南水北調(diào)輸水管線水平定向鉆地面冒漿成因分析

袁玉石

（河南省周口市南水北調(diào)工程建設(shè)管理領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，河南 周口 466000）

1 工程概況

水平定向鉆穿越沙潁河工程，起點(diǎn)位于周口市東環(huán)路與七一路交叉口北約600m處，緊鄰東環(huán)路與沙河大橋平行布置，起點(diǎn)樁號(hào)為140+596.15 ，終點(diǎn)樁號(hào)為141+153.21 。設(shè)計(jì)為雙管定向鉆（兩道涂塑復(fù)合鋼管DN1000，壁厚16mm，內(nèi)EP，外PE），兩管間距20.20m（外壁-外壁），曲線段的曲率半徑為1800D，定向鉆入土角與出土角的角度為7°，入土點(diǎn)與出土點(diǎn)的水平距離為523.32m。河底最低點(diǎn)管道中心線高程為23.33m，管道水平段埋深14m。

2 軌跡設(shè)計(jì)

2.1 入、出土點(diǎn)及層位選擇

水平定向鉆管道穿越路線選擇應(yīng)遵循的原則包括：①輸送可燃介質(zhì)的管道應(yīng)遠(yuǎn)離車站、橋梁及重要構(gòu)筑物；②穿越河流宜選擇在河流順直、水流平緩、河床和坡岸穩(wěn)定、兩岸有足夠施工場(chǎng)地的有利位置；③應(yīng)避開高壓電塔、電站、變電站等高壓危險(xiǎn)區(qū)；④應(yīng)避開不良地質(zhì)和不利于施工的地形、地貌；⑤應(yīng)避開電磁干擾信號(hào)比較強(qiáng)的區(qū)域；⑥保護(hù)生態(tài)環(huán)境，少占農(nóng)田、綠地等。

綜合考慮以上原則，沙潁河穿越工程的入土點(diǎn)選在北岸，出土點(diǎn)選在南岸，原因是南岸場(chǎng)地較空曠，能夠擺放得下500多米長(zhǎng)的管道。另外，該穿越路線的選擇還有以下優(yōu)點(diǎn)：①入、出土點(diǎn)旁都有溝槽狀地貌，可稍經(jīng)改造直接變?yōu)槟酀{池。②施工場(chǎng)地緊鄰沙河大橋，方便兩岸運(yùn)送設(shè)備。缺點(diǎn)是部分穿越路線上方有輸電線，距出土點(diǎn)西向約100m處有電視發(fā)射塔，有可能對(duì)鉆進(jìn)導(dǎo)向孔時(shí)的控向信號(hào)造成干擾。除此之外，施工場(chǎng)地附近沒有高壓危險(xiǎn)區(qū)，也沒有不利于施工的地形地貌，總體而言，該穿越路線的選擇合情合理。

2.2 穿越軌跡設(shè)計(jì)

水平定向鉆穿越軌跡的優(yōu)化不僅可以有效降低工程投入，提高施工效率，而且能減小工程施工風(fēng)險(xiǎn)，增加安全可靠性。關(guān)于水平定向鉆穿越軌跡的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)研究成果主要有3種設(shè)計(jì)方法：垂直平面法、斜平面法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。

3 最大泥漿泵送壓力計(jì)算模型

3.1 Delft公式計(jì)算孔底最大泥漿壓力

現(xiàn)在多數(shù)領(lǐng)域仍然在使用Delft公式來計(jì)算水平定向鉆施工過程中最大允許泥漿壓力：

式（1）（2）（3）中：u—初始孔隙水壓力，kPa；—第一次出現(xiàn)塑性變形時(shí)的泥漿壓力，kPa；φ—土體的內(nèi)摩擦角；—鉆孔頂部的有效土壓力，kPa；c—土體的內(nèi)聚力，kPa；R0—鉆孔孔徑，m；Rp，max—最大塑性區(qū)半徑，m，一般可以取鉆孔軸線距離地表高度H的2/3，即Rp，max=（2/3）H；G—土體的剪切模量，MPa。

3.2 圓管內(nèi)流動(dòng)阻力計(jì)算模型

3.2.1 牛頓流體

當(dāng)泥漿的黏土含量較少，顆粒細(xì)小并比較分散時(shí)，其比較符合牛頓流型的特點(diǎn)，其流變曲線為一條通過原點(diǎn)的直線。通常用動(dòng)力黏度來描述其性能，在流變學(xué)中，可用流變方程來表示剪切力和剪切速率之間的關(guān)系。

