定向鉆施工技術(shù)在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用

張與勝

【摘要】濕陷性黃土在我國(guó)北部、東北部地區(qū)廣泛分布。隨著大型工程二次施工以及穿越施工的普及定向鉆技術(shù)在濕陷性黃土上被廣泛應(yīng)用。濕陷性黃土由于具有濕陷性、滲水性等特性在施工過(guò)程中需要區(qū)別于傳統(tǒng)的定向鉆技術(shù)。本文從濕陷性黃土的特性為視角，結(jié)合本人在實(shí)際施工過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)以及存在的問(wèn)題。分別從施工準(zhǔn)備體系、多元協(xié)調(diào)的導(dǎo)向控制、優(yōu)化泥漿配比方案、完善施工后期的成孔保護(hù)等四個(gè)角度去討論其在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用，希望為今后的科研與施工提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】定向鉆；濕陷性黃土；存在問(wèn)題；優(yōu)化對(duì)策

0.引言

濕陷性黃土由于土壤結(jié)構(gòu)以及水分含量等問(wèn)題造成顯著地地質(zhì)性塌陷。在施工的過(guò)程中如果不進(jìn)行必要的施工處理以及合理的施工方案進(jìn)行規(guī)避，不僅對(duì)施工的質(zhì)量造成一定的影響與危害，而且在工程的質(zhì)量驗(yàn)收以及使用壽命等方面存在一定的問(wèn)題與安全隱患。因此，在施工的過(guò)程中隊(duì)濕陷性黃土的識(shí)別以及處理成為了施工的關(guān)鍵。我國(guó)在針對(duì)濕陷性黃土的施工過(guò)程中主要采用強(qiáng)夯、化學(xué)固定、沖擊碾壓等方式進(jìn)行施工，在實(shí)際的使用以及定向鉆施工過(guò)程中還存在一定的缺點(diǎn)與問(wèn)題。本文基于濕陷性黃土地區(qū)的特征以及施工過(guò)程中必須注意的施工難點(diǎn)為突破口，結(jié)合施工過(guò)程中遇到的實(shí)際問(wèn)題分別從導(dǎo)向控制、泥漿配比以及成孔保護(hù)等方面討論施工技術(shù)的優(yōu)化措施，為今后的同類施工以及研究提供理論依據(jù)以及實(shí)踐指導(dǎo)。

1.濕陷性黃土黃土地區(qū)特征及其施工難點(diǎn)

所謂濕陷性黃土是指在黃土區(qū)域具備濕陷特征的土壤環(huán)境，一般用土壤的濕陷系數(shù)進(jìn)行表征。從地質(zhì)學(xué)角度出發(fā)濕陷性黃土產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)方面：一方面來(lái)源于濕陷性黃土的土壤組成及其性質(zhì)，由于沙粒結(jié)構(gòu)以及粒徑量級(jí)的分布而造成的土壤流動(dòng)性的加強(qiáng)。另一方面是由于當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境所操作的土壤總體水壓過(guò)大而造成的。

1.1濕陷性黃土地區(qū)特征

濕陷性黃土地區(qū)由于濕陷性黃土的特征而表現(xiàn)出不同的地質(zhì)特征，主要可以概括為壓縮性、濕陷性、抗剪強(qiáng)度以及透水性。按照對(duì)定向鉆施工的危害程度，本文主要關(guān)注濕陷性黃土地區(qū)的濕陷性以及透水性等特征。

黃土濕陷性是濕陷性黃土地區(qū)的主要特征之一，同時(shí)也是造成工程危害的主要原因之一。在工程施工的過(guò)程中必須針對(duì)這一特性進(jìn)行事宜的施工方式的選擇。所謂的濕陷性是指濕陷性黃土在浸水或者自身重量的作用下而導(dǎo)致的上層土壤向下擠壓沉降的特性。在施工過(guò)程中將黃土的濕陷性按照動(dòng)力的來(lái)源分為自重濕陷以及非自重濕陷。其主要區(qū)別的根據(jù)判斷土壤濕陷的動(dòng)力來(lái)源于土壤本身的重量還是來(lái)源于土壤的附加壓力。這種濕陷特征對(duì)于施工的影響較大。主要表現(xiàn)為施工過(guò)程中的土壤濕陷容易造成定向鉆孔的坍塌以及堵塞。在施工后期容易由于這種濕陷而造成孔道內(nèi)部設(shè)備的變形與損壞，嚴(yán)重的影響了施工質(zhì)量以及使用的壽命。

