水平定向鉆穿越水敏性地層冒漿預測及防控

摘要：

非開挖水平定向鉆穿越施工中，孔內壓力過高會造成地表隆起冒漿事故，嚴重污染周圍環境，造成重大經濟損失。以福州市塘坂引水工程供水管道水平定向鉆穿越項目為例，考慮工程水敏性軟化造漿地層，基于Mohr-Coulomb準則構建了針對水敏弱膨脹地層的孔內最大允許泥漿壓力計算模型，并通過現場位移監測數據驗證了模型的正確性；隨后通過現場應用校驗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可靠性。研究結果表明：所推導的計算模型比現有其他孔內允許泥漿壓力預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應以孔內泥漿壓力控制為主，結合泥漿技術、工藝優化防止憋壓，最后輔以局部薄弱點加強、定向控制冒漿等手段進一步加強冒漿預防措施，保障施工安全。

關" 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

文獻標志碼： 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

基金項目：

國家自然科學基金項目（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、水運和航空運輸以外的現代生產第五大運輸方式，應用范圍涵蓋市政、水利、交通和油氣能源等領域［1］。而水平定向鉆工法施工效率高、環境友好、不影響交通，可完全避免傳統開挖施工造成的“馬路拉鏈”問題，因而被廣泛應用于市政、油氣等地下管網建設中［2］。目前針對大直徑巖屑顆粒，業界通常采用提高泥漿泵送壓力的方法來提高環空泥漿平均流速，以提高孔內巖屑排出效率［3-4］。然而，在非開挖水平定向鉆鉆進過程中，如果孔內泥漿壓力超過周圍土體強度極限，鉆孔就會發生壓裂破壞，從而導致孔內泥漿通過土體裂縫向上涌出至地表（或者涌進江河、湖泊底部），造成地表隆起冒漿事故，嚴重污染周圍環境，造成重大經濟損失［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行有效防控具有重要研究意義。

目前，國內外學者主要以孔擴張理論為基礎開展鉆孔周圍土體水力壓裂破壞機理研究。在非開挖水平定向鉆的孔內最大允許泥漿壓力計算方面，Hergarden等［7］基于孔擴張理論，推導出孔內Delft公式。后續一些學者對Delft公式進行了改進：如Staheli等［8］對Delft公式中砂層和黏土層的最大塑性區半徑進行修正，并得到了國際管道研究會和美國陸軍工程兵團的廣泛采用；Keulen等［9］分析了土體的破壞情況及判定標準，將Delft公式中的應力改用應變表示，得到基于環向應變的最大允許鉆孔液壓力公式；Xia等［10］通過理論分析，認為Delft公式預測值偏高，然后假設鉆孔周圍的塑性區均勻發展，并基于孔擴張理論針對純黏性土建立了孔壁失穩模型；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理的判定準則，但并未進行驗證。大量國內學者也從地質方面和工程方面［12-13］分析了影響鉆孔穩定性的主要因素及鉆孔失穩機理，認為影響水平定向鉆孔壁穩定的主要因素是鉆孔液壓力，并得出最優鉆孔液壓力計算公式。

目前國內學者關于孔擴張理論的研究主要集中在樁基工程中：如龔曉南等［14］假設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張時的應力、位移以及塑性區的發展規律；章定文等［15］基于圓柱孔擴張理論，建立了壓力控制邊界條件的柱孔擴張數值模型；饒平平等［16］基于統一強度理論，推導了柱孔擴張問題彈塑性解析解。也有國內學者基于孔擴張理論研究，對非開挖水平定向鉆進鉆孔穩定性進行了一定研究：如孫瑞鋒［17］和劉大金［18］根據土力學和彈塑性力學，分析了孔壁周圍土體的應力和位移的分布情況；孫平賀等［19］采用快速拉格朗日的計算方法，利用Mohr-Coulomb準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力場的影響；王建強等［20］在Biot固結理論的基礎之上，建立了應力場和滲流場耦合數學模型；曾聰等［21］考慮泥漿滲透侵入對鉆孔周圍土體應力場分布的影響，通過理論分析和實驗室測試的方法推導出水平定向鉆鉆孔塑性半徑公式；劉遠亮［22］分析得到了不同鉆遇地層的冒漿破壞機理，建立了鉆桿內和鉆孔環空鉆井液壓力計算模型以及地層冒漿臨界壓力計算模型。

