詹旺林 李林兵 高鴻

摘要：塌陷險(xiǎn)情對(duì)堤防危害大，如處理不當(dāng)，將嚴(yán)重危及堤防安全。結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)定向鉆引起堤防塌陷的原因進(jìn)行綜合分析認(rèn)為，在巖溶發(fā)育地區(qū)，定向鉆施工客觀上連通了覆蓋層和溶洞內(nèi)部，且在地下水位波動(dòng)的影響下，覆蓋層土體流失形成土洞，當(dāng)土洞失穩(wěn)塌陷，便在地面形成塌坑。針對(duì)險(xiǎn)情發(fā)生的原因，提出了綜合治理方案：在現(xiàn)有管線入巖位置進(jìn)行截滲，封堵土體沿管壁進(jìn)入基巖溶洞或溶隙的路徑，對(duì)已探明的溶洞進(jìn)行灌漿填充，對(duì)管壁周邊空隙及管頂松散土體進(jìn)行黏土固化漿液灌漿填充，并在下游坡腳增設(shè)水平壓蓋。研究成果可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：堤防塌陷; 定向鉆施工; 溶洞; 灌漿; 綜合治理

中圖法分類號(hào)：TV871 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.016

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）04 - 0096 - 05

0 引 言

定向鉆是在不開挖地表的條件下，鋪設(shè)多種地下公用設(shè)施（管道、電纜等）的一種施工方法，20世紀(jì)70年代首先在西方發(fā)達(dá)國(guó)家興起，后逐漸被中國(guó)廣泛采用。該方法具有施工速度快、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于供水、煤氣、電力、電訊、天然氣、石油等管線的鋪設(shè)工程。

定向鉆施工技術(shù)常被應(yīng)用于江河堤防穿越。定向鉆施工主要包括導(dǎo)向孔、預(yù)擴(kuò)孔、管道回拖等工序。在擴(kuò)孔施工過程中，擴(kuò)孔器在旋轉(zhuǎn)擴(kuò)孔的同時(shí)噴出一定配比的泥漿，這既能對(duì)導(dǎo)向孔起護(hù)壁作用，也能為管道回拖提供潤(rùn)滑[1-2]。在長(zhǎng)距離管道施工中，泥漿一般需維持較高的壓力;在管道入土點(diǎn)及出土點(diǎn)附近，管頂?shù)耐翆雍穸容^小，往往容易出現(xiàn)冒漿的情況。當(dāng)黏土漿液夾雜泥沙冒出地面，堤基覆蓋層的防滲性能將變差。護(hù)壁泥漿干縮形成的滲流通道也容易造成管涌險(xiǎn)情[3]。

當(dāng)定向鉆穿越地表覆蓋層及下伏基巖且基巖溶洞（溶隙）發(fā)育時(shí)，覆蓋層土體在地下水位波動(dòng)的作用下極易沿溶洞（溶隙）流失，進(jìn)而造成地面塌陷。塌陷險(xiǎn)情對(duì)堤防的危害極大，如果任其發(fā)展或處理不當(dāng)，將嚴(yán)重危及堤防安全，必須高度重視。

目前分析定向鉆施工引起堤防塌陷的原因及相應(yīng)加固治理方面的研究不多。對(duì)于堤防塌陷，大多針對(duì)堤防本身進(jìn)行加固處理，如塌坑開挖回填、堤身黏土灌漿、上游斜墻防滲、下游排水反濾導(dǎo)滲等常規(guī)措施[4-5]。而定向鉆施工引起的堤防塌陷有深層次的水文及地質(zhì)方面的原因，采取常規(guī)治理手段不能從源頭解決其根本問題，必須對(duì)堤基及堤身進(jìn)行系統(tǒng)治理，才能取得良好效果。另外，該案例也作為類似水文及地質(zhì)條件下的定向鉆施工警示：應(yīng)提前做好堤基的加固處理工作，以免危及堤防安全的塌陷發(fā)生。

