楊培濤，吳 剛

(中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430000)

0 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，原有城市管道的運(yùn)行能力已不能滿足城市發(fā)展的需要，敷設(shè)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(diǎn)，且明挖法施工引起的“拉鏈馬路”現(xiàn)象影響極差，因而催生了非開挖技術(shù)——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(shè)方向易糾偏、埋置深度易調(diào)整、弧形敷設(shè)距離長、占地面積小、工程造價(jià)低、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于給排水、電力、通訊、天然氣等市政管道敷設(shè)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(gòu))筑物的最佳選擇，是不破壞原始地形地貌和保護(hù)環(huán)境最理想的施工方法。

市政管道定向鉆鉆進(jìn)施工的難易程度，受不同地質(zhì)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(zhì)勘察工作就顯得尤為重要?，F(xiàn)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(yīng)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(zhǔn)確查明工程地質(zhì)條件和工程地質(zhì)問題等原因，將會(huì)給工程建設(shè)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(zhǔn)備、設(shè)備就位、泥漿配置、導(dǎo)向孔鉆進(jìn)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)、回拖鉆進(jìn)、管道就位、環(huán)境保護(hù)、地形地貌恢復(fù)。其主要工序?yàn)閷?dǎo)向孔鉆進(jìn)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)、回拖鉆進(jìn)3個(gè)步驟，如圖1所示。

導(dǎo)向孔鉆進(jìn)：沿著設(shè)計(jì)好的線路，采用導(dǎo)向鉆頭鉆一條從入土點(diǎn)到出土點(diǎn)的曲線孔道，作為預(yù)擴(kuò)孔和回拖管線的引導(dǎo)曲線。

擴(kuò)孔鉆進(jìn)：用擴(kuò)孔器從出土點(diǎn)開始向入土點(diǎn)將導(dǎo)向孔擴(kuò)大至要求的直徑。

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

我國城市管道勘察對水平定向鉆拖拉法技術(shù)要求的規(guī)范較少，主要參考國標(biāo)和行標(biāo)[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(shù)規(guī)程》、GB/T 50568—2019《油氣田及管道巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》、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(gè)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(jù)近年來全國各地的實(shí)踐以及相關(guān)工程資料分析比較，當(dāng)設(shè)計(jì)提供確定的管道設(shè)計(jì)方案時(shí)(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(shí)拖拉法管道勘探孔間距、深度推薦表

當(dāng)設(shè)計(jì)提供的管道設(shè)計(jì)方案中管道埋深不確定時(shí)，可根據(jù)設(shè)計(jì)提供的造斜段的長度、工作坑深度、管材及管徑，通過經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式來推斷管道的埋深，進(jìn)而確定勘探孔的勘探深度。圖2為水平定向鉆拖拉法導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計(jì)圖。

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

(1)

式中：Rmin為曲率半徑(m)； 206為常數(shù)(MPa·m)；D為鋼管外徑(mm)；S為安全系數(shù)，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(dǎo)向孔軌跡設(shè)計(jì)圖

定向鉆鋪設(shè)PE管最小允許曲率半徑應(yīng)采用式(2)計(jì)算：

(2)

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

鋪設(shè)PE管時(shí)，鉆孔軌跡的曲率半徑應(yīng)同時(shí)滿足鉆桿的曲率半徑。鉆桿的曲率半徑應(yīng)由鉆桿的彎曲強(qiáng)度值確定：根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(jì)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(jì)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(shè)計(jì)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(yīng)根據(jù)場地水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件確定，為查明擬建場區(qū)的地質(zhì)情況，提供客觀事實(shí)的地質(zhì)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(diǎn)及應(yīng)對措施

3.1 勘察中可能存在的重難點(diǎn)

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

1)對特殊性巖土淤泥質(zhì)土層厚度、物理力學(xué)特征、分布范圍和觸變性難認(rèn)定。因淤泥質(zhì)土分布不穩(wěn)定，鉆探取樣質(zhì)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(zhì)土的性質(zhì)認(rèn)識(shí)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(xiàn)偏差。

3)對基巖的巖體強(qiáng)度、完整度及風(fēng)化差異性規(guī)律難認(rèn)清?；鶐r的成巖作用因受成巖環(huán)境的條件和物理化學(xué)性質(zhì)影響而呈現(xiàn)的不連續(xù)性，以及差異性風(fēng)化，使巖體的完整度、強(qiáng)度均存在局部或區(qū)域性變化，鉆探取樣不具有代表性，導(dǎo)致基巖的性質(zhì)與實(shí)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(zhì)、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(jié)果與鉆探取芯水平及地質(zhì)工作者的專業(yè)水平有密切聯(lián)系，故勘察結(jié)論與實(shí)際情況容易出現(xiàn)偏差。

