地铁车站出入口工程顶管法施工泥浆被污水渗入后的性能分析

[目的]顶管法施工容易造成施工区域内老化的污水管破裂,进而导致污水沿土体渗入触变泥浆内,对触变泥浆的性能造成一定的影响。为确保施工安全,需研究污水渗入触变泥浆后的性能指标变化规律。[方法]以济南市轨道交通2号线宝华街站1号出入口工程为例,结合该站出入口因顶管下穿导致污水管破裂的施工工况,研究了污水渗入后触变泥浆的性能指标变化规律,并通过减阻试验分析了污水渗入对触变泥浆减阻效果的影响。[结果及结论]污水渗入后,触变泥浆性能发生了劣化,泥浆的漏斗黏度减小,析水率及失水量大幅增加。污水中无机盐的正电荷与泥浆土颗粒的负电荷相互吸引,导致泥浆Zeta电位从稳定的31.0 mV降至20.0 mV以下。污水渗入导致大粒径土颗粒质量分数明显增加,泥浆发生团聚沉淀现象,这是泥浆析水率大幅增加的原因。污水渗入还导致泥浆的减阻效果降低,摩擦因数及顶管顶推力增加。

水文水井钻探泥浆特征参数在线监测技术

水文水井钻探是开发地下水资源的一项重要技术手段,钻探过程中产生的泥浆排放会对生态环境造成一定程度的破坏。为对泥浆进行有效净化并循环利用,开展了泥浆在线监测方案的研究,首先利用管道黏度计对泥浆密度、表观黏度、塑性黏度、动切力进行实时监测,然后通过预先训练基于泥浆密度、流变性参数和含砂量的神经网络模型,预测经过固相控制之后的泥浆中的含砂量。结果表明:通过管道黏度计监测的泥浆密度、表观黏度、塑性黏度、动切力的平均误差分别为0.2%、1.7%、3.4%、3.7%;通过神经网络模型预测的含砂量的平均误差为15.9%,预测模型不依赖模型训练中使用的泥浆配方,能够适用于相同体系的其他泥浆配方,表明预测模型具有一定的泛化性。该泥浆在线监测系统能够满足绿色勘查的要求,适合水文地质及水井钻探的现场应用。

深海钻探泥浆举升系统双泵协同机制研究

深海钻探泥浆举升系统在无隔水管泥浆循环钻井(RMR)工艺中具有关键作用。为了提升举升系统的安全余量和适应性,本文对多泵串并联机制进行了深入研究,详细描述了泥浆举升泵的串并联结构设计和工作原理,探讨了串联和并联运行时流量与扬程的关系以及泵组串并联工况点的数解法和图解法步骤。进一步地,利用模型泵实测特性曲线,使用图解法获取了双泵串并联工况下的Q-H特性曲线和工况点,并提出了双泵协同控制的建议。

带压环境下泥浆-泡沫组合改良级配不良砂剪切特性研究

盾构穿越富水砂性地层时易出现排渣不畅或喷涌等风险,仅采用泡沫改良往往无法有效改善级配不良渣土的流动性与抗渗性,归因于泡沫易消散和流失,故须引入膨润土泥浆进行组合改良。正确认识土舱压力环境泥浆-泡沫组合改良级配不良砂土的剪切大变形行为有助于优化满足盾构安全掘进的渣土组合改良方案。因此,开展了泥浆-泡沫组合改良级配不良砂土的加压十字板剪切试验,研究结果表明:在土舱压力环境下,组合改良砂土的初始孔隙比和饱和度随泥浆注入比(bentonite injection ratio,简称BIR)增加而增大,有效应力降低,进而导致峰值强度和残余强度降低;然而剪切强度的剪切率相关性和有效内摩擦角对BIR的敏感性较弱;BIR增加还使大变形后改良砂土的屈服应力有所降低。此外,对比常压下流动性相似的3类不同改良砂土带压剪切大变形行为,表明带压环境下提高BIR或泡沫注入比(foam injection ratio,简称FIR)均可提高孔隙比且减小有效应力,但相较于纯泡沫改良砂土,组合改良砂土具有更低的有效应力和剪切强度。该类级配不良砂土的合适组合改良参数为FIR=20%、BIR=10%~15%。最后,细观成像结果揭示了膨润土对改良砂土剪切强度的双重削弱作用:(1)吸附砂土颗粒表面,降低颗粒间摩擦力;(2)延缓泡沫衰变,使得小粒径气泡较均匀分布于孔隙中,进而有效削弱土骨架强度。

