市政管道定向钻穿越勘察施工中的岩土工程问题探究

杨培涛，吴 刚

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430000)

0 引言

随着城市建设的快速发展，原有城市管道的运行能力已不能满足城市发展的需要，敷设新的城市管道势在必行。传统的明挖法施工具有占地面积大、堵塞交通、毁坏绿化、穿越障碍(江湖、铁路、建筑物等)开挖难度大等缺点，且明挖法施工引起的“拉链马路”现象影响极差，因而催生了非开挖技术——水平定向钻拖拉法。利用水平定向钻拖拉法施工具有对周围环境影响小、敷设方向易纠偏、埋置深度易调整、弧形敷设距离长、占地面积小、工程造价低、施工效率高等优点，被广泛应用于给排水、电力、通讯、天然气等市政管道敷设施工工程中，是市政管道穿越江河、湖泊、道路、铁路以及不可拆迁建(构)筑物的最佳选择，是不破坏原始地形地貌和保护环境最理想的施工方法。

市政管道定向钻钻进施工的难易程度，受不同地质条件、不同地层的影响，因此，市政管道定向钻穿越施工中的地质勘察工作就显得尤为重要。现行规范对穿越不同工程对象的市政管道定向钻勘察要求没有逐一对应的更精确的规定，所以在勘察阶段如因勘察方案的布置欠优化、未能准确查明工程地质条件和工程地质问题等原因，将会给工程建设埋下施工安全隐患，而水平定向钻拖拉法可以有效解决这些问题。

1 水平定向钻拖拉法的工艺原理

水平定向钻拖拉法工艺流程一般包括：测量放样、施工准备、设备就位、泥浆配置、导向孔钻进、扩孔钻进、回拖钻进、管道就位、环境保护、地形地貌恢复。其主要工序为导向孔钻进、扩孔钻进、回拖钻进3个步骤，如图1所示。

导向孔钻进：沿着设计好的线路，采用导向钻头钻一条从入土点到出土点的曲线孔道，作为预扩孔和回拖管线的引导曲线。

扩孔钻进：用扩孔器从出土点开始向入土点将导向孔扩大至要求的直径。

回拖钻进：地下孔达到了回拖要求后，将钻杆、扩孔器、回拖活节和被安装管线依次连接好，从出土点开始，一边扩孔一边将管线回拖至入土点为止。

图1 水平定向钻施工工序示意图

2 岩土工程勘察要点

我国城市管道勘察对水平定向钻拖拉法技术要求的规范较少，主要参考国标和行标[1-4]，GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》(2009年版)、CECS 382：2014《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》、GB/T 50568—2019《油气田及管道岩土工程勘察标准》、CJJ56—2012《市政工程勘察规范》。拖拉管的岩土工程勘察要求主要从勘探孔的布置原则、勘探孔间距控制原则、勘探孔孔深控制原则等3个方面来规定，水平定向钻拖拉法的岩土工程勘察要求详见表1。

表1 勘探孔勘探方案要求一览表

根据近年来全国各地的实践以及相关工程资料分析比较，当设计提供确定的管道设计方案时(包括线路轨迹及管道埋深)，对穿越不同的工程对象，推荐的拖拉管勘探孔间距、孔深见表2。

表2 穿越不同对象时拖拉法管道勘探孔间距、深度推荐表

当设计提供的管道设计方案中管道埋深不确定时，可根据设计提供的造斜段的长度、工作坑深度、管材及管径，通过经验计算公式来推断管道的埋深，进而确定勘探孔的勘探深度。图2为水平定向钻拖拉法导向孔轨迹设计图。

1)管材最小允许曲率半径的确定。定向钻铺设钢管最小允许曲率半径应采用式(1)计算，也可用≥1 200D估算：

(1)

式中：Rmin为曲率半径(m)； 206为常数(MPa·m)；D为钢管外径(mm)；S为安全系数，一般取1～2；K2为钢管屈服极限(MPa)。

图2 水平定向钻拖拉法导向孔轨迹设计图

定向钻铺设PE管最小允许曲率半径应采用式(2)计算：

(2)

