張 胤，程 大 鵬，羅 坤，李 軍

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210006； 2.南京市浦口區(qū)水務(wù)局，江蘇 南京 211800)

水平定向鉆(Horizontal Directional Drilling，簡(jiǎn)稱(chēng)HDD)埋管技術(shù)是20世紀(jì)70年代從石油和天然氣工業(yè)引入的非開(kāi)挖(鉆孔)敷設(shè)管線技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)的開(kāi)挖或高架跨越敷設(shè)管線方式相比，該技術(shù)為解決油、氣、水、電等生命線管線穿越水域、公路、鐵路或其他障礙物提供了經(jīng)濟(jì)、高效的施工方案，具有不占用土地、不影響交通和景觀等明顯優(yōu)點(diǎn)，已為全球管線、管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)做出了重要的貢獻(xiàn)[2]。隨著我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，管線穿越工程建設(shè)數(shù)量日益增多，采用大管徑敷設(shè)的現(xiàn)象也頻繁顯現(xiàn)[3-5]。在水利行業(yè)，涉及管線穿越河道、堤防的建設(shè)項(xiàng)目亦與日俱增，并呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭[6]。在磨子峪水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中，水平定向鉆孔技術(shù)就較好地解決了新建輸水涵管的難題[7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年光江蘇省定向鉆穿越河道達(dá)200余處[8-9]。隨著施工機(jī)械、施工材料以及信息化施工管理技術(shù)的發(fā)展，并歷經(jīng)近半個(gè)世紀(jì)的工程應(yīng)用，水平定向鉆埋管施工技術(shù)本身在鉆機(jī)功率和效率、管線定位[10]、護(hù)壁泥漿的環(huán)保性能、管徑尺寸[11]、穿越長(zhǎng)度[12]、埋管深度[13]等方面已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，并已漸趨成為一項(xiàng)成熟的先進(jìn)實(shí)用技術(shù)。但是，其施工過(guò)程中采用增壓泥漿護(hù)壁和擴(kuò)孔埋管對(duì)地基及建(構(gòu))筑物應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性所造成的影響，卻鮮見(jiàn)有研究報(bào)道，可資借鑒的研究成果并不多見(jiàn)[14]。同時(shí)，隨著管徑的增大、施工項(xiàng)目的增多，一些工程事故卻時(shí)有發(fā)生[15-16]。比如，2016年4月儀征-長(zhǎng)嶺原油管道復(fù)線工程在定向鉆穿越南京市浦口區(qū)永寧河施工過(guò)程中就曾出現(xiàn)過(guò)河底和堤防背水坡時(shí)冒漿、堤防沉降、混凝土護(hù)坡開(kāi)裂損壞等現(xiàn)象。而這類(lèi)事故，對(duì)于保障防洪安全、保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全的堤防工程而言，是必須杜絕的。因此，科學(xué)分析和評(píng)價(jià)水平定向鉆埋管技術(shù)對(duì)堤防安全的作用影響是水利技術(shù)人員和管理人員當(dāng)前和今后都迫切需要攻克的技術(shù)難題，是提升水平定向鉆埋管這一先進(jìn)技術(shù)在堤防工程中的應(yīng)用水平迫切需要解決的重要環(huán)節(jié)。

本文基于Bishop堤防穩(wěn)定計(jì)算公式，提出一套適用于水平定向鉆穿堤穩(wěn)定分析的修正公式，自編程序?qū)崿F(xiàn)其計(jì)算功能。結(jié)合南京市某給水管埋設(shè)工程，重點(diǎn)分析水平定向鉆擴(kuò)孔施工工藝對(duì)堤防穩(wěn)定的影響。分析潛在滑弧因擴(kuò)孔而發(fā)生的變化規(guī)律，及擴(kuò)孔過(guò)程對(duì)堤防穩(wěn)定的影響。從水平定向鉆管線施工設(shè)計(jì)方面進(jìn)行堤防穩(wěn)定敏感性分析。相關(guān)成果可為水利行業(yè)防洪減災(zāi)與工程管理，以及水利行業(yè)與其他行業(yè)涉及管線工程的交叉規(guī)劃與建設(shè)提供重要技術(shù)基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 Bishop修正公式