但綜合來看，上述研究成果較為基礎，針對性不強，對夾雜大粒徑鈣質結核的水敏微膨脹黏土地層的指導意義有限。基于此，本文以福州市塘板引水工程供水管道水平定向鉆穿越項目為例，通過理論模型對比分析、數值模擬計算分析、項目現場數據實測相結合的手段，對水平定向鉆穿越水敏性特殊地層的冒漿機理及防控措施開展研究。

1" 孔內最大允許泥漿壓力理論模型對比分析

表1總結了目前用于預測孔內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公式認為最大允許塑性半徑等于鉆孔埋深，雖然Hergarden等根據土體類型對最大塑性半徑的取值進行了劃分［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公式計算的最大允許泥漿壓力值仍偏大，實際工程中在尚未達到該值時便有可能發生孔壁失穩冒漿，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

當塑性區半徑無限增大時：

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

Plim為孔內極限泥漿壓力；σ′0為初始有效應力；φ為內摩擦角；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為最大允許塑性應變；m=1+sinφ1-sinφ，n=1+sinΨ1-sinΨ，Ψ為剪脹角

Xia公式當靜側土壓力系數K0≤1時：

Pi=Cu+123K0-1P0-

CulnR0Rp，max2+Cu+32K0-1P0G

當靜側土壓力系數K0gt;1時：

Pi=Cu+123-K0P0-

CulnR0Rp，max2+Cu+321-K0P0G

Pi為孔內泥漿的臨界壓力；Cu為不排水抗剪強度；K0為靜側壓力系數；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為有效靜側壓力系數；σ′υ為豎向有效應力

守。Delft修正公式將最大允許塑性應變而非塑性半徑作為新的孔內最大允許泥漿壓力預測模型的判定標準，但在實際鉆進過程中最大塑性應變值難以確定，經驗取值0.05缺乏依據。Xia公式未考慮臨近地表土體的強度，導致計算結果存在一定誤差。Lan公式在淺埋（H/D≤50）水平定向鉆穿越工程中應用時，會存在較大誤差，同時忽略了泥漿濾失形成泥餅對于孔壁穩定性的影響。

2" 水敏弱膨脹地層的孔內最大允許泥漿壓力計算模型

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，物理力學性能降低。因此，需要針對水敏弱膨脹地層修正孔內最大允許泥漿壓力計算公式。忽略弱膨脹土其本身的體積膨脹對孔徑縮小的影響，將孔內泥漿壓力對周圍土體的作用簡化為柱狀小孔擴張的平面應變問題，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準則，膨脹軟化前的土體強度服從公式（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力與切向應力；φ1為土體初始內摩擦角；C1為土體初始黏聚力。

遇水軟化后，土體強度服從公式（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。

假定土體抗壓強度之間的關系為σt=kσc，且0lt;klt;1，土體的內摩擦角不變，即φ2=φ1，考慮黏聚力與軟化半徑大小有關，取：

C2=（1-βre-rre-ri）C1（3）

式中：β為土體膨脹軟化參數；re為塑性半徑；ri為土體由彈性狀態變為塑性狀態時的鉆孔半徑。

在彈塑性交界處，黏聚力滿足連續性條件，即re=r，C=C0。聯立式（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，平面應變問題的柱形小孔擴張中土體的平衡方程為

dσrdr+σr-σθr=0（5）

將式（4）代入式（5），可得柱形小孔擴張時軟化區域（塑性區域）內的應力應變分量為

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。

鉆孔在泥漿壓力的作用下不斷向外擴展，鉆孔半徑擴張到一定程度達到極限時，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。一般根據勘察報告或室內土工試驗，可得到黏聚力、內摩擦角、土體重度、泊松比、彈性模量、軟化系數，再結合鉆孔設計方案（包括埋深、半徑），即可求得水敏弱膨脹地層的孔內最大允許泥漿壓力。

