水平定向鉆穿越對河流防洪的影響分析
水平定向鉆穿越對河流防洪的影響分析
一、前言
在長輸管線建設中，管道不可避免地要穿跨越河流，對于河流穿跨越方案的選擇，應是管道設計優先考慮的問題。近年來隨著水平定向穿越技術的飛速發展，由于其工期短，工程費用相對較低，不破壞河流原貌，對周圍的環境影響小，同時能夠保證管道的埋深，基本達到免維護的效果，只要地質條件適宜大多采用定向鉆穿越。
和所有的施工技術一樣，水平定向穿越施工也具有一定的風險性，其中對河流防洪的影響最引人關注。據不完全統計，近年來，采用水平定向穿越對河流防洪產生不利影響的工程有：某天然氣管道河南沁河定向鉆穿越時造成冒漿、地面塌陷和大堤裂縫，某天然氣管道安徽淮河定水平向穿越造成地面塌陷，某天然氣管道湖南靳江河定向穿越時造成管涌事故等。
雖然上述只是為數眾多水平定向穿越工程中的幾個個例，不具有一定的代表性，但是由于采用定向鉆穿越畢竟對河流防洪曾經產生過這樣的不利影響，導致今后的管道工程在采用定向鉆方式穿越河流時，水利部門的批復和要求越來越嚴格，有時還要采取一定的工程措施，避免對河流行洪產生不利影響。
二、上述幾處定向鉆穿越對河流防洪產生不利影響的原因分析
上述對河流防洪產生不利影響的幾處定向鉆穿越，其產生問題的原因雖各有區別，但歸根結底是由于設計、地質及施工等方面的原因造成的。
⑴設計因素
管道設計不合理，設計入出土點距離大堤較近，管道穿越大堤時埋深較淺，由于孔壁失穩或冒漿造成局部塌陷而影響大堤的安全。
⑵地層因素
地質條件較差，易產生冒漿。地層為飽和易液化的粉細砂層，或地層本身就有孔隙、裂縫，使泥漿有通行的條件在施工時泥漿又加大了孔隙和裂縫進而影響了大堤安全，如上述的沁河、淮河定向鉆穿越工程。
⑶施工因素
定向鉆穿越施工中，由于鉆進速度過快、泥漿壓力和排量等因素造成泥漿冒漿；或在施工過程中不按操作規程進行施工，如上述的某天然氣管道定向鉆穿越靳江河時，由于地質條件復雜，施工時鉆頭卡鉆，施工單位在河底開挖鉆頭，將河堤處一水塘的覆蓋層挖穿，由于內河水的壓力而形成管涌，產生事故的原因不在于定向鉆穿越本身，而是由于施工時違規操作而引起的。
上述的分析表明定向鉆穿越對河流防洪的影響主要發生在施工期，需要設計方和施工方針對各個不同定向鉆穿越特點，采取相應的措施以減小和避免定向鉆穿越對河流防洪可能產生的不利影響。
三、定向鉆穿越安全性的討論
水平定向穿越施工分為鉆導向孔、預擴孔和管道回拖三個過程。定向穿越適宜的地質條件通常為粘土、亞粘土、粉土、粉砂、細砂層及整體巖石層，對僅在入出土點兩側一定厚度的卵石層可以采用套管、固結、開挖等措施實現定向鉆穿越。
定向鉆進施工時會對軟土層產生一定的擾動影響，但鉆機鉆進時，由于固壁泥漿的滲透和粘結造壁性能的作用，會使穿越管道周圍的土壤結構得到加強，管道周圍不可能出現砂土液化；同時由于泥漿的固壁穩孔效果，在穿越井壁周圍形成泥皮，泥皮的固壁穩孔也會使穿越空間的滲透性大大降低。此外，在穿越施工過程中，擴孔切割下來的鉆屑和泥漿本身的粘土顆粒也會被擠壓到環空四周的地層空隙中，從而增強了環空地層的密實度，因而鉆進施工對軟土層的擾動影響會被鉆機自身的工作特點所消除，對硬質巖石層的影響則更小。
定向穿越在鉆導向孔、擴孔及管道回拖過程中需要穩定的穿越孔洞，其工藝特點決定了定向鉆穿越管道的存在僅改變其周圍局部土體的滲流特性，只要保證在管道大堤下安全的埋設深度，其對大堤堤身及堤內腳附近的滲流影響較小，造成堤防抗滑失穩的可能性不大，定向穿越不會對堤防穩定產生明顯不利影響。如果定向穿越由于孔壁失穩造成地面塌陷，那么定向穿越本身也不會成功。
水平定向穿越完成后管道與穿越孔洞的臨空界面充滿泥漿，在較短時間內，由于泥漿失水沉淀和地球重力場的作用，同時由于定向穿越使用的泥漿密度約為水密度的1.1～1.2倍，環空空間基本上會被泥漿失水的粘土顆粒所填塞，且下部的密實度要高于上面的密實度，局部小范圍塌孔也不會產生不利影響。在定向鉆入出土點附近>15m范圍內為滿足埋地管道連頭需要，需開挖管溝，管溝開挖深度通常在2m左右，回填時采用3：7的灰土進行回填，回填時分層夯實，也能夠填實壓實一定深度范圍內的穿越孔洞，在一定范圍內改善土層的結構。