Bishop法屬于土坡穩(wěn)定分析中的“條分法”，簡(jiǎn)化Bishop法的基本假定為：① 滑裂面形狀為圓弧形；② 土條間只有水平推力作用，條間剪力為零。

依據(jù)以上兩個(gè)基本假定條件，可以得到簡(jiǎn)化Bishop法的安全系數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

水平定向鉆在掘進(jìn)時(shí)，管壁受到周?chē)馏w對(duì)其作用的側(cè)向摩阻力。該側(cè)向摩阻力可近似根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中公式5.3.3-1計(jì)算，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)得到，本文采用第一種方法計(jì)算相關(guān)側(cè)向摩阻力?？紤]到水平定向鉆掘進(jìn)對(duì)堤防邊坡產(chǎn)生的下滑力，則公式(1) 可修正為

(2)

(3)

式中：Fs為土坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；Wi為土條自重，kN；Fi為土條所受水平定向鉆掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向摩阻力，kN；bi為土條寬度，m；αi為土條底邊傾角；ci為土的有效凝聚力，kN/m2；φi為土的有效內(nèi)摩擦角；R為滑動(dòng)圓弧半徑；ui為作用于土條底邊上的孔隙水壓力；mαi為作用在土條底邊中心處的水平附加力對(duì)滑動(dòng)圓心的矩。

2 模型分析背景

2.1 工程概況

南京市某給水管埋設(shè)工程，管線全長(zhǎng)約2 190 m。其中穿越過(guò)秦淮新河工程定向鉆穿越長(zhǎng)度540 m，敷設(shè)DN1000PE管1根。以路面為基準(zhǔn)面，計(jì)劃穿越深度為20 m。入土點(diǎn)位于雨花臺(tái)區(qū)中興路北延秦淮新河南側(cè)，出土點(diǎn)位于建鄴區(qū)新河路秦淮新河北側(cè)。勘探深度范圍內(nèi)揭露的土層分布，按其成因、類(lèi)型、物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的差異劃分為2個(gè)工程地質(zhì)層及若干亞層。穿越段管道埋深主要在②-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層為主的土層范圍內(nèi)。地基土工程地質(zhì)特征分層描述列于表1。根據(jù)工程地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告，各土層物理力學(xué)指標(biāo)列于表2。

表1 地基土層描述Tab.1 List of subsoil description

表2 地基土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值Tab.2 List of suggested values of physical and mechanical indices of subsoil

2.2 堤防模型建立

鑒于水平定向鉆鉆孔直徑較小，其施工工藝對(duì)堤防的縱向影響范圍較小，計(jì)算模型可近似采用平面應(yīng)力模型分析(見(jiàn)圖1)。模型縱向?yàn)? m寬度，其水平定向鉆穿越軌跡與土層分布如圖2所示。該模型近似方法操作簡(jiǎn)單，對(duì)于一般中小型水平定向鉆項(xiàng)目，在保證一定精度的同時(shí)應(yīng)用較為普遍。

圖1 土條沿堤防邊坡縱向剖分示意Fig.1 Schematic diagram of longitudinal division of soil strip along embankment slope

圖2 水平定向鉆穿越堤防邊坡剖面示意Fig.2 Horizontal directional drilling through the embankment slope profile

2.3 模型邊界條件分析

計(jì)算模型中，垂直于堤防橫剖面的厚度考慮為單位長(zhǎng)1 m，若取堤防橫剖面兩側(cè)一定范圍，將此范圍土體受到的平均附加力作為計(jì)算橫剖面所受到的力，即可實(shí)現(xiàn)二維到三維的轉(zhuǎn)化。此轉(zhuǎn)化的實(shí)現(xiàn)依據(jù)是：水平定向鉆穿越時(shí)鋪管阻力可由具體公式計(jì)算而得。

計(jì)算基本假定：① 只考慮水平定向鉆施工時(shí)鋪管側(cè)摩阻力對(duì)堤防土體的影響，不考慮注漿壓力的影響；② 土體為勻質(zhì)、線彈性半無(wú)限體；③ 水平定向鉆穿越一次成功，軌跡單一，不考慮鉆孔機(jī)糾偏、旋轉(zhuǎn)的影響；④ 側(cè)摩阻力沿穿越軌跡均勻分布；⑤ 模型計(jì)算過(guò)程不考慮時(shí)間效應(yīng)，僅為空間位置上的變化。

