楊培濤，吳 剛

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430000)

0 引言

隨著城市建設的快速發(fā)展，原有城市管道的運行能力已不能滿足城市發(fā)展的需要，敷設新的城市管道勢在必行。傳統(tǒng)的明挖法施工具有占地面積大、堵塞交通、毀壞綠化、穿越障礙(江湖、鐵路、建筑物等)開挖難度大等缺點，且明挖法施工引起的“拉鏈馬路”現象影響極差，因而催生了非開挖技術——水平定向鉆拖拉法。利用水平定向鉆拖拉法施工具有對周圍環(huán)境影響小、敷設方向易糾偏、埋置深度易調整、弧形敷設距離長、占地面積小、工程造價低、施工效率高等優(yōu)點，被廣泛應用于給排水、電力、通訊、天然氣等市政管道敷設施工工程中，是市政管道穿越江河、湖泊、道路、鐵路以及不可拆遷建(構)筑物的最佳選擇，是不破壞原始地形地貌和保護環(huán)境最理想的施工方法。

市政管道定向鉆鉆進施工的難易程度，受不同地質條件、不同地層的影響，因此，市政管道定向鉆穿越施工中的地質勘察工作就顯得尤為重要?，F行規(guī)范對穿越不同工程對象的市政管道定向鉆勘察要求沒有逐一對應的更精確的規(guī)定，所以在勘察階段如因勘察方案的布置欠優(yōu)化、未能準確查明工程地質條件和工程地質問題等原因，將會給工程建設埋下施工安全隱患，而水平定向鉆拖拉法可以有效解決這些問題。

1 水平定向鉆拖拉法的工藝原理

水平定向鉆拖拉法工藝流程一般包括：測量放樣、施工準備、設備就位、泥漿配置、導向孔鉆進、擴孔鉆進、回拖鉆進、管道就位、環(huán)境保護、地形地貌恢復。其主要工序為導向孔鉆進、擴孔鉆進、回拖鉆進3個步驟，如圖1所示。

導向孔鉆進：沿著設計好的線路，采用導向鉆頭鉆一條從入土點到出土點的曲線孔道，作為預擴孔和回拖管線的引導曲線。

擴孔鉆進：用擴孔器從出土點開始向入土點將導向孔擴大至要求的直徑。

回拖鉆進：地下孔達到了回拖要求后，將鉆桿、擴孔器、回拖活節(jié)和被安裝管線依次連接好，從出土點開始，一邊擴孔一邊將管線回拖至入土點為止。

圖1 水平定向鉆施工工序示意圖

2 巖土工程勘察要點

我國城市管道勘察對水平定向鉆拖拉法技術要求的規(guī)范較少，主要參考國標和行標[1-4]，GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》(2009年版)、CECS 382：2014《水平定向鉆法管道穿越工程技術規(guī)程》、GB/T 50568—2019《油氣田及管道巖土工程勘察標準》、CJJ56—2012《市政工程勘察規(guī)范》。拖拉管的巖土工程勘察要求主要從勘探孔的布置原則、勘探孔間距控制原則、勘探孔孔深控制原則等3個方面來規(guī)定，水平定向鉆拖拉法的巖土工程勘察要求詳見表1。

表1 勘探孔勘探方案要求一覽表

根據近年來全國各地的實踐以及相關工程資料分析比較，當設計提供確定的管道設計方案時(包括線路軌跡及管道埋深)，對穿越不同的工程對象，推薦的拖拉管勘探孔間距、孔深見表2。

表2 穿越不同對象時拖拉法管道勘探孔間距、深度推薦表

當設計提供的管道設計方案中管道埋深不確定時，可根據設計提供的造斜段的長度、工作坑深度、管材及管徑，通過經驗計算公式來推斷管道的埋深，進而確定勘探孔的勘探深度。圖2為水平定向鉆拖拉法導向孔軌跡設計圖。

1)管材最小允許曲率半徑的確定。定向鉆鋪設鋼管最小允許曲率半徑應采用式(1)計算，也可用≥1 200D估算：

(1)

式中：Rmin為曲率半徑(m)； 206為常數(MPa·m)；D為鋼管外徑(mm)；S為安全系數，一般取1～2；K2為鋼管屈服極限(MPa)。

圖2 水平定向鉆拖拉法導向孔軌跡設計圖

定向鉆鋪設PE管最小允許曲率半徑應采用式(2)計算：

(2)

