關于測量大口徑HDD環空泥漿固結特性新方法的研究

內容摘要：摘要：水平定向鉆進(HorizontalDirectionalDrilling, 簡稱 HDD)是采用安裝于地表的鉆孔設備。對于大直徑管道來說，工程竣工后在鉆孔和管道之間要留下300mm~400mm 的環狀間隙。要對泥漿固結后進行應力應變的分析，前提是要知道環空泥漿的固結時間。而傳統測量環空泥漿的固結時

1 引言

　　水平定向鉆進(Horizontal Directional Drilling, 簡稱HDD)是采用安裝于地表的鉆孔設備，以相對于地面的較小的入射角鉆入地層形成先導孔，然后將先導孔擴徑至所需的直徑大小，然后采用鉆機回拖牽引的方法將管道（線）鋪裝入鉆孔的一項技術。對于大直徑管道來說，工程竣工后在鉆孔和管道之間要留下300mm~400mm 的環狀間隙。該技術起源于石油鉆井工業，經演變之后目前廣泛應用于油氣管 道和市政管道的建設。

　　水平定向鉆進技術（HDD）已經成為油氣管道和市政管道建設中必不可少的關鍵技術。但無論是市政管道還是油氣管道的鋪設，預擴孔直徑都要達到穿越管段直徑的1.2~1.5倍，鉆孔和管道之間的泥漿固結后會形成環狀空隙，對于河堤的穿越，環狀空隙的存在會影響河堤的安全性，為防洪帶來隱患。要對泥漿固結后進行應力應變的分析，前提是要知道環空泥漿的固結時間。而傳統測量環空泥漿的固結時間的方法存在著很多問題與缺陷，這也導致了時間檢測上面誤差較大，從而耽誤了研究泥漿固結后受力分析的最佳時間。泥漿固結強度不夠的話, 可能因變形過大而出現問題。因此 ，弄清泥漿固結時間的變化規律非常必要，而目前國內在判定泥 漿固結時間的方法上仍處于空白階段。

2 試驗原理

2.1 設計原理

　　水是一種極強的電解質。水分子有較大的電偶極矩，在氫原子附近有極大的正電場，因而它有很大的電子親和力，使得水分子易吸附在固體表面并滲透到固體內部。利用水分子這一特性制成的濕度傳感器稱為水分子親和力型傳感器。而把與水分子親和力無關的濕度傳感器稱為非水分子親和力型傳感器。在現代工業上使用的濕度傳感器大多是水分子親和力型傳感器，它們將濕度的變化轉換為阻抗或電容值的變化后輸出。濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當環空間隙中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發生變化，利用這一特性即可測量濕度。傳感器的濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當環境濕度發生改變時，濕敏電容的介電常數發生變化，使其電容量也發生變化，其電容變 化量與相對濕度成正比。

　　當飽和土受壓后，其附加壓力由有效壓力和孔隙水壓力共同分擔，分擔的情況隨時間而變化。最初，由于土中孔隙水不能及時排出，附加壓力幾乎全由孔隙水壓力承擔，產生超靜水壓力水頭�？紫端�在此水頭作用下由孔隙中排出，土骨架受壓縮，附加壓力逐漸轉移到骨架上，有效壓力逐漸加大，而孔隙水壓力逐漸減小，最后附加壓力全部由有效壓力承擔 ，土的壓縮過程就結束。這整個過程，即稱固結。故固結過程也可以理解為孔隙水壓力消散的過程，土固結的快慢取決于土中水排出的速度。

2.2 工作原理

　　此傳感器的濕敏電阻采用氯化鋰電濕敏元件，氯化鋰元件的測量范圍與濕敏層的氯化鋰濃度及其它成分有關。將此傳感器放置于環空間隙，當環空間隙內的水蒸氣密度達到一定程度后，水蒸氣吸附在氯化鋰電濕敏元件的感濕膜上，此時元件的電阻率和電阻值都發生變化，這樣就可以將濕度的變化轉 換為阻抗或電容值的變化后輸出。傳感器的輸出端設在地面上，人們通過轉換后的數值變化就可以知道環空泥漿間隙的濕度，從而得知環空泥漿的固結 時間。