牛頓流體在圓管內(nèi)的流動(dòng)阻力計(jì)算模型為：

式（4）中：η—絕對(duì)黏度，即旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)300轉(zhuǎn)讀數(shù)，mPa·s；Q—泥漿泵流量，m3/s；R—鉆桿內(nèi)半徑，m；l—流經(jīng)距離，m。

3.2.2 賓漢流體

塑性流體可稱為賓漢流體，理想的賓漢塑性流體，一般是一些含較高固相且顆粒均勻的懸浮體，通常用表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力、靜切力等流變參數(shù)來進(jìn)行描述。理想的塑性流體的流變曲線是一條不通過原點(diǎn)的直線，它表示這種流體具有一定的顆粒濃度，在靜止?fàn)顟B(tài)下形成顆粒之間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加外力進(jìn)行剪切時(shí)，要破壞結(jié)構(gòu)后才能開始流動(dòng)。當(dāng)固相顆粒不均勻性較高時(shí)，易形成粘塑性流體，在低剪切速率下其流變曲線往往偏離直線，形成曲線變化，當(dāng)剪切速率增加至層流段時(shí)才變成直線變化。

賓漢流體在圓管內(nèi)流動(dòng)阻力計(jì)算模型為：

式（5）中：ηP—塑性粘度，mPa·s，ηP=R600-R300，R600、R300分別是旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)600轉(zhuǎn)讀數(shù)和300轉(zhuǎn)讀數(shù)；—?jiǎng)忧辛Γ琍a，=0.511（2R300-R600）。

3.2.3 冪律流體

冪律流體的流變曲線為通過坐標(biāo)原點(diǎn)的曲線，用冪律關(guān)系來描述線形高聚物或類似油微粒的可變形物質(zhì)含量較高，并且結(jié)構(gòu)力很低的泥漿。這種流型的切應(yīng)力隨剪切速率的變化不是線性關(guān)系，而是由快到慢呈冪指數(shù)關(guān)系。冪律流體分為假塑流體與膨脹流體兩種，常用流性指數(shù)K或稠度系數(shù)n來表示。當(dāng)n〈1時(shí)為假塑流體；當(dāng)n=1時(shí)為牛頓流體；當(dāng)n〉1時(shí)為膨脹流體。

冪律流體在圓管內(nèi)流動(dòng)阻力計(jì)算模型為：

式（6）中：n—流性指數(shù)，n=3.322 lg（R600/R300）；K—稠度指數(shù)，（Pa·s）n，K=0.511 R600/（511）n。

3.2.4 卡森流體

卡森模式能根據(jù)低剪切速率和中剪切速率的變化，較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)高或極高剪切速率下的黏度變化。一些泥漿化合物成分中既存在著黏土顆粒的空間網(wǎng)架，又有線形高聚物或類似物質(zhì)存在，此時(shí)既存在結(jié)構(gòu)力，又有剪切稀釋作用，用卡森流型來反映其流變關(guān)系比較合適。卡森流型在較大剪切速率范圍內(nèi)把塞流、層流和紊流狀態(tài)用直線連在一起，并引入了屈服值（或卡森動(dòng)切力）來描述泥漿的剪切稀釋性。

卡森流體在圓管內(nèi)流動(dòng)阻力計(jì)算模型為：

式（7）中：η∞—極限高剪黏度，mPa·s，（η∞）0.5=1.195 ［（R600）0.5 ］；—卡森動(dòng)切力，。

4 結(jié)語(yǔ)

防治冒漿的兩項(xiàng)措施：①合理優(yōu)化施工設(shè)計(jì)參數(shù)：避開易冒漿不良地層——裂隙發(fā)育地層、松軟地層、斷裂帶等；若在不良地層穿越，可采用重物堆載、土體加固、套管隔離等方法；優(yōu)化導(dǎo)向孔軌跡參數(shù)；優(yōu)選擴(kuò)孔器類型和鉆進(jìn)速度。②防冒漿泥漿體系優(yōu)選：黏性密閉地層，泥漿須滿足高剪切稀釋性；漏失地層應(yīng)采用堵漏泥漿體系；列舉了不同鉆遇地層的典型防冒漿泥漿配方。

以沙潁河穿越工程2號(hào)管導(dǎo)向孔為例，使用Delft孔底最大泥漿壓力計(jì)算模型和圓管內(nèi)泥漿阻力模型計(jì)算出鉆進(jìn)過程中泥漿泵的最大泵送壓力，并與現(xiàn)場(chǎng)記錄泥漿壓力相比較，繪制出對(duì)比圖，圖中所反映出的記錄泥漿壓力大于允許最大泵送壓力的位置與實(shí)際發(fā)生冒漿位置相符。