砂砾石地层非开挖水平定向钻进关键技术

• 梁小强

  男，工学博士，副教授，硕士研究生导师。主要从事城市地下空间工程领域教学与科研工作。湖南省岩石力学与工程学会理事、Bulletin ofEngineeringGeologyandtheEnvironment审稿专家、入选湖南城市学院“351”人才工程。主持及参与国家自然科学基金、省部级项目5项；主持企业横向课题等项目10余项；发表论文20余篇，其中被SCI、EI、CSCD 收录10余篇；参编教材1部；荣获省部级科技奖励3项、省级行业协会奖励1项；获发明专利5项、实用新型专利与软件著作权10项。主要研究领域包括：非开挖水平定向钻进管道铺设技术、城市地下管线探测技术、城市管道非开挖修复技术和顶管技术。

• 刘杰

  男，教授级高级工程师，本科学历。主要从事市政道路工程设计及相关研究、山地城市交通安全研究、智慧交通研究及应用。

• 万海涛

  男，高级工程师，本科学历。主要从事水利水电工程勘察和基础处理及相关研究。发表学术论文多篇。

• 张云毅

  男，工学博士，讲师。从事工程地质/岩土工程、环境工程地质、地下注浆技术的基础理论、设计和施工技术研究和教学工作，主持和参与横向科研项目多项。发表学术论文多篇。

水平定向钻进技术是非开挖行业中一种常见管道敷设方法，被广泛应用于公路、桥梁、湖泊、河流等穿越工程中。该技术在施工中如遇到砂砾石等松散破碎地层易造成孔壁失稳、地表变形、钻井液溢流等工程难题，导致钻进效率低、环境影响大、施工难度高等问题。

本书选取典型的砂砾石地层作为研究对象，从砂砾石地层属性特征、施 工工艺特点等展开系统理论研究。对非开挖水平定向钻进施工中的钻井液配 方体系展开试验研究，建立了基于孔壁稳定、适用于砂砾石地层的固相钻井 液体系，并采用数学计算的分析方法对环空钻井液流动及压力分布特征展开 研究，构建了流动压力分布计算模型，获取了钻井液配方体系中的各项钻井 液参数，可作为实际工程的技术参考。针对甲酰胺化学灌浆材料展开了一系 列室内试验研究，获取了不同试验条件下注浆材料的性能参数，该注浆体系 可用于非开挖水平定向钻进施工中的地层加固，对砂砾石地层起到支撑作用。本书结合机械及流体理论对注浆的机具展开了研究，设计了施工中的注浆机 具并展开了现场应用。针对施工及工后的地表变形、钻井液溢浆等问题，结 合已有研究成果，采用数值模拟计算方法对影响地表变形的各项因素展开分 析，获取了各影响因素的权重系数，为优化设计非开挖水平定向钻进参数提 供了理论依据。

本书可供地下工程、市政管道工程的设计、施工人员及高等院校有关专业师生参考。

非开挖水平定向钻进施工钻遇松散破碎地层时，特别是砂砾石地层，易形成孔壁失稳、地表变形、钻井液溢流等工程难题，导致钻进效率低、环境影响大、施工难度高等问题。本书以砂砾石地层为研究对象，通过对砂砾石地层特点、物理力学性质、施工难点等深入分析研究，并结合非开挖水平定向钻进工艺特征，提出了以泥浆护壁及化学注浆加固为手段的处理措施，经过现场试验取得了较好的试验效果。同时，本书也对钻井液配方体系性质、环空流动特性、地表变形溢浆等展开了系统地分析研究。

本书共分为八章。第1章为绪论，主要介绍本书的研究背景、研究内容 和水平定向钻进技术的研究现状；第2章为砂砾石地层特征及非开挖导向钻 进问题；第3章为砂砾石地层非开挖钻井液技术研究；第4章为水平定向钻 进泥浆流动阻力计算新模型；第5章为砂砾石地层地表变形及溢浆控制研究；第6章为注浆预加固材料及装置实验研究；第7章为现场试验，以上海、郑 州三个非开挖水平定向钻进工程为案例，结合层次分析结果，获取了不同影 响因素的权重；第8章为结论及展望。

本书作者为梁小强、刘杰、万海涛、张云毅。湖南城市学院梁小强承担了全书的主要框架制定、统筹及部分章节的撰写工作；中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司刘杰、湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司万海涛、湖南城市学院张云毅负责了排版及部分章节的撰写工作；湖南城市学院张云毅负责了全书的校对及审核工作。其中第1-2、8章由梁小强撰写；第3-4章由刘杰撰写，第5、7章由万海涛撰写，第6章由张云毅撰写。

本书获得了湖南省自然科学基金项目“洞庭湖区高渗透地层水平定向钻孔壁失稳机理及控制研究（2021JJ50147）”、湖南省教育厅科学研究项目“砂卵石地层水平定向钻孔壁失稳机理及控制研究（19C0358）”、益阳市科技创新计划项目“环洞庭湖城市地下管道病害检测及决策系统构建（2020YR02）”的资助。本书的编写得到了中南大学、湖南城市学院、中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司、湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司、中交一公局集团水利工程有限公司和城市地下基础设施结构安全与防灾湖南省工程研究中心等高校、企业和科研机构相关课题组的大力支持与帮助，在此一并表示感谢！

本书是对砂砾石地层非开挖水平定向钻进关键技术的探索与尝试。由于时间和精力有限，书中不妥之处恳请读者批评指正！