摘要：

非開挖水平定向鉆穿越施工中，孔內(nèi)壓力過高會(huì)造成地表隆起冒漿事故，嚴(yán)重污染周圍環(huán)境，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。以福州市塘坂引水工程供水管道水平定向鉆穿越項(xiàng)目為例，考慮工程水敏性軟化造漿地層，基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則構(gòu)建了針對水敏弱膨脹地層的孔內(nèi)最大允許泥漿壓力計(jì)算模型，并通過現(xiàn)場位移監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的正確性；隨后通過現(xiàn)場應(yīng)用校驗(yàn)了非開挖水平定向鉆穿越水敏弱膨脹地層的冒漿防控技術(shù)可靠性。研究結(jié)果表明：所推導(dǎo)的計(jì)算模型比現(xiàn)有其他孔內(nèi)允許泥漿壓力預(yù)測模型更加適用于水敏性軟化造漿地層；水平定向鉆穿越冒漿防控技術(shù)應(yīng)以孔內(nèi)泥漿壓力控制為主，結(jié)合泥漿技術(shù)、工藝優(yōu)化防止憋壓，最后輔以局部薄弱點(diǎn)加強(qiáng)、定向控制冒漿等手段進(jìn)一步加強(qiáng)冒漿預(yù)防措施，保障施工安全。

關(guān)" 鍵" 詞：

非開挖施工； 水平定向鉆； 水敏性地層； 冒漿

中圖法分類號： TU992

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.022

收稿日期：

2024-01-02

；接受日期：

2024-03-10

基金項(xiàng)目：

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42002284）

作者簡介：

鄭" 華，男，高級工程師，主要從事市政給排水管線工程相關(guān)工作。E-mail：zhenghua20230810@126.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 07-0167-07

引用本文：

鄭華.水平定向鉆穿越水敏性地層冒漿預(yù)測及防控

［J］.人民長江，2024，55（7）：167-173.

0" 引 言

管道工程是除公路、鐵路、水運(yùn)和航空運(yùn)輸以外的現(xiàn)代生產(chǎn)第五大運(yùn)輸方式，應(yīng)用范圍涵蓋市政、水利、交通和油氣能源等領(lǐng)域［1］。而水平定向鉆工法施工效率高、環(huán)境友好、不影響交通，可完全避免傳統(tǒng)開挖施工造成的“馬路拉鏈”問題，因而被廣泛應(yīng)用于市政、油氣等地下管網(wǎng)建設(shè)中［2］。目前針對大直徑巖屑顆粒，業(yè)界通常采用提高泥漿泵送壓力的方法來提高環(huán)空泥漿平均流速，以提高孔內(nèi)巖屑排出效率［3-4］。然而，在非開挖水平定向鉆鉆進(jìn)過程中，如果孔內(nèi)泥漿壓力超過周圍土體強(qiáng)度極限，鉆孔就會(huì)發(fā)生壓裂破壞，從而導(dǎo)致孔內(nèi)泥漿通過土體裂縫向上涌出至地表（或者涌進(jìn)江河、湖泊底部），造成地表隆起冒漿事故，嚴(yán)重污染周圍環(huán)境，造成重大經(jīng)濟(jì)損失［5-6］，如圖1所示。因此，如何對水平定向鉆

