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非开挖施工过程中冒泥浆问题

  随着城市地下管网基础建设的发展非开挖水平定向钻技术应用日趋广泛。在非开挖水平定向钻技术的广泛应用的同时,遭遇的工程实际情况也越来越复杂,克服这些工程难题也使非开挖水平定向钻技术越来越成熟。非开挖水平定向钻工程施工中,通过泥浆循环系统将钻头切削下来的碎岩屑从孔底排出至地表。由于地层存在天然的缺陷——孔隙和裂缝,泵入的泥浆通过地层的孔隙和裂缝形成的通道流出地表,这种现象就是冒浆。目前冒浆问题已成为阻碍非开挖水平定向钻技术发展的重要问题,其对于整个工程施工而言具有诸多坏处。
 

  • (1)冒浆过程中泥浆通过钻孔孔壁渗入地层,改变了孔壁周围的岩土应力状况,严重影响孔壁的稳定性,增加了工程施工的风险;
  • (2)冒浆使泥浆在穿越区域的地表流动,泥浆中往往有化学药品的成份,给地表的环境造成污染,对农田植被造成破坏;
  • (3)冒浆情况严重时,改变冒浆区域土层的应力,导致土体破坏,对道路、建筑物、原有地下设施的安全带来了严重隐患;
  • (4)冒浆发生后,钻进施工中耗费的泥浆量将会增大,增加了工程施工的原料消耗成本。非开挖水平定向钻工程领域的冒浆问题在近年来才得到关注,国内外学者的研究基本上是工程经验的初步总结。
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本文针对冒浆问题从以下几个方面进行了研究和探讨:

  • (1)针对冒浆问题的渗透破坏横型针对冒浆问题,


本文从渗流时间和渗流路径两个方面建立了模型,分别是:针对渗流过程的时间因子影响模型和针对地层破坏的路径影响因子模型。从时间因子影响模型的分析,得出在地层渗流的孔隙通道不被堵塞的情况下,冒浆发生所需要的时间与土层的渗透率成反比,与钻孔的水平埋深的3/2次方成正比,与泥浆的压力近似成正比。从路径影响因子模型的分析,得出在地层渗流的空隙通道被堵塞的情况下,冒浆发生的形势是破坏土层形成新渗流通道,此时冒浆取决于土层在不破坏的情况下的所能承受的最大压力与泥浆当前压力的比值,当泥浆压力大于土体破坏的临界压力时,冒浆就会发生。
 

  • (2)室内冒浆实验通过对非开挖工程岩土颗粒特性和钻进泥浆粘土特性的分析,

用砂粒作为渗流的岩土介质进行了室内的冒浆实验,确定了在非开挖水平定向钻工程中,泥浆的粘土粉加量、泥浆的添加剂含量以及岩土颗粒大小对渗透率产生影响。同时对于泥浆在土层中的封堵效果进行了模拟实验,分析得出:当岩土层孔隙当量直径小于20μm时,泥浆容易形成封堵:同时泥浆的添加剂可以提高形成封堵的岩土颗粒粒径值。
 

  • (3)针对冒浆的泥浆设计从泥浆循环降压理论的分析结果可知,

当调整泥浆各项性能参数时,泥浆在钻孔中的压力将会发生变化,而降低泥浆的压力可以防止冒浆的发生。本文从高剪稀释理论及实验、堵漏原理及配方优化和泥浆用水处理三个方面对泥浆设计做了实验研究,最后设计出针对冒浆的泥浆配方。
 

  • (4)软件设计运用本文冒浆的理论以及防治冒浆措施中的泥浆设计手段,

  设计了一套以防冒浆为主要目的的泥浆设计软件。该软件主框架设计为MFC,能更好的与各种操作平台兼容,同时软件设计以操作简单、界面友好为原则,更利于用户使用。通过北运河穿越工程的现场试用,验证了该软件的可靠性和准确性。最后,本文对研究内容做了总结,得出相关的结论,并在此基础上,提出了针对非开挖水平定向钻工程中冒浆的进一步研究思路和建议。

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