铀矿地质钻探移动式泥浆净化设备设计

环保要求和泥浆性能维护在地质勘探中的重要性日渐突显,使得铀矿钻探建设对泥浆清洁处理的标准变得更为严格。基于铀矿钻探工作单孔施工周期较短、机台搬家频次较高以及泥浆处理量较小的特点,研制了一种适用于砂岩型铀矿钻探的移动式泥浆净化设备。该设备采用模块化集成设计,主要由泥浆收集系统、除砂系统、自动化控制系统等组成,整合泥浆收集、净化、排放等多项传统泥浆处理设备设施及工艺,并可实现拖拽行走,在机台短途搬迁时能有效节约人力、物力。现场试验证明,该设备在砂岩型铀矿钻探过程中实现了优良的环保效果和经济效益,达成了一次配浆多孔使用和泥浆零排放的目标,并提高了钻孔质量。

平厢式压滤机在高粘性土地层泥浆干化中的应用分析

平厢式压滤机通过对滤室内泥浆进行正压强压脱水将泥浆压滤成泥饼,从而达到固液分离的目的。近年来,其在灌注桩泥浆处理中得到了广泛应用。由于高粘性土地层施工产生的泥浆土颗粒小、粘度大、易堵塞滤布而造成脱水困难,因此采用平厢式压滤机干化时易出现脱水不彻底、泥饼不成形等问题。文章以绍兴镜湖新区某工地钻孔灌注桩泥浆作为研究对象,通过对进料泵、滤布等参数进行调试,探索了平厢式压滤机在高粘性土地层泥浆干化中的应用。

跨海区域砾砂地层泥水盾构泥浆成膜效果试验研究

为揭示泥水盾构开挖面泥浆成膜规律,以青岛地铁8号线泥水盾构掘进的跨海区间为工程背景,阐述不同级配下泥浆的渗透成膜过程,分析高聚物、处理剂作用下3种泥膜形成机理,并结合特定砾砂地层设计成膜装置,采用控制变量法开展室内试验,选用2种粒径细砂调节泥浆级配,分析不同掺量制浆材料(NSHS-3)作用下的泥浆性质。试验结果表明:与粒径小于0.01 mm的细砂相比,粒径小于0.25 mm的细砂形成的渗透带抓抱效果较好且更适配砾砂地层。地层的颗粒级配相同时,泥浆黏度越高,其稳定性越高,泥膜容易形成且厚度较薄、质密、滤水量低,但添加剂过量会引起部分土颗粒聚沉,未加压时便附着在开挖面,进而堵塞盾构管道运输系统,泥膜稳定性较差且造成资源浪费。B6号泥浆加压过程中滤水清澈,滤失量较小,形成的“泥皮+渗透带”型泥膜强度较高,能保证开挖面稳定且絮凝较少,经济性较好。研究结论为类似地层泥水盾构施工改良提供参考。

基于一种新型触变剂的堵漏水泥浆体系

天然大缝洞、薄弱泥页岩、窄安全密度窗口等复杂地层造成恶性井漏问题突出,堵漏成功率低,已成为制约钻井工程提质增效的重要技术难题之一。基于触变剂作用机理,利用纳米二氧化硅与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)和二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)3种单体进行接枝共聚,开发出了一种有机与无机相结合的新型低黏触变剂XZ-CBL,并配套优选了降失水剂和缓凝剂,形成了触变堵漏水泥浆体系。测试结果表明,触变堵漏水泥浆体系流动性好,初始稠度可低至10Pa·s,静置10min后表现出较强的触变性,停机稠度增值大于20 Pa·s,再次剪切稠度迅速恢复至停机前稠度,具有可泵性好、滞留性强的特性。

