水平定向钻作为一种先进的管道敷设技术,被广泛应用于敷设大直径管道的江河穿越工程。由于该技术本身的工艺特点,铺管后在管道和孔壁之间会留下横截面积约为1m2的环状空间。环状空间会被泥浆与钻屑的混合物充填,我们称之为环空泥浆。环空泥浆具有高含水量、高压缩性的特点,其强度比原位土体小得多。环空泥浆的存在可能会引起地表沉降甚至塌陷、穿越砂层时渗透破坏、附近堤坝土体变形等地质问题,给河流堤坝的安全和稳定带来隐患。关于环空泥浆的加固处理,目前未发现类似的案例资料,现有水平定向钻规范中也未查到铺管后环空泥浆处理的条款。鉴于上述两个原因,很有必要对大直径管道穿越工程竣工后,环空泥浆的渗透固结变形特性进行研究,为评价其对河流堤坝的潜在影响奠定理论基础。本文依托国家自然科学基金项目—“HDD管道穿越环空泥浆固结变形特性研究”,采用理论分析、模型试验、数值模拟等方法研究了含粘粒的中粗砂地层中钻屑含量较低的环空泥浆铺管后的固结变性特征及其对周围土体强度的影响；针对目前环空处理资料较少的现状,结合中国工程建设标准化协会项目“《水平定向钻法管道穿越技术规程》”的研究成果,提出将注浆技术引入HDD环空加固处理。首先对环空泥浆的固结机理进行了理论分析,包括不同地层条件下环空泥浆的状态和成分、固结特点、固结荷载和适用的固结理论。环空泥浆为钻屑和泥浆的混合物,钻屑含量受地层条件和施工工艺影响。对于地层稳定、清孔作业彻底的穿越工程,环空泥浆主要为膨润土泥浆,泥浆固结表现为自由水滤失,固结体强度增长缓慢；而发生塌孔的不稳定地层,环空泥浆成分为泥浆和孔壁散落的土体,固结体强度增长快。环空泥浆固结荷载主要来自于地层上覆土压力Ps、静水压力Pw和自身重力Pg。环空泥浆工程性质类似于超软土,具有大变形非线性的固结特征,其固结属于大变形固结问题,应该用大变形固结理论进行计算。其次,在理论分析的基础上,选择地层稳定条件下的环空泥浆进行研究,分析其渗透固结范围和对周围土体的影响。基于相似原理,设计了一套模拟实际工况的模型试验,地层为含粘粒的砂层,环空泥浆为普通膨润土泥浆。模型试验步骤如下：首先,设计加工了一个试验土箱,在土箱中分层装入含粘粒的粗砂形成模拟地层；其次,钻进形成被泥浆充满的环状空间；然后,等待环空泥浆固结；最后取样观察和测定物理力学参数。取样包括定期从取样孔取扰动样和固结时间为七个月时箱体开挖取原状样。肉眼观察、土工实验测试结合SEM微观分析的结果表明,环空泥浆以膨润土泥浆为主,由于泥浆压力的消散和泥皮的存在,环空泥浆的固结主要表现为自由水的滤失,引起环空附近一定范围内的土体含水量增大,在一定程度上降低其抗剪强度、压缩模量；但是泥浆中的膨润土颗粒几乎未渗透进入周围土体,对土体结构影响较弱。为了弥补模型试验中环空泥浆固结荷载微弱而几乎不固结的缺陷,设计了围压作用下环空泥浆固结强度试验,旨在研究固结压力对混合泥浆土固结强度的影响。试验结果表明,固结压力和排水条件对环空泥浆的强度增长有明显的影响。有荷载施加于环空泥浆时,固结速率、泥浆土的强度明显增大。固结排水条件好,固结体的强度增长较快,后期强度大；泥浆无法排水时,泥浆固结速率较低,固结体的强度增长缓慢,长期处于流塑状态。为了进一步分析环空泥浆中膨润土对土体强度影响,设计了含泥浆和不含泥浆的重塑土强度试验。重塑土强度试验表明,在含水量相同的条件下,含有膨润土泥浆的土体强度高于自然状态的土体,也即泥浆中膨润土会提高土体的强度。土样SEM试验结果也表明,泥浆土的密实度相对原状土有所增加,膨润土颗粒填充了土体部分空隙,增大了其密实度和颗粒数目,在一定程度上提高了土体的强度。一系列的试验完成后,利用ABAQUS有限元软件对上箱试验进行数值模拟,得到环空泥浆的渗透固结范围和周围土体的变形,并和试验测试结果进行对比分析。模拟结果显示,水平方向上泥浆的渗透贯通了整个区域,这一点与模型试验结果不符合。上体的变形量以铺管后环空泥浆应力重分布引起的沉降为主,后期次固结引起的土体蠕变值很小。数值模拟计算得到的土体变形量比试验监测得到的要小1-2个数量级。最后,针对目前关于HDD铺管后环空加固处理资料匮乏的现状,结合课题组正在编制的行业标准《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》的相关内容,对HDD铺管后注浆工艺、注浆材料进行了总结,并对需要进行注浆处理的情况给出了建议。
