化学聚合物泥浆.doc

化学聚合物泥浆在复杂地质条件下旋挖成孔施工中的应用研究摘 要： 介绍旋挖钻在较厚的粉砂层和细砂层钻孔桩施工中化学聚合物泥浆护壁成孔技术关键词： 粉砂层 细砂层 成孔 粘土泥浆 膨润土泥浆 化学泥浆 护壁近年来，随着国家重点工程对桩基质量、成孔速度、环保等要求的不断提高，以及在高速铁路建设的带动下，旋挖钻市场占有率迅速扩大。旋挖钻机在覆盖层施工具有成孔质量好、速度快，无噪音、无污染或小污染等优势。但是由于旋挖成孔施工无循环造浆功能，只能采用静态泥浆稳定液护壁，靠不停的向孔内进行补浆来保证孔内外水压的平衡和护壁效果，所以泥浆的选用及性能指标在成孔过程中显得尤为重要。 目前我国传统上仍采用膨润土矿物泥浆护壁，但是在某些复杂地质条件下，膨润土泥浆存在一定的局限性。随着市场的发展，国外化学聚合物泥浆技术逐渐地引入国内，并取得良好效果。本文通过武汉轻轨工程的实例来阐述化学聚合物泥浆在复杂地质条件下旋挖成孔施工中的应用。1 工程概况武汉市轨道交通一号线二期工程第七标段线路从黄浦路高架至二七路，线路长度2.018km。其间设高架车站2座，为头道街站、二七路站。区间桥梁及车站基础均采用钻孔桩。1.1 地质条件本标段地貌上属长江北岸级阶地，地质情况如下：上部填土，粉质粘土粉土互层，粘土及粉砂、粉土、粉质粘土互层粉砂夹粉质粘土承载力低，中部粉细砂承载力一般，中下部细砂层承载力相对较高，地下水丰富，底部基岩强度较高，强风化层厚度较小。地层性质及分布情况见表1。1.2 水文条件武汉地区长江最高洪水位为29.73m（吴淞高程），最低枯水位8.87m，水位升降幅度20.86m，长江、汉江与其两岸地下承压水有较密切的水力联系。级阶地区内水量较丰富，孔隙承压水头变化幅度在3-5m之间，承压水头标高变化幅度在15-20m之间。1.3 地质条件特点桩基施工的地质条件复杂，地表以下为最深达8m的粉质粘土与粉土互层，为软塑状态，用手摇有水析出，易造成塌孔。地表以下约18m44m为粉细沙和细沙层，中间夹薄层的粉质粘土，共26m范围内极易造成塌孔。1.4 成孔方法选择区间桥梁桩基采用摩擦桩。因施工场地处于武汉市解放大道上，交通繁忙，考虑到工程进度比较紧张和环保要求高等因素，通过对现场地质情况的分析，采用国内目前应用广泛的250型旋挖钻机。2 泥浆选择过程2.1 泥浆的重要性规范要求泥浆的比重控制在1.151.20 g/cm3之间（用比重计测，清孔后在距孔底50cm处取样），泥浆的粘度1822Pas，泥浆的含砂率应不大于4%。钻孔泥浆质量差将造成以下后果：（1）无法形成护壁泥膜或形成泥皮粘附力差，易于脱落，导致孔壁稳定性差，易塌孔和缩颈。（2）泥浆的稠度大，比重大，含砂率高，形成的泥皮质量差，厚度大，降低桩的侧摩阻力。（3）稠浆在钢筋笼上沉积粘附，导致钢筋与混凝土的握裹力降低，泥浆比重过大，使得混凝土水下灌注的阻力增大，降低混凝土流动半径，使混凝土骨料大部分堆积在桩芯部位，而钢筋笼外几乎无骨料，不仅桩身质量不好，桩的侧摩阻力也难以发挥。 地 层 性 质 及 分 布 情 况 表1地层编号及名称层 厚（m）层顶埋深（m）地 层 性 状（1-1）杂填土1.04.3地 表杂色，主要由混凝土地坪、碎石、片石、砖块、煤等建筑生活垃圾混粘土填成。2粉质粘土与粉土互层1.87.80.95.6为新近沉积土，褐黄-灰褐-灰色，很湿-饱和，粉质粘土呈软塑状态，粉土呈稍密状态，手摇之有水析出，局部夹薄层粉砂。