上海砂性軟土地層水平定向鉆進(jìn)泥漿性能調(diào)控技術(shù)

朱永剛， 鄭文龍， 烏效鳴， 張曉靜， 林朋皓， 朱旭明

(1.上海佳友市政建筑有限公司，上海 201202； 2.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

0 引言

非開挖水平定向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)始于20世紀(jì)70年代。隨著社會的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及城市市容的不斷改善和交通、建筑保護(hù)意識的不斷提高，傳統(tǒng)的開挖鋪設(shè)地下管線的施工方式越來越不能適應(yīng)社會發(fā)展和人們對市容市貌的要求，非開挖技術(shù)可廣泛應(yīng)用于各種地下管線，如通信、電力、煤氣、供水、天然氣、排水等地下管道的鋪設(shè)施工。在大多數(shù)情況下，尤其是在繁華市區(qū)或地下管線埋設(shè)較深時(shí)，非開挖方法是一種很好的管道施工方法。但在具體工程實(shí)踐當(dāng)中地層問題紛繁復(fù)雜，尤其是上海地區(qū)常見的砂性軟土或淤泥質(zhì)土層，若泥漿液體系設(shè)計(jì)與該地層特點(diǎn)不配伍，將難以保證孔壁穩(wěn)定，導(dǎo)致工程出現(xiàn)不必要的損失和事故。

1 上海地區(qū)地層特點(diǎn)及工程難點(diǎn)

上海瀕臨東海，其淺部地層為較典型的軟土、淤泥夾沙、礫分布區(qū)域。

長興島、崇明及泥城鎮(zhèn)地區(qū)屬砂嘴、砂島地貌類型。該地區(qū)淺層地層主要由于河流淤積、濱海河口形成。表層為人工雜填土和淤泥，其下部土一般呈飽和的流塑狀態(tài)，含沙量大，地層松散。根據(jù)相關(guān)工程勘察報(bào)告及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，地層中的淤泥質(zhì)粘土孔隙比在1.3左右，易于流散；灰色砂質(zhì)粉土、灰色砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的粘聚力約為4 kPa，內(nèi)摩擦角約為30°，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度<0.5 MPa。部分土層中的顆粒較大(≥6 mm)，其孔隙比約為0.9。同時(shí)，地層大量砂體的膠結(jié)性很弱，屬典型的結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定地層。

包含市區(qū)在內(nèi)的上海多半地區(qū)屬濱海平原，該地區(qū)淺層地層主要由于河流淤積與濱海淺海形成。地層含水量大，均在32%以上，其中大多淤泥質(zhì)粘土含水量達(dá)到51%。該地層中物質(zhì)主要為粘土成分，夾有一定量的粉土層、砂層，一般呈流塑狀態(tài)。淤泥質(zhì)粘土的塑性指數(shù)>18，可流動性十分明顯。部分地段土的粘?；蛴H水礦物(如蒙脫石)含量較高，水敏性較強(qiáng)。該軟土地層蠕變性很強(qiáng)。

青浦區(qū)、松江區(qū)等中西部的湖沼平原，淺地層主要由于湖沼沉積形成，同樣為軟土地層，軟粘土含量大，夾雜有粉砂層與少量礫石層，部分地區(qū)地層中含有鐵錳質(zhì)結(jié)核。相比較于上海其它地區(qū)地層而言，其含水量較小，土層相對較硬，大部分粉質(zhì)粘土的塑性指數(shù)在12～16。該地層土中不乏有蒙脫石礦物成分，土的粘?；蛴H水礦物含量高，水敏性強(qiáng)，遇水容易吸收、膨脹、水化。