3" 數值模擬驗證和現場監測

3.1" 有限元模型構建

借助采用ABAQUS軟件，根據依托工程實際工況，建立二維對稱平面模型，模擬孔徑為24.13 cm；土體分別為重粉質壤土層、粉質黏土層（圖2），設置鉆孔距離模型邊界為50倍孔徑，消除模型邊界效應的影響。各層土體的物理力學性質見表2～3。分別約束模型左側邊界的水平位移、底部和右側邊界的水平和垂直位移。模型采用Mohr-Coulomb本構模型，網格采用6節點三角形單元，鉆孔周圍網格單元加密。鉆孔開挖前，首先進行初始地應力平衡，令模型中產生垂直和水平有效應力，然后開挖鉆孔區域的單元，并在鉆孔孔壁施加徑向泥漿壓力。該模型將最大塑性區半徑擴展至鉆孔埋深2/3時的壓力作為施工時的孔內最大允許泥漿壓力進行提取分析（圖3）。

3.2" 現場監測

（1） 泥漿壓力監測。

水平定向鉆穿越現場為調水工程干渠，為嚴防渠底冒漿造成水源污染事故，監管部門要求施工過程中孔內泥漿壓力須控制在0.38～0.52 MPa之間。在鉆進過程中，泥漿壓力傳感器數據實時傳輸至地表采集設備，方便對孔內泥漿壓力進行不間斷監測。

（2） 地表位移變形監測。

地表位移變形是上覆土體對孔內泥漿壓力變化響應的表征指標：孔內泥漿壓力過高可能造成地表土體隆起，孔內泥漿壓力過低可能引起鉆孔坍塌進而誘發地表沉降。考慮到此次穿越調水干渠的重要性，針對干渠兩岸制定了地表位移監測方案（圖4）：在干渠兩岸距鉆孔設計軸線50 m外的永久占地線附近原狀土位置各布置一個基準點，同時位移監測點采用鋼釘，布置于干渠兩側馬道中間，干渠兩岸呈對稱式分別布置14個監測點，監測點間距為5 m。

3.3" 結果分析

圖5展示了現有孔內允許泥漿壓力預測模型計算結果、數值模擬結果和現場施工泥漿監測值。通過分析發現，由于干渠正下方土層與鉆孔軌跡其他部位相比厚度較薄，所以理論計算模型與數值模擬結果曲線整體均出現“M”形特征，即穿越干渠孔段，孔內泥漿壓力需要控制在較低水平。從計算結果整體來看，Delft計算公式結果＞Xia計算公式結果＞Lan計算公式結果＞Delft修正計算公式結果＞數值模擬結果＞本文計算公式結果，其中Delft修正計算公式、數值模擬結果和本文計算公式結果較為接近，這可能是由于數值模擬和本文模型考慮了水敏性地層遇水軟化的影響。數值模擬結果和本文計算公式結果大部分處于0.52 MPa以下，僅在干渠兩側馬道附近略高于0.52 MPa，這可能是由于設計時未考慮該區域在建設過程中存在的壓實過程，而數值模擬和本文計算公式未能充分考慮干渠的鋼筋混凝土結構帶來的整體抗壓能力增強的影響。圖6展示了施工期地表位移的監測結果（沉降為正，隆起為負），可知當日地表最大沉降變形發生于21號監測點，最大沉降值為1.7 mm；當日地表最大隆起變形發生于2號、22號監測點，最大隆起值為1.2 mm。各監測點累計沉降或隆起變形未超過20 mm，因此，施工過程中孔內泥漿壓力控制在監管壓力0.38 MPa以下，有效避免了土體過量變形。數值模擬結果與本文理論計算模型結果擬合程度較好，也較為符合監管壓力要求，實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最大允許泥漿壓力理論計算模型和數值模擬模型是適用的。