3 試驗方法

3.1 試樣制備

　　將泥漿含水量控制在浮限，即懸浮液態與粘滯液態之間的界限含水量，這里取相應液限含水量的2.0～2.5倍，以避免離析現象的發生。本試驗選用的土料物理性質指標見表1。

表1 土的物理性質

3.2 施加滲壓

　　試樣制備好后，固結儀中沉積物以上的空間充滿水，蓋好蓋板 。打開蓋板上的排水孔，調整壓力傳感器的初讀數，關閉蓋板上的排水（注水）孔，施加水壓力，記錄壓力傳感器讀數，最后打開底板上的滲流出水孔 ，滲壓固結試驗開始。 試驗施加的滲壓為50kPa。

3.3 量測過程

　　固結期間，每間隔一定時間量測相應的試樣變形值。當達到穩定狀態時，測定孔隙水壓力分布和 試樣含水量的分布 。

4 試驗結果

4.1 孔隙水壓力分布

　　試樣制備之前，將孔隙水壓力傳感器與固結儀的底板和側壁連接，底板處傳感器導管端部位于透水石上的濾紙處。側壁處傳感器的位置分別位于距底部2cm 、4cm 、6cm 和8cm 處。施加恒定水壓之后，打開開關之前，底部傳感器的輸出值為所施加的恒定水壓力數值。固結進行過程中，當試樣厚度為8cm 時，通過側壁傳感器測得此時的孔隙水壓力分布。固結完成之后，將底部傳感器導管向上貫穿到試樣中，測得相應位置孔壓值，直到傳感器頂部到 達試樣頂 部為止。

　　穩定狀態時，試驗得到孔隙水壓力沿相對深度 的分布如圖1 所示。

圖1 孔壓沿深度分布曲線

4.2 含水量分布

　　測量孔隙水壓力后，釋放水箱中的壓力，打開固結儀蓋板上的注水排氣孔，迅速移去蓋板，將取 樣管豎直插入土層然后拔出，用推進活塞將圓柱形的薄層土樣從取樣管推出，將土樣按一定厚度切 片，測量土樣中含水量的分布。

　　含水量沿深度分布曲線如圖2 所示。

圖2 含水量沿深度分布曲線

　　由于試樣自始至終均處于飽和狀態，根據孔隙比與含水量的關系，確定出試樣中孔隙比的分布情況，如圖3 所示。

圖3 孔隙比沿深度分布曲線

　　先收集國內外的相關資料，然后進行環空泥漿的相關試驗，通過實驗數據進行分析計算，從而得到環空間隙內濕度的變化曲線，根據變化曲線選取合適的氯化鋰電濕敏元件作為濕敏電阻。然后開始制作濕度傳感器，傳感器制作并調試完畢后，用導桿將其鑲嵌住，送至環空間隙，到達目的地后將導桿取回。由導線連接地下傳感器與地面的監控設 備，從而可以通過傳感器進行對濕度的監控。

4.3 可行性分析

　　該測量方法的優點是：

　�。�1）可以很方便的測出環空間隙的濕度，省時省力，而且大大提高了計算固結時間的準確性，耗 電少，又節約了能源。

　�。�2）傳感器的濕敏電阻采用耐用材料制成，可長期埋設在樣地中，耗電少，分辨率高，適用于長期 監測。

　　該測量方法的缺點是：

　�。�1）盡管測量儀的體積小，但是由于管道離地面距離遠，且傳感器與地面監控裝置需用導線連 接，故不易下放和固定。

　�。�2）在管道回拖的過程中容易對傳感器造成 損傷。

5 結論

　　為確定大口徑HDD環空泥漿固結時間，設計滲壓固結試驗，介紹了該試驗裝置、試驗方法，并對 試驗 結果進行分析，得出以下結論：

　�。�1）HDD是管道穿越施工的一項高新技術，目前在我國大型長輸管道工程建設中發揮了巨大作用，攻克了很多管道工程項目的控制性工程。但國內外研究人員對環狀空間內混合泥漿的變化規律 這一重要領域的研究非常缺乏。

　�。�2）通過滲壓固結試驗，得到孔隙水壓力、孔隙比、含水量沿深度非線性分布的關系曲線，直觀地 描述 了有限應變固結特性。

　�。�3）采用測量儀法判定大口徑HDD環空泥漿固結時間可以很方便的測出環空間隙的濕度，省時省力，而且大大提高了計算固結時間的準確性，耗電少，分辨率高，適用于長期監測。但不易下放和固定，且在管道回拖的過程中容易對傳感器造 成損傷。

　�。�4）如何揭示管道和鉆孔孔壁之間的環空間參數，對評價工程潛在危害和影響性至關重要，而固結時間是研究其固結變化規律的一個很重要的參考量，因此具有重要工程實際意義和科學價值。