化學泥漿在跨膠州灣特大橋海中樁基旋挖成孔施工中的應用研究

劉奎文

摘要：本文結合新建青連鐵路跨膠州灣特大橋海中樁基旋挖成孔施工情況，介紹了鉆孔過程中使用化學聚合物造漿，在海洋海水環(huán)境有較厚的砂層的地質條件下利用海水、化學劑、火堿等材料成功造漿并護壁成孔的施工技術。此施工技術在海水、砂層厚的施工環(huán)境下旋挖快速成孔施工中推廣應用。

Abstract： Combined with the construction of rotary excavation pore-creating of the submarine pile foundation in Jiaozhouwan super maior bridge of Qinglian Railway， this paper introduces the mud making by chemical polymer in the drilling process， and the construction technology of mud making and dado pore-creating by sea water， chemical agent， caustic soda and other materials under the environment of geological conditions of thick sand layer in sea water. The construction technology is popularized and applied in the construction of rotary excavation pore-creating under the construction environment of sea water and thick sand layer.

關鍵詞：化學聚合物；海中樁基；旋挖成孔；施工技術

Key words：chemical polymer；submarine pile foundation；rotary excavation pore-creating；construction technique

中圖分類號：U445.55+1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）12-0124-03

0 引言

近些年來，我國針對以旋挖作業(yè)為主的橋梁工程中的鉆孔速度、成樁質量以及環(huán)保指標提出了嚴格的要求，加之高速鐵路建設規(guī)模的擴大，旋挖鉆在建筑施工領域得到了廣泛應用。采用旋挖成孔工法施作覆蓋層，不僅能在保證成孔質量的前提下滿足快速成孔的施工要求，而且整個作業(yè)過程無噪音，對周圍環(huán)境無污染或者污染小，得到了工程領域的一致認可。旋挖成孔工法以靜態(tài)泥漿穩(wěn)定液護壁代替了循環(huán)造漿的設計，通過對鉆孔持續(xù)補漿來平衡鉆孔內外的水壓，所以泥漿的選用及性能指標在成孔過程中顯得尤為重要。

目前工程領域仍采用膨潤土礦物泥漿護壁法進行鉆孔施工，這種工法不適用于相對復雜的地質環(huán)境。隨著施工技術的發(fā)展，化學聚合物泥漿技術逐漸從國際工程領域引入到國內，在國內的一些地質條件相對復雜的工程中取得了較好的應用效果。本文通過青連鐵路跨膠州灣海中樁基工程的實例來闡述化學聚合物泥漿在海中復雜地質條件下樁基旋挖成孔施工中的應用。

1 工程概況

青連鐵路跨膠州灣特大橋位于青島市城陽區(qū)，其中跨海部分2.1公里，41個墩，采用樁基礎，其中樁徑有？準1.25、？準1.5m兩種，平均樁長45m，東西兩側填筑部分樁基采用360旋挖鉆施工。

1.1 工程地質條件

設計勘察地層主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q■■），第四系全新統(tǒng)沖海積層（Q■■）淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉砂、細砂、中砂、粗砂、礫砂，下伏基巖為白堊系下統(tǒng)（K1）流紋巖、安山巖、礫巖、泥質砂巖及凝灰?guī)r。

膠州灣海中地層主要為：第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q■■），第四系全新統(tǒng)沖海積層（Q■■）淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉砂、細砂、中砂、粗砂，第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q■■）黏土、粉質黏土、粉砂、細砂、中砂、粗砂及礫砂，下伏基巖為白堊系下統(tǒng)（K1）流紋巖、安山巖、角礫巖、泥質粉砂巖。DK10+900附近揭露斷層。

1.2 水文地質特征

橋址區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水，主要接收大氣降水補給及海水影響，設計單位勘察期間測得鉆孔穩(wěn)定水位0.90m～3.60m，高程1.20m～3.08m，水位季節(jié)變化幅度2～4m。

海中段位于典型半日潮潮汐的膠州灣內，潮汐最高潮位5.3m，最低潮位-0.57m，平均高潮位3.85m，平均低潮位1.08m，平均潮差2.7m，最大潮差約6.8m。

1.3 地質條件特點

樁基施工的地質條件復雜，海床以下最深達5m的淤泥質粉質粘土，為軟塑狀態(tài)，易造成塌孔。以下6m～35m的范圍內分布著粉細沙、細沙層、中砂層和粗砂層，中間夾薄層粉質粘土，30m范圍內塌孔的可能性較大。

2 泥漿選擇過程

2.1 泥漿的重要性

按照相關技術規(guī)程，泥漿比重宜為1.15～1.20g/cm3，泥漿粘度應該在18～22Pa·s之間，泥漿的含砂率應不大于4%。鉆孔泥漿質量差將導致以下問題：

