定向钻施工引起堤防塌陷原因及加固方案研究

詹旺林 李林兵 高鸿

摘要：塌陷险情对堤防危害大，如处理不当，将严重危及堤防安全。结合工程实例，对定向钻引起堤防塌陷的原因进行综合分析认为，在岩溶发育地区，定向钻施工客观上连通了覆盖层和溶洞内部，且在地下水位波动的影响下，覆盖层土体流失形成土洞，当土洞失稳塌陷，便在地面形成塌坑。针对险情发生的原因，提出了综合治理方案：在现有管线入岩位置进行截渗，封堵土体沿管壁进入基岩溶洞或溶隙的路径，对已探明的溶洞进行灌浆填充，对管壁周边空隙及管顶松散土体进行黏土固化浆液灌浆填充，并在下游坡脚增设水平压盖。研究成果可为类似工程提供参考。

关键词：堤防塌陷; 定向钻施工; 溶洞; 灌浆; 综合治理

中图法分类号：TV871 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.016

文章编号：1006 - 0081（2022）04 - 0096 - 05

0 引 言

定向钻是在不开挖地表的条件下，铺设多种地下公用设施（管道、电缆等）的一种施工方法，20世纪70年代首先在西方发达国家兴起，后逐渐被中国广泛采用。该方法具有施工速度快、精度高、成本低等优点，广泛应用于供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线的铺设工程。

定向钻施工技术常被应用于江河堤防穿越。定向钻施工主要包括导向孔、预扩孔、管道回拖等工序。在扩孔施工过程中，扩孔器在旋转扩孔的同时喷出一定配比的泥浆，这既能对导向孔起护壁作用，也能为管道回拖提供润滑[1-2]。在长距离管道施工中，泥浆一般需维持较高的压力;在管道入土点及出土点附近，管顶的土层厚度较小，往往容易出现冒浆的情况。当黏土浆液夹杂泥沙冒出地面，堤基覆盖层的防渗性能将变差。护壁泥浆干缩形成的渗流通道也容易造成管涌险情[3]。

当定向钻穿越地表覆盖层及下伏基岩且基岩溶洞（溶隙）发育时，覆盖层土体在地下水位波动的作用下极易沿溶洞（溶隙）流失，进而造成地面塌陷。塌陷险情对堤防的危害极大，如果任其发展或处理不当，将严重危及堤防安全，必须高度重视。

目前分析定向钻施工引起堤防塌陷的原因及相应加固治理方面的研究不多。对于堤防塌陷，大多针对堤防本身进行加固处理，如塌坑开挖回填、堤身黏土灌浆、上游斜墻防渗、下游排水反滤导渗等常规措施[4-5]。而定向钻施工引起的堤防塌陷有深层次的水文及地质方面的原因，采取常规治理手段不能从源头解决其根本问题，必须对堤基及堤身进行系统治理，才能取得良好效果。另外，该案例也作为类似水文及地质条件下的定向钻施工警示：应提前做好堤基的加固处理工作，以免危及堤防安全的塌陷发生。

1 工程基本情况

仪征-长岭原油管道复线工程横跨江苏、安徽、湖北、江西4省，经过扬州、南京、巢湖、安庆、黄冈、九江等城市。九江至黄冈段管道直径559 mm，水平投影长度2 338 m，工程采用定向钻方式穿越长江主河槽。

河道右岸为九江长江干堤（Ⅰ级堤防），穿越断面桩号12+796。入土点距堤内坡脚约50 m，钻孔入土角度10°，穿堤段管道位于堤顶下垂直深度约20.8 m。为解决管壁泥浆收缩管周空隙问题，在入土点附近顺管道外壁插入20 m长钻孔花管，待定向钻施工完成后，进行入土点注浆，并在其附近一定范围内对地层进行锥探密实注浆[6]。

2 塌坑险情

2.1 险情概况

2015年6月，定向钻穿越长江段管道施工完成。同年12月11日，堤防管理人员巡堤发现管道穿堤段背水坡面及内堤脚有两处塌坑：坡面塌坑呈椭圆形，长轴3.2 m，短轴2.0 m，面积约5 m2;堤脚椭圆形塌坑位于下游坡脚外5 m处，长轴2.1 m，短轴1.8 m，面积约3 m2。两处塌坑可见深度约1 m。另外堤脚挡墙存在明显沉降，沉陷段长约10 m，与两侧挡墙顶高落差约0.1～0.2 m。12月28日，在距上游堤脚4.5 m处又新增一圆形塌坑，直径3.7 m，深2.3 m，塌坑面积约11 m2。三处塌坑处于同一直线上，与穿江管道位置基本对应。塌坑平面位置见图1。

