侯韶军

摘 要：近年来，工程建设提高了对成孔速度、桩基质量以及环境保护等方面的要求，而成孔质量好、速度快，没或小污染、没噪音的旋挖钻机无疑成了首选。不过因旋挖成孔施工中循环造浆功能缺乏，稳定护壁只有采用静态泥浆，因此为保证孔内外水压的平衡和护壁效果，需要不断地向孔内进行补浆，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，传统的膨润土泥浆护壁是工程施工中普遍采用的，不过在地质情况较为复杂时，该泥浆是具有一定的局限性的，在国内不断引进化学聚合物泥浆技术，并在施工中效果良好时，化学聚合物泥浆将会获得更大的应用空间，该文通过工程的实例，对地质复杂的条件下旋挖成孔施工中应用化学聚合物泥浆进行了阐述。

关键词：化学泥浆 旋挖成孔 护壁

中图分类号：u4431 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（a）-0091-02

1 工程概况

集宁至通辽铁路既有线全长942.495 km，我公司负责监理的公主埂至蒙根塔拉段（K374+900～K437+000）是其增建二线工程的一个组成部分，标段内共有桥梁3座，基础设计均采用摩擦钻孔灌注桩。

1.1 地质条件

本段地貌为内蒙古高原浑善达克沙地的一部分，以风积沙丘为主，沿线地层为第四系全新统人工堆积（Q4m1）填筑土；风积（Q4e0l）粉砂、细砂、中砂；冲洪积 （Q4al+p1）砂类土，局部地段为黏性土、粉土及碎石类土；第四系上更新冲洪积（Q3 al+p1）砂类土；侏罗系上统（J3）凝灰质砂岩、凝灰质砂岩，砂岩。

1.2 水文条件

沿线第四系松散堆积层中赋存孔隙水，局部地段具承压性。含水层以砂类土为主，地下水埋藏较深。地下水主要靠大气降水。

1.3 地质条件特点

桩基施工的地质条件较复杂，地表以下为粉细沙和细沙层，中间夹薄层的粉质粘土，极易造成塌孔。

1.4 成孔方法选择

桥梁桩基均采用钻孔灌注桩。由于施工场地处于生态脆弱的浑善达克沙地，根据工程进度以及施工现场对环保高要求的特点，通过分析地质情况，决定采用旋挖钻机进行施工。

2 泥浆选择过程

2.1 泥浆的重要性

泥浆是钻孔施工中至关重要的环节，较差的钻孔泥浆质量会产生以下影响：（1）护壁泥膜不能形成或泥皮粘附力不好，容易造成脱落，使孔壁稳定性不够，从而发生缩径和塌孔；（2）比重大、稠度高、含砂率高的泥浆，形成厚度大的泥皮，使桩的桩的侧摩阻力减小；（3）稠浆沉积粘附在钢筋笼上，降低了钢筋与混凝土的握裹力；（4）过大比重的泥浆，增大了混凝土水下灌注的阻力，使混凝土流动半径缩小，在桩芯部位堆积了大部分混凝土骨料，而骨料在钢筋笼外几乎没有，不但桩身质量不好，也不能发挥桩的侧摩阻力的作用。

《客货共线铁路桥涵施工质量验收标准》规定，控制泥浆的比重在1.15～1.20 g/cm3间（用比重计测，清孔后取样在距孔底50 cm处），18～22 Pa·s的泥浆粘度，不大于4%的泥浆含砂率。

2.2 选用泥浆

2.2.1 粘土泥浆

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（增大泥浆pH值加入纯碱，以分散粘土颗粒，增加粘粒表面负荷，使水化膜厚度增加，促使泥浆的稳定性、胶体率提高）。施工过程中抽检泥浆，三项指标分别为：1.05～1.2 g/cm3的泥浆比重，18～20 Pa·s的粘度，4%～8%的含砂率。可知泥浆有较小的比重，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。塌孔原因主要有：比重偏小的泥浆，偏低的粘度，坚实的泥皮在孔壁没有形成。

2.2.2 膨润土泥浆

采用以蒙脱石为主的钠质膨润土，此类产品具有较好的分散悬浮性和造浆性能，泥皮较薄，稳定性好，有较高的造浆率，用机械搅拌泥浆，并在搅拌机中加入一定量的清水，再将与水量相当的粘土慢慢加入，启动搅拌机，成浆后把出浆门打开出浆。施工过程抽检泥浆，三项指标分别为比重1.03～1.2 g/cm3，粘度 20～24Pa·s，含砂率4%～8%，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。表明在地质复杂的条件下，根据常规性能指标的要求，没有明显的泥浆护壁效果。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2～3 h，沉渣厚度超过1 m，水下混凝土浇筑过程中，仍有大量沉碴，影响桩身质量。

2.2.3 化学泥浆

该工程因地质条件复杂，因此护壁效果要稳定就需要泥浆的粘度较大，使钻孔过程中的塌孔问题彻底解决，同时还要使钻渣有较快的沉淀速度，保证桩身质量。通过反复的对比，确定使用化学聚合物泥浆。该工程采用的是中科奈普顿（北京）泥浆科技有限责任公司生产的奈普顿（Neptune）旋挖钻机专用聚合物泥浆。

（1）配制泥浆：主要是高分子聚合物水解形成了化学聚合物泥浆。因泥浆聚合物一般高达2000万以上的分子量，分子链水解后发生扩散，且连接到其他分子链上，因此形成的泥浆较为粘稠且近似糊状，使钻屑最大程度的粘住并沉淀。该泥浆体系能提供压力给孔壁，避免钻孔在不稳定地层中坍塌；同时，使旋挖钻的装载能力最大化，加快了掘进速度。