經(jīng)過十多年的大量工程實(shí)踐認(rèn)知，上海地區(qū)的含沙礫軟土地層對水平定向鉆進(jìn)鋪管(HDD)施工十分不利。鉆進(jìn)中遇砂質(zhì)粉土、粉砂土等含沙量大的地層以及礫石地層時(shí)，孔壁松散破碎，不易成孔，會造成塌孔埋鉆和抱管事故。在鉆進(jìn)中也會遇到鉆屑顆粒較大的情況，攜排鉆屑困難，重復(fù)破碎造成鉆進(jìn)效率低下，管具磨損嚴(yán)重，且極易阻塞回拖管道。鉆遇蠕變性強(qiáng)的淤泥質(zhì)土、軟土和水敏性強(qiáng)的地層時(shí)，孔壁的變形縮徑甚快甚強(qiáng)，換徑擴(kuò)孔往往來不及跟進(jìn)，最終導(dǎo)致孔壁蠕沒和坍塌，抱死回拖管道。為此，特別需要對泥漿進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)與配制，結(jié)合該類工程的個(gè)案特點(diǎn)進(jìn)行泥漿性能優(yōu)化。

2 在用泥漿的性能評價(jià)

目前上海地區(qū)非開挖施工所用泥漿材料商品多為增效土，即由膨潤土通過混配一定量的分散劑、提粘劑、降濾失劑等復(fù)配打包而成，可以較便利地與清水?dāng)嚢璩苫{(diào)性的鉆進(jìn)泥漿[1-3]。實(shí)驗(yàn)室對比了市場常用的3種產(chǎn)品復(fù)合土粉的造漿性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

若單純視表1中的漏斗粘度數(shù)據(jù)，3個(gè)樣品的造漿率指標(biāo)基本達(dá)標(biāo)(高于16 m3/t)。但是，若結(jié)合上海地層特點(diǎn)較全面、更具體地審視這些泥漿性能參數(shù)，并聯(lián)系到工程中出現(xiàn)的問題，就會發(fā)現(xiàn)存在的偏誤和不足之處：

(1)泥漿的密度均較低，多數(shù)當(dāng)土粉加量增大至粘度接近上限時(shí)，也才僅有1.03 g/cm3。這對于相當(dāng)多的蠕變軟土，所構(gòu)成的孔內(nèi)泥漿靜壓強(qiáng)是明顯不夠的，不足以平衡地層壓力而會造成孔壁縮徑，導(dǎo)致擠鉆抱管。

表1 一些不同增效土復(fù)合商品的泥漿基本性能

(2)粘度的變差頗大。樣品C在土粉加到7%時(shí)才僅有45 s，這對于流沙、礫石等松散地層難以遏止垮孔。而樣品A和樣品B在土粉加量稍增至5%時(shí)就過超至100 s以上(但動切力卻較低)，易造成孔內(nèi)泥漿流動困難、憋壓。

(3)泥漿切力相對不夠。3個(gè)樣品在5%加土量時(shí)的動切力都在12 Pa以下，這對于較常鉆遇的大顆粒地層是無法有效懸攜鉆屑的。積淀的砂礫床極易造成鉆桿扭矩與磨耗增大，更會導(dǎo)致拉管被楔卡而遇阻。

(4)失水量均偏高，即在5%加土量時(shí)，3個(gè)樣品的失水量都高于15 mL/30 min。這對于水敏土層是極其不利的，會造成土層孔壁的吸水膨脹、縮徑抱管、軟化蠕散。一般強(qiáng)水敏地層(水敏指數(shù)Iw≥0.66)要求失水量控制在5 mL/30 min以下。

在多變地層環(huán)境的現(xiàn)實(shí)中，若要求市場提供能針對具體工程個(gè)案的復(fù)配土粉，是不容易做到的。應(yīng)該在現(xiàn)有商品泥漿的基礎(chǔ)上，根據(jù)每個(gè)非開挖鋪管工程的地層特點(diǎn)和工藝情況對泥漿進(jìn)行“對癥下藥”的改造，通過添加適當(dāng)?shù)奶幚韯﹣硎鼓酀{發(fā)揮特效的功能。

