HDD管道穿越环空泥浆固结变形特性研究

在采用水平定向钻进（HDD）这一高新技术穿越大江、大河进行管道工程施工时，遇到了如地面冒浆、管道破坏、管涌等诸多工程问题及其相关的基础理论问题，制约了该油气管道建设新技术的推广应用。研究解决采用HDD技术穿越河流堤岸时所产生的上述问题，特别对于大直径管道穿越工程（如西气东输二线的直径1219mm的管道）竣工后，如何揭示管道和钻孔孔壁之间可达400mm的环空间隙内所留下大量混合泥浆的固结变形规律，评价其对河流堤防的潜在危害和对防洪的影响，研究其对管道造成损伤或破坏的潜在影响，确保管道竣工后的安全运行等，都至关重要。本课题研究成果有助于HDD这一长输管道施工关键技术的进一步推广应用，为确保我国大型油气管道工程顺利建设和安全运营提供重要科学依据。所以，本项目拟以HDD管道穿越工程竣工后的环空泥浆为研究对象，揭示其固结变形特性等关键科学问题，具有重要的工程实际意义和科学价值。

本项目以水平定向钻进铺管后环状空间泥浆为研究对象，分析了水平定向钻进铺管后环空泥浆固结的机理，重点研究了环空泥浆的固结过程，不同地层条件下固结体的成分，固结体的形状，不同固结状态和不同成分的固结体的强度，固结体的微观结构，影响固结速率和固结体强度的主要因素；此外，监测了水平定向钻进施工过程中和施工完成后孔壁的稳定性，分析了孔壁稳定性对环空泥浆固结的影响；分析了环空泥浆体固结变形对堤防安全的影响，以及环空泥浆固结对管道受力的影响。项目的主要成果有：.（1）分析了环空泥浆固结的机理：环空泥浆的自身液柱压力与地下水压力之差，地层压力以及孔壁土体的基质吸力（为非饱和土体时）是导致环空泥浆固结的主要因素。为深入认识环空泥浆的固结过程提供了理论依据。.（2）通过实验观察和取样揭示了环空泥浆的固结过程：泥浆自外而内固结，泥浆中水化后的膨润土的蜂窝状骨架压缩，强度增加，固结后的泥浆附着在孔壁上，泥浆强度增加，由可流动状态向流塑状态、软塑状态转变。.（3）揭示了环空泥浆固结体的主要成分：在稳定地层中，孔壁不易坍塌掉块，环空泥浆以纯泥浆为主，含有少量的钻屑；当地层不稳定时，孔壁易坍塌掉块，环空泥浆以坍落的孔壁土体为主。.（4）揭示了环空泥浆固结体强度的变化规律，环空泥浆固结体的强度随着塌落的孔壁土体含量的增加而增加；塌落的孔壁土体混合的越均匀，固结体的强度越高。环空泥浆固结速率越高，固结体强度随时间的增长越快。.（5）影响环空泥浆固结的主要因素是钻孔周围土体的渗透系数和孔壁稳定性。钻孔周围土体的渗透系数越高，环空泥浆的排水条件越好；孔壁稳定性越差，环空泥浆的整体渗透系数越高，排水条件越好，固结速率越高。.（6）环空泥浆固结体中存在大小不一的收缩裂缝，固结体的含水量很高，孔隙比很大，降低了管道周围土体的临界水力坡降，有利于渗流和管涌的发生。.（7）由于环空泥浆固结缓慢，环空泥浆长期处于流塑状态，使得作用在管道周围的土压力均匀化，改善管道的受力状态。.总结：环状空间泥浆固结缓慢，固结体将长期处于流塑—软塑状态，固结体强度较低，破坏原施工区域的抗浮抗渗稳定性，可以改善管道的受力状态。