（2）使用步骤：①施工准备：挖两个泥浆池，大小在100m3，长6m，宽5m，深3～4m，并在池边上装好循环泵和空气压缩机，周边按安全规范做好防护。②将清水注入泥浆池后，用纯碱溶液调节水的pH值在8～10之间，搅拌均匀（搅拌时间为10～20min）。

③将循环泵打开，进行自循环，通过出水管口慢慢均匀加入化学聚合物泥浆粉末，用空压机搅拌1h，用仪器测定溶液的黏度到20s左右即可满足一般工程地质。（一般情况下手感稍有粘度起线丝状即可，特殊地质根据实际情况而定）。

④若黏度高于30 s，可直接加水稀释：若黏度小于30 s，可能是由于搅拌时间不够，需延长搅拌时间，如果仍达不到黏度，可打开循环泵自循环后通过出水口补充本产品，并再用空压机搅拌1 h左右，直至满足条件。

⑤用泥浆注满护筒后，开始钻进。钻的过程中不停地补充泥浆，始终保持孔内水头高度不低于1/2的护筒高度，以免压力失衡造成孔塌。钻机施工中，要对钻具提起和下放的速度进行控制，特别是在初提钻和出入孔口，减少扰动泥浆体系，使泥浆中钻屑的沉降加快，并使孔壁的扰动减少，让孔壁保持稳定。钻进的时候，如果含砂层较多，要提前准备好足够量的泥浆，并在钻进过程中不断补充泥浆，保持钻进液面，确保地层压力平衡。

⑥钻进完成后，停15～40 min后，（根据孔深决定时间）用钻机打捞一次沉降下去的砂子等杂质。然后下放钢筋笼和混凝土导管，一般情况下都能达到灌注桩要求的含砂量和沉砂量，个别地层可能会出现沉砂量较多的情况，在下钢筋笼之前多捞两次，以确保下完钢筋笼和导管后沉渣达标。

⑦灌桩完后，需要求返回的泥浆黏度，如果有低于30 s的黏度，可以打开循环泵自循环后经过出水口将该产品补充进去，同时利用空压机持续搅拌，直至满足条件。同时，在另外一个泥浆池中配制新的泥浆，以满足下一个桩钻孔所用。

（3）易降解、无毒的化学聚合物泥浆，直接丢弃也不会污染环境。可用3%的过氧化氢溶液或5%的次氯酸钠溶液在排放前进行处理，同时加上定量的处理剂，用泥浆泵对所有需处理的泥浆进行循环，使其氧化充分，可直接排放处理之后的泥浆，这样也不会对环境造成危害。

2.3 工程效果

使用化学泥浆后，该工程再也没发生塌孔，明显加快了旋挖成孔速度，通常一根桩（30 m）4～6 h就能形成。同时根据桩基检测报告进行分析，成樁质量也有明显提高。

3 化学泥浆应用效果对比及经济对比

3.1 应用效果对比

（1）不同于膨润土泥浆携带钻屑，化学聚合物泥浆内钻屑沉淀迅速，为在钻孔后期充分沉淀孔中钻屑，应使钻进速度适当放慢或有约半小时的静止，等钻屑完全沉淀后统一捞出来。

（2）二次清孔：因自身的快速沉淀钻屑性能，化学聚合物泥浆在成孔时孔内就已经少了很多悬浮钻屑，因此，在钢筋笼后测量沉渣均没超过10 cm的厚度，视具体情况看是否二次清孔，使成孔效率以及成桩质量显著提高了，这也是膨润土泥浆和粘土泥浆的不同之处。

（3）聚合物泥浆厚的泥皮在孔壁上并没形成，且钻屑不存在与泥浆体系中，因此使摩擦承载力有效地提高了。

3.2 经济对比

对比化学聚合物泥浆和膨润土泥浆的成本（以100 m?水配制为例）。

（1）化学聚合物泥浆：水100 m，25 kg纯碱，40 kg化学聚合物，国内市场价约18000 元/t的化学聚合物泥浆粉，需720元成本的聚合物，5 h左右的配制时间。

（2）膨润土泥浆：水100 m?，按10%配制需10 t膨润土，国内市场价150元/t左右的膨润土，需1500元成本的膨润土，需时间约12 h的配制。

4 结语

作为一种新型材料正在逐步进入市场的化学聚合物泥浆，因其性能不同于粘土泥浆、膨润土泥浆，有显著迅速沉淀钻屑的能力，特别是膨润土和粘土较难适应的复杂地质条件及砂层较厚的地层，其粘度高，比重小，含砂率小的特点在现场施工中取得了良好的实际效果；同时因其需水量较小、渗透能力强、性能持久性强、清洁环保的环保特性对后期环境恢复奠定良好基础；在增强桩基承载力、降低灌注难度及施工成本、减少工人劳动强度有着明显作用，极大提高了工程施工进度和质量，相信在类似复杂的地质条件下能够更大地发挥作用，为兴建的高速公路、铁路桥梁打下良好的基础，给飞速发展的国家基础设施建设提供了有力的保障。

参考文献

[1] 客货共线铁路桥涵施工质量验收标准 （TB10415）[S].

[2] 刘川.化学聚合物泥浆在旋挖钻孔桩施工中的应用[J].公路，2010（10）：73-76.