水平定向钻穿越对河流防洪的影响分析
内容摘要：定向钻穿越施工中，由于钻进速度过快、泥浆压力和排量等因素造成泥浆冒浆；或在施工过程中不按操作规程进行施工，如上述的某天然气管道定向钻穿越靳江河时，由于地质条件复杂
一、前言
在长输管线建设中，管道不可避免地要穿跨越河流，对于河流穿跨越方案的选择，应是管道设计优先考虑的问题。近年来随着水平定向穿越技术的飞速发展，由于其工期短，工程费用相对较低，不破坏河流原貌，对周围的环境影响小，同时能够保证管道的埋深，基本达到免维护的效果，只要地质条件适宜大多采用定向钻穿越。
和所有的施工技术一样，水平定向穿越施工也具有一定的风险性，其中对河流防洪的影响最引人关注。据不完全统计，近年来，采用水平定向穿越对河流防洪产生不利影响的工程有：某天然气管道河南沁河定向钻穿越时造成冒浆、地面塌陷和大堤裂缝，某天然气管道安徽淮河定水平向穿越造成地面塌陷，某天然气管道湖南靳江河定向穿越时造成管涌事故等。
虽然上述只是为数众多水平定向穿越工程中的几个个例，不具有一定的代表性，但是由于采用定向钻穿越毕竟对河流防洪曾经产生过这样的不利影响，导致今后的管道工程在采用定向钻方式穿越河流时，水利部门的批复和要求越来越严格，有时还要采取一定的工程措施，避免对河流行洪产生不利影响。
二、上述几处定向钻穿越对河流防洪产生不利影响的原因分析
上述对河流防洪产生不利影响的几处定向钻穿越，其产生问题的原因虽各有区别，但归根结底是由于设计、地质及施工等方面的原因造成的。
⑴设计因素
管道设计不合理，设计入出土点距离大堤较近，管道穿越大堤时埋深较浅，由于孔壁失稳或冒浆造成局部塌陷而影响大堤的安全。
⑵地层因素
地质条件较差，易产生冒浆。地层为饱和易液化的粉细砂层，或地层本身就有孔隙、裂缝，使泥浆有通行的条件在施工时泥浆又加大了孔隙和裂缝进而影响了大堤安全，如上述的沁河、淮河定向钻穿越工程。
⑶施工因素
定向钻穿越施工中，由于钻进速度过快、泥浆压力和排量等因素造成泥浆冒浆；或在施工过程中不按操作规程进行施工，如上述的某天然气管道定向钻穿越靳江河时，由于地质条件复杂，施工时钻头卡钻，施工单位在河底开挖钻头，将河堤处一水塘的覆盖层挖穿，由于内河水的压力而形成管涌，产生事故的原因不在于定向钻穿越本身，而是由于施工时违规操作而引起的。
上述的分析表明定向钻穿越对河流防洪的影响主要发生在施工期，需要设计方和施工方针对各个不同定向钻穿越特点，采取相应的措施以减小和避免定向钻穿越对河流防洪可能产生的不利影响。
三、定向钻穿越安全性的讨论
水平定向穿越施工分为钻导向孔、预扩孔和管道回拖三个过程。定向穿越适宜的地质条件通常为粘土、亚粘土、粉土、粉砂、细砂层及整体岩石层，对仅在入出土点两侧一定厚度的卵石层可以采用套管、固结、开挖等措施实现定向钻穿越。
定向钻进施工时会对软土层产生一定的扰动影响，但钻机钻进时，由于固壁泥浆的渗透和粘结造壁性能的作用，会使穿越管道周围的土壤结构得到加强，管道周围不可能出现砂土液化；同时由于泥浆的固壁稳孔效果，在穿越井壁周围形成泥皮，泥皮的固壁稳孔也会使穿越空间的渗透性大大降低。此外，在穿越施工过程中，扩孔切割下来的钻屑和泥浆本身的粘土颗粒也会被挤压到环空四周的地层空隙中，从而增强了环空地层的密实度，因而钻进施工对软土层的扰动影响会被钻机自身的工作特点所消除，对硬质岩石层的影响则更小。
定向穿越在钻导向孔、扩孔及管道回拖过程中需要稳定的穿越孔洞，其工艺特点决定了定向钻穿越管道的存在仅改变其周围局部土体的渗流特性，只要保证在管道大堤下安全的埋设深度，其对大堤堤身及堤内脚附近的渗流影响较小，造成堤防抗滑失稳的可能性不大，定向穿越不会对堤防稳定产生明显不利影响。如果定向穿越由于孔壁失稳造成地面塌陷，那么定向穿越本身也不会成功。
