定向钻穿越堤防对堤基的影响及防渗工程设计

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【摘要】 目前，采用定向钻穿越堤防在多种项目工程中得到应用，它主要是通过特殊的钻头和定向钻取的方式方便快捷的实施地下工作而不用将地表挖掘开。这种作业技术在国内还是新兴的，但是由于这种地下灌浆的方式可能对地表产生影响，改变土层结构，在河堤、河坝等地下开展工作有引发险情的嫌疑，本文结合两个实例，深入分析定向钻穿越堤防对各个方面物理性质的影响，从而分析这种作业方式是否会导致堤防渗透能力的改变进而分析是否有引发险情的可能，以及开展定向钻穿越堤防后的防渗工程设计及其效果评估。

【关键词】 定向钻;穿越堤基;防渗设计

一、前言

定向钻穿越施工技术是一种新兴的地下非开挖管道施工技术，具有施工快速简便，对自然环境影响小等诸多优点。该技术自问世以来，在多个领域得到应用，目前在我国西气东输等输气管道及国家重大工程建设中，管道穿越的绝大多数河流、公路、铁路采用的都是这一施工方法。尽管这一技术还不完善，但在石油，管道安装等各个领域的应用前景可见一斑。那么，这项施工技术对堤防的防洪安全是否有影响，如果有影响，影响程度有多大，是相关部门关心的问题。下面对该施工技术的防洪安全性进行分析。

二、定向钻穿越堤防工程简介

利用特定的钻机及钻头，在地下形成钻孔并将管道直接拖拉铺设于钻孔中的一种施工工艺就是定向钻穿越施工。为防止地下岩石层和其他坚硬物体对钻头的伤害以及分析钻进的可能性，会在钻头安装一种探测装置将钻头前进方向上的物体信息传输到地面，从而控制钻头的钻进速度、方向和深度。

三、穿越工程对堤基的扰动影响

现今，定向钻穿越工程对堤基的扰动影响研究在国内极少开展。本文结合洪湖长江干堤和忠武输气管道穿越荆江大堤的实例进行了研究。

2003年11月，在荆江大堤桩号采用定向钻方式穿越输气管道沮漳河进行施工时，出现了泥浆伴随粉细砂出溢的问题;2004年12月，采用定向钻进行管道穿越洪湖长江干堤施工时，也发生了泥浆伴有粉细砂出溢问题。两穿越处地层结构相似，均为典型的冲湖积二元地层结构，有10～14m厚上覆粘性土层，粉细砂和砂卵石为下部层主要组成。

为充分了解两次穿越施工对堤防造成的影响程度及范围，两次地勘均使用了钻探和坑槽探及物探结合的勘测技术。钻孔分别在距穿越管道轴线5.0米、7.7米、15.1米处布设;在泥浆缝隙密集部位布设坑槽。

1.钻探及物探成果分析比较

从沮漳河钻孔资料来看，堤基深处不存在水平泥浆层，结合施工技术和地质资料分析，发现该处穿越采用的泥浆较稀，泥浆在粉沙层中扩散，从而没有未稳定的水平泥浆层。同时由于结构松散上覆土层，形成出溢通道时间较早，稀性泥浆携大量粉沙出溢后，降低了水平泥浆层形成的可能。洪湖长江干堤穿越一共有12处水平泥浆分布，具体分布情况见表

假设水平向的泥浆夹层的发展速率与垂直向的泥浆缝隙保持基本是一致的，那么水平泥浆夹层就会在缝隙发展至地面时停止发展。因此，水平泥浆夹层的最大延伸长度一定比管道埋设深度小。

根据这一案例分析，发现堤基中泥浆的分布具有一些共同特征：一般情况下，在冲湖积土层中泥浆呈“土或丰”字型分布，并且泥浆层的厚度很小，一般不会超过3毫米;在入土侧附近的堤内脚平台脚处泥浆最易出溢;出溢点在管轴线地表上方大致呈直线形状分布;除了在堤脚附近可能会出现沿垂直管轴线方向分布外，还有可能出现沿管轴线方向分布的情况。泥浆在堤基内的分布形态和位置可能与堤基内主应力的分布规律和地层的沉积特性相关。实施钻进、固壁等工艺要求的注浆压力与上覆土层压力存在极大的不平衡是产生上述现象的主要原因，因为注浆压力远大于上覆土层压力，因此一旦注浆时间过长，就一定会发生冒浆现象。实践表明，尽量减少注浆压力并提高泥浆粘度，可明显降低冒浆现象的发生，但施工建设方的经济损失风险就会相应增大。

