中国公路工程咨询集团有限公司北京100097
摘要：水平定向钻进具有对周围交通及环境影响小、施工方便且周期短等优点，目前已得到大量的工程应用。但其作为地下工程施工的一种，不可避免的会导致地表产生沉降变形。本文利用FLAC3D有限差分软件，对水平定向钻进导致的地表沉降进行分析，结果可为相关设计和施工提供借鉴意义。
关键词：水平定向钻进；FLAC3D有限差分软件；地表沉降
1、概述
水平定向钻进技术是指在不开挖地表的条件下，利用地表的定向钻孔设备，结合岩土钻掘及测控导向等技术，铺设各种地下管线的一项技术。与传统的开挖施工相比，水平定向钻进施工具有施工方便且工程周期短、经济效益显著、对周围交通及环境影响小等优点，自上世纪90年代被引入我国后，已被广泛应用到市政给排水、通讯、天然气、电力等领域的管道铺设和修复。大量的工程实践表明，地下工程施工都会引起周围地层及地表产生不同程度的沉降变形，水平定向钻进铺管施工作为地下工程施工的一种，也会导致地表产生沉降变形。在水平定向钻进铺管技术应用较多的城市地区施工时，由于施工区域有限、地表既有建筑物密集以及其它条件的限制，管道铺设深度一般在10m之内，并且施工区域周围环境一般对地表沉降变形较敏感，且引起的后果也较严重，因此对水平定向钻进施工引起的地表沉降变形问题进行研究具有很强的现实意义和工程实用价值。
2、水平定向钻进铺管施工
利用水平定向钻进施工一般分为三个步骤：导向孔施工；扩孔；管道回拖。
导向孔施工：安照预先设计的钻孔轨迹，利用导向钻头顶进造斜、旋转直进的原理，在钻头信息发射装置、地面接收设备和钻机操作员控制的共同作用下，精确的对钻孔轨迹进行控制，使之与设计轨迹相符。
扩孔：利用小口径导向钻头完成导向孔施工后，就要换上扩孔钻头对导向孔进行扩孔施工，其方式一般分为多级和一次性扩孔两种。
管道回拖铺管：在管线回拖时，一般要在管道前配制回扩头和分动器，然后通过回转的钻杆拉动管道安照钻孔轨迹铺设。一般要求扩孔与铺管连续施工，尽可能的减少因钻孔暴露时间过长而导致孔内发生垮塌的可能性。
水平定向钻进施工会造成地层损失及对周围土体产生扰动。地层损失包括正常地层损失和非正常地层损失。正常地层损失主要是指按设计的扩孔系数扩孔时引起的钻孔和铺设管道之间的地层损失。非正常地层损失主要是指钻孔扩径、局部孔壁掉块等引起的地层损失。施工过程中钻头会对周围土体产生一定的挤密作用，从而使土体中的应力及孔隙水压力随之增大，进而在土体中形成了超孔隙水压力，在施工完成以后土体中的应力得以缓慢释放，超空隙压力会逐渐消散，使得土体中的有效应力增加，土体将产生压缩固结变形；另外在钻孔开挖和管道回拖过程中会对周围土体产生扰动，受扰动的土颗粒骨架会产生蠕变变形，且该变形会维持较长时间，从而导致地表产生相应的次固结变形。
3、FLAC3D数值分析模型
FLAC3D是岩土工程的通用计算软件，能很好的模拟岩土介质材料在达到力学平衡状态或塑性流动状态下的力学行为。FLAC3D提供的摩尔-库伦本构模型适合于弹塑性和非线性材料的力学行为分析，主要用于岩土体的地下工程开挖和边坡稳定等问题的分析。为了模拟分析水平钻孔开挖后导致地表产生的变形问题，利用FLAC3D建立半径0.5m、埋深8m、钻孔轴线两侧各取8m、钻孔长度2m的模型，在钻孔开挖时对钻孔圆周施加一定的轴向压力来模拟成孔液压力，并定义地层应力释放的比例，然后使地层应力和成孔液压力随着计算时步逐步释放，监测地表的沉降变形。
4、地表沉降分析
基于建立的FLAC3D计算模型，分析地层内聚力、地表荷载、分级扩孔级数对地表沉降的影响，分析计算结果如下。
（1）地层内聚力对地表沉降的影响
对于不同的地层内聚力值，产生的地表沉降最大位置都处于钻孔轴线的正上方，且随着内聚力值的增加，地表沉降最大值逐渐减小，当内聚力取值从10Kpa增加到20Kpa时，地表沉降最大值从17.7mm减小到14.8mm；随着距离钻孔轴线距离的增加，沉降值在逐渐减小；内聚力值越小，地表横断面沉降变化越陡。
图3分级扩孔基数对地表沉降的影响
5、结论
本文基于FLAC3D有限差分软件对水平定向钻进施工引起的地表沉降变形进行模拟研究，分析了地层内聚力、地表加载情况和不同扩孔级数对地表沉降变形的影响，得出以下几条结论：
（1）地层内聚力越大，地表沉降变形量越小，横断面沉降分布曲线越缓；
（2）地表荷载加载值越大，地表沉降变形值越大；
（3）分级扩孔级数越多，地表沉降变形值越小。
参考文献：
[1]乌效鸣，胡郁乐，李粮纲等.导向钻进非开挖铺管技术[M].武汉:中国地质大学出版社，2004.
[2]孙书伟，林杭，任连伟.FLAC3D在岩土工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社，2001.
[3]江伟.基于摩尔一库仑模型软基沉降预测研究[D].长沙理工大学，2009.
[4]余剑锋.顶管施工引起的地表变形问题研究[D].广州大学，2006.