2.2 地质情况

2.2.1 工程地质

工程区位于长江漫滩一级阶地，属河流冲积地貌单元，区内地形平缓[7]。

上部第四系覆盖层主要分布有淤泥质粉质黏土、粉质黏土，其中淤泥质粉质黏土弱透水、含水量高、强度低，厚度7～15 m。下伏基岩为第三系砾岩，砾质含碳酸钙，多为砂质胶结，有溶隙，溶洞发育。管线钻孔地质纵剖面见图2。将各土层自上而下分述如下。

（1） 第四系全新统人工填土（Qr）：素填土，即堤身填筑土，土料均匀，为砖红色粉质黏土，稍湿，中等密实，主要成分为网纹状黏土。

（2） 第四系全新统冲积层（[Qal4]）：淤泥质粉质黏土，呈褐色、灰绿色，呈饱和软塑状，局部含动植物腐殖质，有腐臭味，中高压缩性，底部含砾。厚度9.8～20.4 m，分布高程17.8～-4.9 m。

（3） 第四系中更新统冲积层（[Qal2]）：粉质黏土，硬塑状，局部含卵砾，粉粒含量较高，切面粗糙无光泽，压缩性低，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、临江组并层（E1-2）：砾岩，黄白色，呈砂质胶结、局部钙质胶结，砾径10～100 mm，砾质为钙质、硅质、泥质等，岩心呈块状、短柱状，可见溶隙发育。ZK4孔在孔深22.9～27.0 m和27.8～32.6 m见充填溶洞。

2.2.2 水文地质

区内地下孔隙潜水主要赋存于第四系全新统（[Qal4]）表层粉质黏土、砂壤土、粉细砂层孔隙中。长江九江段最低和最高水位一般在8～19 m高程之间起伏波动，最高与最低水位波动幅度达10 m以上，年复一年、循环往复。地基下第四系覆盖层中地下水与长江水位联系密切，表现为汛期受长江水补给，具承压性，枯水期地表径流补给长江水。

2.3 塌陷原因分析

通过查阅管道及防渗专项设计方案、施工记录、调研详细施工过程，经综合分析，认为塌坑产生的原因主要为以下两个方面。

2.3.1 地下水位波动

在地表发生塌陷前，由于土体流失，地表下一定深度首先产生土洞，当土洞结构不足以支撑上部土体重量时，土洞垮塌，继而在地表形成塌坑。

根据万志清等[8]的研究，形成土洞的条件有3个。① 有开口面向覆盖层的溶洞、溶隙或断裂裂隙，能容纳水流带来的上覆土层。② 有一定厚度的覆盖岩土层：由于地下水长期浸泡覆盖于可溶岩上的土层，土层通常呈软塑至流塑状，其抗拉和抗剪强度极低，在地下水反复波动作用下形成土洞的雏形。③ 有地下水的活动：地下水是作用于覆盖层中的最常见外力，对土层起直接的破坏作用，尤其是地下水的波动幅度、流动速度及波动频度对土层破坏的影响显著[9]。

在此次勘察中，ZK4孔揭露有垂直分布两个溶洞，说明岩溶较发育。场地岩层具有可以容纳水流带来覆盖层的空间;覆盖层为厚度15～20 m的黏性土，受长江水补给处于饱和状态，性状接近淤泥，属于力学性能差的软弱层;场区地下水活动频繁，受长江水位每年10 m多的起伏变化影响。

由此可见，工程区具备形成土洞的3个条件，在外部条件（穿江管道）的作用下，现有平衡被打破，加速了土洞的形成，进而土洞垮塌，在地面形成塌坑。因此，此次受地下水位波动出现地面塌坑的原因可以概括为以下3点。