（3）粘土2.86.72.311.4褐色-黄褐-褐黄色，湿，可塑，局部偏硬塑，切面光滑，任性中等，干强度中等。（4-2）粉土、粉质粘土、粉砂互层1.67.37.617.6灰-褐灰色，具薄层理，呈互层状，各单层厚一般为15-60cm。粉土呈稍-中密状态，粉质粘土呈软-可塑状态，粉砂呈松散状态。（5）粉砂夹粉质粘土3.49.77.620.3褐黄-灰褐-青灰色，以粉砂为主，夹粉质粘土薄层，粉砂呈饱和、松散-稍密状态，粉质粘土呈软-可塑状态。（6-1）粉细砂10.521.413.537.0青灰色，饱和，稍中密，夹软-可塑状态粉质粘土及少量粉土。主要由长石、云母和石英等矿物组成。（6-2）细砂2.112.530.744.8青灰色，饱和，中密-密实，夹软-可塑状态粉质粘土及少量粉土。底部含少量砾石。（7）中粗砂夹砾卵石0.61.741.545.7灰-灰黄色，饱和，中密-密实，夹软-可塑状态粉质粘土及少量粉土，底部含少量砾石。（11-1）强风化泥质粉砂岩1.16.543.449.6青灰色，局部夹含砂砾岩和砂砾岩强风化层，褐铁泥质胶结。呈强风化状态。（11-2）中风化泥质粉砂岩5.413.743.464.7青灰色，局部夹薄层砾岩、砂砾岩，泥质粉砂状结构，中厚层状构造，褐铁泥质胶结。属较完整岩体。2.2 粘土造浆钻孔桩开始施工时，出于对成本的考虑，使用粘土进行造浆。配比为：水：黄土：纯碱=100：38：0.25（加入纯碱是为了使泥浆PH值增大，使粘土颗粒分散，使粘粒表面负荷增加，增加水化膜厚度。提高泥浆的胶体率和稳定性）。施工过程中对泥浆进行了抽检，三项指标分别为比重1.051.2 g/cm3，粘度 1820Pas，含砂率4%8%。可以看出泥浆的比重较小，粘度基本满足规范要求，但含砂率偏大，施工过程中发生了塌孔现象，主要塌孔地层为粉细砂和细砂层。经分析认为塌孔原因为：泥浆比重偏小，粘度偏低，使孔壁未形成坚实泥皮。2.3 膨润土造浆根据地勘报告，粉细砂和细砂层最深达44m左右，粘土泥浆已经无法对孔壁进行有效护壁，塌孔严重影响成桩质量。故决定改用膨润土造浆。2.3.1 泥浆原材料钻孔泥浆选用不分散、低固相、高粘度的优质膨润土造浆，另外适量加入纯碱（Na2CO3）。 膨润土：为泥浆胶体质的主要来源，采用以蒙脱石为主的钠质膨润土，具有较好的分散悬浮性和造浆性能，泥皮较薄，稳定性好，造浆率高（1t膨润土可造12m316m3泥浆），质量等级为二级标准。膨润土掺量为泥浆体积的6%10%，即100m3泥浆需用6t10t膨润土。为了增大泥浆中胶体的成份，选择胶体率大（96%）和含砂率少（00.3%）的膨润土，特别注意不能错用铸造用的膨润土（胶体率特别低）。 纯碱（Na2CO3）： 其指标应符合GB210-92的类合格品的标准，主要作用是增大PH值，使粘土颗粒分散，并增加表面负电荷，吸附带正电荷的钻屑，使泥浆悬浮钻屑效能更好，因此回流孔内泥浆中PH值应稍高一些。纯碱掺量为泥浆体积的0.3%0.5%左右，即100m3泥浆需用碱300500公斤。碱用量增加到使泥浆PH值达到1012后，再加入膨润土，以增大泥浆粘度。 2.3.2泥浆拌制 泥浆调制采用机械搅拌，搅拌时将定量的清水加入搅拌机，然后慢慢地加进与水量相应的粘土，并开动机器搅拌，成浆后打开出浆门出浆。 2.3.3膨润土性能指标检测 优质泥浆各阶段性能指标表 表2指标基浆膨润土+碱钻进与钻屑混回流净化+清孔+弃用沉淀中1、比重V（g/cm3）1.031.201.32、粘度T（Pa.s）2022252824262224423、含砂率（%）0.310 从以上数据中可以看出，膨润土泥浆各项指标均符合要求，成孔质量有较大的提高，但仍然发生塌孔现象，塌孔地层为较厚的粉砂层和细砂层。