王昊 劉樹利 劉志潛 王書寧 李艷 李栓才

摘要：針對(duì)近年來在沁河下游防洪確保堤段實(shí)施的幾處采用大型定向鉆工藝穿越沁河管道工程施工中出現(xiàn)的問題，分析了定向鉆工藝管道施工影響沁河下游防洪安全的主要因素、定向鉆工藝管道施工發(fā)生嚴(yán)重冒漿等意外情況的原因以及某工程施工時(shí)未發(fā)生冒漿的施工經(jīng)驗(yàn)。結(jié)果表明：①采用定向鉆工藝全程穿越沁河管道工程可能會(huì)對(duì)沁河下游防洪構(gòu)成安全威脅；②受穿越管線通過的地層承載力差、地層不均勻等不利地質(zhì)條件影響，以及現(xiàn)有定向鉆穿越施工工藝水平與泥漿壓力控制手段的局限，不能確保施工鉆進(jìn)過程中泥漿壓力處于可控范圍，也不能確保施工鉆進(jìn)過程中絕對(duì)不冒漿；③由于河道管理部門沒有監(jiān)控設(shè)備，缺乏監(jiān)控手段，因此難以對(duì)定向鉆穿越施工工藝與泥槳壓力控制情況實(shí)施全程、實(shí)時(shí)、有效的監(jiān)管。建議：①在地質(zhì)條件薄弱堤段慎用定向鉆施工工藝全程穿越沁河下游河道；②委托安全評(píng)估機(jī)構(gòu)對(duì)已建采用定向鉆工藝穿越施工的管線進(jìn)行安全評(píng)估；③加強(qiáng)已建定向鉆工藝穿越沁河管道工程的觀測；④編制防守預(yù)案，做好應(yīng)對(duì)。

關(guān)鍵詞：定向鉆工藝；防洪影響；管道工程；沁河

中圖分類號(hào)：P634.7；TV871.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi ；10.3969/i.issn.1000-1379.2018.02.008

沁河是黃河下游左岸最大的一條支流，沁河下游丹河口到入黃口河段為地上懸河，堤防臨背懸差一般為2～4m，最高達(dá)7m，該河段左岸堤防是國務(wù)院明確的黃河防洪確保堤段，防洪安全至關(guān)重要。2003年以來，先后有5處管道工程采用大型定向鉆工藝穿越沁河下游河道與堤防。由于定向鉆工藝施工質(zhì)量控制難度大，以及沁河下游河道地質(zhì)條件的特殊性與復(fù)雜性，因此施工過程中往往出現(xiàn)冒漿等意外情況，對(duì)沁河下游防洪安全造成一定影響。

1 定向鉆穿越沁河管線工程概況

定向鉆穿越施工是一種地下非開挖管道施工技術(shù)，具有施工簡便、快速，對(duì)自然環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)，采用定向鉆技術(shù)穿越河流及堤防施工越來越普遍。根據(jù)資料[1-5]，2003年以來，先后有西氣東輸穿沁工程等5處管道工程使用大型定向鉆工藝穿越沁河，管道長度1100～1800m，管道外徑0.168～1.016m，管道埋深22.0～33.5m。

2 管道穿越沁河施工出現(xiàn)的意外情況及處理措施

受施工所需泥漿壓力較大、軟弱土質(zhì)及施工人為控制技術(shù)等因素影響，有3處工程曾發(fā)生施工冒漿等情況。針對(duì)嚴(yán)重影響防洪安全的某工程出現(xiàn)多處冒漿等情況，建設(shè)單位采取了一系列應(yīng)急除險(xiǎn)加固措施，包括：在堤外修筑新堤，新老堤之間進(jìn)行放淤；在新堤堤身處沿管壁周圍防滲處理，在新堤背水側(cè)修筑反濾后戧；對(duì)堤身及堤腳出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行開挖和黏土回填處理。針對(duì)其他工程施工過程中出現(xiàn)的冒漿等情況，也分別采取開挖基坑、回填夯實(shí)以及在兩岸堤防臨河堤肩修筑截滲墻等措施進(jìn)行了加固處理。

