定向钻施工技术在湿陷性黄土地区的应用

张与胜

【摘要】湿陷性黄土在我国北部、东北部地区广泛分布。随着大型工程二次施工以及穿越施工的普及定向钻技术在湿陷性黄土上被广泛应用。湿陷性黄土由于具有湿陷性、渗水性等特性在施工过程中需要区别于传统的定向钻技术。本文从湿陷性黄土的特性为视角，结合本人在实际施工过程中的经验以及存在的问题。分别从施工准备体系、多元协调的导向控制、优化泥浆配比方案、完善施工后期的成孔保护等四个角度去讨论其在湿陷性黄土地区的应用，希望为今后的科研与施工提供理论依据。

【关键词】定向钻；湿陷性黄土；存在问题；优化对策

0.引言

湿陷性黄土由于土壤结构以及水分含量等问题造成显著地地质性塌陷。在施工的过程中如果不进行必要的施工处理以及合理的施工方案进行规避，不仅对施工的质量造成一定的影响与危害，而且在工程的质量验收以及使用寿命等方面存在一定的问题与安全隐患。因此，在施工的过程中队湿陷性黄土的识别以及处理成为了施工的关键。我国在针对湿陷性黄土的施工过程中主要采用强夯、化学固定、冲击碾压等方式进行施工，在实际的使用以及定向钻施工过程中还存在一定的缺点与问题。本文基于湿陷性黄土地区的特征以及施工过程中必须注意的施工难点为突破口，结合施工过程中遇到的实际问题分别从导向控制、泥浆配比以及成孔保护等方面讨论施工技术的优化措施，为今后的同类施工以及研究提供理论依据以及实践指导。

1.湿陷性黄土黄土地区特征及其施工难点

所谓湿陷性黄土是指在黄土区域具备湿陷特征的土壤环境，一般用土壤的湿陷系数进行表征。从地质学角度出发湿陷性黄土产生的原因主要有两个方面：一方面来源于湿陷性黄土的土壤组成及其性质，由于沙粒结构以及粒径量级的分布而造成的土壤流动性的加强。另一方面是由于当地的气候环境所操作的土壤总体水压过大而造成的。

1.1湿陷性黄土地区特征

湿陷性黄土地区由于湿陷性黄土的特征而表现出不同的地质特征，主要可以概括为压缩性、湿陷性、抗剪强度以及透水性。按照对定向钻施工的危害程度，本文主要关注湿陷性黄土地区的湿陷性以及透水性等特征。

黄土湿陷性是湿陷性黄土地区的主要特征之一，同时也是造成工程危害的主要原因之一。在工程施工的过程中必须针对这一特性进行事宜的施工方式的选择。所谓的湿陷性是指湿陷性黄土在浸水或者自身重量的作用下而导致的上层土壤向下挤压沉降的特性。在施工过程中将黄土的湿陷性按照动力的来源分为自重湿陷以及非自重湿陷。其主要区别的根据判断土壤湿陷的动力来源于土壤本身的重量还是来源于土壤的附加压力。这种湿陷特征对于施工的影响较大。主要表现为施工过程中的土壤湿陷容易造成定向钻孔的坍塌以及堵塞。在施工后期容易由于这种湿陷而造成孔道内部设备的变形与损坏，严重的影响了施工质量以及使用的寿命。

湿陷性黄土的透水性主要是由于湿陷性土壤孔隙过大而造成的纵向与横向透水率的增加。在实际的工程施工过程中由于钻孔的空洞效应以及减压效应等因素，容易造成孔道的积水，并由于土壤水分内流等缘故带来大量的不可清理泥沙。一方面影响定向钻施工效率，另一方面由于水还原等因素降低孔道内部设备的使用寿命。

1.2湿陷性土壤的施工难点

湿陷性土壤施工的难点主要在于对土壤湿陷性以及透湿性的规避与预防。主要采用的方式包括了土壤的预处理以及排水措施。具体如下：

为保障工程质量以及施工效果，在针对湿陷性土壤的定向转施工过程前需要对施工地点进行预处理，具体的预处理方式可以根据定向钻深度进行灵活的选择，一般对于管道要求3-10m的可以采用强夯方法对定向钻的预设轨道进行加固处理，伺候进行定向钻开挖施工，能够在一定程度上保障了通道的畅通以及施工的质量。对于施工以及后期使用过程中的深水处理可以通过磨浆护孔作业过程中泥浆比例的调控以及防水剂的添加使用达到相应的目的。

