文档介绍：上海交通大学
硕士学位论文
非开挖水平定向钻孔中的泥浆作用机理研究
姓名:晁东辉
申请学位级别:硕士
专业:港口、海岸及近海工程
指导教师:张得煊
20070201
非开挖水平定向钻孔中的泥浆作用机理研究

摘要

随着对城市环保程度的提高,绿色工程大受青睐,又因为非开挖技
术具有不破坏城市路面、不影响正常交通、噪音小等显著特点,所以在
城市地下管线铺设工程中显得越来越重要。然而,现在城市地下管线日
趋复杂,非开挖水平定向钻孔在土体中的施工环境也变得越来越复杂;
在水平定向钻孔的施工中造成的土体变形极易引发工程事故,所以对其
研究是该类工程中势不可少的一环。在水平定向钻孔中,对钻进扩孔过
程中土体应力应变的模拟分析,可以研究附近土体的变形和应力情况,
有利于对地面土体的变形预测与研究,避免地上与地下构筑物的破坏,
从而减小施工难度、加快施工进度、降低工程造价及工程事故,提高工
程质量。此外,土体中水平钻孔中孔壁稳定性也是人们一直关心的重要
问题,严重的孔壁失稳将引发周围环境的破坏,而孔壁稳定性的重要决
定因素是孔内形成的混合泥浆和工程处的地质状况,本论文着重研究孔
内混合泥浆的性质以及其对壁周围土体应力应变场的影响,探讨多级扩
空过程中孔周围土体应力应变以及地表沉降分布和发展规律,为水平钻
孔的施工和设计提供较为可靠的依据。
本文主要通过现场混合泥浆的粘性、失水性和稳定性要素试验,确
I
定了在两个试验段中形成的混合泥浆的流体类型;通过泥浆性能的模型
试验测定了传统泥浆和优化泥浆在不同土质中的表现情况;通过钻进过
程的数值计算进行了使用不同种泥浆和不同的开挖方式情况下造成的地
表沉降和孔壁稳定性的研究。主要结果有以下几点:
1、对混合泥浆中固相颗粒的沉降特性进行了试验研究,发现其沉降
规律符合 Kynch 理论。
2、虽然正电胶对粘土层中的泥浆性能并无明显改善作用,但在粉砂
土层或类似的低粘性土层中进行水平定向钻进时,采用正电胶来改良注
入的钻井液,可以形成良好的正电胶悬浮液,提高孔壁的稳定性。
3、根据静置试验得到的结果,在粘土层中,钻进结束后产生的静置
沉降约为钻进过程中的 1/4,这相当于现场的工后沉降在总的地表沉降中
所占比例,因此,如果能采取一些措施来控制施工完成后的地表沉降,
对于减小地表的总沉降量是十分有效的。
4、本文中所采用的有限元数值方法基本能模拟水平定向钻孔施工的
过程(包括多级扩孔和拖管)。由研究可知,在钻进同样半径的隧道时,
分级越多,造成的地表沉降越小;由旋转开挖产生的剪切力对横断面地
表沉降造成的不对称性是瞬时的;拖管过程中采用润滑性能好的泥浆能
控制地表沉降。

关键词:水平定向钻孔,模型试验,泥浆,数值分析
II
THE RESEACHING OF SLURRY’S EFFECT IN THE HDD
(HORIZONTAL DIRECTORY DRILLING)

ABSTRACT

With the advocating of city environment protect, the green project
es more and more favorite, so the HDD technology takes a more and
more important role in the city’s laying pipeline underground because of its
advantages, which doesn’t destroy the road and affect the normal traffic.
However, with plication of underground pipelines in the city, the
construction environment of the new underground pipelines es more
and plex so that destroyed accidents e frequency because of
the soil deformation. Finite Element Method analyses to the stress and strain
of the soil in the HDD process can be used to study and predict the real
deformation and mechanics of soil, and