穿越地層冒漿情況進(jìn)行有效防控具有重要研究意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要以孔擴(kuò)張理論為基礎(chǔ)開展鉆孔周圍土體水力壓裂破壞機(jī)理研究。在非開挖水平定向鉆的孔內(nèi)最大允許泥漿壓力計(jì)算方面，Hergarden等［7］基于孔擴(kuò)張理論，推導(dǎo)出孔內(nèi)Delft公式。后續(xù)一些學(xué)者對Delft公式進(jìn)行了改進(jìn)：如Staheli等［8］對Delft公式中砂層和黏土層的最大塑性區(qū)半徑進(jìn)行修正，并得到了國際管道研究會(huì)和美國陸軍工程兵團(tuán)的廣泛采用；Keulen等［9］分析了土體的破壞情況及判定標(biāo)準(zhǔn)，將Delft公式中的應(yīng)力改用應(yīng)變表示，得到基于環(huán)向應(yīng)變的最大允許鉆孔液壓力公式；Xia等［10］通過理論分析，認(rèn)為Delft公式預(yù)測值偏高，然后假設(shè)鉆孔周圍的塑性區(qū)均勻發(fā)展，并基于孔擴(kuò)張理論針對純黏性土建立了孔壁失穩(wěn)模型；Lan等［11］考慮孔隙水壓力的影響，建立了非開挖水平定向鉆孔周圍土體破壞機(jī)理的判定準(zhǔn)則，但并未進(jìn)行驗(yàn)證。大量國內(nèi)學(xué)者也從地質(zhì)方面和工程方面［12-13］分析了影響鉆孔穩(wěn)定性的主要因素及鉆孔失穩(wěn)機(jī)理，認(rèn)為影響水平定向鉆孔壁穩(wěn)定的主要因素是鉆孔液壓力，并得出最優(yōu)鉆孔液壓力計(jì)算公式。

目前國內(nèi)學(xué)者關(guān)于孔擴(kuò)張理論的研究主要集中在樁基工程中：如龔曉南等［14］假設(shè)材料為各向同性的理想彈塑性，分析了抗拉、抗壓模量不同的材料圓孔擴(kuò)張時(shí)的應(yīng)力、位移以及塑性區(qū)的發(fā)展規(guī)律；章定文等［15］基于圓柱孔擴(kuò)張理論，建立了壓力控制邊界條件的柱孔擴(kuò)張數(shù)值模型；饒平平等［16］基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論，推導(dǎo)了柱孔擴(kuò)張問題彈塑性解析解。也有國內(nèi)學(xué)者基于孔擴(kuò)張理論研究，對非開挖水平定向鉆進(jìn)鉆孔穩(wěn)定性進(jìn)行了一定研究：如孫瑞鋒［17］和劉大金［18］根據(jù)土力學(xué)和彈塑性力學(xué)，分析了孔壁周圍土體的應(yīng)力和位移的分布情況；孫平賀等［19］采用快速拉格朗日的計(jì)算方法，利用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則分析了水平定向鉆施工過程中泥漿壓力對鉆孔周圍土體位移場和應(yīng)力場的影響；王建強(qiáng)等［20］在Biot固結(jié)理論的基礎(chǔ)之上，建立了應(yīng)力場和滲流場耦合數(shù)學(xué)模型；曾聰?shù)龋?1］考慮泥漿滲透侵入對鉆孔周圍土體應(yīng)力場分布的影響，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)室測試的方法推導(dǎo)出水平定向鉆鉆孔塑性半徑公式；劉遠(yuǎn)亮［22］分析得到了不同鉆遇地層的冒漿破壞機(jī)理，建立了鉆桿內(nèi)和鉆孔環(huán)空鉆井液壓力計(jì)算模型以及地層冒漿臨界壓力計(jì)算模型。

但綜合來看，上述研究成果較為基礎(chǔ)，針對性不強(qiáng)，對夾雜大粒徑鈣質(zhì)結(jié)核的水敏微膨脹黏土地層的指導(dǎo)意義有限?；诖?，本文以福州市塘板引水工程供水管道水平定向鉆穿越項(xiàng)目為例，通過理論模型對比分析、數(shù)值模擬計(jì)算分析、項(xiàng)目現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)測相結(jié)合的手段，對水平定向鉆穿越水敏性特殊地層的冒漿機(jī)理及防控措施開展研究。