3 密度的合理控制

鉆遇軟弱土層時(shí)，孔壁發(fā)生蠕變、縮徑的概率明顯加大[4-6]。地層鉆開后近孔壁處的應(yīng)力重新分布，塑性半徑隨著泥漿壓力的增大而減小，適當(dāng)提高泥漿密度有助于提高孔壁穩(wěn)定性[7]。就多數(shù)HDD工程而言，以增效土粉來配制泥漿，當(dāng)土量為5%時(shí)粘度已足夠高，但是密度才僅有1.03 g/cm3，不利于孔壁穩(wěn)定性的提升。

上海地區(qū)淤泥質(zhì)土的重度為16.8～17.8 kN/m3，地層側(cè)壓力系數(shù)為0.62～0.70(明顯較高)，則為平衡地層側(cè)壓力所需的泥漿密度應(yīng)在1.04～1.25 g/cm3。所以，多數(shù)情況下有必要對現(xiàn)行使用的泥漿進(jìn)行加重處理。

泥漿加重有2類不同的方法，一類是添加重晶石、碳酸鈣等高密度粉劑；另一類則是利用可溶性鹽的水溶液作為基液配漿。可溶鹽的品種很多，各自的飽和密度差別也很大。對淺層水平定向鉆來說，稍高密度的鈉鹽就能滿足需求，且成本不高。例如NaCl飽和溶液的密度可達(dá)1.2 g/cm3，半飽和(濃度18%)時(shí)密度也接近于1.07 g/cm3。

然而，配制鹽水泥漿是有技術(shù)難度的。主要原因在于普通造漿膨潤土及較多處理劑在鹽水環(huán)境中的“活性”會大大減退，粘土顆粒朝著聚結(jié)沉淀發(fā)展，失水量漲幅較大。為此，應(yīng)該采用抗鹽能力強(qiáng)的處理劑(如CMC-LV，淀粉等)并在配漿加料先后順序上予以科學(xué)的安排。因加鹽順序不同而對粘土顆粒水化膜的影響如圖1所示：先加鹽時(shí)，高濃度電解質(zhì)直接作用在粘土顆粒上，導(dǎo)致其擴(kuò)散雙電層受壓縮，水化膜減薄，后續(xù)對CMC等護(hù)膠劑的吸附能力大幅降低；而如果配漿過程中先加入CMC，則由于CMC極強(qiáng)的護(hù)膠作用，首先將粘土膠粒保護(hù)起來，再加入鹽時(shí)，則對粘土的抑制作用大幅降低，從而保證了配漿性能。

圖1 加鹽順序?qū)φ惩了さ挠绊?/p>

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試對比和多工程實(shí)用驗(yàn)證，下述配方及加料順序?qū)崿F(xiàn)了較高密度鹽水泥漿的成功制取與應(yīng)用：2%～4%膨潤土+0.5%～0.8%LV-CMC+5%～30%NaCl+0.2%～0.4%XC；泥漿密度1.02～1.20 g/cm3可調(diào)，失水量<10 mL/30 min，粘度30～120 s內(nèi)可調(diào)。該配方滿足了密度與粘度調(diào)整的需求，且較大程度抑制了粘土的水化膨脹，避免了縮徑、鉆屑造漿等情況的發(fā)生。

4 粘度的高效調(diào)節(jié)

針對松散的砂性土層，應(yīng)將泥漿的粘度和動切力提高，這樣可以有效粘結(jié)散狀孔壁，也有利于懸浮較大尺寸的鉆屑。泥漿粘度提升范圍應(yīng)根據(jù)地層松散程度確定，而對地層松散程度有抗壓抗剪強(qiáng)度法、結(jié)構(gòu)完整性F系數(shù)法等來測試。它們可以從不同角度反映出土的內(nèi)摩擦角和粘聚力的大小。若按無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度σs衡量，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納，巖土體可以分為極破碎(σs<0.3 MPa)、強(qiáng)破碎(0.3 MPa<σs<0.5 MPa)、中度破碎(0.5 MPa<σs<1.5 MPa)和較完整(σs>1.5 MPa)4個(gè)等級，所需泥漿粘度與抗壓強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[8]為：

ηA=0.5σs2-12σs+55

(1)

