水平定向钻施工工艺对堤防稳定的影响分析

张 胤，程 大 鹏，罗 坤，李 军

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210006； 2.南京市浦口区水务局，江苏 南京 211800)

水平定向钻(Horizontal Directional Drilling，简称HDD)埋管技术是20世纪70年代从石油和天然气工业引入的非开挖(钻孔)敷设管线技术[1]。与传统的开挖或高架跨越敷设管线方式相比，该技术为解决油、气、水、电等生命线管线穿越水域、公路、铁路或其他障碍物提供了经济、高效的施工方案，具有不占用土地、不影响交通和景观等明显优点，已为全球管线、管网基础设施建设做出了重要的贡献[2]。随着我国社会和经济的发展，管线穿越工程建设数量日益增多，采用大管径敷设的现象也频繁显现[3-5]。在水利行业，涉及管线穿越河道、堤防的建设项目亦与日俱增，并呈现出快速增长的势头[6]。在磨子峪水库除险加固工程中，水平定向钻孔技术就较好地解决了新建输水涵管的难题[7]。据统计，2016年光江苏省定向钻穿越河道达200余处[8-9]。随着施工机械、施工材料以及信息化施工管理技术的发展，并历经近半个世纪的工程应用，水平定向钻埋管施工技术本身在钻机功率和效率、管线定位[10]、护壁泥浆的环保性能、管径尺寸[11]、穿越长度[12]、埋管深度[13]等方面已取得了长足的进展，并已渐趋成为一项成熟的先进实用技术。但是，其施工过程中采用增压泥浆护壁和扩孔埋管对地基及建(构)筑物应力、变形和稳定性所造成的影响，却鲜见有研究报道，可资借鉴的研究成果并不多见[14]。同时，随着管径的增大、施工项目的增多，一些工程事故却时有发生[15-16]。比如，2016年4月仪征-长岭原油管道复线工程在定向钻穿越南京市浦口区永宁河施工过程中就曾出现过河底和堤防背水坡时冒浆、堤防沉降、混凝土护坡开裂损坏等现象。而这类事故，对于保障防洪安全、保护人民生命和财产安全的堤防工程而言，是必须杜绝的。因此，科学分析和评价水平定向钻埋管技术对堤防安全的作用影响是水利技术人员和管理人员当前和今后都迫切需要攻克的技术难题，是提升水平定向钻埋管这一先进技术在堤防工程中的应用水平迫切需要解决的重要环节。

本文基于Bishop堤防稳定计算公式，提出一套适用于水平定向钻穿堤稳定分析的修正公式，自编程序实现其计算功能。结合南京市某给水管埋设工程，重点分析水平定向钻扩孔施工工艺对堤防稳定的影响。分析潜在滑弧因扩孔而发生的变化规律，及扩孔过程对堤防稳定的影响。从水平定向钻管线施工设计方面进行堤防稳定敏感性分析。相关成果可为水利行业防洪减灾与工程管理，以及水利行业与其他行业涉及管线工程的交叉规划与建设提供重要技术基础和依据。

1 Bishop修正公式

Bishop法属于土坡稳定分析中的“条分法”，简化Bishop法的基本假定为：① 滑裂面形状为圆弧形；② 土条间只有水平推力作用，条间剪力为零。

依据以上两个基本假定条件，可以得到简化Bishop法的安全系数计算公式如下：

(1)

水平定向钻在掘进时，管壁受到周围土体对其作用的侧向摩阻力。该侧向摩阻力可近似根据《建筑桩基技术规范》中公式5.3.3-1计算，也可根据现场试验监测得到，本文采用第一种方法计算相关侧向摩阻力。考虑到水平定向钻掘进对堤防边坡产生的下滑力，则公式(1) 可修正为

(2)

(3)

式中：Fs为土坡抗滑稳定安全系数；Wi为土条自重，kN；Fi为土条所受水平定向钻掘进时产生的侧向摩阻力，kN；bi为土条宽度，m；αi为土条底边倾角；ci为土的有效凝聚力，kN/m2；φi为土的有效内摩擦角；R为滑动圆弧半径；ui为作用于土条底边上的孔隙水压力；mαi为作用在土条底边中心处的水平附加力对滑动圆心的矩。