1" 孔內(nèi)最大允許泥漿壓力理論模型對比分析

表1總結(jié)了目前用于預(yù)測孔內(nèi)最大泥漿壓力的常見模型，主要有Delft公式、Delft修正公式、Xia公式、Lan公式。

Delft公式認(rèn)為最大允許塑性半徑等于鉆孔埋深，雖然Hergarden等根據(jù)土體類型對最大塑性半徑的取值進(jìn)行了劃分［7］，即在黏性土與無黏性土中，最大塑性半徑取值分別為鉆孔埋深的1/2與1/3，但大量的工程案例表明，利用Delft公式計(jì)算的最大允許泥漿壓力值仍偏大，實(shí)際工程中在尚未達(dá)到該值時(shí)便有可能發(fā)生孔壁失穩(wěn)冒漿，因此Delft公式偏于不安全、不保

公式名稱公式形式說明

Delft公式Plim=Pf+ccotφR0Rp，max2+Q-sinφ1+sinφ-ccotφ

當(dāng)塑性區(qū)半徑無限增大時(shí)：

Plim=Pf+ccotφQ-sinφ1+sinφ-ccotφPf=σ′01+sinφ+ccosφ，Q=σ′0sinφ+ccosφG，

Plim為孔內(nèi)極限泥漿壓力；σ′0為初始有效應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角；c為黏聚力；G為不排水剪切模量；R0為鉆孔初始半徑；Rp，max為最大允許塑性半徑

Delft修正公式pmax=［（εt，max2Gσ′0+ccotφ·1+m1-m）1-mn+1·21+m·（σ′0+cot φ）］+cot φεt，max為最大允許塑性應(yīng)變；m=1+sinφ1-sinφ，n=1+sinΨ1-sinΨ，Ψ為剪脹角

Xia公式當(dāng)靜側(cè)土壓力系數(shù)K0≤1時(shí)：

Pi=Cu+123K0-1P0-

CulnR0Rp，max2+Cu+32K0-1P0G

當(dāng)靜側(cè)土壓力系數(shù)K0gt;1時(shí)：

Pi=Cu+123-K0P0-

CulnR0Rp，max2+Cu+321-K0P0G

Pi為孔內(nèi)泥漿的臨界壓力；Cu為不排水抗剪強(qiáng)度；K0為靜側(cè)壓力系數(shù)；P0為初始超載土壓力

Lan公式Pmaxσ′υ=0.304HD10.516φ-9.887+0.078 lnK′0+0.4lnφ-0.483+0.708H為鉆孔埋深；D為鉆孔直徑；φ為摩擦角；K′0為有效靜側(cè)壓力系數(shù)；σ′υ為豎向有效應(yīng)力

守。Delft修正公式將最大允許塑性應(yīng)變而非塑性半徑作為新的孔內(nèi)最大允許泥漿壓力預(yù)測模型的判定標(biāo)準(zhǔn)，但在實(shí)際鉆進(jìn)過程中最大塑性應(yīng)變值難以確定，經(jīng)驗(yàn)取值0.05缺乏依據(jù)。Xia公式未考慮臨近地表土體的強(qiáng)度，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在一定誤差。Lan公式在淺埋（H/D≤50）水平定向鉆穿越工程中應(yīng)用時(shí)，會(huì)存在較大誤差，同時(shí)忽略了泥漿濾失形成泥餅對于孔壁穩(wěn)定性的影響。

2" 水敏弱膨脹地層的孔內(nèi)最大允許泥漿壓力計(jì)算模型

依托工程所穿越黏土地層富含親水性黏土礦物成分，易受泥漿中水分的侵入滲透影響，造成土體軟化，物理力學(xué)性能降低。因此，需要針對水敏弱膨脹地層修正孔內(nèi)最大允許泥漿壓力計(jì)算公式。忽略弱膨脹土其本身的體積膨脹對孔徑縮小的影響，將孔內(nèi)泥漿壓力對周圍土體的作用簡化為柱狀小孔擴(kuò)張的平面應(yīng)變問題，且假定鉆孔周圍土體為均勻各向同性的彈塑性半無限空間體，基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，膨脹軟化前的土體強(qiáng)度服從公式（1）：

