泥漿循環(huán)系統(tǒng)設計及泥漿配合比研究

肖光強

(中交二航局第一工程有限公司，重慶 402160)

1 工程概況

埃及蘇赫娜第二集裝箱碼頭位于蘇伊士運河南入口約40 km，在開羅東南方向 140 km，丘陵山地。

根據(jù)地質(zhì)報告現(xiàn)場地質(zhì)大體分為3層，地面標高至+1m為細砂層或砂夾泥層，為松散地層；+1m至-8.5為較密實的細砂層，中間偶爾會遇到1～2m的黏土層；-8.5m至-22m為較為密實的砂卵石層。而本項目地連墻設計底標高以達到了砂卵石層，碼頭岸線1 400 m左右，前400 m超過-22 m都為密實的砂卵石層，之后1 000 m地質(zhì)則較松軟，因此，沿岸線方向又將碼頭分為M1(前400 m)和M234(后1 000 m)兩個區(qū)域。

2 泥漿的基本組成和主要性能指標

在地連墻施工過程中，泥漿有著至關重要的作用。首先，地連墻施工需要持續(xù)的新鮮泥漿供應以維持槽壁的穩(wěn)定性，成槽是否穩(wěn)定快速與泥漿好壞密不可分；其次，在施工過程中，泥漿循環(huán)可以使泥渣懸浮并攜帶一部分泥渣，加快施工效率；并且，銑槽機或液壓抓斗在持續(xù)高速的運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生高溫，長時間運行對機具損耗巨大，泥漿循環(huán)可以冷卻和潤滑機具，使其可以長時間運轉(zhuǎn)并降低損耗。

2.1 泥漿的基本組成

泥漿是指有清水和膨潤土加上一些添加劑拌和而成的混合液；所以泥漿主要組成有三個部分。

1)清水：泥漿的溶劑，清水水質(zhì)直接影響泥漿的性能。

2)膨潤土：泥漿的主要成分，其膨化性能，與水混合的密度、稠度都與泥漿性能息息相關。

3)添加劑：由于地質(zhì)條件的不同，往往需要不同性能的泥漿，如早期護壁，后期護壁，因此，往往添加一些不同的添加劑提升泥漿性能；另外，在地連墻施工過程中，開挖會摻和一些砂土降低泥漿性能，加入添加劑可有效地防止泥漿劣化。

2.2 泥漿的性能指標

泥漿的性能主要表現(xiàn)在比重、黏度、含砂率、pH值四個方面。

1)比重：比重增加，槽壁穩(wěn)定性增加，泥皮厚度減小，攜渣能力增加，比重過大，滲流增多，不利于固壁。

2)黏度：黏度增加，槽壁穩(wěn)定性減弱，黏度過大，鉆挖阻力大，生成泥皮厚，不利于槽壁穩(wěn)定。

3)含砂率：含砂率增加，攜渣能力減弱，比重增加，黏度減少，含砂率越小越好，一般不應大于5%。

4)pH值：pH值過大不利于槽壁穩(wěn)定，一般8～9為宜。

3 泥漿配合比設計

不同的地質(zhì)條件和施工工藝往往需要不同性能的泥漿。以埃及蘇赫納第二集裝箱碼頭為例，縱向為砂卵石地層，橫向本項目沿碼頭岸線分為地質(zhì)較硬的M1(前400 m)和地質(zhì)較松軟的M234(后1 000 m)；與之對應，M1區(qū)域采用更適合硬層的液壓抓斗成槽，M234采用銑槽機和液壓抓斗同時施工，大大加快了施工效率。

M1地質(zhì)硬，成槽慢，液壓抓斗配備的泥漿循環(huán)系統(tǒng)運輸距離遠；另外，M1臨海，潮汐使得地下水位增高，加大了泥漿護壁的壓力；而且一部分海水通過滲流混合到泥漿中，加速了泥漿劣化，因此適合后期護壁泥漿；M234地質(zhì)軟，成槽快，與銑槽機配備的泥漿循環(huán)系統(tǒng)運輸距離近，因此適合前期護壁泥漿。