以往大量的工程實例證明定向穿越不會對河流防洪產生明顯不利影響，個別對防洪產生的不利影響的原因往往是由于其設計或施工工藝不當而造成的，至今尚未有定向穿越完成后對河流防洪產生不利影響的報道。只要在設計中保證管道在大堤及河床下安全的埋設深度并在施工中的嚴格工藝及施工速度和進度控制，定向穿越不會對河流防洪產生明顯不利影響。
四、預防定向鉆穿越對河流防洪不利影響的措施
1、定向穿越設計措施
通過對定向穿越曲線的優化設計，減少和避免定向鉆穿越的不利影響。
⑴保證入出土點到大堤堤腳的安全距離
通過保證入出土點到大堤堤腳的安全距離，來確保管道在大堤下的安全埋設深度，保證穿越孔洞上部的覆土厚度以減小對大堤的影響。
⑵增大穿越的入出土角
通過適當增大穿越的入出土角，可以在較短的水平長度內達到較大的穿越深度。相比而言，由于穿越深度的加大，發生冒漿和其它影響的幾率就會變小。
⑶選擇適宜的穿越地層
通過對定向穿越設計曲線的調整，使定向穿越避開不利的或易冒漿、漏漿的地層，能在粘土層中穿越就要避開易冒漿漏漿的粉砂、細砂地層，或施工時通過夯套管、注漿局部改良或消除不利地層如淤泥層或卵石層的影響。
⑷改變穿越的曲率半徑
在穿越長度不變的情況下，通過改變曲率半徑可以改變穿越管道的埋深，但曲率半徑的改變應該滿足規范的要求，防止由于曲率半徑過小而影響穿越施工。
⑸規范地質勘察的鉆探孔
如果進行地質勘察時的鉆探孔距離穿越曲線過近或由于勘察孔未按要求填封，在穿越施工中就可能導致泥漿從探孔中冒出，或導致外河水體與內河水體通過地質探孔和穿越孔洞相通而引起管涌。
2、定向鉆穿越施工措施
⑴優化定向穿越的泥漿技術
優良的泥漿性能既是定向穿越成功的重要保證，也是減少冒漿、地面塌陷的重要手段。在穿越施工中采用復合泥漿配比技術，確保泥漿在施工的各個階段性能優良并滿足使用要求。通過添加膠凝劑和懸浮性能提升劑，改變泥漿的粘度和切力，降低穿越孔洞泥漿柱的壓力、激動壓力和環空壓力，改變泥漿在漏失通道的流動阻力，通過添加堵漏劑，封堵漏失通道。
嚴格控制泥漿壓力和流量。施工中應根據不同的穿越地層和深度，適當調整泥漿的工作壓力和排量，防止由于泥漿壓力和性能的改變造成泥漿漏失，減少由于冒漿誘導產生地層裂縫的可能性。
⑵嚴格施工工藝控制
嚴格按照操作工藝規程的要求進行施工。鉆進軟地層時不要輕易加快鉆進速度，鉆進硬地層時要適當減慢鉆進時的速度，鉆導向孔、預擴孔及管道回拖要保證適宜的施工速度和進度，且不可為了求快，而盲目加大施工進度，防止由于施工工藝不當出現不利工況而影響防洪，既保證管道的順利穿越，也把不利影響降到最低。
⑶輔助措施－大堤監測
監測大堤是否會因定向鉆施工而產生沉降。在穿越管道中心線兩側布置監測點，監測從施工前開始先取得基準值，在施工期間加強監測，施工完成后再監測1個月。如沒有沉降或沉降在允許的范圍內，說明定向穿越沒有產生不利影響，如出現異常情況應及時向有關部門匯報采取相應的補救措施。
五、結論及建議
水平定向穿越技術由于其特有的優越性成為河流及其它障礙物穿越的首選技術，但由于其施工工藝本身的特點，需要設計方針對不同的穿越優化設計方案從源頭上保證安全，需要施工方在施工的過程中加強管理、嚴格施工工藝及施工速度和進度控制來保證穿越安全，以減少由于冒漿等原因而誘發次生災害的可能。目前國內對定向鉆穿越技術的研究已日趨成熟，但尚未有對定向穿越完成后孔洞的穩定性分析和研究成果，應借鑒國內外其它穿越施工技術或相關領域的先進技術，作為專題進行研究，以便從理論和實踐的角度提供相關的成果來指導定向穿越的設計和施工，并解釋和消除對定向鉆穿越安全性的擔憂。
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