3 擴(kuò)孔施工對(duì)軟弱地基堤防擾動(dòng)影響分析

計(jì)算工況為施工工況，鉆機(jī)入土角度、出土角度均控制在8°。導(dǎo)向孔根據(jù)設(shè)計(jì)曲線鉆進(jìn)，鋪設(shè)DN1000PE管，曲線按300D計(jì)算，分一孔實(shí)施，擬采用400，550，700，850，1 000，1 150，1 300 mm直徑擠擴(kuò)鉆頭進(jìn)行6次擴(kuò)孔，然后用?1 300擴(kuò)孔器進(jìn)行清孔。最終擴(kuò)孔直徑保證為1.2～1.5倍的鋪管直徑，確保管線鋪設(shè)通道通暢。

堤身高度取9.0 m，坡比為1∶5，堤身為壓素填土(土層①-2A)。穿越段管道埋深標(biāo)高為-7.5 m，距離河底為10 m，在以②-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層為主的土層范圍內(nèi)，水平定向鉆入土角及出土角均為8°。泥漿是由水、膨潤(rùn)土攪拌而成，泥漿黏度可根據(jù)地質(zhì)情況和管徑大小確定，泥漿黏度值可按規(guī)定選取。管線與周?chē)貙幽Σ亮Σ捎玫貙迂Q向壓力乘以土體的摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)一般取0.2～0.3。

3.1 潛在滑弧分析

根據(jù)上述邊界條件及假設(shè)，計(jì)算分析堤防在水平定向鉆施工前后的安全穩(wěn)定性，對(duì)比分析兩者潛在滑弧位置及相應(yīng)安全系數(shù)的變化規(guī)律，定性并定量綜合比較水平定向鉆施工對(duì)原堤防安全穩(wěn)定的影響。原堤安全穩(wěn)定計(jì)算得到的滑弧如圖3所示，當(dāng)水平定向鉆擴(kuò)孔至1 m時(shí)堤防滑弧如圖4所示。在水平定向鉆穿越施工的影響下，堤防的安全系數(shù)減小，安全穩(wěn)定性下降，相應(yīng)的潛在滑弧有略微下移，潛在滑弧半徑增大。迎水坡潛在滑弧出露位置距坡腳由8.14 m擴(kuò)大到17.57 m，背水坡潛在滑弧出露位置距坡腳由13.91 m擴(kuò)大到20.61 m，表現(xiàn)出深層滑動(dòng)傾向。

圖3 原堤防左岸潛在滑弧示意(背水坡K=3.473 7，迎水坡K=3.178 0，尺寸單位：m)Fig.3 Schematic diagram of potential sliding arc on the left embankment of the original dike(downstream slope K=3.473 7，upstream slope K=3.178 0)

圖4 水平定向鉆穿越后堤防左岸潛在滑弧示意(背水坡K=2.500 5，迎水坡K=2.223 2，尺寸單位：m)Fig.4 Schematic diagram of potential sliding arc of the left embankment of the dike after horizontal directional drilling(downstream slope K=2.500 5，upstream slope K=2.223 2)

3.2 擴(kuò)孔過(guò)程穩(wěn)定分析

根據(jù)水平定向鉆擴(kuò)孔施工步驟，分別選取水平定向鉆穿越至堤頂前10.0 m(1號(hào)位置)、堤頂中心(2號(hào)位置)、堤頂后5.0 m(3號(hào)位置)、堤頂后10.0 m(4號(hào)位置)、堤腳前10.0 m(5號(hào)位置)、堤腳(6號(hào)位置)和堤腳后10.0 m(7號(hào)位置)7個(gè)計(jì)算分析位置，8號(hào)位置為全線擴(kuò)孔完成狀態(tài)。模擬計(jì)算孔徑為?400、?550、?700、?850、?1 000、?1 150、?1 300的7次擴(kuò)孔施工順序，得施工工況下水平定向鉆擴(kuò)孔穿越到不同位置時(shí)堤防邊坡的安全系數(shù)如圖5～6所示。