说明在复杂地质条件下，按常规性能指标要求，泥浆护壁效果不明显。同时，膨润土泥浆的最大缺陷在于钻渣沉淀速度慢，清孔时钻渣很难同时沉淀下来，往往在首次清孔后，下完钢筋笼，二次清孔前短短23小时，沉渣厚度超过1m，水下混凝土浇筑过程中，仍有大量钻渣沉淀，影响桩身质量。3 化学泥浆应用研究在本工程中复杂地质条件下，需要较大粘度的泥浆达到稳定的护壁效果，彻底解决钻孔过程中的塌孔问题，同时，要求钻渣沉淀速度快，确保桩身质量。经过反复对比研究，决定采用化学聚合物泥浆。本工程中采用美国捷高科技公司产品顺帮（Bore Pac）化学聚合物泥浆。 3.1泥浆配制 旋挖取土成孔中，静态泥浆作为成孔过程的稳定液，主要作用是护壁。化学聚合物泥浆主要由高分子聚合物水解后形成。由于泥浆聚合物分子量一般高达2000万以上，水解后分子琏扩散并会与其他分子琏重新连接，故会形成较为粘稠的近似糊状的泥浆，能够最大限度的粘住并沉淀钻屑。该泥浆体系能对孔壁提供压力，防止在不稳定地层中钻孔的坍塌；同时最大化旋挖钻的装载能力，提高掘进速度。 化学泥浆主要材料及配比表 表3材料名称成 分配 比说 明水H2O100%静态泥浆的主体。水中不应含有较多钙、镁等杂质离子，亦可在盐水中配制顺帮Bore Pac高分子聚合物0.03%0.04%化学聚合物泥浆的主要材料,增加粘度控制孔壁稳定纯碱Na2CO30.05%0.08%改善水质、促进聚合物迅速水解 配制泥浆以前，应先使用PH试纸测试配制水源的pH值，根据具体情况添加少量纯碱（纯碱的添加量一般为每立方米0.5kg左右，具体加量视现场PH测试结果确定），将泥浆体系的PH值调节到910，减少因水源问题造成对泥浆性能的影响。 在喷射的水流中冲入可使聚合物泥浆原料迅速水化分散，并利用空压机鼓动泥浆不少于3小时以上直至泥浆材料充分水化分散。 3.2 性能指标 化学泥浆的性能指标 表4项目指标检测方法泥浆比重（g/cm3）1.0比重计粘度（Pa.s）35马氏漏斗粘度测定pH值8.0 11.0 pH测试仪或pH试纸含砂量（） 0.5含砂量测试 经工程师确认后，可用盐水配浆，泥浆的密度允许增大至32 kg/m3。泥浆检测时，泥浆的温度应大于4。 3.3 旋挖钻进成孔 （1）在护筒内注满泥浆后，开始钻进，钻进过程中要不断补充泥浆，使孔内水头高度始终保持不低于护筒高度的1/2，以防止压力失控导致坍孔。 （2）钻机施工时要注意控制钻具的提起和下放速度，尤其是在出入孔口和初提钻时，减少对泥浆体系的扰动，加快泥浆中钻屑的沉降，同时还可以减少对孔壁的扰动，保证孔壁稳定。 （3）与膨润土泥浆携带钻屑不同，化学聚合物泥浆内钻屑快速沉淀，在钻孔后期，为保证孔中钻屑充分沉淀，宜适当放慢钻进速度或静止半小时左右待钻屑沉淀完全后一起捞出。 （4）钻进结束后检测孔径、孔深、垂直度，验收合格后进行下一道工序。 3.4 二次清孔 由于化学聚合物泥浆本身的快速沉淀钻屑性能，在成孔时孔内悬浮钻屑就已经非常少了，所以在钢筋笼后测量沉渣厚度均不超过10cm，根据实际情况可不进行二次清孔，有效提高了成孔效率和成桩质量，体现了与粘土造浆以及膨润土泥浆的不同。 另外聚合物泥浆并不在孔壁上形成厚的泥皮，且泥浆体系中不含钻屑，所以能够有效地提高摩擦承载力。3.5 化学泥浆应用效果采用化学泥浆后，再也没有出现过塌孔