3 某穿沁工程的成功經(jīng)驗(yàn)

根據(jù)資料[6]，在沁北引黃管道穿沁工程定向鉆穿越施工中，參建單位認(rèn)真研究穿越施工技術(shù)要點(diǎn)，仔細(xì)制定防冒漿施工措施，提前對(duì)穿越路線的薄弱地帶進(jìn)行加固，嚴(yán)格控制入土點(diǎn)和出土點(diǎn)位置、導(dǎo)向孔施工軌跡，合理控制鉆進(jìn)速度、擴(kuò)孔速度及最大泥漿壓力，實(shí)現(xiàn)了不冒漿的預(yù)期目標(biāo)，并創(chuàng)造了定向鉆穿越直徑1016mm、管道長度1750m、最大埋深33.5m的國內(nèi)施工紀(jì)錄。

4 定向鉆穿河管道工程對(duì)沁河下游防洪的影響

4.1 沁河下游防洪要求

丹河口以下沁河河道為地上懸河，其長度為59km的左堤全部為國務(wù)院明確的確保堤段，防汛壓力巨大。近年來在沁河上采用定向鉆工藝全程穿越沁河的管道全部位于上述確保堤段范圍，進(jìn)一步增大了防汛壓力。

4.2 河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)審查要求

首次采用定向鉆工藝穿越沁河的西氣東輸穿沁工程出現(xiàn)冒漿等問題后，黃委出臺(tái)了《黃河河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)審查標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）。《標(biāo)準(zhǔn)》明確：管線工程確需采取穿越堤防方式的，須經(jīng)充分論證并采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，保證管線本身出現(xiàn)任何安全故障時(shí)不得危及堤防安全；穿堤處管線頂部高程應(yīng)在堤防兩側(cè)地面30m以下，管線穿越堤基時(shí)，入土點(diǎn)和出土點(diǎn)需距離堤防堤腳線200m以上，同時(shí)必須對(duì)穿堤位置上下游200m范圍內(nèi)的堤防進(jìn)行加固處理[7]。

除西氣東輸穿越沁河工程外，其他工程均滿足上述要求。該工程人土點(diǎn)和出土點(diǎn)距離堤防堤腳線均小于200m，穿堤處管線頂部高程距堤防兩側(cè)地面左堤僅9.37m、右堤19.00m，兩項(xiàng)主要指標(biāo)均不滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求。2003年施工時(shí)，穿越軸線上曾多次發(fā)生冒漿和凹陷現(xiàn)象，左岸堤腳局部出現(xiàn)裂縫。后經(jīng)黃河防汛抗旱總指揮部辦公室批復(fù)，采取了一系列應(yīng)急除險(xiǎn)加固措施。

4.3 灘地與堤基的地層結(jié)構(gòu)及土體滲透變形分析

根據(jù)資料[1-5]，沁河下游河段位于沖積平原區(qū)，河道地質(zhì)構(gòu)造大部分為多層結(jié)構(gòu)類型，以沙性土為主，黏性土和沙性土相間分布。在洪水作用下，臨背河形成較大水位差，使得灘地與堤基地層土體的滲透壓力增大。當(dāng)土體內(nèi)部滲透水流的滲透比降超過土體允許比降時(shí)，部分土體即發(fā)生滲透變形破壞，內(nèi)部形成滲流集中沖刷，逐漸發(fā)展成為滲流通道，發(fā)生滲透變形險(xiǎn)情。

根據(jù)資料[8]，沁河下游不同土類允許的滲透比降分別為：壤土，0.3～0.6；沙壤土，0.35～0.52；粉沙，0.25～0.34。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)大洪水（武陟水文站洪峰流量4000m3/s）下，沁河下游河段洪水位高出左岸背河地面2.00～8.45m。按最不利工況考慮，經(jīng)計(jì)算，定向鉆穿沁管道入土點(diǎn)和出土點(diǎn)距離堤腳應(yīng)不小于33.8m。現(xiàn)有的5處定向鉆穿沁管道工程均滿足該指標(biāo)。