式中：ρ為曲率半徑(cm)；E為彈性模數(MPa)；DH為管外徑(cm)；δρ為彎曲應力(MPa)。

鋪設PE管時，鉆孔軌跡的曲率半徑應同時滿足鉆桿的曲率半徑。鉆桿的曲率半徑應由鉆桿的彎曲強度值確定：根據工程實踐經驗，一般情況下鉆桿彎曲半徑為1 200D以上(D為鉆桿外徑)。

2)水平段管道中心線距工作坑坑底的垂直距離的計算：

(3)

式中：h為水平段管道中心線距工作坑坑底的垂直距離(m)；R為曲率半徑(m)；L為造斜段長度(m)。

3)勘探孔勘探深度的計算：勘探孔勘探深度=工作坑深度+水平段管道中心線距工作坑坑底垂直距離+管道半徑+規(guī)范要求設計管底的深度控制，即：

(4)

式中：H為勘探孔深度(m)；d為工作坑深度(m)；D為管道外徑(m)。

勘察方法應根據場地水文地質、工程地質條件確定，為查明擬建場區(qū)的地質情況，提供客觀事實的地質勘察資料，勘察可采取鉆探取樣、原位測試、工程物探等手段。工程采用的勘察手段既要有明確的針對性，又要可相互對比，才能保證勘察成果的完整性和可靠性。

3 勘察中可能存在的重難點及應對措施

3.1 勘察中可能存在的重難點

勘察中可能存在的重難點有很多，包括特殊性巖土(淤泥質土)的物理力學特征及分布范圍、跨越的不同地貌單元的劃分、水文條件復雜的河流階地各巖土層成分的確定及水文地質參數建議等。本文主要以施工中可能遇到的地質情況有偏差而導致的施工困難為出發(fā)點，對勘察中可能存在的重難點選擇了4個方面進行說明：

1)對特殊性巖土淤泥質土層厚度、物理力學特征、分布范圍和觸變性難認定。因淤泥質土分布不穩(wěn)定，鉆探取樣質量不高，受場地條件限制使勘探孔加密困難，且勘察手段單一等原因，對淤泥質土的性質認識及范圍劃定有偏差。

2)對松散層卵石層厚度、粒徑和分布范圍等難確定。河流地貌中的河床及兩岸的卵石層厚度、粒徑及分布范圍變化較大[5]，僅依靠鉆探容易出現偏差。

3)對基巖的巖體強度、完整度及風化差異性規(guī)律難認清?；鶐r的成巖作用因受成巖環(huán)境的條件和物理化學性質影響而呈現的不連續(xù)性，以及差異性風化，使巖體的完整度、強度均存在局部或區(qū)域性變化，鉆探取樣不具有代表性，導致基巖的性質與實際情況吻合度不高。

4)對基巖裂隙分布情況難查清。對于基巖裂隙性質、密度和分布規(guī)律，只能通過鉆探或其他物探手段來判斷，判定結果與鉆探取芯水平及地質工作者的專業(yè)水平有密切聯(lián)系，故勘察結論與實際情況容易出現偏差。

3.2 應對措施

1)充分收集區(qū)域地質資料及水文地質資料[6]，采取工程地質調繪、鉆探及工程物探相結合的綜合勘察方法，盡可能查清定向鉆穿越段設計深度上下的地層情況，包括巖土層的性質、特殊性巖土的特性及不良地質現象。

2)勘探方案的制訂應因地制宜、靈活變通，根據實際地質情況適當調整鉆孔間距及孔深度，當遇到對定向鉆穿越有影響的層位和不良地質現象，如軟土層(淤泥質土)、松散層(砂、礫石、卵石)、基巖裂隙發(fā)育的層位、軟硬不均地層、斷層破碎帶和巖溶時，應縮小鉆孔間距，加深鉆孔的深度。

3)工程地質條件復雜時，可采用以“初勘先行、物探輔查 、鉆探驗證、探治結合” 的技術路線，用鉆探、室內試驗、水文試驗等方法及地質雷達、高密度電法、順變電池法等物探手段，查清定向鉆穿越斷面的地層情況，尤其是對定向鉆穿越有影響的軟土層、松散層、基巖層及不良地質的規(guī)模及變化規(guī)律。勘察中，可根據實際具體的地質情況對勘察工作做出合理調整，使勘察工作既經濟合理，又能很好地查明工程地質情況。穿越不同工程對象時，可根據穿越不同對象拖拉法管道勘探孔間距、深度推薦(表2)來制訂精確合理的勘察方案。

4)針對淤泥層，查清淤泥所在區(qū)域的地貌單元，減小孔間距，增加土樣的取樣數量，采取原位測試(靜力觸探試驗、旁壓試驗、十字板剪切試驗等)，進一步探明淤泥的性質。