2.穿越工程对堤防渗流的影响分析

将穿越施工对堤基渗流的影响分两种情况进行分析：一是在理想的地质条件下（主要穿越地层为中细砂层、粉土层，上覆粘性土层厚大于6.0m），采用较科学合理的施工技术实施穿越施工对堤基的影响相对较小，高压泥浆可能沿管径方向均匀扩散，一般扩散范围2～3倍管径范围之内。计算结果分析表明，在这种条件下进行穿越施工，对堤防渗流无明显影响。二是在地质条件较差，施工技术不符合土层条件时，凭借经验进行穿越施工可能对堤基地层造成较大影响。了解泥浆在地层内分布的形态特征及范围是这种条件下堤基的渗流分析的关键。目前已有部分工程在穿越施工后对堤基地质情况进行了地勘工作，但采用的勘测技术较为落后，无法真实地模拟泥浆在提内分布的细微特征。而且，由于不同穿越工程地质条件不同和其施工的灵活性等因素均是相互关联相互影响，无法根据泥浆分布的共性特征了解实际的泥浆细微分布特点，所以在渗流计算中也无法真实模拟。另外，通常采用的有限元渗流分析划分的单元网格比泥浆缝隙（层）的外形尺寸大得多，因此也无法针对上述情况对一般的有限元渗流分析程序进行有效计算。

为解决这些问题，可以假设穿越施工对堤基上覆土层造成了严重的影响，在上覆土层中形成的劈裂缝，趋近无穷密集分布，泥浆劈裂缝使上覆土层的渗透系数（泥浆的渗透系数）发生了改变。计算结果显示泥浆（夹砂）在上覆粘性土中分布状态、密度如何都不改变堤身堤基的渗流场，但同时发现，因为原状堤基土干密度比缝隙中新近充填的夹砂泥浆要大，所以孔隙率比原状堤基土要大，。如果泥浆层或泥浆缝隙大量密集分布在上覆粘性土层中，就会使局部土层物理性质发生变化，但这种变化实际使堤基土抗渗浮的安全性相对减小了。

四、地层扰动严重时的防渗工程设计

地勘资料显示，虽然穿越施工可能对堤基扰动产生较大的影响，但通过上述分析发现，这种影响对堤身堤基的渗流场几乎没有影响。泥浆中含砂量的越高，渗透系数就越大，堤身浸润线就越低，但这种降低并不明显。分析同时发现，大量泥浆缝的存在上覆粘性土层中会使局部土体的抗渗抗浮能力相对减小。

在完成穿越施工后，设计并实施了防渗工程。利用该工程来恢复堤基土的抗渗抗浮能力，工程实施的范围为沿管道方向宽度100米左右。荆江大堤穿越施工处防渗工程实施已有三年，先后后经历了2个丰水期考验，没有险情发生的迹象。

五、结束语

定向钻施工在多个领域都有十分可观的应用前景，由于施工施加的泥浆压力要比管道的上覆土压力大得多，因此理论上堤基发生冒浆现象是必然的。但通过采取改进施工技术，提高泥浆的配置浓度、降低钻进速度等措施均能使地地表冒浆程度大大减小。但通过计算分析发现，冒浆现象的发生对堤防堤体的渗透性几乎没有影响。因为原状堤基土干密度比缝隙中新近充填的夹砂泥浆要大，所以孔隙率比原状堤基土要大，。如果泥浆层或泥浆缝隙大量密集分布在上覆粘性土层中，就会使局部土层物理性质发生变化，但这种变化实际使堤基土抗渗浮的安全性相对减小了。地勘资料显示，假设水平向的泥浆夹层的发展速率与垂直向的泥浆缝隙保持基本是一致的，那么水平泥浆夹层就会在缝隙发展至地面时停止发展。因此，水平泥浆夹层的最大延伸长度一定比管道埋设深度小。在实际应用中，对完成穿越施工后的堤防实施防渗工程，因穿越施工而发生险情的可能性很小。

参考文献

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