f（σij）=（σr+σθ）sinφ1+2C1cosφ1-（σr-σθ）=0（1）

式中：σr、σθ為鉆孔周圍土體的法向應(yīng)力與切向應(yīng)力；φ1為土體初始內(nèi)摩擦角；C1為土體初始黏聚力。

遇水軟化后，土體強(qiáng)度服從公式（2）：

F（σij）=（σr+σθ）sin φ2+2C2cos φ2-（σr-σθ）=0（2）

式中：φ2為土體遇水膨脹開始軟化后的內(nèi)摩擦角；C2為土體遇水膨脹開始軟化后的黏聚力。

假定土體抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系為σt=kσc，且0lt;klt;1，土體的內(nèi)摩擦角不變，即φ2=φ1，考慮黏聚力與軟化半徑大小有關(guān)，?。?/p>

C2=（1-βre-rre-ri）C1（3）

式中：β為土體膨脹軟化參數(shù)；re為塑性半徑；ri為土體由彈性狀態(tài)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)時(shí)的鉆孔半徑。

在彈塑性交界處，黏聚力滿足連續(xù)性條件，即re=r，C=C0。聯(lián)立式（1）～（3）可得：

F（σij）=（σr+σθ）sinφ2+2（1-βre-rre-ri）C1cosφ2-

（σr-σθ）=0（4）

對于彈性材料，平面應(yīng)變問題的柱形小孔擴(kuò)張中土體的平衡方程為

dσrdr+σr-σθr=0（5）

將式（4）代入式（5），可得柱形小孔擴(kuò)張時(shí)軟化區(qū)域（塑性區(qū)域）內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變分量為

σθ=2C2cos φ2［ri+re（β-1）-βr］-σr（re-ri）（sinφ2-1）（re-ri）（1+sinφ2）（6）

σr=mr-2sinφ21+sin φ2+C2cotφ2{ri+re（β-1）+sin φ2［3ri+3re（β-1）-2rβ］}（re-ri）（1+3sin φ2）（7）

式中：m為待定系數(shù)。

鉆孔在泥漿壓力的作用下不斷向外擴(kuò)展，鉆孔半徑擴(kuò)張到一定程度達(dá)到極限時(shí)，r=ri，σr=pi，式（7）可化為

pi=mri-2sinφ21+sinφ2+C2cotφ2{ri+re（β-1）+sinφ2［3ri+3re（β-1）-2riβ］}（re-ri）（1+3sin φ2）（8）

由于σr=pi，可求得m：

m=-r2sin φ21+sin φ2i{C2cos φ2［3ri+3re（β-1）-2rβ］+Ccot φ2［ri+re（β-1）］-Pi（re-ri）（1+3sinφ2）}（re-ri）（1+3sinφ2）（9）

在彈塑性交界處，r=re，σr=σe，彈塑性交界處的壓力為

σe=mr-2sinφ21+sinφ2e+C2cotφ2{ri+re（-1+β）+sinφ2［3ri+3re（-1+β）-2reβ］}2（re-ri）（1+3sinφ2）（10）

故可得到最大允許泥漿壓力計(jì)算公式：

Pi=C2cos φ2Mc+Ccot φ2Me-Ccot φ2MaMb（Me+Mcsin φ2）Md+σeMaMb（11）

式中：Ma=re2sinφ21+sin φ2，

Mb=ri-2sin φ21+sinφ2，

Mc=3ri+re（β-3），

Md=（re-ri）（1+3sin φ2），

Me=ri+re（β-1）。

該公式適用于5≤H/D≤50的水敏弱膨脹地層中水平定向鉆穿越工程。一般根據(jù)勘察報(bào)告或室內(nèi)土工試驗(yàn)，可得到黏聚力、內(nèi)摩擦角、土體重度、泊松比、彈性模量、軟化系數(shù)，再結(jié)合鉆孔設(shè)計(jì)方案（包括埋深、半徑），即可求得水敏弱膨脹地層的孔內(nèi)最大允許泥漿壓力。