5)針對松散層(砂、礫石、卵石)，充分收集區(qū)域地質資料、江河水文地質資料及河道變遷史，對松散層范圍有宏觀的認識，通過加密鉆孔進一步探清松散層的邊界范圍。提高松散層的取芯質量，可選用優(yōu)質膨潤土配制護壁泥漿，泥漿中加入SM植物膠配制成植物膠泥漿，可取出呈圓柱狀的芯樣，對松散層的粒徑進行精準判定。

6)對基巖巖體，適當增加定向鉆穿越層位巖樣的取樣數量，并應注意取樣的代表性。

7)針對基巖裂隙情況，可配合工程地質調繪、鉆探基巖巖芯采取率及破碎程度等，綜合判別基巖裂隙的分布情況。

4 施工中巖土工程問題分析評價

在水平定向鉆拖拉法施工中，經常會遇到一些工程地質問題，常見的工程地質問題主要有地面沉降、管涌、泥漿泄漏、土體失穩(wěn)。

4.1 地面沉降

定向鉆穿越層位存在結構松散(如填土)、土質柔軟(如淤泥質土)的上覆土體時，其自穩(wěn)能力差，孔內泥漿循環(huán)液壓力隨管道回拖鉆進完成后消散，回拖過程中產生的孔內負壓在失去外力支撐作用下，使上覆土層在自重應力下向孔內發(fā)生蠕動變形，從而導致地面產生不均勻沉降，如圖3所示。

圖3 地面沉降引起道路開裂

定向鉆穿越引起的地面不均勻沉降，會造成一系列不良問題，如路面變形、鐵軌扭曲、建筑物開裂和管道斷裂等，影響道路正常使用、鐵路正常通行、建筑物正常使用和管道正常運轉等。

4.2 管涌

拖拉管施工中，回擴鉆孔孔徑比管道直徑大，管道回拖時，管道周圍存在一定空隙，管道周圍土體相對原狀土而言較軟弱，在動水壓力作用下，地表水水位高程，高于定向鉆出入土點高程或穿越承壓含水層的水頭高程高于出入土點高程時，可能發(fā)生管涌，如圖4所示，造成回拖鉆進作業(yè)無法正常開展或地表變形等。

圖4 發(fā)生管涌地層示意圖

4.3 泥漿泄漏

松散層(砂、礫石、卵石)的孔隙較大，當觸變泥漿黏度低、稠度小時，泥漿易隨地下水流失，特別是穿越滲透性較好的粉砂、中粗砂、礫砂、礫石、卵石的河床時，地表水與地下水存在一定的水力聯(lián)系，易發(fā)生泥漿泄漏現象，如圖5所示，對環(huán)境、 河道、堤防等造成較嚴重的不良影響。施工中可采取調整泥漿性能、減小鉆進壓力、添加劑堵漏、合理控制鉆進擴孔及回拖速度等手段，盡量避免泥漿泄漏。

4.4 土體失穩(wěn)

在軟弱土層中拖拉鉆進，因施工不當造成土體過分擾動，土體強度降低造成土體失穩(wěn)破壞；當觸變泥漿壓力較大或上覆土層厚度較小時，會使上覆土體產生隆起造成失穩(wěn)破壞，如圖6所示；當觸變泥漿的黏度較低時，易帶走粉土或砂土小顆粒，造成土體結構破壞，導致地表變形失穩(wěn)破壞。

圖5 地面泥漿泄漏沉積

圖6 水塘土體隆起

定向鉆穿越引起的土體失穩(wěn)破壞，亦會引起地面不均勻沉降、管涌、泥漿泄漏等工程地質問題，施工時應根據勘察查明的工程地質條件和工程地質問題制訂特定的施工方案，以確保工程建設施工安全。

5 結論

1)對于定向鉆穿越不同巖土層，勘察時應因地制宜地制訂合理精確的勘察方案；對穿越不同工程對象，給出了可滿足工程需要的孔間距、孔深的推薦值，且提供了一種推斷管道埋深的經驗計算公式，可為定向鉆勘察工程提供一定的實際理論參考。

2)工程地質條件復雜時，可采用以“初勘先行、物探輔查 、鉆探驗證、探治結合” 的技術路線，查清定向鉆穿越段工程地質、水文地質條件及不良工程地質問題?？辈熘?，可根據實際具體的地質情況對勘察工作做出合理調整，使勘察工作既經濟合理，又能很好地查明工程地質情況。