（1） 仪征-长岭复线穿江管路的施工穿透了覆盖层、进入下伏基岩，为发育岩溶的砾岩与地下水土间提供了良好的渗流通道。

（2） 地基土覆盖层上部为深厚的第四系粉质黏土、淤泥质粉质黏土，属软弱土层，力学性能差;下伏基岩有岩溶发育;受长江水位变化，地下水运动频繁，勘察区场地具有形成土洞的天然条件。

（3） 土洞形成过程中，由于地下水位波动所产生的水、气压力引起的拉压作用，软弱土产生压缩变形，土洞塌陷，进而在地面形成塌坑。

2.3.2 泥浆干缩

管道入土点高程为16.6 m，管道穿江段最低点高程-45.4 m，两者落差高达62.0 m，定向钻施工过程中预扩孔（Φ800 mm）与管壁（Φ559 mm）之间的泥浆在自重作用下析水沉淀，干泥浆沉积于河床水平段，斜坡段的管道和扩孔之间则形成了空腔。原防渗专项方案采用在管道入土段管壁预埋灌浆花管、在入土点附近一定范围内采用锥探灌浆使地层密实。经分析，预埋花管灌浆和土层锥探灌浆范围偏小，效果不佳，因而造成管道顶部软塑至流塑状土体补充进空腔，进而形成地表塌坑。

3 加固处理方案

根据上述分析得出塌坑形成的主要原因，本次加固处理方案主要从以下3个方面综合考虑：① 在现有管线入岩位置进行截渗，封堵土体沿管壁进入基岩溶洞的路径，并对已探明的溶洞进行灌浆填充;② 对管壁周边空隙及管顶松散土体进行黏土灌浆填充;③ 在大堤下游坡脚增设水平压盖，确保堤防安全。

3.1 基岩帷幕灌浆截渗

对管道由土层进入基岩的前段进行帷幕灌浆，充填水泥浆液，封堵覆盖土层进入基岩裂隙和溶洞的途径，并为已探明的溶洞充填灌浆。

基巖压力灌浆布置于管道两侧，每侧布置3排灌浆孔，排距2.0 m，孔距2.0 m，灌浆深度穿透强风化层，同时深入管底基岩以下至少5.0 m。

基岩灌浆止浆塞固定在基岩表面，灌浆压力不小于1 MPa。水泥浆液选定3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1， 0.6∶1，0.5∶1六个比级，由稀至稠逐级调配使用。采用3∶1的浆液起灌，2∶1，1∶1，0.8∶1的浆液主灌，0.6∶1，0.5∶1的浆液用于特殊情况处理。遇大漏段则采用由稠至稀间歇性灌注。在规定压力下，当注入率≤0.4 L/min时，再继续灌注60 min;或注入率≤1 L/min时，再继续灌注90 min，即可结束灌浆[10-12]。

3.2 黏土固化水泥浆液充填灌浆

对堤外塌坑松散土体、堤外坡和堤顶下方土体均进行灌浆密实，灌浆采用黏土固化水泥浆液。

黏土固化剂水泥灌浆技术是利用钻机在地层中造孔，然后将按一定比例混合黏土固化剂、黏土、水泥和水组成的浆液注入到松散地层中，固化剂水泥浆液填充密实土层的裂隙、孔洞形成结石体[13]。

沿管线方向布置7排灌浆孔：管顶上方布置1排，两侧各布置3排;灌浆孔排距1.0 m，孔距1.0 m。管顶一排的灌浆孔底保留安全距离至管顶以上2 m，其他灌浆孔排布至基岩面。每排孔梅花形错开布置，分三序施工，堤内灌浆压力控制在0.1～0.2 MPa[14]。

黏土水泥比为8∶2， 固化剂用量为水泥用量的15%，水料比为0.5∶1，每拌浆液实际用料为黏土40 kg、水泥10 kg、水75 kg。灌浆纵剖面布置见图3。

3.3 水平压盖

堤脚设水平压盖，范围以管轴线向两侧各延伸10 m，总宽20 m，两侧各设1∶3斜坡与堤脚平台衔接，压盖厚1.5 m，压盖材料采用风化料或砂石混合透水料，填筑料相对密度不小于0.65，压盖底部先清除杂草，后铺设土工布，土工布两端均嵌入堤脚平台土体内30 cm。