泥水盾构施工循环掘进泥浆制备试验研究

为实现盾构废弃泥浆循环利用,将废弃泥浆应用于掘进泥浆制备,依托南京长江新济洲过江供水廊道项目进行室内试验,对比了废弃泥浆和膨润土所制备掘进泥浆的性能差异,分析了废弃泥浆制备掘进泥浆的可行性;研究了废弃泥浆黏粒含量及配比对掘进泥浆性能影响的规律;建立了掘进泥浆性能指标的拟合公式,并基于拟合公式进行了废弃泥浆制备掘进泥浆的配比优化分析。研究结果有效证明了废弃泥浆制备掘进泥浆的可行性,且通过配比优化,确定了依托工程利用废弃泥浆制备掘进泥浆的参考配比:固水比0.22,膨黏比0.28,羧甲基纤维素钠(CMC)掺量0.32%。经配比优化后的掘进泥浆能够满足性能要求,可为工程中利用废弃泥浆循环制备掘进泥浆的配比确定提供参考。

盾构废弃黏土泥浆真空脱水试验与理论研究

针对泥浆池中盾构废弃泥浆在上部真空脱水作用下倒渣及运渣受限等问题,提出了一种废弃泥浆底部真空脱水方法。采用自行研制的废弃泥浆底部真空脱水装置开展了自重、自重+底部真空荷载、自重稳定+底部真空荷载、自重稳定+底部分级真空荷载4组不同脱水荷载工况下废弃黏土泥浆模型试验,分析了废弃黏土泥浆的泥‒水界面沉降量、孔隙水压力以及脱水后含水率和总脱水量等物理量的变化规律。结果表明,先对废弃泥浆进行自重脱水处理,再对其底部分级施加真空作用的脱水方式具有更好的脱水效果。采用该方法对初始含水率为103.00%的废弃黏土泥浆进行脱水处理后,含水率分布范围为37.10%~62.65%,其内部孔隙水压力的最小值可达−73.09 kPa,接近底部真空作用值−80.00 kPa;且该工况相较于其余3种工况,平均沉降量分别提高了106.40%、2.91%、6.15%,总脱水量分别提高了122.0%、8.0%、5.1%。同时,基于分段线性化有限差分(CS2)模型建立了废弃黏土泥浆真空脱水数值计算模型,对废弃黏土泥浆在脱水过程中泥‒水界面沉降量进行数值模拟,验证了数值计算模型的有效性。

盾构废弃粉质黏土泥浆底部真空脱水试验研究

盾构施工中产生的废弃粉质黏土泥浆具有含水率高、强度低、颗粒粒径较小及难以快速固结的特点,脱水处置难度大;如何对其进行有效的脱水固化处理,是减少其在运输或存储过程中污染环境的关键。基于自行研制的废弃泥浆真空脱水装置,开展自重、自重+真空、自重稳定+真空、自重稳定+分级真空等4种不同形式下的室内脱水模型试验研究,分析废弃粉质黏土泥浆在不同的加载方式下泥—水界面沉降、孔隙水压力、脱水量以及脱水后残余泥浆含水率的变化规律,并对不同加载方式下对废弃粉质黏土泥浆的脱水效果进行对比。试验结果表明:4种脱水方式中,先对废弃粉质黏土泥浆进行自重脱水处理、再对其底部分级施加真空作用的加载方式对废弃粉质黏土泥浆的脱水效果最好,可有效降低废弃粉质黏土泥浆的含水率;采用该方法对初始含水率为97.50%的废弃粉质黏土泥浆进行脱水处理后,其含水率分布范围介于28.21%~34.25%,其内部孔隙水压力最小可达-72.92 kPa。同时,基于分段线性化的思想建立了废弃泥浆一维脱水理论分析模型,对废弃粉质黏土泥浆在脱水过程中的泥—水界面沉降进行数值模拟,并将数值模拟与试验结果进行了对比分析;随后通过对不同加载方式下脱水效率进行模拟分析探究了最佳加载方式。该研究可为盾构废弃粉质黏土泥浆快速脱水处理提供理论基础和实践依据。

防漏堵漏低密度水泥浆技术

跃进3-3XC井完钻井深达9432 m,水平钻进距离超过3400 m,刷新了亚洲最深和超深水平大位移井的纪录。该井地质结构复杂,施工难度大,对水泥浆性能要求高,除了高温、高压外,地层承压能力低,极易发生漏失。针对此类问题,通过研发新型功能性材料,构建了C-Lo PSD(1.30 g/cm^(3))、C-Lite STONE(1.60 g/cm^(3))与C-Hi PSD(1.40 g/cm^(3))三套低密度水泥浆体系,涵盖了中低温、高温等应用条件,并在跃进3-3XC井中成功应用,水泥浆性能满足固井需求。与之前用水泥浆体系相比,混浆效率、流变性、悬浮稳定性、水泥石抗压强度等明显提升。其中,C-Lite STONE(T_(BHC)=75℃/T_(TOC)=30℃)与C-Hi PSD(T_(BHC)=145℃/T_(TOC)=105℃)水泥浆体系在温差分别为45℃和40℃下,顶部48 h抗压强度达到8.1 MPa和14.3 MPa。跃进3-3XC井在施工期间多次遭遇漏失,通过使用自研的新型堵漏材料C-B62和C-B66,成功封堵裂缝,保证了固井施工的顺利进行。