①護壁泥膜黏附力不足，容易脫落，或者根本不能形成護壁泥膜，導致孔壁缺乏穩(wěn)定性，鉆進時容易塌孔或縮頸。

②泥漿的比重和粘稠度超標，含砂率高，使得泥膜過厚，沒有足夠的粘附力，鉆進時造成樁的側摩阻力過大。

③濃稠的泥漿沉積粘附在鋼筋籠上，破壞了鋼筋與混凝土之間的握裹力，而且泥漿比重超標增加了混凝土水下灌注的阻力，影響了混凝土的流動性，造成大量混凝土骨料在樁芯處積聚，造成鋼筋籠內外骨料分布不均，樁的側摩阻力很難發(fā)揮，最終影響了成樁質量。

2.2 粘土造漿

施作鉆孔樁時按照水：黃土：火堿=100：38：0.25的比例，用粘土配置泥漿，以降低作業(yè)成本。用火堿造漿的目的是通過提高泥漿pH值保證粘土顆粒分散，增大粘粒表面負荷，增大水化膜厚度，以確保泥漿的穩(wěn)定性和膠體率達到造漿要求。作業(yè)期間不定時檢測泥漿質量，將泥漿比重控制在1.05～1.2g/cm3之間，含砂率在4%～8%之間，使?jié){液粘度達到18～20Pa·s。按上述標準控制泥漿參數(shù)，可有效降低泥漿比重，從而確保漿液有足夠的粘附力。但嚴格來講，這套標準中泥漿的含砂率較大，造成鉆進時孔壁坍塌，塌孔地層集中在粉細砂和細砂層之間。通過現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)塌孔主要要是因為泥漿比重偏小，粘度偏低，使孔壁泥膜不堅實所致。

2.3 膨潤土造漿

根據(jù)地勘報告，粉細砂和細砂層最深達40m左右，粘土泥漿已經(jīng)無法對孔壁進行有效護壁，塌孔嚴重影響成樁質量。故決定改用膨潤土造漿。

2.3.1 泥漿原材料

鉆孔泥漿選用不分散、低固相、高粘度的優(yōu)質膨潤土造漿，另外適量加入火堿（NaOH）。

①膨潤土：為泥漿膠體質的主要來源，采用以蒙脫石為主的鈉質膨潤土，具有較好的分散懸浮性和造漿性能，泥皮較薄，穩(wěn)定性好，造漿率高（1t膨潤土可造12m3～16m3泥漿），質量等級為二級標準。膨潤土摻量為泥漿體積的6%～10%，即100m3泥漿需用6t～10t膨潤土。為了增大泥漿中膠體的成份，選擇膠體率大（≥96%）和含砂率少（0～0.3%）的膨潤土，特別注意不能錯用鑄造用的膨潤土（膠體率特別低）。

②火堿（NaOH）：其指標應符合標準。在泥漿中添加火堿，目的是提高pH值，保證粘土顆粒分散，同時增大表面負電荷，增強泥漿對帶正電荷鉆渣（特別是懸浮鉆渣）的吸附能力，所以回流孔內泥漿的pH值應該偏高一些。配置泥漿時，火堿的添加量應該是泥漿體積的0.3%～0.5%，也就是說100m3泥漿要添加300～500公斤火堿。一般情況下，添加火堿后，泥漿的pH值能夠提高到10～12左右，這時再添加膨潤土，可大幅度提高泥漿的粘附性。

2.3.2 膨潤土性能指標檢測

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，膨潤土泥漿各項指標均符合要求，成孔質量有較大的提高，但仍然發(fā)生塌孔現(xiàn)象，塌孔地層為較厚的粉砂層和細砂層。說明在復雜地質條件下，按常規(guī)性能指標要求，泥漿護壁效果不明顯。同時，膨潤土泥漿的最大缺陷在于鉆渣沉淀速度慢，清孔時鉆渣很難同時沉淀下來，往往在首次清孔后，下完鋼筋籠，二次清孔前短短2～3小時，沉渣厚度超過1m，水下混凝土澆筑過程中，仍有大量鉆渣沉淀，影響樁身質量，而且海中施工膨潤土造漿極易污染海水。

3 化學泥漿應用研究

在本工程中復雜地質條件下，需要較大粘度的泥漿達到穩(wěn)定的護壁效果，徹底解決鉆孔過程中的塌孔問題，同時，要求鉆渣沉淀速度快，造漿不污染海域，又要確保樁身質量。經(jīng)過反復對比研究，決定采用化學聚合物泥漿。本工程中采用奈普頓（Neptune）化學聚合物泥漿。

3.1 泥漿配制

旋挖取土成孔中，靜態(tài)泥漿作為成孔過程的穩(wěn)定液，主要作用是護壁?；瘜W聚合物泥漿主要由高分子聚合物水解后形成。由于泥漿聚合物分子量一般高達2000萬以上，水解后分子璉擴散并會與其他分子鏈重新連接，故會形成較為粘稠的近似糊狀的泥漿，能夠最大限度的粘住并沉淀鉆渣。該泥漿體系能對孔壁提供壓力，防止在不穩(wěn)定地層中鉆孔的坍塌；同時最大化旋挖鉆的裝載能力，提高掘進速度。

