条新建电力管线为南北走向，全长约636 m，红线宽度为24 m。每孔直径为1.05 m，距离地面最深约为6.5 m，两条管线中心间距为3 m。新建电力管线通过香港西路的部位上穿地铁区间隧道，如图1所示，与既有隧道结构垂直距离为7.6 m。

图1 电力管线与既有结构平面关系图

1.2 工程地质条件

通过钻探揭示，场区第四系厚度为0.40～12.0 m，主要由第四系全新统人工填土(Q4ml)、全新统陆相洪冲积层(Q4al+pl)、全新统海相沼泽化沉积层(Q4mh)及上更新统陆相洪冲积层(Q3al+pl)组成。场区内基岩以粗粒花岗岩为主，煌斑岩、细粒花岗岩呈脉状穿插其间。受王哥庄断裂影响，在场地构造破碎带影响范围内的大部分钻孔穿插有糜棱岩、碎裂岩等构造岩。现按地质年代由新到老、标准地层层序自上而下分述为①素填土、强风化上亚带花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩，既有结构主要位于微风化花岗岩地层。水平定向钻对应地铁隧道上部主要为素填土、中粗砂、粉质黏土、含黏性土粗砾砂、强风化层，隧道主要在强风化花岗岩中。

1.3 既有隧道概况

既有区间隧道埋深为12.6～16.6 m，隧道断面为马蹄形，采用喷锚构筑法施工。新建管线上穿隧道区段衬砌结构初期支护采用C25、300 mm厚喷射早强混凝土，二期衬砌结构采用C45、300 mm厚混凝土。拱部120°范围布设φ42超前注浆小导管，L=3.5m，水平倾角15°，环距0.3 m，纵距1.5 m，边墙φ25中空锚杆，L=3.0 m，间距1.0 m×0.5 m，菱形布置，如图2所示。

图2 电力管线与既有结构空间位置图

2 数值模拟结果分析

2.1 数值计算模型

采用数值模拟软件建立地层结构模型进行水平定向钻施工模拟计算。通过三维有限元分析，模拟新建道路水平定向钻施工对地铁区间隧道既有结构的影响。

根据实际工程情况沿纵向取100 m，沿横向取63 m，深度取地面以下30 m，建立数值计算模型，模型中，水平定向钻孔径1.05 m，上穿既有隧道，与隧道最小距离7.0 m。受影响的既有区间隧道均包含于该范围之内，其中①素填土层厚2 m，⑦中粗砂层厚6 m，粉质黏土层厚4 m，强风化花岗岩层厚13 m，中风化花岗岩层厚5 m。约束情况均为前后、左右方向受水平约束，垂直方向底面受竖向约束，顶面为自由表面。初始应力考虑自重应力场的影响。地层结构采用修正摩尔-库仑模型，隧道采用弹性模型。模型采用四面体+六面体单元自由划分，模型共1 194 911个节点，203 532个单元。模拟的初始条件为初始地应力场平衡，并与地层达到稳定平衡状态，作为水平定向钻施工的初始条件。

为最大限度地还原场地地层分布情况，使模型中的地层划分具有代表性，本次数值模拟对地层进行简化，根据施工影响范围内的地质条件，着重了解拟建场地及其影响范围内的地层分布情况。选取典型工程地质剖面，简化后的地层从上至下分别为：①素填土2 m，⑦中粗砂层厚6 m，粉质黏土层厚4 m，强风化花岗岩层厚13 m，中风化花岗岩层厚5 m(至模型底)。在不损失计算精度的前提下，考虑关键节点，省略次要施工环节。为保证建模的可实现性，将水平定向钻入土曲线段与出土曲线段简化为直线；水平定向钻段采用多级扩孔方式施工，由于孔径尺寸变化量相较整个模型过小，模型将多级扩孔简化为单次扩孔至最终孔径进行计算。