滨海黏质盐渍土饱和泥浆与不同土水比土壤浸提液电导率的响应关系分析

为统一和精准判定耐盐作物种植地块的土壤盐渍化程度,并针对饱和泥浆制备时饱和点的不确定性及其电导率测定的不稳定性等问题,本试验采用室内化验与统计分析方法,系统研究饱和泥浆与饱和土壤溶液两者间含水量和电导率的响应关系,以及饱和泥浆电导率、全盐含量与土水比1∶0.5、1∶1、1∶2.5、1∶3.5、1∶5土壤浸提液电导率与全盐含量的响应和换算关系。结果表明:在滨海黏质盐渍土区,利用计算田间土壤孔隙度得到的饱和土壤溶液含水量、电导率不能直接代替饱和泥浆含水量、电导率,尽管二者的响应关系达到极显著水平;饱和泥浆电导率、全盐含量分别与土水比1∶1和1∶0.5土壤浸提液的数值差异最小,且与土水比1∶0.5~1∶5间各处理土壤浸提液的相应指标均呈极显著的响应关系;饱和泥浆电导率与土水比1∶5土壤浸提液的电导率、饱和泥浆全盐含量与土水比1∶1土壤浸提液全盐含量相关性最高,可分别用最佳拟合线性模型进行换算,模型分别为ECe(mS/cm)=5.406EC1∶5-0.284 4,TSe(g/kg)=0.836 4TS1∶1-0.135 9。

电渗热固结处理顶管废弃泥浆的减量化研究

针对顶管废弃泥浆渗透性差、含水率高、承载力低等特点,采用电渗热固结法对其进行减量化研究,并探究不同温度条件下电渗热固结的处理效果。选取EKG电极板作为电极,分析在40℃、60℃、80℃等不同加热温度下,泥浆固化过程中的排水量、排水速率、温度、电流等参数的变化趋势,对比电渗热固结前后泥浆的物理力学特性变化。结果表明:电渗热固结能够有效促进泥浆的排水,提高固结效率,降低含水率,增强固化泥浆的承载力和抗剪强度;在其加热到一定程度时,裂缝进展过快,泥浆导电性减弱,加热效率降低,且加热的温度越高,加热效率越低;电渗热固结对顶管废弃泥浆减量化应用具有一定的有效性与可行性。本文的研究成果可为其实际工程应用提供借鉴与参考。

摆动阀泥浆脉冲器扭杆测试装置设计

摆动阀泥浆脉冲器摆动频率高,载波频率高,调整方式丰富,传输速率快的特点。为了降低电机功率,摆动阀泥浆脉冲器使用扭杆作为弹簧平衡水力转矩,扭杆的疲劳寿命成为脉冲器的关键。为了检测扭杆能否满足长时间井下作业,设计了一套扭杆测试装置。该装置由摆动导杆机构、径向力消除装置、轴向力施加装置、实现扭杆尾端夹紧与止转的尾端夹紧装置、底座固定装置以及电控系统构成,可以同时实现扭杆在拉伸作用下的轴向拉力测试与反复扭转作用下的疲劳性能测试。该测试装置可以实现不同给定频率,两种摆动角度的摆动,提供轴向力满足1000磅的设计要求,该装置的研发成功对于评估扭杆的拉扭性能与疲劳性能具有重要意义。