3" 數(shù)值模擬驗(yàn)證和現(xiàn)場監(jiān)測

3.1" 有限元模型構(gòu)建

借助采用ABAQUS軟件，根據(jù)依托工程實(shí)際工況，建立二維對稱平面模型，模擬孔徑為24.13 cm；土體分別為重粉質(zhì)壤土層、粉質(zhì)黏土層（圖2），設(shè)置鉆孔距離模型邊界為50倍孔徑，消除模型邊界效應(yīng)的影響。各層土體的物理力學(xué)性質(zhì)見表2～3。分別約束模型左側(cè)邊界的水平位移、底部和右側(cè)邊界的水平和垂直位移。模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，網(wǎng)格采用6節(jié)點(diǎn)三角形單元，鉆孔周圍網(wǎng)格單元加密。鉆孔開挖前，首先進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，令模型中產(chǎn)生垂直和水平有效應(yīng)力，然后開挖鉆孔區(qū)域的單元，并在鉆孔孔壁施加徑向泥漿壓力。該模型將最大塑性區(qū)半徑擴(kuò)展至鉆孔埋深2/3時(shí)的壓力作為施工時(shí)的孔內(nèi)最大允許泥漿壓力進(jìn)行提取分析（圖3）。

3.2" 現(xiàn)場監(jiān)測

（1） 泥漿壓力監(jiān)測。

水平定向鉆穿越現(xiàn)場為調(diào)水工程干渠，為嚴(yán)防渠底冒漿造成水源污染事故，監(jiān)管部門要求施工過程中孔內(nèi)泥漿壓力須控制在0.38～0.52 MPa之間。在鉆進(jìn)過程中，泥漿壓力傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至地表采集設(shè)備，方便對孔內(nèi)泥漿壓力進(jìn)行不間斷監(jiān)測。

（2） 地表位移變形監(jiān)測。

地表位移變形是上覆土體對孔內(nèi)泥漿壓力變化響應(yīng)的表征指標(biāo)：孔內(nèi)泥漿壓力過高可能造成地表土體隆起，孔內(nèi)泥漿壓力過低可能引起鉆孔坍塌進(jìn)而誘發(fā)地表沉降?？紤]到此次穿越調(diào)水干渠的重要性，針對干渠兩岸制定了地表位移監(jiān)測方案（圖4）：在干渠兩岸距鉆孔設(shè)計(jì)軸線50 m外的永久占地線附近原狀土位置各布置一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)位移監(jiān)測點(diǎn)采用鋼釘，布置于干渠兩側(cè)馬道中間，干渠兩岸呈對稱式分別布置14個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)間距為5 m。

3.3" 結(jié)果分析

圖5展示了現(xiàn)有孔內(nèi)允許泥漿壓力預(yù)測模型計(jì)算結(jié)果、數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場施工泥漿監(jiān)測值。通過分析發(fā)現(xiàn)，由于干渠正下方土層與鉆孔軌跡其他部位相比厚度較薄，所以理論計(jì)算模型與數(shù)值模擬結(jié)果曲線整體均出現(xiàn)“M”形特征，即穿越干渠孔段，孔內(nèi)泥漿壓力需要控制在較低水平。從計(jì)算結(jié)果整體來看，Delft計(jì)算公式結(jié)果＞Xia計(jì)算公式結(jié)果＞Lan計(jì)算公式結(jié)果＞Delft修正計(jì)算公式結(jié)果＞數(shù)值模擬結(jié)果＞本文計(jì)算公式結(jié)果，其中Delft修正計(jì)算公式、數(shù)值模擬結(jié)果和本文計(jì)算公式結(jié)果較為接近，這可能是由于數(shù)值模擬和本文模型考慮了水敏性地層遇水軟化的影響。數(shù)值模擬結(jié)果和本文計(jì)算公式結(jié)果大部分處于0.52 MPa以下，僅在干渠兩側(cè)馬道附近略高于0.52 MPa，這可能是由于設(shè)計(jì)時(shí)未考慮該區(qū)域在建設(shè)過程中存在的壓實(shí)過程，而數(shù)值模擬和本文計(jì)算公式未能充分考慮干渠的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)帶來的整體抗壓能力增強(qiáng)的影響。圖6展示了施工期地表位移的監(jiān)測結(jié)果（沉降為正，隆起為負(fù)），可知當(dāng)日地表最大沉降變形發(fā)生于21號監(jiān)測點(diǎn)，最大沉降值為1.7 mm；當(dāng)日地表最大隆起變形發(fā)生于2號、22號監(jiān)測點(diǎn)，最大隆起值為1.2 mm。各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降或隆起變形未超過20 mm，因此，施工過程中孔內(nèi)泥漿壓力控制在監(jiān)管壓力0.38 MPa以下，有效避免了土體過量變形。數(shù)值模擬結(jié)果與本文理論計(jì)算模型結(jié)果擬合程度較好，也較為符合監(jiān)管壓力要求，實(shí)際施工過程中未見明顯地表變形，證明了理論模型的可行性和合理性。綜上，本文建立的水敏弱膨脹地層的孔內(nèi)最大允許泥漿壓力理論計(jì)算模型和數(shù)值模擬模型是適用的。

