关于水平定向钻施工过程中测量大口径HDD环空泥浆固结特性新方法的研究

内容摘要：摘要：水平定向钻进(HorizontalDirectionalDrilling, 简称 HDD)是采用安装于地表的钻孔设备。对于大直径管道来说，工程竣工后在钻孔和管道之间要留下300mm~400mm 的环状间隙。要对泥浆固结后进行应力应变的分析，前提是要知道环空泥浆的固结时间。而传统测量环空泥浆的固结时

1 引言

　　水平定向钻进(Horizontal Directional Drilling, 简称HDD)是采用安装于地表的钻孔设备，以相对于地面的较小的入射角钻入地层形成先导孔，然后将先导孔扩径至所需的直径大小，然后采用钻机回拖牵引的方法将管道（线）铺装入钻孔的一项技术。对于大直径管道来说，工程竣工后在钻孔和管道之间要留下300mm~400mm 的环状间隙。该技术起源于石油钻井工业，经演变之后目前广泛应用于油气管 道和市政管道的建设。

　　水平定向钻进技术（HDD）已经成为油气管道和市政管道建设中必不可少的关键技术。但无论是市政管道还是油气管道的铺设，预扩孔直径都要达到穿越管段直径的1.2~1.5倍，钻孔和管道之间的泥浆固结后会形成环状空隙，对于河堤的穿越，环状空隙的存在会影响河堤的安全性，为防洪带来隐患。要对泥浆固结后进行应力应变的分析，前提是要知道环空泥浆的固结时间。而传统测量环空泥浆的固结时间的方法存在着很多问题与缺陷，这也导致了时间检测上面误差较大，从而耽误了研究泥浆固结后受力分析的最佳时间。泥浆固结强度不够的话, 可能因变形过大而出现问题。因此 ，弄清泥浆固结时间的变化规律非常必要，而目前国内在判定泥 浆固结时间的方法上仍处于空白阶段。

2 试验原理

2.1 设计原理

　　水是一种极强的电解质。水分子有较大的电偶极矩，在氢原子附近有极大的正电场，因而它有很大的电子亲和力，使得水分子易吸附在固体表面并渗透到固体内部。利用水分子这一特性制成的湿度传感器称为水分子亲和力型传感器。而把与水分子亲和力无关的湿度传感器称为非水分子亲和力型传感器。在现代工业上使用的湿度传感器大多是水分子亲和力型传感器，它们将湿度的变化转换为阻抗或电容值的变化后输出。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当环空间隙中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。传感器的湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变 化量与相对湿度成正比。

　　当饱和土受压后，其附加压力由有效压力和孔隙水压力共同分担，分担的情况随时间而变化。最初，由于土中孔隙水不能及时排出，附加压力几乎全由孔隙水压力承担，产生超静水压力水头。孔隙水在此水头作用下由孔隙中排出，土骨架受压缩，附加压力逐渐转移到骨架上，有效压力逐渐加大，而孔隙水压力逐渐减小，最后附加压力全部由有效压力承担 ，土的压缩过程就结束。这整个过程，即称固结。故固结过程也可以理解为孔隙水压力消散的过程，土固结的快慢取决于土中水排出的速度。

2.2 工作原理

　　此传感器的湿敏电阻采用氯化锂电湿敏元件，氯化锂元件的测量范围与湿敏层的氯化锂浓度及其它成分有关。将此传感器放置于环空间隙，当环空间隙内的水蒸气密度达到一定程度后，水蒸气吸附在氯化锂电湿敏元件的感湿膜上，此时元件的电阻率和电阻值都发生变化，这样就可以将湿度的变化转 换为阻抗或电容值的变化后输出。传感器的输出端设在地面上，人们通过转换后的数值变化就可以知道环空泥浆间隙的湿度，从而得知环空泥浆的固结 时间。

3 试验方法

3.1 试样制备

　　将泥浆含水量控制在浮限，即悬浮液态与粘滞液态之间的界限含水量，这里取相应液限含水量的2.0～2.5倍，以避免离析现象的发生。本试验选用的土料物理性质指标见表1。

表1 土的物理性质

3.2 施加渗压

　　试样制备好后，固结仪中沉积物以上的空间充满水，盖好盖板 。打开盖板上的排水孔，调整压力传感器的初读数，关闭盖板上的排水（注水）孔，施加水压力，记录压力传感器读数，最后打开底板上的渗流出水孔 ，渗压固结试验开始。 试验施加的渗压为50kPa。

