化学泥浆在复杂地层条件下桩基旋挖成孔中的应用

刘小龙

  新疆城建（集团）股份有限公司  新疆乌鲁木齐  830000

[摘 要]：在麦喀高速公路工程叶尔羌河特大桥桩基的施工中，对化学聚合物泥浆在钻孔桩施工中的应用进行了研究。通过化学聚合物泥浆的制备工艺、桩基的成孔钻进工艺、桩基成孔的清孔工艺、桩基的钢筋笼吊放工艺和桩基浇筑工艺实践证明了化学聚合物泥浆可以加强钻孔在作业过程中泥浆对孔壁的保护能力；更高效的阻止地下水向缝隙中渗透，显著地减少了钻进时对钻杆与钻头的磨损；显著地加快了钻渣的凝聚与沉淀速度，显著地避免了钻孔施工中出现孔壁坍塌等引起的埋杆、埋钻等事故，是高效经济环保的新型的产品，可达到理想的施工效果并确保较高的施工质量。

[关键词]：化学泥浆   复杂地质条件  桩基   旋挖成孔

一、工程概况及地质条件

新疆S310线麦盖提至喀什高速公路项目叶尔羌河特大桥桥工程位于新疆西南部的麦盖提县境内。特大桥下部结构均采用柱式墩、承台分离式桥台，钻孔灌注桩基础。桥台桩基桩径1.7m，桩长52m；墩柱桩基桩径1.5m，桩长52m，桩基采用摩擦桩，桩基施工完毕后，采取超声波对桩身混凝土质量进行逐桩检测。桩基钢筋净保护层厚度为7.5cm。

本桥区段场地在冲积平原区,表层主要为灰褐色、黄褐色沙土、粉土、粘性土，厚度一般在3m～20m之间，表层含丰富的植被根系；其下为全新世冲击沙层，以青灰色细沙、粉砂为主，局部有灰褐色粉土、粘性土，厚度180m～200m。在强烈的蒸发浓缩作用下，沼泽湿地周围及冲积平原区边缘地带，盐霜、盐渍土发育，局部盐壳厚度可达数10cm。

桩基施工的地质条件复杂，地表以下为最深达3m～20m灰黄褐沙土、粉土与粘性土互层，为软塑状态，用手摇有水析出，易造成塌孔。地表以下约180m～200m为粉沙和细沙层，中间夹薄层的粉质粘土，桩基要求的50m范围内极易造成塌孔。

二、泥浆的选择

（一）泥浆质量的重要性

规范要求泥浆的比重控制在1.15～1.20 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18～22Pa·s，泥浆的含砂率应不大于4%。

（二）膨润土造浆的缺点

根据地勘报告，粉细砂和细砂层最深达44m左右，粘土泥浆无法对孔壁进行有效护壁，塌孔严重影响成桩质量。故最初决定使用膨润土造浆。

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）。

⑴ 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12m3～16m3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6t～10t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（0～0.3%）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）。

⑵ 纯碱（Na2CO3）： 其指标应符合GB210-92的Ⅲ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300～500公斤。碱用量增加到使泥浆PH值达到10～12后，再加入膨润土，以增大泥浆粘度。

膨润土泥浆各项指标均符合要求，成孔质量有较大的提高，但在实际钻孔中仍然发生塌孔现象，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2～3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。

（三）化学聚合物泥浆特点

1、化学聚合物泥浆组成

新型化学聚合物泥浆主要组成成分是聚合物的水溶液，它是由高分子聚合物、水以及纯碱等物质按一定比例配置而成的水溶液。其中聚合物材为分子量可达2000万以上的高分子聚合物，采用喷射水流冲入，从而增加其水化分解速度，它通过一系列的化学反应，可以在较低的浓度条件下创造非常好的粘度环境，使泥浆可以最大限度的黏住被切削的钻屑并沉淀钻屑，使得钻头能够从孔底移出钻屑，从而加快钻进的速度。
2、化学聚合物泥浆的优点

化学聚合物泥浆可加快钻孔施工速度，保护环境，节约能源，是传统粘土及膨润土造浆钻孔施工等无法比拟的，它不在孔壁上形成较厚泥皮而且还具有粘稠度高加快沉渣快速沉淀，进而提高了灌注桩基的摩擦力，最终确保钻孔的质量。