4" 水敏弱膨脹地層冒漿防控技術(shù)

本文所依托工程的水平定向鉆穿越冒漿防控以壓力控制為主、局部增強(qiáng)為輔，并針對特殊地層設(shè)計(jì)適應(yīng)性泥漿配方、優(yōu)化鉆進(jìn)工藝，最終實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)。

4.1" 水敏性地層適應(yīng)性泥漿配方技術(shù)

鉆井液在鉆進(jìn)過程中，發(fā)揮著動(dòng)力傳遞、攜帶運(yùn)移巖屑、冷卻鉆頭鉆具、維持孔壁穩(wěn)定以及潤滑等作用。

本文所依托工程穿越的地層主要為硬塑-堅(jiān)硬狀粉質(zhì)黏土，具有水敏性弱膨脹潛勢，造漿率較高，同時(shí)含較多鈣質(zhì)結(jié)核，局部較富集，粒徑不均，一般為1～3 cm，個(gè)別為6～8 cm，最大可達(dá)10 cm，含量10%～20%（圖7）。因此，現(xiàn)場所需泥漿應(yīng)具備良好的巖屑攜帶能力及較低的濾失量。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，通過大量泥漿試配實(shí)驗(yàn)，最終確定初始泥漿配方為：膨潤土1%～2%+純堿0.1%+羧甲基纖維素（CMC）0.1%+聚丙烯酰胺（PAM）0.1%。通過現(xiàn)場觀測，泥漿流動(dòng)性較好，黏度合適，攜帶鉆屑能力強(qiáng)（圖8）。

4.2" 淺表地層套管隔離技術(shù)

工程現(xiàn)場采用規(guī)格為φ406 mm的無縫鋼管（圖9，長60 m）對淺表層雜填土和粉質(zhì)黏土進(jìn)行隔離，一方面有效增大返漿通道，確保返漿通暢；另一方面也避免了鉆屑在孔口淤積，造成孔口堵塞。

4.3" 優(yōu)化鉆進(jìn)工藝

考慮到地層特殊性，在鉆進(jìn)工藝方面作如下優(yōu)化：① 在穿越黏土層時(shí)，采用較低鉆速，且每進(jìn)尺一根鉆桿，洗孔一次，這樣不僅可以反復(fù)機(jī)械碾壓充分破碎鈣質(zhì)結(jié)核，同時(shí)也降低了卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)，保證鉆孔通暢；② 嚴(yán)格控制泥漿泵量，在前半段導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時(shí)選用較大泵量，可快速攜帶出鉆屑，防止孔內(nèi)淤堵，在后半段導(dǎo)

向孔鉆進(jìn)時(shí)選用較小泵量，并時(shí)刻注意返漿情況，避免孔內(nèi)憋壓。

4.4" 泄壓孔“造瘺”技術(shù)