本次模拟计算不考虑特殊情况，假定施工过程均为理想施工状态。假设隧道主体结构完好，并作为数值模拟的前提条件。

根据本工程岩土工程勘察报告，数值计算模型中所采用的参数见表1、表2。

表1 各岩土层力学指标汇总表

表2 既有隧道结构力学指标汇总表

水平定向钻技术作为非开挖技术中最具活力的一项施工技术，具有精确导向、环保、效率高、不影响交通、施工安全性好、技术综合成本低等特点。水平定向钻机进行管线穿越的施工顺序为：地质勘探及管线探测、穿越轨迹设计、钻机选型、泥浆配置、先导孔钻进、扩孔钻进、管道回拖、环境保护、地貌恢复。主要施工工序有：钻导向孔、分级扩孔、管道回拖。

工序一：钻导向孔。利用造斜原理，在地面导向仪引导下，按预先设计的铺管线路，由钻机驱动带导向钻头的钻杆，从入钻点至出钻点，钻1个与设计轨迹尽量吻合的导向孔。导向钻进中应使钻孔实际轨迹尽可能接近设计轨迹，控制偏差在0.5 m以内。实钻中不可避免地会发生钻头偏离设计轨迹的情况，一般采用水平和深度双重控制的方式，更加注重水平方向的控制。

工序二：分级扩孔。导向孔完成后，取下导向钻头，接上反扩钻头、分动器即可进行回拉扩孔。扩孔时应视地层的不同选择不同类型的反扩钻头，同时根据地层情况，选择泥浆配方。穿越设备采用美国进口D-80水平导向钻机进行穿越，入钻角度为-15°、深度为2.5米；出钻角度为+15°、深度为2 m。导向孔完成后回扩分为八个等级，分别为Φ300 mm孔径、Φ450 mm孔径、Φ550 mm孔径、Φ650 mm孔径、Φ750 mm孔径、Φ850 mm孔径、Φ950 mm孔径、Φ1 050 mm孔径。

工序三：管道回拖。扩孔完毕，在出钻口坑一端的钻杆上，再装扩孔器与管前端通过万向节、特制拖头等连接牢固，启动钻机回拉钻杆进行拖管，将预埋管线拖入孔内，完成铺管工作。

根据工程概况及相关经验，本次计算分析分为，阶段一：初始地应力平衡，阶段二：工作井施工阶段，阶段三：管线1导向孔及扩孔施工阶段，阶段四：管线1回拖施工阶段，阶段五：管线2导向孔及扩孔施工阶段，阶段六：管线2回拖施工阶段共6个步骤。

结构的计算参数见表2，计算时认为其为理想的线弹性材料。

2.2 影响分析

水平定向钻施工阶段对隧道结构最大应力为0.072 MPa，出现在管线1定向钻施工阶段，小于C45混凝土抗拉强度设计值1.80 MPa，满足混凝土结构抗拉强度的要求；最小主应力最大值为0.569 MPa，位于初始地应力平衡阶段，小于C45混凝土的抗压强度设计值21.1 MPa，满足混凝土结构抗压强度的要求。应力云图如图3、图4所示。

图3 管线施工阶段结构最大主应力云图

图4 管线施工阶段结构最小主应力云图

图5 各施工阶段应力变化曲线图

水平定向钻施工对隧道结构水平位移最大变化量为0.006 m，出现在初始地应力平衡～工作井施工阶段，后续各施工阶段水平位移趋于稳定；竖向位移最大变化量为±0.008 m，出现在管线1导向孔及扩孔施工～管线1回拖施工～管线2导向孔及扩孔施工阶段，其他各施工阶段竖向位移较稳定。

图6 阶段6总位移云图

图7 各施工阶段位移变化曲线图

3 结束语

在花岗岩地层中，定向钻垂直间距7 m左右的情况下水平定向钻施工对既有隧道受力及变形影响不明显。施工全过程最大主应力为0.072 MPa，出现在管线1定向钻施工阶段，满足小于C45混凝土抗拉强度设计值1.80 MPa的要求；最小主应力最大值为0.569 MPa，位于初始地应力平衡阶段，满足小于C45混凝土抗压强度设计值21.1 MPa的要求。

隧道产生的变形以竖向位移为主，竖向位移最大值0.005 mm，最大值出现在管线1水平定向钻施工阶段，横向位移最大值为0.006 mm，出现在工作井施工阶段。水平定向钻施工对既有隧道位移影响较小。