由圖5可知：當(dāng)水平定向鉆穿越管線逐漸接近堤頂中心(2號(hào)位置)時(shí)，堤防背水坡安全系數(shù)有明顯下降。水平定向鉆穿越管線對(duì)堤防背水坡安全穩(wěn)定的影響在到達(dá)堤頂后5.0 m(3號(hào)位置)時(shí)逐漸減小，之后水平定向鉆穿越管線對(duì)堤防背水坡安全穩(wěn)定影響可忽略不計(jì)。由圖6可知：當(dāng)水平定向鉆穿越管線逐漸接近堤頂后10.0 m(4號(hào)位置)時(shí)，堤防迎水坡安全穩(wěn)定明顯受到影響，相應(yīng)安全系數(shù)在堤腳前10.0 m(5號(hào)位置)時(shí)有明顯下降。水平定向鉆穿越管線對(duì)堤防迎水坡安全穩(wěn)定的影響范圍大致在堤頂后10.0 m(4號(hào)位置)與堤腳(6號(hào)位置)之間。該范圍之外，水平定向鉆穿越管線對(duì)堤防迎水坡安全穩(wěn)定影響可忽略不計(jì)。

圖5 左岸堤防背水坡擴(kuò)孔過(guò)程中各掘進(jìn)位置的安全系數(shù)變化曲線Fig.5 The safety coefficient variation diagram of each tunneling position in the process of borehole expansion of the left embankment downstream slope

圖6 左岸堤防迎水坡擴(kuò)孔過(guò)程中各掘進(jìn)位置的安全系數(shù)變化曲線Fig.6 The safety coefficient variation of each tunneling position in the process of borehole expansion of the left embankment upstream slope

4 水平定向鉆參數(shù)對(duì)堤防安全穩(wěn)定的敏感性分析

水平定向鉆施工對(duì)堤防的影響因素很多，本次研究主要從水平定向鉆穿越軌跡水平段埋深、直徑、出土角、入土角及堤防坡度5個(gè)方面，進(jìn)行堤防安全穩(wěn)定影響分析。

4.1 埋深的影響分析

基于水平定向鉆7次擴(kuò)孔至?1 300后的施工狀態(tài)，假定左岸邊坡為管線穿入側(cè)，即模型計(jì)算入土角為8°，堤防為原設(shè)計(jì)狀態(tài)。分別計(jì)算了埋深h(h為水平定向鉆穿越管線頂部距離河床底部的垂直距離)為3，6，9，12，15 m情況下，水平定向鉆施工對(duì)堤防安全穩(wěn)定的影響(見(jiàn)圖7)。可知：隨著埋深的增加，堤防的安全系數(shù)也隨之增加，且近似為線性變化，并有向原堤防安全系數(shù)值逼近的趨勢(shì)，說(shuō)明隧道埋深越深，水平定向鉆穿越管線施工對(duì)堤防安全穩(wěn)定的影響越小。當(dāng)埋深超過(guò)約12倍洞徑時(shí)，其影響可忽略不計(jì)。

圖7 水平定向鉆穿越管線埋深對(duì)堤防安全系數(shù)的影響曲線Fig.7 The influence curve of horizontal directional drilling on safety coefficient of embankment

4.2 管線直徑的影響分析

為較清晰體現(xiàn)水平定向鉆穿越管線直徑對(duì)堤防安全穩(wěn)定的影響，本次計(jì)算選取管線埋深為3 m，假定左岸邊坡為管線穿入側(cè)，即模型計(jì)算入土角為8°，堤防為原設(shè)計(jì)狀態(tài)。相應(yīng)計(jì)算穿越管線直徑分別為500，800，1 000，1 200，1 500 mm時(shí)的堤防安全穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)僅改變水平定向鉆穿越管線直徑時(shí)，隨著管線直徑的增加，堤防的安全系數(shù)隨之降低，說(shuō)明水平定向鉆穿越管線直徑越大，對(duì)堤防的安全穩(wěn)定的影響越大，且其近似呈線性變化。

圖8 水平定向鉆穿越管線直徑對(duì)堤防安全系數(shù)的影響曲線Fig.8 The influence curve of horizontal directional drilling pipeline diameter on safety coefficient of embankment