1 工程基本情況

儀征-長(zhǎng)嶺原油管道復(fù)線工程橫跨江蘇、安徽、湖北、江西4省，經(jīng)過揚(yáng)州、南京、巢湖、安慶、黃岡、九江等城市。九江至黃岡段管道直徑559 mm，水平投影長(zhǎng)度2 338 m，工程采用定向鉆方式穿越長(zhǎng)江主河槽。

河道右岸為九江長(zhǎng)江干堤（Ⅰ級(jí)堤防），穿越斷面樁號(hào)12+796。入土點(diǎn)距堤內(nèi)坡腳約50 m，鉆孔入土角度10°，穿堤段管道位于堤頂下垂直深度約20.8 m。為解決管壁泥漿收縮管周空隙問題，在入土點(diǎn)附近順管道外壁插入20 m長(zhǎng)鉆孔花管，待定向鉆施工完成后，進(jìn)行入土點(diǎn)注漿，并在其附近一定范圍內(nèi)對(duì)地層進(jìn)行錐探密實(shí)注漿[6]。

2 塌坑險(xiǎn)情

2.1 險(xiǎn)情概況

2015年6月，定向鉆穿越長(zhǎng)江段管道施工完成。同年12月11日，堤防管理人員巡堤發(fā)現(xiàn)管道穿堤段背水坡面及內(nèi)堤腳有兩處塌坑：坡面塌坑呈橢圓形，長(zhǎng)軸3.2 m，短軸2.0 m，面積約5 m2;堤腳橢圓形塌坑位于下游坡腳外5 m處，長(zhǎng)軸2.1 m，短軸1.8 m，面積約3 m2。兩處塌坑可見深度約1 m。另外堤腳擋墻存在明顯沉降，沉陷段長(zhǎng)約10 m，與兩側(cè)擋墻頂高落差約0.1～0.2 m。12月28日，在距上游堤腳4.5 m處又新增一圓形塌坑，直徑3.7 m，深2.3 m，塌坑面積約11 m2。三處塌坑處于同一直線上，與穿江管道位置基本對(duì)應(yīng)。塌坑平面位置見圖1。

2.2 地質(zhì)情況

2.2.1 工程地質(zhì)

工程區(qū)位于長(zhǎng)江漫灘一級(jí)階地，屬河流沖積地貌單元，區(qū)內(nèi)地形平緩[7]。

上部第四系覆蓋層主要分布有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土，其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土弱透水、含水量高、強(qiáng)度低，厚度7～15 m。下伏基巖為第三系礫巖，礫質(zhì)含碳酸鈣，多為砂質(zhì)膠結(jié)，有溶隙，溶洞發(fā)育。管線鉆孔地質(zhì)縱剖面見圖2。將各土層自上而下分述如下。

（1） 第四系全新統(tǒng)人工填土（Qr）：素填土，即堤身填筑土，土料均勻，為磚紅色粉質(zhì)黏土，稍濕，中等密實(shí)，主要成分為網(wǎng)紋狀黏土。

（2） 第四系全新統(tǒng)沖積層（[Qal4]）：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，呈褐色、灰綠色，呈飽和軟塑狀，局部含動(dòng)植物腐殖質(zhì)，有腐臭味，中高壓縮性，底部含礫。厚度9.8～20.4 m，分布高程17.8～-4.9 m。

（3） 第四系中更新統(tǒng)沖積層（[Qal2]）：粉質(zhì)黏土，硬塑狀，局部含卵礫，粉粒含量較高，切面粗糙無光澤，壓縮性低，底部一般含卵石。厚度4.4～8.5 m，分布高程7.4～-1.1 m。

（4） 下第三系新余群、臨江組并層（E1-2）：礫巖，黃白色，呈砂質(zhì)膠結(jié)、局部鈣質(zhì)膠結(jié)，礫徑10～100 mm，礫質(zhì)為鈣質(zhì)、硅質(zhì)、泥質(zhì)等，巖心呈塊狀、短柱狀，可見溶隙發(fā)育。ZK4孔在孔深22.9～27.0 m和27.8～32.6 m見充填溶洞。

2.2.2 水文地質(zhì)