三、化学泥浆的制备

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。

    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），再准备一台空压机，用高压气流物理鼓动，加速水分子运动，提升泥浆溶解速度，空压机需保持2h 左右的工作方可将泥浆材料在池内充分溶解开来从而达到施工要求。配制泥浆的工作顺序:注半池清水→加入适量纯碱→加入地大华科泥浆材料。因为加碱可以改善水质，所以调整泥浆用水的pH 值到8 ～10，让泥浆的粘度达到最好，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。
    新型化学聚合物泥浆的配置比例可根据实际钻孔环境的不同地层情况进行确定。

四、桩基的钻进成孔

钻孔开始前，先开动泥浆泵使泥浆循环2～3min，然后开动钻机，缓慢钻进，在钻进过程中要根据实际的地层情况及时调整进尺速度及泥浆指标，发现问题及时报告现场技术人员，以便及时处理。钻进时应先慢后快，开始每次进尺为 40-50cm，确认地下是否不利地层，进尺5m后如钻进正常，可适当加大进尺，每次控制在 70-90cm 。

（一）在粘土、亚粘土层钻进时，应采用低钻压、快转速、大泵量的钻进规程。若地层软弱不均时，应适当降低转速，钻进的关键问题是不断稀释泥浆和捞除沉淀后的泥土，因为粘土颗粒不易沉淀。

（二）在砂性土层钻进时,宜采用降低回转速度和控制钻具升降速度的规程,防止坍孔、埋钻。

（三）加接钻杆时应先将钻具提离孔底，冲洗干净后，再加钻杆，并防止落物入孔以损坏钻头或卡钻。

（四）钻孔过程始终保持孔内水位高过护筒底口0.5m以上并大于地下水位1m以上。

（五）钻孔应连续进行，不得中断，钻进时及时填写钻孔记录。在土层变化处捞取渣样，判明土层，以便对钻进的速度和钻压进行相应调整。钻进过程若发现地质与设计不符时，及时上报监理工程师以便根据实际情况调整。

（六）桩的钻孔和开挖应在中距5m内的任何砼灌注桩完成后24h才能开始，以避免干扰邻桩砼的凝固。

（七）钻至设计深度后，由现场技术人员测量后，报监理进行终孔检查确认。

五、桩基的钢筋笼吊放

待钻机移走后，吊放钢筋笼要对准孔位、缓慢、扶稳，避免碰撞孔位并到位后立即固定。而当灌注桩空桩深度较大时，此举尤为重要。依据公式计算:钢筋笼标高定位筋为护筒顶标高－桩顶标高+钢筋锚固长度。用两根长度大于钢筋笼标高的定位筋的Φ50 的钢管或者Φ16－25的钢筋，顶部要设置圆形穿孔眼，搭接长度10d，下端焊接在对称钢筋主筋上，将钢筋笼缓慢下放到位，顶部用Φ50 的钢管穿在护筒上来限制钢筋，将钢筋笼固定防止灌注混凝土时钢筋笼的上浮。

六、混凝土浇筑

在导管下放前应用试水压力为 0.6 ～ 1.0MPa的环境检查其连接的密封性，进行试压、试装。然后采用220毫米 丝扣式导管，每节导管连接紧密顺直，内壁光滑，同心垂直线的偏差≤1%。导管下的入孔中应居中，坐稳井口，导管下端应离孔底 0.3～0.50米。混凝土塌落度为0.08～0.22米，水泥用量不应该少于360kg/m3。灌注前加隔水栓， 第一次的混凝土的灌注量必须为满足导管底端能埋入混凝土中要求的0.8～1.2米， 第二次的混凝土的灌注量必须为满足导管底端能埋入要求的2～6米，而且严禁将导管拔出混凝土面并应控制提拔导管速度。灌注过程中技术人员及时测量混凝土面上升高度，计算导管埋深， 随时拆卸与提升导管。当灌注接近桩顶时，估算好最后一次灌注量，只能超灌高度0．80～1.0米。

十、结束语

在高速公路建设过程中，桥梁施工是占很大比重的，在桥梁施工中桩基的数量所占比例也是非常之大，桩基是在地下隐蔽所以在施工过程中出现的一些问题很难控制，桩基施工质量、速度能否满足高速公路质量高、工期短标准的要求非常重要。化学聚合物泥浆旋挖钻钻孔过程中的优越性刚好就能满足高铁施工的质量、工期要求，从里面充分看出了化学聚合物泥浆在施工中的优越性，其快速沉淀钻屑的能力比较显著，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，其粘度大，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。为旋挖钻钻孔施工工艺的开发、研究和应用推广打下了坚实的技术基础，技术应用前路十分宽广。