濕陷性黃土的透水性主要是由于濕陷性土壤孔隙過(guò)大而造成的縱向與橫向透水率的增加。在實(shí)際的工程施工過(guò)程中由于鉆孔的空洞效應(yīng)以及減壓效應(yīng)等因素，容易造成孔道的積水，并由于土壤水分內(nèi)流等緣故帶來(lái)大量的不可清理泥沙。一方面影響定向鉆施工效率，另一方面由于水還原等因素降低孔道內(nèi)部設(shè)備的使用壽命。

1.2濕陷性土壤的施工難點(diǎn)

濕陷性土壤施工的難點(diǎn)主要在于對(duì)土壤濕陷性以及透濕性的規(guī)避與預(yù)防。主要采用的方式包括了土壤的預(yù)處理以及排水措施。具體如下：

為保障工程質(zhì)量以及施工效果，在針對(duì)濕陷性土壤的定向轉(zhuǎn)施工過(guò)程前需要對(duì)施工地點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理，具體的預(yù)處理方式可以根據(jù)定向鉆深度進(jìn)行靈活的選擇，一般對(duì)于管道要求3-10m的可以采用強(qiáng)夯方法對(duì)定向鉆的預(yù)設(shè)軌道進(jìn)行加固處理，伺候進(jìn)行定向鉆開挖施工，能夠在一定程度上保障了通道的暢通以及施工的質(zhì)量。對(duì)于施工以及后期使用過(guò)程中的深水處理可以通過(guò)磨漿護(hù)孔作業(yè)過(guò)程中泥漿比例的調(diào)控以及防水劑的添加使用達(dá)到相應(yīng)的目的。

2.傳統(tǒng)定向鉆施工缺點(diǎn)

定向鉆具有施工周期短、投入少、精度高以及不損傷主體建筑等特點(diǎn)在穿越施工中被廣泛的應(yīng)用。在濕陷性黃土環(huán)境下傳統(tǒng)定向鉆施工具有一定的缺點(diǎn)，具體如下：

2.1定向鉆施工前準(zhǔn)備不足

此方面問(wèn)題主要表現(xiàn)為在定向鉆施工之前對(duì)濕陷性黃土的判斷不足，導(dǎo)致沒(méi)有進(jìn)行必要的夯實(shí)處理便進(jìn)行定向鉆的工程施工。這種問(wèn)題在施工過(guò)程中容易造成擴(kuò)孔過(guò)程中的坑道沉陷變形，影響施工質(zhì)量以及后期管線鋪設(shè)。嚴(yán)重者容易造成穿越孔道的坍塌。此外，在定向鉆施工過(guò)程中由于需要開挖施工以及壓力管道施工的配合，在施工過(guò)程中由于前期規(guī)劃的不到位常常造成施工連接錯(cuò)位等問(wèn)題，造成一定施工材料與資源的浪費(fèi)。

2.2定向鉆導(dǎo)向錯(cuò)位

濕陷性黃土濕陷常常表現(xiàn)為垂直層面的位移，進(jìn)而造成定向鉆豎直方向的錯(cuò)位，以及定向管道的非計(jì)劃曲折，對(duì)后期擴(kuò)孔以及管道的鋪設(shè)造成一定的影響。在垂直方向錯(cuò)位的影響下容易造成穿越通道的垂直彎曲，對(duì)后期的擴(kuò)孔操作造成一定的影響，同時(shí)這種垂直方向的位移與穿越距離呈現(xiàn)出一種顯著關(guān)系。

2.3泥漿配比無(wú)法符合施工要求

在泥漿的配比過(guò)程中主要考慮的因素為如下三個(gè)：一個(gè)為泥漿的密度，泥漿密度直接決定了泥漿的附著力以及在定向鉆擴(kuò)孔回拉過(guò)程中的回拉力度。一個(gè)為泥漿添加劑的使用根據(jù)不同地質(zhì)環(huán)境需要在泥漿配比過(guò)程中加入不同添加劑來(lái)對(duì)泥漿整體性能以及適宜性進(jìn)行有效的提高。在濕陷性黃土土壤上的施工對(duì)泥漿的要求較為嚴(yán)格。與前面相同由于對(duì)土壤類型與質(zhì)地的預(yù)判等因素常常導(dǎo)致泥漿配比與傳統(tǒng)定向鉆泥漿配比相同，無(wú)法符合特殊地質(zhì)的施工要求。