2 模型分析背景

2.1 工程概况

南京市某给水管埋设工程，管线全长约2 190 m。其中穿越过秦淮新河工程定向钻穿越长度540 m，敷设DN1000PE管1根。以路面为基准面，计划穿越深度为20 m。入土点位于雨花台区中兴路北延秦淮新河南侧，出土点位于建邺区新河路秦淮新河北侧。勘探深度范围内揭露的土层分布，按其成因、类型、物理力学性质指标的差异划分为2个工程地质层及若干亚层。穿越段管道埋深主要在②-2层淤泥质粉质黏土层为主的土层范围内。地基土工程地质特征分层描述列于表1。根据工程地质勘测报告，各土层物理力学指标列于表2。

表1 地基土层描述Tab.1 List of subsoil description

表2 地基土层物理力学指标建议值Tab.2 List of suggested values of physical and mechanical indices of subsoil

2.2 堤防模型建立

鉴于水平定向钻钻孔直径较小，其施工工艺对堤防的纵向影响范围较小，计算模型可近似采用平面应力模型分析(见图1)。模型纵向为1 m宽度，其水平定向钻穿越轨迹与土层分布如图2所示。该模型近似方法操作简单，对于一般中小型水平定向钻项目，在保证一定精度的同时应用较为普遍。

图1 土条沿堤防边坡纵向剖分示意Fig.1 Schematic diagram of longitudinal division of soil strip along embankment slope

图2 水平定向钻穿越堤防边坡剖面示意Fig.2 Horizontal directional drilling through the embankment slope profile

2.3 模型边界条件分析

计算模型中，垂直于堤防横剖面的厚度考虑为单位长1 m，若取堤防横剖面两侧一定范围，将此范围土体受到的平均附加力作为计算横剖面所受到的力，即可实现二维到三维的转化。此转化的实现依据是：水平定向钻穿越时铺管阻力可由具体公式计算而得。

计算基本假定：① 只考虑水平定向钻施工时铺管侧摩阻力对堤防土体的影响，不考虑注浆压力的影响；② 土体为匀质、线弹性半无限体；③ 水平定向钻穿越一次成功，轨迹单一，不考虑钻孔机纠偏、旋转的影响；④ 侧摩阻力沿穿越轨迹均匀分布；⑤ 模型计算过程不考虑时间效应，仅为空间位置上的变化。

3 扩孔施工对软弱地基堤防扰动影响分析

计算工况为施工工况，钻机入土角度、出土角度均控制在8°。导向孔根据设计曲线钻进，铺设DN1000PE管，曲线按300D计算，分一孔实施，拟采用400，550，700，850，1 000，1 150，1 300 mm直径挤扩钻头进行6次扩孔，然后用Ø1 300扩孔器进行清孔。最终扩孔直径保证为1.2～1.5倍的铺管直径，确保管线铺设通道通畅。

堤身高度取9.0 m，坡比为1∶5，堤身为压素填土(土层①-2A)。穿越段管道埋深标高为-7.5 m，距离河底为10 m，在以②-2层淤泥质粉质黏土层为主的土层范围内，水平定向钻入土角及出土角均为8°。泥浆是由水、膨润土搅拌而成，泥浆黏度可根据地质情况和管径大小确定，泥浆黏度值可按规定选取。管线与周围地层摩擦力采用地层竖向压力乘以土体的摩擦系数，摩擦系数一般取0.2～0.3。