水平定向穿越完成后管道与穿越孔洞的临空界面充满泥浆，在较短时间内，由于泥浆失水沉淀和地球重力场的作用，同时由于定向穿越使用的泥浆密度约为水密度的1.1～1.2倍，环空空间基本上会被泥浆失水的粘土颗粒所填塞，且下部的密实度要高于上面的密实度，局部小范围塌孔也不会产生不利影响。在定向钻入出土点附近>15m范围内为满足埋地管道连头需要，需开挖管沟，管沟开挖深度通常在2m左右，回填时采用3：7的灰土进行回填，回填时分层夯实，也能够填实压实一定深度范围内的穿越孔洞，在一定范围内改善土层的结构。
以往大量的工程实例证明定向穿越不会对河流防洪产生明显不利影响，个别对防洪产生的不利影响的原因往往是由于其设计或施工工艺不当而造成的，至今尚未有定向穿越完成后对河流防洪产生不利影响的报道。只要在设计中保证管道在大堤及河床下安全的埋设深度并在施工中的严格工艺及施工速度和进度控制，定向穿越不会对河流防洪产生明显不利影响。
四、预防定向钻穿越对河流防洪不利影响的措施
1、定向穿越设计措施
通过对定向穿越曲线的优化设计，减少和避免定向钻穿越的不利影响。
⑴保证入出土点到大堤堤脚的安全距离
通过保证入出土点到大堤堤脚的安全距离，来确保管道在大堤下的安全埋设深度，保证穿越孔洞上部的覆土厚度以减小对大堤的影响。
⑵增大穿越的入出土角
通过适当增大穿越的入出土角，可以在较短的水平长度内达到较大的穿越深度。相比而言，由于穿越深度的加大，发生冒浆和其它影响的几率就会变小。
⑶选择适宜的穿越地层
通过对定向穿越设计曲线的调整，使定向穿越避开不利的或易冒浆、漏浆的地层，能在粘土层中穿越就要避开易冒浆漏浆的粉砂、细砂地层，或施工时通过夯套管、注浆局部改良或消除不利地层如淤泥层或卵石层的影响。
⑷改变穿越的曲率半径
在穿越长度不变的情况下，通过改变曲率半径可以改变穿越管道的埋深，但曲率半径的改变应该满足规范的要求，防止由于曲率半径过小而影响穿越施工。
⑸规范地质勘察的钻探孔
如果进行地质勘察时的钻探孔距离穿越曲线过近或由于勘察孔未按要求填封，在穿越施工中就可能导致泥浆从探孔中冒出，或导致外河水体与内河水体通过地质探孔和穿越孔洞相通而引起管涌。
2、定向钻穿越施工措施
⑴优化定向穿越的泥浆技术
优良的泥浆性能既是定向穿越成功的重要保证，也是减少冒浆、地面塌陷的重要手段。在穿越施工中采用复合泥浆配比技术，确保泥浆在施工的各个阶段性能优良并满足使用要求。通过添加胶凝剂和悬浮性能提升剂，改变泥浆的粘度和切力，降低穿越孔洞泥浆柱的压力、激动压力和环空压力，改变泥浆在漏失通道的流动阻力，通过添加堵漏剂，封堵漏失通道。
严格控制泥浆压力和流量。施工中应根据不同的穿越地层和深度，适当调整泥浆的工作压力和排量，防止由于泥浆压力和性能的改变造成泥浆漏失，减少由于冒浆诱导产生地层裂缝的可能性。
⑵严格施工工艺控制
严格按照操作工艺规程的要求进行施工。钻进软地层时不要轻易加快钻进速度，钻进硬地层时要适当减慢钻进时的速度，钻导向孔、预扩孔及管道回拖要保证适宜的施工速度和进度，且不可为了求快，而盲目加大施工进度，防止由于施工工艺不当出现不利工况而影响防洪，既保证管道的顺利穿越，也把不利影响降到最低。
⑶辅助措施－大堤监测
监测大堤是否会因定向钻施工而产生沉降。在穿越管道中心线两侧布置监测点，监测从施工前开始先取得基准值，在施工期间加强监测，施工完成后再监测1个月。如没有沉降或沉降在允许的范围内，说明定向穿越没有产生不利影响，如出现异常情况应及时向有关部门汇报采取相应的补救措施。
五、结论及建议
水平定向穿越技术由于其特有的优越性成为河流及其它障碍物穿越的首选技术，但由于其施工工艺本身的特点，需要设计方针对不同的穿越优化设计方案从源头上保证安全，需要施工方在施工的过程中加强管理、严格施工工艺及施工速度和进度控制来保证穿越安全，以减少由于冒浆等原因而诱发次生灾害的可能。目前国内对定向钻穿越技术的研究已日趋成熟，但尚未有对定向穿越完成后孔洞的稳定性分析和研究成果，应借鉴国内外其它穿越施工技术或相关领域的先进技术，作为专题进行研究，以便从理论和实践的角度提供相关的成果来指导定向穿越的设计和施工，并解释和消除对定向钻穿越安全性的担忧。