制配泥漿時，先通過pH試紙對配制用水的pH值進行測定，根據(jù)測定結果加入適量的火堿（添加量約為0.5kg/m3），將泥漿體系的pH值調節(jié)到8～10，減少因海水問題造成對泥漿性能的影響。

在噴射的水流中沖入可使聚合物泥漿原料迅速水化分散，并利用空壓機鼓動泥漿不少于3小時以上直至泥漿材料充分水化分散。性能指標如表3。

奈普頓化學劑造漿施工過程中根據(jù)地層不同，按0.01%～0.1%比例配制，指標如表4所示。

3.2 旋挖鉆進成孔

①挖一個泥漿池，根據(jù)用量確定泥漿池的大小，并在池邊安裝好泥漿泵和空氣壓縮機，周邊做好防護。

②將海水注入泥漿池后，用20%氫氧化納（又名燒堿、火堿或片堿）溶液調節(jié)水的pH值在8～10之間，用空壓機攪拌10min～20min。

③打開循環(huán)泵進行自循環(huán)，將本產品從泵出水管口緩慢勻速地加入，首次使用時一般采用最大量使用，加量為萬分之五（即100m3水中添加50kg本產品后拌制10min，用工程漏斗測定溶液的黏度約為28s即可，要求手感稍有粘度起線絲狀）。該標準不適用于特殊地質。

④在拌和過程中，黏度超過28s需要注水稀釋，但是如果黏度達不到30s，多半是因為拌和不充分，可將攪拌時間適當延長。如果上述兩種情況均被排除后黏度仍達不到設計值，就需要打開循環(huán)泵自循環(huán)后將奈普頓造漿劑從出水口處加入，再用空壓機攪拌一段時間，直至其達到設計要求。

⑤鉆進時提前備好泥漿，遇到含砂層較多的問題時，伴隨鉆進過程持續(xù)補漿，以維持鉆進液面，平衡地層壓力。

⑥結束鉆進作業(yè)后查看孔深情況，適當停頓15～40min。用鉆機打撈孔底沉砂（打撈時不宜控漿）后，按設計要求將鋼筋籠、注漿導管下放到孔底，照此操作，如無意外情況都可以達到灌注樁要求的含砂量及沉砂量，經(jīng)過打撈后有的地層依然有大量沉砂，但都屬于個別情況，對這部分地層可增加打撈次數(shù)，直到沉砂量達到設計要求后再下放鋼筋籠。一般來說，化學聚合物泥漿本身就具有快速沉淀鉆渣的功能，成孔時殘留在孔內的沉渣本來就很少，下放鋼筋籠后沉渣厚度通常在10cm以下，如果都符合要求可跳過二次清孔直接進行下一道工序。此外，聚合物泥漿不會粘附在孔壁上，也不會帶鉆渣，可以大幅度提高摩擦承載力。

⑦灌樁后，如果返回的泥漿粘度不足30s，就要開啟循環(huán)泵進行自循環(huán)，然后從出水口處補充奈普頓造漿劑，并用空壓機攪拌均勻。同時，還需要提前用另一個泥漿池配置好下一個鉆孔所需的泥漿。

3.3 化學泥漿應用效果

使用化學聚合物泥漿鉆孔不僅實現(xiàn)了快速成孔（成孔速度為每5～10小時/根），而且有效避免了塌孔問題，保證了成樁質量。經(jīng)檢驗，采用聚合物泥漿成樁等級都符合I類樁標準，且環(huán)境得到一定保護，泥漿不污染海域。

4 結束語

聚合物泥漿作為一種新型材料有著與粘土泥漿和膨潤土泥漿截然不同的性能?？焖俪恋磴@渣的能力比較顯著，特別是膨潤土和粘土較難適應的復雜地質條件及砂層較厚的地層，其粘度大，比重小，含砂率小的特點在現(xiàn)場施工中取得了良好的實際效果。作為一種相對環(huán)保的產品，相信在類似海洋復雜的地質條件下能夠更大地發(fā)揮作用。此施工經(jīng)驗亦可以在砂層較厚陸地樁基旋挖施工中推廣應用。

參考文獻：

[1]李華.化學泥漿在復雜地質條件下旋挖成孔施工工藝中的應用研究[J].中國高新技術企業(yè)，2013（25）.

[2]夏成元，程元瑞，侯麗君.聚合物泥漿在旋挖鉆孔灌注樁施工中的應用[J].四川水利水電，2012（3）.

[3]劉川.化學聚合物泥漿在旋挖鉆孔樁施工中的應用[J].公路，2010（10）.