2.传统定向钻施工缺点

定向钻具有施工周期短、投入少、精度高以及不损伤主体建筑等特点在穿越施工中被广泛的应用。在湿陷性黄土环境下传统定向钻施工具有一定的缺点，具体如下：

2.1定向钻施工前准备不足

此方面问题主要表现为在定向钻施工之前对湿陷性黄土的判断不足，导致没有进行必要的夯实处理便进行定向钻的工程施工。这种问题在施工过程中容易造成扩孔过程中的坑道沉陷变形，影响施工质量以及后期管线铺设。严重者容易造成穿越孔道的坍塌。此外，在定向钻施工过程中由于需要开挖施工以及压力管道施工的配合，在施工过程中由于前期规划的不到位常常造成施工连接错位等问题，造成一定施工材料与资源的浪费。

2.2定向钻导向错位

湿陷性黄土湿陷常常表现为垂直层面的位移，进而造成定向钻竖直方向的错位，以及定向管道的非计划曲折，对后期扩孔以及管道的铺设造成一定的影响。在垂直方向错位的影响下容易造成穿越通道的垂直弯曲，对后期的扩孔操作造成一定的影响，同时这种垂直方向的位移与穿越距离呈现出一种显著关系。

2.3泥浆配比无法符合施工要求

在泥浆的配比过程中主要考虑的因素为如下三个：一个为泥浆的密度，泥浆密度直接决定了泥浆的附着力以及在定向钻扩孔回拉过程中的回拉力度。一个为泥浆添加剂的使用根据不同地质环境需要在泥浆配比过程中加入不同添加剂来对泥浆整体性能以及适宜性进行有效的提高。在湿陷性黄土土壤上的施工对泥浆的要求较为严格。与前面相同由于对土壤类型与质地的预判等因素常常导致泥浆配比与传统定向钻泥浆配比相同，无法符合特殊地质的施工要求。

2.4后期成孔保护不利

在定向钻施工的过程中主要采用护筒和泥浆进行成孔保护。而在水平定向钻的施工过程中则主要通过泥浆来进行保护。泥浆的灌注不仅仅能通过其填充作用防止钻孔的坍塌，同时还利用其冲刷作用，带出大量的泥沙，保障了定向钻施工的顺畅。在传统的定向钻施工过程中需要注意成孔保护阶段与导向孔施工阶段的泥浆要求具有很大差异。这往往是实际施工过程中所不注意的。

3.施工技术优化措施

3.1建立完善的施工准备体系

建立完善的施工准备体系主要从两个方面入手。一方加强在施工前对土壤性质的判断与调查。在充分调查当地土壤类型的宏观资料的基础之上，对施工路段进行实际的调查，并借助穿越主体的施工条件作为辅助判断依据。另一方面，在确定了土壤类型具有湿陷性的基础之上需要对施工位点进行充分的初期准备。

3.2采用多元协调的导向控制

在施工前对施工部分进行垂直定向孔的施工。同时重点关注垂直方向的湿陷性惟一。同时改变传统2D定位技术仅能够对二维坐标进行定位的确定，采用更为先进的声波或红外线定位系统对定向钻走向进行3维的定向，以便对湿陷性位移更准确的把握。

3.3 优化泥浆配比方案

增加泥浆粘度的方法来维护钻孔的稳定。具体为：回扩孔时泥浆的马氏粘度值必须保证在45~55秒之间，泥浆比重应大于1.03，泥浆注入土中与粘土混合后产生的泥浆比重应大于1.10；具体可以分为三个阶段：首先，钻导向孔阶段要求尽可能将孔内的泥沙携带出孔外，同时维持孔壁的稳定；其基本配方是：7-8%预水化钠基膨润土+0.2-0.4%增粘剂+0.3%降滤失剂。其次，预扩孔阶段要求泥浆具有很好的护壁效果，防止地层坍塌，提高泥浆携带能力；其基本配方为：7-8%预水化钠基膨润土+0.3%-0.5%提粘剂+0.4%降滤失剂。最后，扩孔回拖阶段要求泥浆具有很好的护壁、携砂能力，同时还有很好的润滑能力，减少阻摩力和扭矩；其基本配方如下：7-8%预水化钠基膨润土+0.3-0.5%提粘剂+0.4%降滤失剂+2%-3%的润滑剂。

3.4完善施工后期的成孔保护

对施工后期的成孔保护泥浆配置进行严格的把关与调配实验。以导向孔施工泥浆为蓝本降低固液混合比以及钙质的含量，同时增加润滑作用。使得定向钻扩孔过程能够顺利的进行。[科]

【参考文献】

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