4" 水敏弱膨脹地層冒漿防控技術

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、局部增強為輔，并針對特殊地層設計適應性泥漿配方、優化鉆進工藝，最終實現安全鉆進。

4.1" 水敏性地層適應性泥漿配方技術

鉆井液在鉆進過程中，發揮著動力傳遞、攜帶運移巖屑、冷卻鉆頭鉆具、維持孔壁穩定以及潤滑等作用。

本文所依托工程穿越的地層主要為硬塑-堅硬狀粉質黏土，具有水敏性弱膨脹潛勢，造漿率較高，同時含較多鈣質結核，局部較富集，粒徑不均，一般為1～3 cm，個別為6～8 cm，最大可達10 cm，含量10%～20%（圖7）。因此，現場所需泥漿應具備良好的巖屑攜帶能力及較低的濾失量。根據現場工程地質條件，通過大量泥漿試配實驗，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%。通過現場觀測，泥漿流動性較好，黏度合適，攜帶鉆屑能力強（圖8）。

4.2" 淺表地層套管隔離技術

工程現場采用規格為φ406 mm的無縫鋼管（圖9，長60 m）對淺表層雜填土和粉質黏土進行隔離，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" 優化鉆進工藝

考慮到地層特殊性，在鉆進工藝方面作如下優化：① 在穿越黏土層時，采用較低鉆速，且每進尺一根鉆桿，洗孔一次，這樣不僅可以反復機械碾壓充分破碎鈣質結核，同時也降低了卡鉆的風險，保證鉆孔通暢；② 嚴格控制泥漿泵量，在前半段導向孔鉆進時選用較大泵量，可快速攜帶出鉆屑，防止孔內淤堵，在后半段導

向孔鉆進時選用較小泵量，并時刻注意返漿情況，避免孔內憋壓。

4.4" 泄壓孔“造瘺”技術

鉆導向孔前，在干渠兩側靠近永久占地圍欄處各設置1個泄壓孔，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，當孔內發生阻塞泥漿壓力升高時，泥漿可通過擊穿泄壓孔排出至地表，將不可預知、不可控的冒漿事故轉化為可控的定向冒漿處理。

5" 結 論

本文基于Mohr-Coulomb準則，考慮泥漿滲透侵入造成的土體軟化，推導出了針對水敏弱膨脹地層的孔內最大允許泥漿壓力計算模型，然后與數值模擬結果和現場監測數據進行對比，以驗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進行現場應用校驗，得到的主要結論如下：

（1） 考慮到水敏弱膨脹地層在泥漿中水分作用下會發生軟化，造成力學性能降低，基于Mohr-Coulomb準則，建立了針對水敏弱膨脹地層的孔內最大允許泥漿壓力計算模型，并可根據勘察報告（包括土體物性參數）、鉆孔軌跡設計方案進行了參數求解。

（2） 根據依托工程的已知參數，利用該理論模型求解的孔內泥漿壓力控制區間與數值模擬結果基本吻合，結合現場地表位移監測結果，可以證明該理論模型和數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應充分考慮項目場地的工程地質條件，因地制宜。首先以孔內最大允許泥漿壓力預測結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%）；接著通過優化鉆進工藝，降低孔內巖屑堆積，保障泥漿循環通路，避免鉆孔憋壓；最后針對性地對穿越軌跡上特殊的薄弱點進行局部加強（如套管隔離技術）或定向控制冒漿（如泄壓孔“造瘺”技術）。結合上述思路，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.，Fuzhou 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