區(qū)內(nèi)地下孔隙潛水主要賦存于第四系全新統(tǒng)（[Qal4]）表層粉質(zhì)黏土、砂壤土、粉細(xì)砂層孔隙中。長(zhǎng)江九江段最低和最高水位一般在8～19 m高程之間起伏波動(dòng)，最高與最低水位波動(dòng)幅度達(dá)10 m以上，年復(fù)一年、循環(huán)往復(fù)。地基下第四系覆蓋層中地下水與長(zhǎng)江水位聯(lián)系密切，表現(xiàn)為汛期受長(zhǎng)江水補(bǔ)給，具承壓性，枯水期地表徑流補(bǔ)給長(zhǎng)江水。

2.3 塌陷原因分析

通過查閱管道及防滲專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案、施工記錄、調(diào)研詳細(xì)施工過程，經(jīng)綜合分析，認(rèn)為塌坑產(chǎn)生的原因主要為以下兩個(gè)方面。

2.3.1 地下水位波動(dòng)

在地表發(fā)生塌陷前，由于土體流失，地表下一定深度首先產(chǎn)生土洞，當(dāng)土洞結(jié)構(gòu)不足以支撐上部土體重量時(shí)，土洞垮塌，繼而在地表形成塌坑。

根據(jù)萬志清等[8]的研究，形成土洞的條件有3個(gè)。① 有開口面向覆蓋層的溶洞、溶隙或斷裂裂隙，能容納水流帶來的上覆土層。② 有一定厚度的覆蓋巖土層：由于地下水長(zhǎng)期浸泡覆蓋于可溶巖上的土層，土層通常呈軟塑至流塑狀，其抗拉和抗剪強(qiáng)度極低，在地下水反復(fù)波動(dòng)作用下形成土洞的雛形。③ 有地下水的活動(dòng)：地下水是作用于覆蓋層中的最常見外力，對(duì)土層起直接的破壞作用，尤其是地下水的波動(dòng)幅度、流動(dòng)速度及波動(dòng)頻度對(duì)土層破壞的影響顯著[9]。

在此次勘察中，ZK4孔揭露有垂直分布兩個(gè)溶洞，說明巖溶較發(fā)育。場(chǎng)地巖層具有可以容納水流帶來覆蓋層的空間;覆蓋層為厚度15～20 m的黏性土，受長(zhǎng)江水補(bǔ)給處于飽和狀態(tài)，性狀接近淤泥，屬于力學(xué)性能差的軟弱層;場(chǎng)區(qū)地下水活動(dòng)頻繁，受長(zhǎng)江水位每年10 m多的起伏變化影響。

由此可見，工程區(qū)具備形成土洞的3個(gè)條件，在外部條件（穿江管道）的作用下，現(xiàn)有平衡被打破，加速了土洞的形成，進(jìn)而土洞垮塌，在地面形成塌坑。因此，此次受地下水位波動(dòng)出現(xiàn)地面塌坑的原因可以概括為以下3點(diǎn)。

（1） 儀征-長(zhǎng)嶺復(fù)線穿江管路的施工穿透了覆蓋層、進(jìn)入下伏基巖，為發(fā)育巖溶的礫巖與地下水土間提供了良好的滲流通道。

（2） 地基土覆蓋層上部為深厚的第四系粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，屬軟弱土層，力學(xué)性能差;下伏基巖有巖溶發(fā)育;受長(zhǎng)江水位變化，地下水運(yùn)動(dòng)頻繁，勘察區(qū)場(chǎng)地具有形成土洞的天然條件。

（3） 土洞形成過程中，由于地下水位波動(dòng)所產(chǎn)生的水、氣壓力引起的拉壓作用，軟弱土產(chǎn)生壓縮變形，土洞塌陷，進(jìn)而在地面形成塌坑。