4.4 管道周圍截滲處理情況

一般情況下，應(yīng)在管道入土點(diǎn)、出土點(diǎn)地面以下可能發(fā)生滲水的部位設(shè)置截滲環(huán)，在定向鉆入土點(diǎn)、出土點(diǎn)采用黏土夯填，消除擴(kuò)孔與管道之間的空隙，使其與管體充分接觸，換填厚度不小于m3，范圍為5m×5m（邊長）。西氣東輸穿沁除險(xiǎn)加固工程和博愛一洛陽煤層氣輸氣管道工程均采用該防滲措施，但該方法防護(hù)范圍有限，難以防止在堤防和防滲處理中間段從管道中的地質(zhì)薄弱或裂縫處發(fā)生滲水。其他項(xiàng)目在人土點(diǎn)、出土點(diǎn)均未做截滲處理。

4.5 采用定向鉆工藝穿越沁河管道工程運(yùn)行工況初步分析

采用定向鉆工藝進(jìn)行穿越沁河管道擴(kuò)孔施工時(shí)，擴(kuò)孔直徑必須大于鋪設(shè)管道的外徑，如1.0m的管道擴(kuò)孔外徑需達(dá)到1.5m，在整個(gè)管道路徑上人為形成一環(huán)形通道；安設(shè)管道（拉管）后，管道向上拉起，在管道下部形成一通道，高度約為擴(kuò)孔孔徑與管道外徑之差。投入運(yùn)行后，對(duì)于地下水位以下的管道部分，盡管孔徑周圍土體會(huì)回縮，但受管道外壁的頂托，下部遺留的通道仍會(huì)形成過水通道，特別是此通道出現(xiàn)在堤防工程下部；對(duì)于地下水位以上的管道部分，泥漿會(huì)出現(xiàn)干縮，管道內(nèi)油氣壓力的不斷變化會(huì)造成管道的震動(dòng)，擾動(dòng)管道周圍的土壤，長時(shí)間后就會(huì)在管道周圍形成過水通道，影響沁河的防洪安全。國內(nèi)定向鉆工藝建壩下涵管等失敗的例子[9]也證明定向鉆涵管周圍的防滲處理難度極大。

根據(jù)資料[1-5]，丹河口以下沁河河道兩岸地下水位埋深為1.30～5.60m。地下水位以下，定向鉆管道周圍泥漿長期沉淀，可能沿管道頂部形成充滿清水的貫通通道；地下水位以上，定向鉆管道周圍泥漿干縮，極易沿管道形成貫通通道。發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)大洪水（武陟水文站洪峰流量4000m3/s）時(shí)，丹河口至沁河口河段洪水位高出左岸背河地面2.00～8.45m。在臨背河水位壓力差作用下，洪水有可能通過兩岸堤防之間灘地某個(gè)冒漿通道與河道內(nèi)地下管道周圍通道貫通，在兩岸人土點(diǎn)、出土點(diǎn)周圍滲出或翻沙冒水，形成滲透破壞，出現(xiàn)管涌險(xiǎn)情。

5 結(jié)論和建議

5.1 結(jié)論

（1）采用定向鉆技術(shù)全程穿越沁河管道工程可能會(huì)在沁河下游防洪方面形成安全隱患。

（2）受穿越管線通過的地層承載力差、地層不均勻等不利地質(zhì)條件影響，以及現(xiàn)有定向鉆穿越施工工藝水平與泥漿壓力控制手段的局限，不能確保施工鉆進(jìn)過程中泥漿壓力處于可控的范圍，也不能確保施工鉆進(jìn)過程中絕對(duì)不冒漿。一旦冒漿，將必然導(dǎo)致在冒漿處沿管道形成貫通過水通道，成為防洪安全“明患”，對(duì)沁河防洪安全構(gòu)成極大威脅。

