水平定向钻技术 (horizontal directional drilling) 是非开挖施工技术的重要组成部分, 其工作过程是通过计算机控制钻头进行导向和探测, 先钻出一个与设计曲线相同的导向孔, 然后再扩大导向孔, 把产品管线回拖到扩大的导向孔中, 完成管线穿越的施工过程^[1,2,3]。水平定向钻扩孔施工会引起地下土层应力、应变的改变, 并重新调整至一个新的平衡状态, 即扩孔施工改变了地下土层的应力、应变状态。地下土层应力、应变的改变势必会对周边土体及设施产生扰动。当应力与变形扰动超过土体屈服准则时, 会对周边土体以及设施产生破坏^[4,5]。因此, 为了防止周围环境以及设施的破坏, 必须控制水平定向钻施工引起的应力、应变, 采取相应的措施减小地层移动, 尽量减小对周边的扰动。

目前国内学者虽然对水平定向钻施工技术进行了一系列的研究并积累了一定的施工经验, 但往往只是单一的对某项施工技术进行研究^[6,7], 而河北省南水北调配套工程邢清干渠南宫干线输水管道工程的水平定向钻回拖管道为1 220mm, 为目前国内最大直径, 并且出钻点场地受限、所处地形条件复杂, 同时穿越沼泽地、水库和国道, 给水平定向钻施工的钻孔导向、泥浆护壁成孔、钢管回拖都提出了更高的工艺水平和技术措施要求。由于国内外对超大口径水平定向钻穿越复杂地形条件施工技术的综合研究较少^[8], 因此有必要对超大口径水平定向钻穿越复杂地形条件的扩孔施工技术进行深入的研究。

根据南水北调配套工程邢清干渠南宫干线输水管道工程穿越308国道地层情况, 运用有限差分计算软件FLAC3D建立孔洞开挖模型, 采用莫尔-库伦弹塑性模型, 对水平定向钻的扩孔过程进行数值模拟计算研究, 从而得到孔洞开挖过程的应力、变形、位移等规律。

南水北调配套工程邢清干渠南宫干线输水管道工程穿越308国道段的管道基础位于第四系全新统冲积黏土、壤土、第四系全新统冲湖积黏土、含有机质壤土层。穿越水库和国道模型的土体物理特性如下:工程地质单元时代成因是Q₄^al, 其中壤土的含水率为19%, 天然密度为1.95g/cm, 孔隙比为0.66, 液性指数为0.55, 渗透系数为2.3×10^-6cm/s, 压缩模量为5MPa, 压缩系数为0.34/MPa, 承载力特征值为90k Pa;砂壤土的含水率为25%, 天然密度为1.96g/cm³, 孔隙比为0.72, 液性指数为1.31, 渗透系数为5.7×10^-5cm/s, 压缩模量为6.5MPa, 压缩系数为0.31/MPa, 承载力特征值为90k Pa。

1) 钻机设备在施工中, 钻机大部分时间要进行回转钻进, 以实现土层的切削和在钻进液的作用下对土渣的外送, 因此传递扭矩的钻杆为钻机与孔底机具之间唯一的也是最为重要的动力传递环节^[9]。钻杆的相关参数为外径60mm, 壁厚7.24mm, 单根长3 000mm, 钻杆接头66.5mm, 弹性模量为2.1×10⁵MPa, 泊松比0.29, 密度7 850kg/m³, 轴向荷载160k N, 均布荷载为0.2k N/m, 接头处弯矩7 120N·m。

2) 扩孔模型建立穿越308国道段的孔壁距路面8m, 地表为自由面, 两侧边界距孔壁为均大于3倍的孔径, 两侧为单向约束, 底面固定约束。开挖时, 为便于钻头切削土层、减小托管时的摩阻力以及平衡地应力, 施工中水平定向钻从钻头处喷射泥浆, 使泥浆充满整个孔洞, 泥浆对孔壁产生压力^[10]。模拟过程中将泥浆压力等效成作用于孔壁上的环向应力, 如图1所示。为避免边界效应对模拟过程中孔洞附近的应力和位移造成影响, 建立的模型边界自最大孔径均向外延伸7m (>3倍孔径) 。多级扩孔时钻头钻进示意如图2所示。

扩孔级数是根据施工时的地层地质条件、铺管最终直径等参数确定的, 一般水平定向钻进工程施工的扩孔级数为2~5级, 多的可>6级。确定合理的各级扩孔直径可以有效避免由于扩孔直径选择不当导致的钻机回拖力不足和扩孔失败或整个铺管工程失败的情况。此外, 选择合理的扩孔级配, 能有效避免钻孔环空压力的激增, 对防止冒浆也起一定的作用。

1) 分级扩孔方案选择回拖管道1 200mm, 扩孔直径一般为回拖管道直径的1.3~1.5倍, 为了保证回拖的顺利, 最终选择扩孔为1 600mm, 由于孔径较大, 为了避免扩孔过程中孔洞发生大范围的塌陷等事故, 初拟4种分级扩孔方案, 如表1所示。通过FLAC3D分别模拟4种方案, 从中选定最优的分级扩孔方案。