2.3.2 泥漿干縮

管道入土點(diǎn)高程為16.6 m，管道穿江段最低點(diǎn)高程-45.4 m，兩者落差高達(dá)62.0 m，定向鉆施工過程中預(yù)擴(kuò)孔（Φ800 mm）與管壁（Φ559 mm）之間的泥漿在自重作用下析水沉淀，干泥漿沉積于河床水平段，斜坡段的管道和擴(kuò)孔之間則形成了空腔。原防滲專項(xiàng)方案采用在管道入土段管壁預(yù)埋灌漿花管、在入土點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)采用錐探灌漿使地層密實(shí)。經(jīng)分析，預(yù)埋花管灌漿和土層錐探灌漿范圍偏小，效果不佳，因而造成管道頂部軟塑至流塑狀土體補(bǔ)充進(jìn)空腔，進(jìn)而形成地表塌坑。

3 加固處理方案

根據(jù)上述分析得出塌坑形成的主要原因，本次加固處理方案主要從以下3個(gè)方面綜合考慮：① 在現(xiàn)有管線入巖位置進(jìn)行截滲，封堵土體沿管壁進(jìn)入基巖溶洞的路徑，并對(duì)已探明的溶洞進(jìn)行灌漿填充;② 對(duì)管壁周邊空隙及管頂松散土體進(jìn)行黏土灌漿填充;③ 在大堤下游坡腳增設(shè)水平壓蓋，確保堤防安全。

3.1 基巖帷幕灌漿截滲

對(duì)管道由土層進(jìn)入基巖的前段進(jìn)行帷幕灌漿，充填水泥漿液，封堵覆蓋土層進(jìn)入基巖裂隙和溶洞的途徑，并為已探明的溶洞充填灌漿。

基巖壓力灌漿布置于管道兩側(cè)，每側(cè)布置3排灌漿孔，排距2.0 m，孔距2.0 m，灌漿深度穿透強(qiáng)風(fēng)化層，同時(shí)深入管底基巖以下至少5.0 m。

基巖灌漿止?jié){塞固定在基巖表面，灌漿壓力不小于1 MPa。水泥漿液選定3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1， 0.6∶1，0.5∶1六個(gè)比級(jí)，由稀至稠逐級(jí)調(diào)配使用。采用3∶1的漿液起灌，2∶1，1∶1，0.8∶1的漿液主灌，0.6∶1，0.5∶1的漿液用于特殊情況處理。遇大漏段則采用由稠至稀間歇性灌注。在規(guī)定壓力下，當(dāng)注入率≤0.4 L/min時(shí)，再繼續(xù)灌注60 min;或注入率≤1 L/min時(shí)，再繼續(xù)灌注90 min，即可結(jié)束灌漿[10-12]。

3.2 黏土固化水泥漿液充填灌漿

對(duì)堤外塌坑松散土體、堤外坡和堤頂下方土體均進(jìn)行灌漿密實(shí)，灌漿采用黏土固化水泥漿液。

黏土固化劑水泥灌漿技術(shù)是利用鉆機(jī)在地層中造孔，然后將按一定比例混合黏土固化劑、黏土、水泥和水組成的漿液注入到松散地層中，固化劑水泥漿液填充密實(shí)土層的裂隙、孔洞形成結(jié)石體[13]。

沿管線方向布置7排灌漿孔：管頂上方布置1排，兩側(cè)各布置3排;灌漿孔排距1.0 m，孔距1.0 m。管頂一排的灌漿孔底保留安全距離至管頂以上2 m，其他灌漿孔排布至基巖面。每排孔梅花形錯(cuò)開布置，分三序施工，堤內(nèi)灌漿壓力控制在0.1～0.2 MPa[14]。

黏土水泥比為8∶2， 固化劑用量為水泥用量的15%，水料比為0.5∶1，每拌漿液實(shí)際用料為黏土40 kg、水泥10 kg、水75 kg。灌漿縱剖面布置見圖3。

3.3 水平壓蓋

堤腳設(shè)水平壓蓋，范圍以管軸線向兩側(cè)各延伸10 m，總寬20 m，兩側(cè)各設(shè)1∶3斜坡與堤腳平臺(tái)銜接，壓蓋厚1.5 m，壓蓋材料采用風(fēng)化料或砂石混合透水料，填筑料相對(duì)密度不小于0.65，壓蓋底部先清除雜草，后鋪設(shè)土工布，土工布兩端均嵌入堤腳平臺(tái)土體內(nèi)30 cm。