式中：ρ为曲率半径(cm)；E为弹性模数(MPa)；DH为管外径(cm)；δρ为弯曲应力(MPa)。

铺设PE管时，钻孔轨迹的曲率半径应同时满足钻杆的曲率半径。钻杆的曲率半径应由钻杆的弯曲强度值确定：根据工程实践经验，一般情况下钻杆弯曲半径为1 200D以上(D为钻杆外径)。

2)水平段管道中心线距工作坑坑底的垂直距离的计算：

(3)

式中：h为水平段管道中心线距工作坑坑底的垂直距离(m)；R为曲率半径(m)；L为造斜段长度(m)。

3)勘探孔勘探深度的计算：勘探孔勘探深度=工作坑深度+水平段管道中心线距工作坑坑底垂直距离+管道半径+规范要求设计管底的深度控制，即：

(4)

式中：H为勘探孔深度(m)；d为工作坑深度(m)；D为管道外径(m)。

勘察方法应根据场地水文地质、工程地质条件确定，为查明拟建场区的地质情况，提供客观事实的地质勘察资料，勘察可采取钻探取样、原位测试、工程物探等手段。工程采用的勘察手段既要有明确的针对性，又要可相互对比，才能保证勘察成果的完整性和可靠性。

3 勘察中可能存在的重难点及应对措施

3.1 勘察中可能存在的重难点

勘察中可能存在的重难点有很多，包括特殊性岩土(淤泥质土)的物理力学特征及分布范围、跨越的不同地貌单元的划分、水文条件复杂的河流阶地各岩土层成分的确定及水文地质参数建议等。本文主要以施工中可能遇到的地质情况有偏差而导致的施工困难为出发点，对勘察中可能存在的重难点选择了4个方面进行说明：

1)对特殊性岩土淤泥质土层厚度、物理力学特征、分布范围和触变性难认定。因淤泥质土分布不稳定，钻探取样质量不高，受场地条件限制使勘探孔加密困难，且勘察手段单一等原因，对淤泥质土的性质认识及范围划定有偏差。

2)对松散层卵石层厚度、粒径和分布范围等难确定。河流地貌中的河床及两岸的卵石层厚度、粒径及分布范围变化较大[5]，仅依靠钻探容易出现偏差。

3)对基岩的岩体强度、完整度及风化差异性规律难认清。基岩的成岩作用因受成岩环境的条件和物理化学性质影响而呈现的不连续性，以及差异性风化，使岩体的完整度、强度均存在局部或区域性变化，钻探取样不具有代表性，导致基岩的性质与实际情况吻合度不高。

4)对基岩裂隙分布情况难查清。对于基岩裂隙性质、密度和分布规律，只能通过钻探或其他物探手段来判断，判定结果与钻探取芯水平及地质工作者的专业水平有密切联系，故勘察结论与实际情况容易出现偏差。

3.2 应对措施

1)充分收集区域地质资料及水文地质资料[6]，采取工程地质调绘、钻探及工程物探相结合的综合勘察方法，尽可能查清定向钻穿越段设计深度上下的地层情况，包括岩土层的性质、特殊性岩土的特性及不良地质现象。

2)勘探方案的制订应因地制宜、灵活变通，根据实际地质情况适当调整钻孔间距及孔深度，当遇到对定向钻穿越有影响的层位和不良地质现象，如软土层(淤泥质土)、松散层(砂、砾石、卵石)、基岩裂隙发育的层位、软硬不均地层、断层破碎带和岩溶时，应缩小钻孔间距，加深钻孔的深度。

3)工程地质条件复杂时，可采用以“初勘先行、物探辅查 、钻探验证、探治结合” 的技术路线，用钻探、室内试验、水文试验等方法及地质雷达、高密度电法、顺变电池法等物探手段，查清定向钻穿越断面的地层情况，尤其是对定向钻穿越有影响的软土层、松散层、基岩层及不良地质的规模及变化规律。勘察中，可根据实际具体的地质情况对勘察工作做出合理调整，使勘察工作既经济合理，又能很好地查明工程地质情况。穿越不同工程对象时，可根据穿越不同对象拖拉法管道勘探孔间距、深度推荐(表2)来制订精确合理的勘察方案。