3.1 潜在滑弧分析

根据上述边界条件及假设，计算分析堤防在水平定向钻施工前后的安全稳定性，对比分析两者潜在滑弧位置及相应安全系数的变化规律，定性并定量综合比较水平定向钻施工对原堤防安全稳定的影响。原堤安全稳定计算得到的滑弧如图3所示，当水平定向钻扩孔至1 m时堤防滑弧如图4所示。在水平定向钻穿越施工的影响下，堤防的安全系数减小，安全稳定性下降，相应的潜在滑弧有略微下移，潜在滑弧半径增大。迎水坡潜在滑弧出露位置距坡脚由8.14 m扩大到17.57 m，背水坡潜在滑弧出露位置距坡脚由13.91 m扩大到20.61 m，表现出深层滑动倾向。

图3 原堤防左岸潜在滑弧示意(背水坡K=3.473 7，迎水坡K=3.178 0，尺寸单位：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)

图4 水平定向钻穿越后堤防左岸潜在滑弧示意(背水坡K=2.500 5，迎水坡K=2.223 2，尺寸单位：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 扩孔过程稳定分析

根据水平定向钻扩孔施工步骤，分别选取水平定向钻穿越至堤顶前10.0 m(1号位置)、堤顶中心(2号位置)、堤顶后5.0 m(3号位置)、堤顶后10.0 m(4号位置)、堤脚前10.0 m(5号位置)、堤脚(6号位置)和堤脚后10.0 m(7号位置)7个计算分析位置，8号位置为全线扩孔完成状态。模拟计算孔径为Ø400、Ø550、Ø700、Ø850、Ø1 000、Ø1 150、Ø1 300的7次扩孔施工顺序，得施工工况下水平定向钻扩孔穿越到不同位置时堤防边坡的安全系数如图5～6所示。

由图5可知：当水平定向钻穿越管线逐渐接近堤顶中心(2号位置)时，堤防背水坡安全系数有明显下降。水平定向钻穿越管线对堤防背水坡安全稳定的影响在到达堤顶后5.0 m(3号位置)时逐渐减小，之后水平定向钻穿越管线对堤防背水坡安全稳定影响可忽略不计。由图6可知：当水平定向钻穿越管线逐渐接近堤顶后10.0 m(4号位置)时，堤防迎水坡安全稳定明显受到影响，相应安全系数在堤脚前10.0 m(5号位置)时有明显下降。水平定向钻穿越管线对堤防迎水坡安全稳定的影响范围大致在堤顶后10.0 m(4号位置)与堤脚(6号位置)之间。该范围之外，水平定向钻穿越管线对堤防迎水坡安全稳定影响可忽略不计。

图5 左岸堤防背水坡扩孔过程中各掘进位置的安全系数变化曲线Fig.5 The safety coefficient variation diagram of each tunneling position in the process of borehole expansion of the left embankment downstream slope

图6 左岸堤防迎水坡扩孔过程中各掘进位置的安全系数变化曲线Fig.6 The safety coefficient variation of each tunneling position in the process of borehole expansion of the left embankment upstream slope

4 水平定向钻参数对堤防安全稳定的敏感性分析

水平定向钻施工对堤防的影响因素很多，本次研究主要从水平定向钻穿越轨迹水平段埋深、直径、出土角、入土角及堤防坡度5个方面，进行堤防安全稳定影响分析。

4.1 埋深的影响分析

基于水平定向钻7次扩孔至Ø1 300后的施工状态，假定左岸边坡为管线穿入侧，即模型计算入土角为8°，堤防为原设计状态。分别计算了埋深h(h为水平定向钻穿越管线顶部距离河床底部的垂直距离)为3，6，9，12，15 m情况下，水平定向钻施工对堤防安全稳定的影响(见图7)。可知：随着埋深的增加，堤防的安全系数也随之增加，且近似为线性变化，并有向原堤防安全系数值逼近的趋势，说明隧道埋深越深，水平定向钻穿越管线施工对堤防安全稳定的影响越小。当埋深超过约12倍洞径时，其影响可忽略不计。

图7 水平定向钻穿越管线埋深对堤防安全系数的影响曲线Fig.7 The influence curve of horizontal directional drilling on safety coefficient of embankment