式中：ηA——泥漿的表觀粘度，mPa·s；σs——巖土的抗壓強(qiáng)度，MPa。

按此關(guān)系式，對上海弱膠結(jié)散沙地層(σs<0.5 MPa)，泥漿的表觀粘度應(yīng)增大到51 mPa·s以上，對應(yīng)的馬氏漏斗粘度≮105 s。

可溶性大分子聚合物是泥漿高效提粘的最主要處理劑，像合成高聚物(Rel-Pac、HPAM、HPAN等)，大分子纖維素(HV-CMC、HEC、HV-PAC等)，長鏈植物膠(蒟蒻、田菁、瓜爾膠等)，生物聚合物(XC等)，它們的分子量通常在1000萬以上，0.4%加量左右即可使水溶液粘度大增，而其在泥漿中加量一般只需1‰以內(nèi)，即可顯著提高泥漿粘度。

例如2017年在“東煦站到凌遷站110 kV電纜排管”工程中(總長度2041.95 m、孔徑1100 mm)，針對其嚴(yán)重松散的砂性地層，筆者采用的泥漿配方為復(fù)合商品土粉+0.6‰的Rel-Pac，再補(bǔ)充部分降失水劑和潤滑劑。泥漿性能達(dá)到漏斗粘度115 s，表觀粘度55 mPa·s，動切力18 Pa，失水量5 mL/30 min，潤滑系數(shù)0.13。該泥漿體系確保了鉆、擴(kuò)孔時(shí)未發(fā)生孔壁蠕沒和坍塌，回拉管道順利通過。

5 動切力的穩(wěn)妥提升

對于長興島、崇明及泥城鎮(zhèn)等地層存在的大顆粒砂礫(粒徑可達(dá)6 mm以上)情況，除了適當(dāng)提高排量(增加流速)并適當(dāng)提高粘度外，保持泥漿的高動切力成為懸浮攜帶鉆屑的關(guān)鍵。對此，首先要從機(jī)理上澄清所需動切力與鉆屑粒徑的關(guān)系。

假設(shè)鉆屑顆粒為直立圓柱狀，則鉆屑在泥漿中的垂向受力狀態(tài)如圖2所示[8]。

圖2 臨界動切力分析

要使柱狀鉆屑剛好被懸浮住，浮力加側(cè)壁總切力應(yīng)等于重力。其中總切力為泥漿動切力τd(即YP,單位面積上的剪切應(yīng)力)乘以柱體側(cè)面積。據(jù)此，聯(lián)立阿基米德浮力公式可得：

τd=d(ρ1-ρ2)g/4

(2)

式中：ρ1——泥漿的密度，g/cm3；ρ2——鉆屑的密度，g/cm3；d——鉆屑底面直徑，mm；g——重力加速度，9.8 m/s2。

若將上海地區(qū)粗粒地層的鉆屑粒度視為8 mm，則按該式計(jì)算的動切力為21.56 Pa(鉆屑密度取值為2.2 g/cm3，泥漿密度設(shè)為1.1 g/cm3)。此算例也證明上述商品土粉所配泥漿的動切力明顯偏低。

提高泥漿的動切力，可通過若干種方式實(shí)現(xiàn)，如適當(dāng)提高膨潤土的加量、對高聚物交聯(lián)、使粘土適度絮凝等。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際材料情況，筆者較多采用使粘土適度絮凝的方法，即通過增加燒堿(NaOH)量(提高pH值)來實(shí)現(xiàn)。其原理是當(dāng)pH值適度升高時(shí)，電離出的過量Na+離子附著于粘土晶層表面，降低了電動電位，引起水化膜有控制地變薄，使粘土顆粒端部裸露，相互搭接，形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

添加NaOH來達(dá)到適度絮凝以提高泥漿動切力時(shí)，要嚴(yán)格控制NaOH的加量，一般以pH值提高到9.5左右為穩(wěn)妥。過量的燒堿添加會導(dǎo)致粘土顆粒的聚沉或泥漿嚴(yán)重稠化。用某種商品復(fù)合土粉配出的基漿，在其中添加NaOH時(shí)的動切力變化實(shí)驗(yàn)曲線如圖3所示。實(shí)際工程中采用的加量依此取值為0.7‰～1.2‰，泥漿動切力可以達(dá)到20 Pa以上。該配方在上述提到的許多粗粒地層穿越鋪管工程中應(yīng)用，攜屑徹底，孔內(nèi)清潔，為成功鋪管提供了有力的保障。