（3）由于河道管理部門沒有監(jiān)控設(shè)備，缺乏監(jiān)控手段，因此難以對(duì)定向鉆穿越施工工藝與泥漿壓力控制情況實(shí)施全程、實(shí)時(shí)、有效的監(jiān)管。

5.2 建議

（1）在地質(zhì)條件薄弱堤段慎用定向鉆施工工藝全程穿越沁河下游河道。為確保沁河防洪安全，建議今后的穿沁管道在地質(zhì)條件薄弱堤段慎用定向鉆工藝全程穿越沁河的施工模式。盡管定向鉆工藝存在施工成本低、速度快等優(yōu)點(diǎn)，但鑒于沁河河道土質(zhì)松散，管道在施工時(shí)易出現(xiàn)冒漿，甚至造成河道或堤防工程塌陷現(xiàn)象，加之運(yùn)行中又易在管道周圍形成過水通道等不利因素，在沁河大洪水時(shí)極易形成河道（施工冒漿處或地質(zhì)薄弱處）一管道一堤防下部一堤外的滲水通道，對(duì)沁河防洪安全構(gòu)成巨大威脅，特別是有兩處穿沁管道工程在加深了埋深等措施后再次出現(xiàn)了冒漿現(xiàn)象?？紤]到沁河防洪安全的重要性，應(yīng)不再使用穿越方式通過沁河。

為降低施工成本，建議使用爬越方式穿越沁河。即河道內(nèi)使用定向鉆，堤防工程處使用爬越方式。開挖施工盡管存在工程質(zhì)量容易控制等優(yōu)點(diǎn)，但施工成本高、工期長，受影響因素多。如將河道內(nèi)施工改為定向鉆模式，可大大減輕建設(shè)單位負(fù)擔(dān)。同時(shí)，盡管河道內(nèi)可能形成滲水通道，但因?yàn)榕涝焦艿莱^防洪水位，所以可完全杜絕因管道施工造成的堤防內(nèi)外滲水，確保沁河防洪安全。

鑒于已批準(zhǔn)施工項(xiàng)目中出現(xiàn)的意外冒漿或塌陷現(xiàn)象均與地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，今后應(yīng)加密地質(zhì)勘探點(diǎn)，摸清管道處地質(zhì)情況，保障施工安全，盡可能減輕對(duì)防洪工程的影響。

（2）委托安全評(píng)估機(jī)構(gòu)對(duì)已建采用定向鉆工藝穿越施工的管線進(jìn)行安全評(píng)估。對(duì)于運(yùn)行時(shí)間較長且主體工程施工時(shí)出現(xiàn)過險(xiǎn)情的項(xiàng)目，相關(guān)部門可申請(qǐng)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，對(duì)管道進(jìn)行開挖，詳細(xì)勘察和研究管道投入運(yùn)行后周圍土體情況，分析管道周圍滲水情況，制定相應(yīng)的具體處理措施。

（3）加強(qiáng)已建定向鉆穿越沁河管道工程的觀測。對(duì)全程采用定向鉆工藝施工的5處穿沁工程，要加強(qiáng)汛期洪水時(shí)的運(yùn)行觀測。要安排專人進(jìn)行觀測，特別是出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間較長的洪水時(shí)，要密切關(guān)注定向鉆穿越管道上下游各200m范圍內(nèi)的臨背河情況。

（4）要編制防守預(yù)案，做好應(yīng)對(duì)。編制專項(xiàng)防守預(yù)案，積極做好應(yīng)對(duì)。尤其要提前備足搶險(xiǎn)料物，如柳料、石料、土方等，洪水時(shí)一旦出現(xiàn)管涌等險(xiǎn)情，則可立即投入搶險(xiǎn)，避免險(xiǎn)情擴(kuò)大。

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