3.2 應(yīng)對措施

1)充分收集區(qū)域地質(zhì)資料及水文地質(zhì)資料[6]，采取工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探及工程物探相結(jié)合的綜合勘察方法，盡可能查清定向鉆穿越段設(shè)計(jì)深度上下的地層情況，包括巖土層的性質(zhì)、特殊性巖土的特性及不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2)勘探方案的制訂應(yīng)因地制宜、靈活變通，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況適當(dāng)調(diào)整鉆孔間距及孔深度，當(dāng)遇到對定向鉆穿越有影響的層位和不良地質(zhì)現(xiàn)象，如軟土層(淤泥質(zhì)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(shí)，應(yīng)縮小鉆孔間距，加深鉆孔的深度。

3)工程地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，可采用以“初勘先行、物探輔查 、鉆探驗(yàn)證、探治結(jié)合” 的技術(shù)路線，用鉆探、室內(nèi)試驗(yàn)、水文試驗(yàn)等方法及地質(zhì)雷達(dá)、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(zhì)的規(guī)模及變化規(guī)律?？辈熘?，可根據(jù)實(shí)際具體的地質(zhì)情況對勘察工作做出合理調(diào)整，使勘察工作既經(jīng)濟(jì)合理，又能很好地查明工程地質(zhì)情況。穿越不同工程對象時(shí)，可根據(jù)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(shù)量，采取原位測試(靜力觸探試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)等)，進(jìn)一步探明淤泥的性質(zhì)。

5)針對松散層(砂、礫石、卵石)，充分收集區(qū)域地質(zhì)資料、江河水文地質(zhì)資料及河道變遷史，對松散層范圍有宏觀的認(rèn)識(shí)，通過加密鉆孔進(jìn)一步探清松散層的邊界范圍。提高松散層的取芯質(zhì)量，可選用優(yōu)質(zhì)膨潤土配制護(hù)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(jìn)行精準(zhǔn)判定。

6)對基巖巖體，適當(dāng)增加定向鉆穿越層位巖樣的取樣數(shù)量，并應(yīng)注意取樣的代表性。

7)針對基巖裂隙情況，可配合工程地質(zhì)調(diào)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(píng)價(jià)

在水平定向鉆拖拉法施工中，經(jīng)常會(huì)遇到一些工程地質(zhì)問題，常見的工程地質(zhì)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(jié)構(gòu)松散(如填土)、土質(zhì)柔軟(如淤泥質(zhì)土)的上覆土體時(shí)，其自穩(wěn)能力差，孔內(nèi)泥漿循環(huán)液壓力隨管道回拖鉆進(jìn)完成后消散，回拖過程中產(chǎn)生的孔內(nèi)負(fù)壓在失去外力支撐作用下，使上覆土層在自重應(yīng)力下向孔內(nèi)發(fā)生蠕動(dòng)變形，從而導(dǎo)致地面產(chǎn)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(huì)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(yùn)轉(zhuǎn)等。

4.2 管涌

拖拉管施工中，回?cái)U(kuò)鉆孔孔徑比管道直徑大，管道回拖時(shí)，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(dòng)水壓力作用下，地表水水位高程，高于定向鉆出入土點(diǎn)高程或穿越承壓含水層的水頭高程高于出入土點(diǎn)高程時(shí)，可能發(fā)生管涌，如圖4所示，造成回拖鉆進(jìn)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(dāng)觸變泥漿黏度低、稠度小時(shí)，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(shí)，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(xiàn)象，如圖5所示，對環(huán)境、 河道、堤防等造成較嚴(yán)重的不良影響。施工中可采取調(diào)整泥漿性能、減小鉆進(jìn)壓力、添加劑堵漏、合理控制鉆進(jìn)擴(kuò)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(jìn)，因施工不當(dāng)造成土體過分?jǐn)_動(dòng)，土體強(qiáng)度降低造成土體失穩(wěn)破壞；當(dāng)觸變泥漿壓力較大或上覆土層厚度較小時(shí)，會(huì)使上覆土體產(chǎn)生隆起造成失穩(wěn)破壞，如圖6所示；當(dāng)觸變泥漿的黏度較低時(shí)，易帶走粉土或砂土小顆粒，造成土體結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)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(huì)引起地面不均勻沉降、管涌、泥漿泄漏等工程地質(zhì)問題，施工時(shí)應(yīng)根據(jù)勘察查明的工程地質(zhì)條件和工程地質(zhì)問題制訂特定的施工方案，以確保工程建設(shè)施工安全。

5 結(jié)論

1)對于定向鉆穿越不同巖土層，勘察時(shí)應(yīng)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(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，可為定向鉆勘察工程提供一定的實(shí)際理論參考。

2)工程地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，可采用以“初勘先行、物探輔查 、鉆探驗(yàn)證、探治結(jié)合” 的技術(shù)路線，查清定向鉆穿越段工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及不良工程地質(zhì)問題?？辈熘校筛鶕?jù)實(shí)際具體的地質(zhì)情況對勘察工作做出合理調(diào)整，使勘察工作既經(jīng)濟(jì)合理，又能很好地查明工程地質(zhì)情況。