3.4 渗流稳定分析

为复核加固后的堤防安全，对其进行渗流稳定计算。加固前后各地层所取参数如表1所示。

渗流稳定分析考虑以下两种情况。

（1） 加固后堤身的渗流稳定。在长江防洪水位21.16 m下，通过建模对加固处理后的堤防进行渗流及抗滑稳定复核，如图4所示。采用毕肖普法计算得下游堤坡的抗滑稳定安全系数为1.85。该段堤防为九江市城防堤，级别为Ⅰ级，根据GB 50286-2013《堤防工程设计规范》，正常运行工况下采用毕肖普法所得堤防的抗滑稳定安全系数应不小于1.5，计算结果满足规范要求。

（2） 基岩裂隙压力水沿原油管道管壁向外渗流情况下的稳定。在防洪水位下，内外水位差为3.96 m，沿管壁渗流的渗透比降J=△H/L=0.05，小于堤基土的允许渗透比降（J允=0.2），满足渗流安全要求。

综合以上分析可知，加固后堤防渗流稳定情况满足规范和设计要求，不会产生渗流破坏。

4 处理效果

针对仪征-长岭原油管道定向钻施工过程中造成长江干堤的塌陷险情，采用了基岩帷幕灌浆、坝身及坝基土层充填灌浆、背水坡堤脚增设水平压盖的处理方案。塌陷险情治理完成后，经过6个水文年丰枯变化的考验，该段堤身未出现裂缝、滑坡、塌陷、渗透破坏等险情。该方案设备简单、施工方便、效果可靠，可为类似工程借鉴。

5 结 论

定向钻施工技术被广泛应用于穿越江河堤防。由于堤防工程的特殊性，进行定向钻施工时应密切关注以下几个方面。

（1） 护壁泥浆干缩形成的渗流通道极易造成管涌险情，在定向钻施工完成后，必须对管道入土点及出土点进行密实注浆，以封闭因泥浆干缩而形成的渗流通道。

（2） 当施工中出现冒浆时，应密切关注覆盖层渗透系数的变化，在必要时可在堤脚增加水平压盖，以保证堤基渗流安全。

（3） 在穿越溶洞或裂隙发育的岩层时，应充分研究其可能造成的堤防塌陷風险，并提前采取适当的工程措施，以避免塌陷险情的发生。

参考文献：

[1] 周志杨.定向钻孔铺设HDPE管技术在市政管道工程中的应用[J].广州建筑，2010，38（3）：36-38.

[2] 陈晓霞，杨春雷，柴义，等.定向钻扩孔反扩反输泥浆工艺[J].石油工程建设，2010，36（2）：106-108，13-14.

[3] 余剑平，胡维忠.定向钻穿越堤防对堤基的影响及防渗工程设计[J].人民长江，2006，37（8）：81-83，93.

[4] 侯卫祥.河道堤防采煤塌陷治理方法研究与应用[J]. 山东煤炭科技，2013（2）：167-169.

[5] 王鑫.北沙河堤防裂缝与塌陷应急处理方案[J]. 东北水利水电，2020，38（8）：18-19.

[6] 张勇，向功兴，齐运华.仪征-长岭原油管道复线工程仪征至九江段九江长江穿越防洪补救措施（九江侧）专项设计报告[R].武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2014.

[7] 黄文相，高鸿.仪征—长岭原油管道复线穿九江城防堤应急处理工程专项设计地质勘察报告 [R].九江：九江水利电力规划设计，2014.

[8] 万志清，秦四清，李志刚，等.土洞形成的机理及起始条件[J].岩土力学与工程学报，2003，22（8）：1377-1382.

[9] 欧阳振华，蔡美峰，李长洪.地表塌陷中隐伏土洞的形成与扩展机理研究[J].金属矿山，2006（6）：16-18，52.

[10] SL62-2014  水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].

[11] 水利水电工程施工手册编委会.水利水电工程施工手册第1卷.地基与基础工程[M].北京：中国电力出版社，2004.

[12] 王冬升.滇东岩溶地区帷幕灌浆单位注灰量与单位透水率相关分析[J].水利水电快报，2021，42（8）：67-72.

[13] 邹双七，张柳春.粘土固化剂防渗灌浆技术在堤坝除险加固中的应用[J].湖南水利水电，2011（4）：25-27.

[14] 陈利强，卢建华，章赢，等.堤坝粗粒土控制灌浆修复加固技术[J].水利水电快报，2021，42（10）：57-62.

（编辑：高小雲）

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