2) 条件假设使用FLAC3D模拟水平定向钻扩孔需要一定的假设条件, 主要包括: (1) 忽略模型以外的土体位移; (2) 假设钻进泥浆静止不动, 不形成泥浆液梯度, 泥浆充满整个钻孔, 在实际的钻进过程中, 钻井泥浆压力是随泥浆液梯度变化的; (3) 假设形成的泥饼材料特性和土体一样; (4) 假设地下水位于钻孔以下, 基本不考虑; (5) 假设土体特性遵循莫尔-库伦强度理论。

3) HDD数值模拟扩孔开挖过程首先利用初始弹性模型对土体进行材料属性赋值, 利用初始应力场的计算, 赋予土体初始的应力场。然后设置初始位移以及初始速度均为0。当形成初始应力场后, 将摩尔-库伦破坏理论模型赋于土体模型上。然后将材料属性赋值到网格中。模拟过程通过model null命令开挖土体, 同时运行计算使得模型平衡。在计算过程中认为达到平衡的条件是网格平衡比达到1.0×10^-5。平衡比即网格的最大不平衡力和作用在网格上的应力比, 一旦达到平衡, 继续进行下一级开挖计算。

4) 模拟结果分析对不同扩孔方案开挖后的结果进行分析。图3为4种方案中各级扩孔后孔洞拱顶和拱底的位移折线。经模拟计算后发现, 土体经开挖后, 孔洞顶部土体出现沉降, 底部向上隆起, 两侧的土向外扩张。开挖完成后的竖向位移量以及和孔径相比的形变率如表2所示。从图中可以发现开挖后孔壁的位移量与孔径基本呈线性关系, 3级扩孔后孔洞的位移是最大的, 随着扩孔级数增加位移量逐渐减少, 但是从9级扩孔后继续增加扩孔级数位移量的减少趋势减缓。如果扩孔级数太少, 导致成孔后孔壁变形较大, 对于后续的托管等工程是不利的;一次性开挖的土体太多, 孔壁附近出现应力集中, 而钻头喷出的泥浆不能及时充满孔洞, 无法对孔壁形成有效的保护作用, 很可能破坏孔壁, 甚至产生坍塌导致整个工程失败。另外, 扩孔钻头切削土体的能力是由扩孔钻头上的切削刃、钻头和钻杆在钻进回转时的扭矩决定, 如果扩孔钻头在扩孔钻进切削土体时所承受的扭矩太大, 并超出钻机的极限扭矩, 很容易造成钻头、钻杆甚至是钻机的损坏, 同时扩孔效率很低。本工程的终孔为1 600mm, 孔径之大在国内工程中尚属首例, 因此不宜使用较少扩孔级数, 为确保工程顺利完成, 应选择较多扩孔级数。

图4为4种分级扩孔方案开挖完成后孔壁周围的塑性破坏情况。塑性破坏基本分布在洞顶和洞底2个位置, 这是由于孔洞开挖以后拱顶和拱底产生集中的拉应力, 两侧产生集中的压应力, 而土体具有较强的抗压强度, 但抗拉强度很弱, 所以拱顶和拱底最易出现拉伸破坏。随着扩孔级数的增加, 塑性破坏的范围逐级缩小, 由此可见增加扩孔级数对维持孔壁的稳定成效显著。但是铺设管线较长时, 不宜选择较多的扩孔级数, 否则易导致扩孔过程中钻孔裸眼时间太长, 导致孔壁蠕变发生径缩;另外扩孔级数超过9级以后, 对减小形变量和塑性破坏范围的作用非常微小, 而且增加扩孔级数会大大延长工期, 扩孔是本工程的主要部分, 每级扩孔都会消耗大量的人力、物力, 增加工程造价。综合分析将扩孔级数定为9级。

图5a为9级扩孔完成后孔壁周围的水平应力场分布, 从图中可以发现拱顶和拱底受到集中的拉应力, 最大为0.096MPa;孔壁两侧受集中压应力, 最大为0.221MPa。图5b为扩孔完成后孔壁周围水平方向应力扰动值折线, 距孔壁2.8m时应力扰动值降到10%以下, 终孔直径为1.6m, 应力扰动范围在3倍孔径内, 属于合理范围。

图6为9级扩孔后G308国道路面距孔轴线不同位置处沉降量的实际观测数据, 从图中可以看出, 位于钻孔正上方的路面沉降量最大, 为2.7mm, 孔轴线两侧路面沉降量逐渐减小, 满足公路规范要求。

1) 开挖后孔壁的位移量与孔径基本呈线性关系, 孔洞的位移量随扩孔级数增加逐渐减少, 但是从9级扩孔后继续增加扩孔级数, 孔洞的位移量减少趋势减缓。

2) 随着扩孔级数的增加, 塑性破坏的范围逐级缩小, 由此可见增加扩孔级数对维持孔壁的稳定成效显著。扩孔级数超过9级以后, 对减小形变量和塑性破坏范围的贡献非常微小, 而且每级扩孔都会消耗大量的人力、物力, 增加工程造价, 因此本工程的扩孔级数定为9级。

3) 9级扩孔后, 由G308国道路面沉降量的实际观测数据可知, 钻孔正上方的最大路面沉降量为2.7mm, 与模拟结果相近, 即所采用的方法具有一定的科学性和准确性。

4) 扩孔后, 塑性破坏区均发生在孔洞的顶部和底部, 这是由于土体有较强的抗压强度, 而抗拉强度却非常小, 因此孔壁顶部和底部所受拉应力小于两侧受到的压应力, 但洞顶和洞底最易发生破坏, 施工时应注意观测。