3.4 滲流穩(wěn)定分析

為復(fù)核加固后的堤防安全，對(duì)其進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算。加固前后各地層所取參數(shù)如表1所示。

滲流穩(wěn)定分析考慮以下兩種情況。

（1） 加固后堤身的滲流穩(wěn)定。在長(zhǎng)江防洪水位21.16 m下，通過建模對(duì)加固處理后的堤防進(jìn)行滲流及抗滑穩(wěn)定復(fù)核，如圖4所示。采用畢肖普法計(jì)算得下游堤坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.85。該段堤防為九江市城防堤，級(jí)別為Ⅰ級(jí)，根據(jù)GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，正常運(yùn)行工況下采用畢肖普法所得堤防的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)不小于1.5，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

（2） 基巖裂隙壓力水沿原油管道管壁向外滲流情況下的穩(wěn)定。在防洪水位下，內(nèi)外水位差為3.96 m，沿管壁滲流的滲透比降J=△H/L=0.05，小于堤基土的允許滲透比降（J允=0.2），滿足滲流安全要求。

綜合以上分析可知，加固后堤防滲流穩(wěn)定情況滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，不會(huì)產(chǎn)生滲流破壞。

4 處理效果

針對(duì)儀征-長(zhǎng)嶺原油管道定向鉆施工過程中造成長(zhǎng)江干堤的塌陷險(xiǎn)情，采用了基巖帷幕灌漿、壩身及壩基土層充填灌漿、背水坡堤腳增設(shè)水平壓蓋的處理方案。塌陷險(xiǎn)情治理完成后，經(jīng)過6個(gè)水文年豐枯變化的考驗(yàn)，該段堤身未出現(xiàn)裂縫、滑坡、塌陷、滲透破壞等險(xiǎn)情。該方案設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便、效果可靠，可為類似工程借鑒。

5 結(jié) 論

定向鉆施工技術(shù)被廣泛應(yīng)用于穿越江河堤防。由于堤防工程的特殊性，進(jìn)行定向鉆施工時(shí)應(yīng)密切關(guān)注以下幾個(gè)方面。

（1） 護(hù)壁泥漿干縮形成的滲流通道極易造成管涌險(xiǎn)情，在定向鉆施工完成后，必須對(duì)管道入土點(diǎn)及出土點(diǎn)進(jìn)行密實(shí)注漿，以封閉因泥漿干縮而形成的滲流通道。

（2） 當(dāng)施工中出現(xiàn)冒漿時(shí)，應(yīng)密切關(guān)注覆蓋層滲透系數(shù)的變化，在必要時(shí)可在堤腳增加水平壓蓋，以保證堤基滲流安全。

（3） 在穿越溶洞或裂隙發(fā)育的巖層時(shí)，應(yīng)充分研究其可能造成的堤防塌陷風(fēng)險(xiǎn)，并提前采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?，以避免塌陷險(xiǎn)情的發(fā)生。

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（編輯：高小雲(yún)）

Research on causes and reinforcement scheme for embankment subsidence caused by directional drilling

ZHAN Wanglin，LI Linbing，GAO Hong

（Jiujiang Water Conservancy and Electric Power Planning and Design Institute of? Jiangxi Province， Jiujiang 332000，China）

Abstract： The danger of subsidence seriously threatens the safety of embankment if it is not be handled well. This paper makes a comprehensive analysis on the causes of embankment subsidence caused by directional drilling construction with engineering examples. It is considered that in karst area， directional drilling can connect overburden layer and karst cave， and under the influence of groundwater level fluctuation， the overburden layer soil will lost and soil-cave forms. When the soil-cave losses stable and subsides， the pit will form on ground surface. In view of the danger causes， a comprehensive treatment scheme is proposed： cutting off seepage at the drilling position to block soil falling path along pipe wall into foundation cave or karst cave， grouting? detected karst caves， and grouting clay soil slurry for the gaps around pipe wall and the loose soil on the pipe top; and adding weighting cover at downstream slope toe. This research result can provide a reference for similar engineering projects.

Key words： embankment subsidence; directional drilling; karst cave; grouting; comprehensive treatment