2.4后期成孔保護(hù)不利

在定向鉆施工的過(guò)程中主要采用護(hù)筒和泥漿進(jìn)行成孔保護(hù)。而在水平定向鉆的施工過(guò)程中則主要通過(guò)泥漿來(lái)進(jìn)行保護(hù)。泥漿的灌注不僅僅能通過(guò)其填充作用防止鉆孔的坍塌，同時(shí)還利用其沖刷作用，帶出大量的泥沙，保障了定向鉆施工的順暢。在傳統(tǒng)的定向鉆施工過(guò)程中需要注意成孔保護(hù)階段與導(dǎo)向孔施工階段的泥漿要求具有很大差異。這往往是實(shí)際施工過(guò)程中所不注意的。

3.施工技術(shù)優(yōu)化措施

3.1建立完善的施工準(zhǔn)備體系

建立完善的施工準(zhǔn)備體系主要從兩個(gè)方面入手。一方加強(qiáng)在施工前對(duì)土壤性質(zhì)的判斷與調(diào)查。在充分調(diào)查當(dāng)?shù)赝寥李愋偷暮暧^資料的基礎(chǔ)之上，對(duì)施工路段進(jìn)行實(shí)際的調(diào)查，并借助穿越主體的施工條件作為輔助判斷依據(jù)。另一方面，在確定了土壤類型具有濕陷性的基礎(chǔ)之上需要對(duì)施工位點(diǎn)進(jìn)行充分的初期準(zhǔn)備。

3.2采用多元協(xié)調(diào)的導(dǎo)向控制

在施工前對(duì)施工部分進(jìn)行垂直定向孔的施工。同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注垂直方向的濕陷性惟一。同時(shí)改變傳統(tǒng)2D定位技術(shù)僅能夠?qū)ΧS坐標(biāo)進(jìn)行定位的確定，采用更為先進(jìn)的聲波或紅外線定位系統(tǒng)對(duì)定向鉆走向進(jìn)行3維的定向，以便對(duì)濕陷性位移更準(zhǔn)確的把握。

3.3 優(yōu)化泥漿配比方案

增加泥漿粘度的方法來(lái)維護(hù)鉆孔的穩(wěn)定。具體為：回?cái)U(kuò)孔時(shí)泥漿的馬氏粘度值必須保證在45~55秒之間，泥漿比重應(yīng)大于1.03，泥漿注入土中與粘土混合后產(chǎn)生的泥漿比重應(yīng)大于1.10；具體可以分為三個(gè)階段：首先，鉆導(dǎo)向孔階段要求盡可能將孔內(nèi)的泥沙攜帶出孔外，同時(shí)維持孔壁的穩(wěn)定；其基本配方是：7-8%預(yù)水化鈉基膨潤(rùn)土+0.2-0.4%增粘劑+0.3%降濾失劑。其次，預(yù)擴(kuò)孔階段要求泥漿具有很好的護(hù)壁效果，防止地層坍塌，提高泥漿攜帶能力；其基本配方為：7-8%預(yù)水化鈉基膨潤(rùn)土+0.3%-0.5%提粘劑+0.4%降濾失劑。最后，擴(kuò)孔回拖階段要求泥漿具有很好的護(hù)壁、攜砂能力，同時(shí)還有很好的潤(rùn)滑能力，減少阻摩力和扭矩；其基本配方如下：7-8%預(yù)水化鈉基膨潤(rùn)土+0.3-0.5%提粘劑+0.4%降濾失劑+2%-3%的潤(rùn)滑劑。

3.4完善施工后期的成孔保護(hù)

對(duì)施工后期的成孔保護(hù)泥漿配置進(jìn)行嚴(yán)格的把關(guān)與調(diào)配實(shí)驗(yàn)。以導(dǎo)向孔施工泥漿為藍(lán)本降低固液混合比以及鈣質(zhì)的含量，同時(shí)增加潤(rùn)滑作用。使得定向鉆擴(kuò)孔過(guò)程能夠順利的進(jìn)行。[科]

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