废水泥浆对陶粒加气混凝土砌块性能的影响研究

在废水泥浆中的水取代全部拌合水的条件下,探究废水泥浆中的粉体以等量取代或系数为0.65~1.05折算取代部分粉煤灰时,对陶粒加气混凝土和易性及陶粒加气混凝土砌块抗压强度、干密度、干燥收缩、导热系数的影响。研究表明,水胶比为0.45,当废水泥浆浓度为0~18%时,按等量取代后,砌块28 d平均抗压强度为5.51~5.54 MPa,干密度为728~730 kg/m~3,干燥收缩值为0.28~0.41 mm/m,导热系数为0.137~0.145 W/(m·K);当废水泥浆浓度为20%时,按系数为0.75~0.95折算取代后,砌块28 d平均抗压强度为5.18~5.43MPa,干密度为732~743 kg/m~3,干燥收缩值为0.35~0.42 mm/m,导热系数为0.146~0.178 W/(m·K),此时,砌块符合JG/T 504—2016对CA5.0B07砌块要求。

基于钻井泥浆优化设计水淹层识别技术研究

南堡凹陷深层岩性复杂、物性、含油性变化大,油气层测井特征非常复杂,识别难度大。注淡水开发加剧了储层水性的复杂程度,电性特征更加复杂,以电阻率-孔隙度为主的常规测井系列水淹层定性识别技术具有较大的局限性。由于自然电位测井正幅度差异能够有效指示储层水性变化,通过控制钻井泥浆矿化度,使自然电位在油层处呈现较小或微幅度正差异,在水淹层处呈现较大幅度正差异来指示储层水性变化,突出水淹层、识别隐蔽油气层。现场应用实践表明,通过合理控制钻井泥浆矿化度,利用自然电位正幅度差异指示储层水性变化,能够对水淹层及隐蔽油气层进行识别,取得了良好应用效果。

深海泥浆举升泵设计与水力特性研究

泥浆举升离心泵作为无隔水管泥浆循环钻井的核心功能单元,作用是驱动储存在吸入模块中的泥浆携带岩屑沿上返管线回流至钻井平台。以往的无隔水管泥浆循环系统以圆盘泵作为举升单元,围绕圆盘泵做了具体的结构设计和理论分析,对于水力性能更好的多级离心泵研究较少。以多级离心泵作为研究对象,介绍其设计的理论依据及具体的参数,采用CFD-DEM耦合计算的方法构建离心泵的计算模型,进行了全尺度流场模拟,对离心泵的叶轮设计、流场和内颗粒分布规律、泥浆携岩运移规律进行了探讨。计算结果验证了离心泵在设计工况下具有较好的颗粒通过性。基于泥浆举升试验台,对离心泵样机进行了水力性能试验,测试结果表明该泵具有较好的工作特性,其水力性能达到设计要求,可以应用于深海无隔水管钻井作业。

铁路桥梁建设泥浆废水处理-机制砂生产组合工艺碳排放核算及综合评估

桥梁建设过程中产生的泥浆废水由于高悬浮物(SS)和高pH值较难处理达标,钻孔桩基产生的钻渣可用来生产砂石骨料,但需要大量的水资源。本研究设计了8种近零排放泥浆废水处理与砂石骨料生产组合工艺,基于生命周期理论,构建组合工艺碳排放核算模型和综合评估方法。案例分析结果表明:化学混凝-pH值调节-棒磨机制砂生产组合工艺生命周期碳排放量最大,为2 974.29 tCO_(2e),机械分离-立轴式冲击破碎机制砂生产组合工艺碳排放量最小,约为1 038.75 tCO_(2e)。应用熵权-优劣解距离法(熵权-TOPSIS法)综合评估8种组合工艺,发现机械分离-pH值调节-棒磨机制砂生产组合工艺与最优工艺贴近度最高。该研究结果支持铁路桥梁建造泥浆废水处理和钻渣综合利用组合工艺设计。

不同品位高庙子膨润土用于钻井泥浆的试验研究

钻井泥浆是膨润土应用占比较大的市场之一,通过试验测试,研究不同品位高庙子膨润土用于钻井泥浆的可行性,以便充分开发和利用高庙子膨润土矿床。研究结果表明:不同位置开采的未经处理的高庙子天然钠基膨润土不符合钻井泥浆的使用性能要求,必须对其进行增效处理;通过添加增效剂羧甲基纤维素(CMC),发现高庙子天然钠基膨润土在添加2%的增效剂后,蒙脱石含量为70%左右的膨润土均达到国家标准规范要求的钻井级膨润土的要求。但应综合考虑天然钠基膨润土的开采成本和增效剂的成本,筛选出既满足技术要求,又能控制成本的样品类型。