4)针对淤泥层，查清淤泥所在区域的地貌单元，减小孔间距，增加土样的取样数量，采取原位测试(静力触探试验、旁压试验、十字板剪切试验等)，进一步探明淤泥的性质。

5)针对松散层(砂、砾石、卵石)，充分收集区域地质资料、江河水文地质资料及河道变迁史，对松散层范围有宏观的认识，通过加密钻孔进一步探清松散层的边界范围。提高松散层的取芯质量，可选用优质膨润土配制护壁泥浆，泥浆中加入SM植物胶配制成植物胶泥浆，可取出呈圆柱状的芯样，对松散层的粒径进行精准判定。

6)对基岩岩体，适当增加定向钻穿越层位岩样的取样数量，并应注意取样的代表性。

7)针对基岩裂隙情况，可配合工程地质调绘、钻探基岩岩芯采取率及破碎程度等，综合判别基岩裂隙的分布情况。

4 施工中岩土工程问题分析评价

在水平定向钻拖拉法施工中，经常会遇到一些工程地质问题，常见的工程地质问题主要有地面沉降、管涌、泥浆泄漏、土体失稳。

4.1 地面沉降

定向钻穿越层位存在结构松散(如填土)、土质柔软(如淤泥质土)的上覆土体时，其自稳能力差，孔内泥浆循环液压力随管道回拖钻进完成后消散，回拖过程中产生的孔内负压在失去外力支撑作用下，使上覆土层在自重应力下向孔内发生蠕动变形，从而导致地面产生不均匀沉降，如图3所示。

图3 地面沉降引起道路开裂

定向钻穿越引起的地面不均匀沉降，会造成一系列不良问题，如路面变形、铁轨扭曲、建筑物开裂和管道断裂等，影响道路正常使用、铁路正常通行、建筑物正常使用和管道正常运转等。

4.2 管涌

拖拉管施工中，回扩钻孔孔径比管道直径大，管道回拖时，管道周围存在一定空隙，管道周围土体相对原状土而言较软弱，在动水压力作用下，地表水水位高程，高于定向钻出入土点高程或穿越承压含水层的水头高程高于出入土点高程时，可能发生管涌，如图4所示，造成回拖钻进作业无法正常开展或地表变形等。

图4 发生管涌地层示意图

4.3 泥浆泄漏

松散层(砂、砾石、卵石)的孔隙较大，当触变泥浆黏度低、稠度小时，泥浆易随地下水流失，特别是穿越渗透性较好的粉砂、中粗砂、砾砂、砾石、卵石的河床时，地表水与地下水存在一定的水力联系，易发生泥浆泄漏现象，如图5所示，对环境、 河道、堤防等造成较严重的不良影响。施工中可采取调整泥浆性能、减小钻进压力、添加剂堵漏、合理控制钻进扩孔及回拖速度等手段，尽量避免泥浆泄漏。

4.4 土体失稳

在软弱土层中拖拉钻进，因施工不当造成土体过分扰动，土体强度降低造成土体失稳破坏；当触变泥浆压力较大或上覆土层厚度较小时，会使上覆土体产生隆起造成失稳破坏，如图6所示；当触变泥浆的黏度较低时，易带走粉土或砂土小颗粒，造成土体结构破坏，导致地表变形失稳破坏。

图5 地面泥浆泄漏沉积

图6 水塘土体隆起

定向钻穿越引起的土体失稳破坏，亦会引起地面不均匀沉降、管涌、泥浆泄漏等工程地质问题，施工时应根据勘察查明的工程地质条件和工程地质问题制订特定的施工方案，以确保工程建设施工安全。

5 结论

1)对于定向钻穿越不同岩土层，勘察时应因地制宜地制订合理精确的勘察方案；对穿越不同工程对象，给出了可满足工程需要的孔间距、孔深的推荐值，且提供了一种推断管道埋深的经验计算公式，可为定向钻勘察工程提供一定的实际理论参考。

2)工程地质条件复杂时，可采用以“初勘先行、物探辅查 、钻探验证、探治结合” 的技术路线，查清定向钻穿越段工程地质、水文地质条件及不良工程地质问题。勘察中，可根据实际具体的地质情况对勘察工作做出合理调整，使勘察工作既经济合理，又能很好地查明工程地质情况。