鉆導(dǎo)向孔前，在干渠兩側(cè)靠近永久占地圍欄處各設(shè)置1個(gè)泄壓孔，孔徑為100 mm，深度與所在位置的鉆孔軌跡齊平，水平間距不超過5 m。如圖10所示，當(dāng)孔內(nèi)發(fā)生阻塞泥漿壓力升高時(shí)，泥漿可通過擊穿泄壓孔排出至地表，將不可預(yù)知、不可控的冒漿事故轉(zhuǎn)化為可控的定向冒漿處理。

5" 結(jié) 論

本文基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，考慮泥漿滲透侵入造成的土體軟化，推導(dǎo)出了針對水敏弱膨脹地層的孔內(nèi)最大允許泥漿壓力計(jì)算模型，然后與數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以驗(yàn)證理論模型的可靠性、正確性，并對非開挖水平定向鉆穿越水敏弱膨脹地層的冒漿防控技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用校驗(yàn)，得到的主要結(jié)論如下：

（1） 考慮到水敏弱膨脹地層在泥漿中水分作用下會(huì)發(fā)生軟化，造成力學(xué)性能降低，基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，建立了針對水敏弱膨脹地層的孔內(nèi)最大允許泥漿壓力計(jì)算模型，并可根據(jù)勘察報(bào)告（包括土體物性參數(shù)）、鉆孔軌跡設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了參數(shù)求解。

（2） 根據(jù)依托工程的已知參數(shù)，利用該理論模型求解的孔內(nèi)泥漿壓力控制區(qū)間與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，結(jié)合現(xiàn)場地表位移監(jiān)測結(jié)果，可以證明該理論模型和數(shù)值模擬模型的合理性和適用性，更加適用于5≤H/D≤50的水敏弱膨脹地層中水平定向鉆穿越工程。

（3） 水平定向鉆穿越工程中，采用何種冒漿防控技術(shù)應(yīng)充分考慮項(xiàng)目場地的工程地質(zhì)條件，因地制宜。首先以孔內(nèi)最大允許泥漿壓力預(yù)測結(jié)果作為施工控制壓力；然后針對特殊敏感地層，還需要特別調(diào)制專用泥漿配方（膨潤土1%～2%+純堿0.1%+羧甲基纖維素0.1%+聚丙烯酰胺0.1%）；接著通過優(yōu)化鉆進(jìn)工藝，降低孔內(nèi)巖屑堆積，保障泥漿循環(huán)通路，避免鉆孔憋壓；最后針對性地對穿越軌跡上特殊的薄弱點(diǎn)進(jìn)行局部加強(qiáng)（如套管隔離技術(shù)）或定向控制冒漿（如泄壓孔“造瘺”技術(shù)）。結(jié)合上述思路，可針對具體工程定制專屬冒漿防控方案，保障施工安全。

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（編輯：胡旭東）

Prediction and prevention of mud-bursting during horizontal directional drilling through water-sensitive strata

ZHENG Hua

（Fuzhou Water Engineering Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou 350025，China）

Abstract：

In the construction of non-excavation horizontal directional drilling，the high pressure in the hole can cause surface uplift and slurry accident，seriously polluting the surrounding environment，and causing major economic losses.Taking the horizontal directional drilling crossing project of water supply pipeline in Tangban Water Diversion Project in Fuzhou City as an example，considering that the project is located in water-sensitive softening slurry formation，a targeted calculation model of maximum allowable mud pressure in the hole was constructed based on Mohr-Coulomb criterion，and the correctness of the model was verified by field displacement monitoring data.Then，the reliability of slurry prevention and control technology for non-excavation horizontal directional drilling through water-sensitive weak expansive strata was verified by field application.The results showed that the constructed calculation model in this paper was more suitable for water-sensitive softening slurry formation than other existing prediction models.The mud-bursting prevention should focus on the control of mud pressure in the hole，while combining with mud preparing technology and process optimization to prevent pressure suppressing，and finally supplemented by local weak points strengthening，directional control on slurry and other means，so as to ensure construction safety.

Key words：

non-excavation construction； horizontal directional drilling； water-sensitive formation； mud-bursting