根據(jù)不同的地質(zhì)條件和施工工藝，本項目設計了前期護壁，后期護壁兩種泥漿。

3.1 早期泥漿配制

首先，對原材進行選擇，筆者在埃及市場選取了3種水質(zhì)較好的清水為1號清水、2號清水、3號清水；和3種膨化性能較好的膨潤土分別為1號膨潤土、2號膨潤土、3號膨潤土。然后分別隨機組合得到9種性能指標不同的泥漿溶液分別對其性能指標進行測試得到表1。

表1 新制泥漿性能對比

3.2 實驗確定泥漿

配制好新制泥漿后，筆者將9種泥漿分別在M1和M4不同地質(zhì)條件下選取9幅地連墻進行現(xiàn)場試驗，并由清孔達到標準含砂率的時間、以及護壁效果(是否塌孔：澆筑的標高與設計標高差值比較)等進行優(yōu)劣對比，如表2。

表2 泥漿性能對比表

根據(jù)結(jié)果，對于M1區(qū)域筆者選取了后期護壁效果較好的 1號泥漿，對于M4區(qū)域筆者選取前期護壁效果較好的 5號泥漿。

3.3 泥漿的性能指標標準

根據(jù)規(guī)范要求查得泥漿要求的比重，黏度，含砂率以及pH值等性能指標如表3。

表3 泥漿性能指標表

根據(jù)成槽工藝和地質(zhì)條件的不同，適當提高比重，利于護壁，形成早期護壁泥漿；適當增加黏度，降低比重形成后期護壁泥漿。

4 泥漿循環(huán)系統(tǒng)設計

設計了適合不同地質(zhì)和工藝的泥漿還不能保證泥漿性能的完美發(fā)揮，因為影響泥漿性能不只是配合比的設計和原材料的選用，其中泥漿的儲存時間和運輸距離也是影響泥漿性能的重要因素。長時間的靜置容易造成泥漿分層；運輸距離過長泥漿也容易在關閉形成膠化物，從而劣化；因此，為了保證泥漿的良好性能不得不設計一個完美的泥漿循環(huán)系統(tǒng)。

泥漿循環(huán)系統(tǒng)一般分為兩種。傳統(tǒng)的泥漿循環(huán)系統(tǒng)，液壓抓斗和鋼絲繩抓斗一般采用傳統(tǒng)的泥漿循環(huán)系統(tǒng)；新型的泥漿循環(huán)系統(tǒng)，銑槽機與之對應；兩種系統(tǒng)各有利弊，本項目根據(jù)不同的工藝，兩種泥漿循環(huán)系統(tǒng)均有設計；下面對兩種系統(tǒng)進行介紹分析，對比優(yōu)缺點，希望對類似項目提供參考。

4.1 傳統(tǒng)的泥漿循環(huán)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的泥漿循環(huán)系統(tǒng)需就近修建泥漿站，包含三個泥漿池，分別為：新制泥漿池、泥漿儲存池、泥漿回收池；在新制泥漿池中制備泥漿，在泥漿儲存池中膨化泥漿在通過泥漿管道用泵輸送至槽體，在施工的同時用泵回收泥漿，通過回收管道輸送至泥漿回收池；泥漿回收池中可利用的泥漿轉(zhuǎn)入泥漿制備池中循環(huán)利用，不能利用的廢棄泥漿用自卸車運到指定區(qū)域進行丟棄。

整個泥漿系統(tǒng)簡單易行，建造成本較低，但泥漿利用率不高；且泥漿池占地面積較大，基本只能一次使用，施工完成后需拆除，前期準備時間較長，在泥漿池運行過程中泥漿容易泄露需經(jīng)常進行文明施工維護；泥漿儲存時易摻雜垃圾和雨水影響泥漿性能；泥漿輸送管道較長，鋪設費時費力。