4.3 管線出、入土角的影響分析

采用水平定向鉆7次擴(kuò)孔至?1 300后的施工狀態(tài)，堤防為原設(shè)計(jì)狀態(tài)，管線埋深為3 m。分別計(jì)算出、入土角為4°，6°，8°，10°，12°時(shí)堤防安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖9所示?？芍?，隨著出、入土角角度的增加，堤防的安全系數(shù)幾乎不變。結(jié)合圖10，可知在堤防背水坡一定范圍內(nèi)，水平定向鉆穿越施工出、入土角角度對(duì)堤防安全穩(wěn)定影響較小，該角度的選取可僅參考施工工藝、地質(zhì)等條件。

圖9 水平定向鉆穿越管線出、入土角對(duì)堤防安全系數(shù)的影響曲線Fig.9 The influence curve of horizontal directional drilling out angle or in angle on safety coefficient of embankment

圖10 水平定向鉆穿越管線出、入土角計(jì)算位置示意Fig.10 Schematic diagram of the calculated position of horizontal directional drilling out angle or in angle

4.4 堤防坡比的影響分析

采用水平定向鉆7次擴(kuò)孔至?1 300后的施工狀態(tài)，管線埋深為3 m，假定左岸邊坡為管線穿入側(cè)，入土角為8°，分別計(jì)算分析堤防迎水坡坡比為1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，1∶6時(shí)的堤防安全系數(shù)(見(jiàn)圖11)?？芍?，當(dāng)保持水平定向鉆穿越管道埋深和管徑一定時(shí)，堤防的安全系數(shù)隨著堤防迎水坡坡比的增加而呈線性規(guī)律增加，且坡度越小，其掘進(jìn)對(duì)堤防的安全系數(shù)影響越小。

圖11 水平定向鉆掘進(jìn)時(shí)堤防安全系數(shù)隨堤防坡比影響的變化曲線Fig.11 The variation curve of embankment safety coefficient with the influence of embankment slope ratio during horizontal directional drilling

5 結(jié) 論

(1) 通過(guò)水平定向鉆施工工藝，提出采用二分法優(yōu)化后的Bishop修正計(jì)算方法，近似采用二維平面應(yīng)力模型，并通過(guò)均勻分配管線實(shí)際三維所受摩擦力的方法來(lái)考慮施工的三維效應(yīng)。該方法大大減少了建模計(jì)算的工作量，并簡(jiǎn)化了計(jì)算步驟。

(2) 水平定向鉆穿越堤防擴(kuò)孔過(guò)程中，第一次鉆孔施工對(duì)堤防迎、背水坡的影響最大，在后期6次擴(kuò)孔結(jié)束后，堤防背水坡安全系數(shù)總體減少28.02%，堤防迎水坡安全系數(shù)總體減少30.04%。鉆孔穿越后，堤防迎、背水坡安全系數(shù)均約減少至施工前堤防安全系數(shù)的1/3，且對(duì)迎水坡影響較背水坡稍大一些。建議水平定向鉆穿越層附近存在軟弱夾層時(shí)，原堤防施工期安全系數(shù)計(jì)算值不宜小于1.6。

(3) 基于水平定向鉆施工對(duì)堤防影響因素的敏感性分析，各因素影響程度由高到低分別為埋深、管徑、堤防坡比、出土角及入土角。在水平定向鉆穿越的影響下，堤防的安全系數(shù)減小，其穩(wěn)定性下降，相應(yīng)的潛在滑弧有略微下移，潛在滑弧半徑增大，顯示出深層滑動(dòng)傾向。

(4) 水平定向鉆穿越管線埋深、堤防坡比等因素與堤防的安全系數(shù)存在正比關(guān)系。其中當(dāng)埋深超過(guò)約12倍管徑時(shí)，水平定向鉆施工對(duì)堤防的影響可忽略不計(jì)。而水平定向鉆穿越管徑與堤防安全系數(shù)存在近似線性變化的反比關(guān)系。穿越管線出、入土角對(duì)堤防安全穩(wěn)定影響可忽略不計(jì)，該角度的選取可僅參考施工工藝、地質(zhì)等條件。因此在施工過(guò)程中，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)乃蕉ㄏ蜚@管徑和軌道埋深，加強(qiáng)堤防變形的安全監(jiān)控，盡量減少對(duì)堤防的影響。