圖3 NaOH加量對動切力的影響

6 其他功用的協(xié)同發(fā)揮

除攜帶鉆屑、粘護(hù)孔壁、平衡地層壓力外，HDD泥漿還需要兼顧降失水、抑制、減阻、潤滑等功能。針對上海地區(qū)HDD施工，如何在確保泥漿滿足基本性能的前提下兼顧其它性能，也是不可忽視的泥漿技術(shù)問題。

對于強(qiáng)水敏并伴有滲透的砂性土層，需進(jìn)一步降低失水量。該類地層在壓差作用下滲濾半徑增大，泥皮虛厚，易引發(fā)縮徑。通過改善泥漿中的固相級配(如添加超細(xì)CaCO3)并增加降失水劑(LV-CMC等)，可形成薄而堅(jiān)韌的泥皮，減小滲濾，降低孔壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)[9]。

對于強(qiáng)水敏造漿地層，還應(yīng)當(dāng)考慮提高泥漿對孔壁土的抑制性。適當(dāng)選用具備抑制能力的處理劑如KAPM、FA-367等可起到良好的防分散作用；石灰、可溶性鉀鹽(如KCl)等也有助于抑制孔壁土的水化，從而減輕孔壁因水敏而引發(fā)的縮徑等問題。

長距離非開挖施工過程中還應(yīng)注重解決循環(huán)阻力問題。隨著穿越長度不斷增加，泥漿循環(huán)時(shí)產(chǎn)生的沿程阻力損失越來越大。應(yīng)選擇剪切稀釋性較強(qiáng)的材料如XC、酰胺類線型大分子等用以調(diào)節(jié)流型，降低循環(huán)阻力的同時(shí)也延長了泵的使用壽命、減小了動力消耗。

為提高HDD鋪管的成功率，增強(qiáng)泥漿的潤滑性對于降低拖管阻力是至關(guān)重要的。普通礦物油類潤滑劑雖然潤滑能力強(qiáng)，但對環(huán)境影響較大；而滿足環(huán)保要求的植物油類高效潤滑劑應(yīng)是今后HDD施工重點(diǎn)研究與使用的對象[10]。

7 結(jié)論

在上海較多區(qū)域?qū)嵤┒ㄏ蜚@鋪管，對一般復(fù)合型鉆進(jìn)土粉產(chǎn)品應(yīng)根據(jù)具體地層及土性特點(diǎn)做出如下改進(jìn)完善：

(1)在軟土與淤泥質(zhì)土地層中，泥漿密度均應(yīng)適度提高，由現(xiàn)有的約1.03 g/cm3調(diào)大到1.10 g/cm3左右，以平衡鉆孔蠕變縮徑壓力。如果以可溶鹽作為加重基液，則應(yīng)注意配制加料的順序。

(2)在上海地區(qū)松散、破碎程度較高的地層中，必須加大現(xiàn)有泥漿的粘度以滿足粘結(jié)孔壁的需求，此時(shí)漏斗粘度應(yīng)達(dá)到100 s以上，表觀粘度48 mPas以上。

(3)對鉆孔中鉆屑顆粒較大的狀況，泥漿動切力必須進(jìn)一步提高，二者對應(yīng)關(guān)系可以用τd=d(ρ1-ρ2)g/4來計(jì)算確定。加入NaOH是易行高效的方法，但加量須準(zhǔn)確控制。

(4)失水量、抑制性、潤滑性與減阻效能也是水平定向鋪管泥漿的重要兼顧性能。應(yīng)在滿足基本性能要求的前提下，通過優(yōu)選“一專多能”的處理劑或者復(fù)配以功能型處理劑對泥漿性能進(jìn)行優(yōu)化。

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