3.3 量测过程

　　固结期间，每间隔一定时间量测相应的试样变形值。当达到稳定状态时，测定孔隙水压力分布和 试样含水量的分布 。

4 试验结果

4.1 孔隙水压力分布

　　试样制备之前，将孔隙水压力传感器与固结仪的底板和侧壁连接，底板处传感器导管端部位于透水石上的滤纸处。侧壁处传感器的位置分别位于距底部2cm 、4cm 、6cm 和8cm 处。施加恒定水压之后，打开开关之前，底部传感器的输出值为所施加的恒定水压力数值。固结进行过程中，当试样厚度为8cm 时，通过侧壁传感器测得此时的孔隙水压力分布。固结完成之后，将底部传感器导管向上贯穿到试样中，测得相应位置孔压值，直到传感器顶部到 达试样顶 部为止。

　　稳定状态时，试验得到孔隙水压力沿相对深度 的分布如图1 所示。

图1 孔压沿深度分布曲线

4.2 含水量分布

　　测量孔隙水压力后，释放水箱中的压力，打开固结仪盖板上的注水排气孔，迅速移去盖板，将取 样管竖直插入土层然后拔出，用推进活塞将圆柱形的薄层土样从取样管推出，将土样按一定厚度切 片，测量土样中含水量的分布。

　　含水量沿深度分布曲线如图2 所示。

图2 含水量沿深度分布曲线

　　由于试样自始至终均处于饱和状态，根据孔隙比与含水量的关系，确定出试样中孔隙比的分布情况，如图3 所示。

图3 孔隙比沿深度分布曲线

　　先收集国内外的相关资料，然后进行环空泥浆的相关试验，通过实验数据进行分析计算，从而得到环空间隙内湿度的变化曲线，根据变化曲线选取合适的氯化锂电湿敏元件作为湿敏电阻。然后开始制作湿度传感器，传感器制作并调试完毕后，用导杆将其镶嵌住，送至环空间隙，到达目的地后将导杆取回。由导线连接地下传感器与地面的监控设 备，从而可以通过传感器进行对湿度的监控。

4.3 可行性分析

　　该测量方法的优点是：

　　（1）可以很方便的测出环空间隙的湿度，省时省力，而且大大提高了计算固结时间的准确性，耗 电少，又节约了能源。

　　（2）传感器的湿敏电阻采用耐用材料制成，可长期埋设在样地中，耗电少，分辨率高，适用于长期 监测。

　　该测量方法的缺点是：

　　（1）尽管测量仪的体积小，但是由于管道离地面距离远，且传感器与地面监控装置需用导线连 接，故不易下放和固定。

　　（2）在管道回拖的过程中容易对传感器造成 损伤。

5 结论

　　为确定大口径HDD环空泥浆固结时间，设计渗压固结试验，介绍了该试验装置、试验方法，并对 试验 结果进行分析，得出以下结论：

　　（1）HDD是管道穿越施工的一项高新技术，目前在我国大型长输管道工程建设中发挥了巨大作用，攻克了很多管道工程项目的控制性工程。但国内外研究人员对环状空间内混合泥浆的变化规律 这一重要领域的研究非常缺乏。

　　（2）通过渗压固结试验，得到孔隙水压力、孔隙比、含水量沿深度非线性分布的关系曲线，直观地 描述 了有限应变固结特性。

　　（3）采用测量仪法判定大口径HDD环空泥浆固结时间可以很方便的测出环空间隙的湿度，省时省力，而且大大提高了计算固结时间的准确性，耗电少，分辨率高，适用于长期监测。但不易下放和固定，且在管道回拖的过程中容易对传感器造 成损伤。

　　（4）如何揭示管道和钻孔孔壁之间的环空间参数，对评价工程潜在危害和影响性至关重要，而固结时间是研究其固结变化规律的一个很重要的参考量，因此具有重要工程实际意义和科学价值。