4.2 管线直径的影响分析

为较清晰体现水平定向钻穿越管线直径对堤防安全稳定的影响，本次计算选取管线埋深为3 m，假定左岸边坡为管线穿入侧，即模型计算入土角为8°，堤防为原设计状态。相应计算穿越管线直径分别为500，800，1 000，1 200，1 500 mm时的堤防安全稳定性，计算结果如图8所示。由图8可知，当仅改变水平定向钻穿越管线直径时，随着管线直径的增加，堤防的安全系数随之降低，说明水平定向钻穿越管线直径越大，对堤防的安全稳定的影响越大，且其近似呈线性变化。

图8 水平定向钻穿越管线直径对堤防安全系数的影响曲线Fig.8 The influence curve of horizontal directional drilling pipeline diameter on safety coefficient of embankment

4.3 管线出、入土角的影响分析

采用水平定向钻7次扩孔至Ø1 300后的施工状态，堤防为原设计状态，管线埋深为3 m。分别计算出、入土角为4°，6°，8°，10°，12°时堤防安全系数，计算结果如图9所示。可知，随着出、入土角角度的增加，堤防的安全系数几乎不变。结合图10，可知在堤防背水坡一定范围内，水平定向钻穿越施工出、入土角角度对堤防安全稳定影响较小，该角度的选取可仅参考施工工艺、地质等条件。

图9 水平定向钻穿越管线出、入土角对堤防安全系数的影响曲线Fig.9 The influence curve of horizontal directional drilling out angle or in angle on safety coefficient of embankment

图10 水平定向钻穿越管线出、入土角计算位置示意Fig.10 Schematic diagram of the calculated position of horizontal directional drilling out angle or in angle

4.4 堤防坡比的影响分析

采用水平定向钻7次扩孔至Ø1 300后的施工状态，管线埋深为3 m，假定左岸边坡为管线穿入侧，入土角为8°，分别计算分析堤防迎水坡坡比为1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，1∶6时的堤防安全系数(见图11)。可知，当保持水平定向钻穿越管道埋深和管径一定时，堤防的安全系数随着堤防迎水坡坡比的增加而呈线性规律增加，且坡度越小，其掘进对堤防的安全系数影响越小。

图11 水平定向钻掘进时堤防安全系数随堤防坡比影响的变化曲线Fig.11 The variation curve of embankment safety coefficient with the influence of embankment slope ratio during horizontal directional drilling

5 结 论

(1) 通过水平定向钻施工工艺，提出采用二分法优化后的Bishop修正计算方法，近似采用二维平面应力模型，并通过均匀分配管线实际三维所受摩擦力的方法来考虑施工的三维效应。该方法大大减少了建模计算的工作量，并简化了计算步骤。

(2) 水平定向钻穿越堤防扩孔过程中，第一次钻孔施工对堤防迎、背水坡的影响最大，在后期6次扩孔结束后，堤防背水坡安全系数总体减少28.02%，堤防迎水坡安全系数总体减少30.04%。钻孔穿越后，堤防迎、背水坡安全系数均约减少至施工前堤防安全系数的1/3，且对迎水坡影响较背水坡稍大一些。建议水平定向钻穿越层附近存在软弱夹层时，原堤防施工期安全系数计算值不宜小于1.6。

(3) 基于水平定向钻施工对堤防影响因素的敏感性分析，各因素影响程度由高到低分别为埋深、管径、堤防坡比、出土角及入土角。在水平定向钻穿越的影响下，堤防的安全系数减小，其稳定性下降，相应的潜在滑弧有略微下移，潜在滑弧半径增大，显示出深层滑动倾向。

(4) 水平定向钻穿越管线埋深、堤防坡比等因素与堤防的安全系数存在正比关系。其中当埋深超过约12倍管径时，水平定向钻施工对堤防的影响可忽略不计。而水平定向钻穿越管径与堤防安全系数存在近似线性变化的反比关系。穿越管线出、入土角对堤防安全稳定影响可忽略不计，该角度的选取可仅参考施工工艺、地质等条件。因此在施工过程中，应选取适当的水平定向钻管径和轨道埋深，加强堤防变形的安全监控，尽量减少对堤防的影响。