4.1.1 泥漿系統(tǒng)總體布置

本項目施工沿線約1 350 m,最初計劃將漿站設置在最西邊，由于地質(zhì)條件不同，以M1和M234分隔開在M1的端頭設置一個臨時的漿站，以便提供不同護壁效果的泥漿。

總體布置如圖1。

圖1 泥漿系統(tǒng)總體布置圖

4.1.2 泥漿系統(tǒng)優(yōu)化

在實際運行過程中，筆者發(fā)現(xiàn)泥漿性能受運距的影響極大；新制性能良好的泥漿在經(jīng)過長達1 km的運輸后開始劣化，比重和黏度加大，護壁效果變差，性能變得不再優(yōu)良因此筆者優(yōu)化了泥漿管線，假設臨時漿站減少泥漿的運輸距離，使泥漿性能達到最大的保障。

優(yōu)化后泥漿系統(tǒng)布置如圖2。

圖2 優(yōu)化后泥漿系統(tǒng)總體布置圖

4.2 新型的泥漿循環(huán)系統(tǒng)

與傳統(tǒng)泥漿循環(huán)系統(tǒng)不同的是新型泥漿循環(huán)系統(tǒng)采用泥漿罐代替了泥漿池，不需建造泥漿池，只需修筑一個泥漿罐放置平臺即可施工；同樣分為泥漿制備罐、泥漿儲存罐、泥漿回收罐，與傳統(tǒng)泥漿循環(huán)系統(tǒng)不同的是銑槽機本身安裝了一個泵，在施工過程中由泥漿儲存罐輸送泥漿至槽體，銑槽機本身會將泥漿循環(huán)，將可利用的泥漿循環(huán)利用，不可利用的輸送至泥漿回收罐。與傳統(tǒng)泥漿系統(tǒng)相比，新型泥漿循環(huán)系統(tǒng)大大提高了泥漿利用率，且泥漿罐與銑槽機相連，管道距離短，不用擔心運輸距離長導致泥漿劣化，并且利用泥漿罐儲存泥漿本身就是封閉的不用擔心泥漿遮蔽問題，泥漿不會與雜物混合而影響性能；但由于泥漿循環(huán)系統(tǒng)與銑槽機配套，成本較高，一旦故障，維修較為困難。

4.2.1 泥漿系統(tǒng)總體布置

由于工期緊，項目總體進度部署，所以在地連墻施工后期，本項目引進了新型泥漿罐循環(huán)系統(tǒng)，按照泥漿池循環(huán)系統(tǒng)的經(jīng)驗，泥漿罐僅設置在西端頭滿足M4區(qū)域施工，減少了泥漿運距，保證了泥漿性能。泥漿系統(tǒng)總體布置圖如圖3。

圖3 泥漿系統(tǒng)總體布置圖

4.3 方案對比分析

為滿足總體施工和進度安排，埃及蘇赫納項目采用兩種循環(huán)系統(tǒng)，在施工前期，采用成本較低的傳統(tǒng)泥漿池，隨著施工進程的發(fā)展不斷減少循環(huán)路徑，優(yōu)化循環(huán)路線，在M4區(qū)域采用成本較高但泥漿性能優(yōu)良的新型泥漿罐從而整體達到利益最大化。

相比較而言，泥漿罐整體優(yōu)于泥漿池，值得注意的是泥漿最大涵蓋運距不宜超過500 m，否則，泥漿性能會受到影響。

5 結(jié)束語

泥漿的合理運用對于地連墻施工具有至關重要的作用，研究泥漿的性能、配比、制備過程、作用機理，設計出滿足不同地質(zhì)條件和施工工藝要求的泥漿，并且對現(xiàn)有的泥漿循環(huán)系統(tǒng)進行優(yōu)化，應用到工程實際中，具有巨大的社會效益和經(jīng)濟效益，希望對類似的工程項目有所幫助。

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