高效穩定液在旋挖鉆成孔技術中的研究與應用

盛漢洋

（1.中南建設集團有限公司，湖南 長沙 410015；2.湖南省有色地質勘查局工程地質總隊，湖南 長沙 410015）

0 引言

橋梁施工中鉆孔灌注樁成孔方法很多，根據灌注樁工藝的不同，主要有長短螺旋鉆、機動洛陽鏟、潛水鉆、正反循環回旋鉆、沖擊鉆及旋挖鉆等。但適用大直徑、深基礎及軟弱復雜地層的成孔方法，比較常見的有沖擊鉆、正反循環回旋鉆和旋挖鉆等幾種。其中無套管旋挖鉆具有成孔速度快、質量好、移動方便等特點，目前在工程建設中被廣泛使用。

旋挖鉆成孔法利用的是旋挖鉆可調節長度的伸縮鉆桿的插入以及鉆斗的正反旋轉及重力作用而使巖土進入鉆斗，土屑切滿后，即提升鉆斗出渣；經過鉆斗深入、旋轉、切土、提升和出渣一系列反復循環的動作，達到切入設計樁底標高的目的。該方法的優缺點見表1。

1 工程概況

1.1 水文、氣候、氣象

岳陽市華容縣梅田湖大橋橋位所跨藕池河屬洞庭湖水系，水量較豐富，具有明顯的季節性河流特性，河水受降水影響明顯，雨季多集中于4～7月，此期間為汛期，洪水泛濫，水流急，含泥、砂量大，具較強的沖刷力；一般10月至翌年3月為枯水期，為橋梁基礎工程的良好施工期。

表1 旋挖鉆成孔法優缺點

橋位區地下水類型主要為第四系覆蓋層中的孔隙潛水。主要含水層為細砂、礫石、礫砂層，水量較豐富。地下水水位埋深1.00～4.00m，水位標高27.00～30.00m，場地地下水對混凝土具有微腐蝕性。

1.2 地形、地貌

岳陽市華容縣梅田湖大橋及其接線工程位于岳陽市華容縣西側，場地地貌類型屬于洞庭湖平原。特大橋跨越藕池河東支，勘察時水面寬約120m，水深不到1m。兩岸河堤間距約465m，堤內東側分布有寬約300m的河漫灘，河漫灘標高為34～35m，河堤標高約37m；大堤堤外兩側地形平坦開闊，地面標高為30～33m，溝渠縱橫，農田遍布，以種植水稻、棉花等經濟作物為主，其間零星分布農舍，有機耕道相通，交通較為便利。

1.3 地層巖性

根據地質調繪和鉆探揭露，結合室內巖土土工試驗，橋位區地層按時代及成因分類，在勘察深度范圍內地層為第四系全新統（Qh）及更新統（Qp），其地層主要性質及物理力學指標見表2。

2 泥漿與高效穩定液對比

2.1 泥漿

鉆孔灌注樁的泥漿由水、黏土（或膨潤土）攪拌而成，可就地取材、造價低。鉆孔中，泥漿的降水壓力比水大，在此壓力作用下，泥漿在孔洞井壁形成一層較穩定的泥皮，能阻止隔離孔內外水的滲流，保護井壁不坍塌。

2.2 高效穩定液

高效穩定液以合格水即人畜可飲用水為主體，按比例加入膨潤土或CMC（羧甲基纖維素）為主要成分的各種原料（見表3），造價較高。高效穩定液適宜在軟土、粉砂、淤泥、有承壓水等復雜地層的大直徑、深孔旋挖鉆且容易塌孔的成孔工藝中使用。

2.3高效穩定液的作用

（1）保護孔壁，防止從開始鉆進到水下混凝土灌注完成期間發生孔壁坍塌現象。

（2）抑止樁位地基的地下水壓力，使其保持相對靜止。

表2 地層主要性質及物理力學指標

（3）抵抗和支撐孔壁土壓力，防止地基土層流動。

（4）從鉆孔開始至水下混凝土灌注完成期間，保持孔壁表面較長時間穩定。

（5）高效穩定液能緩慢滲入地基，增加地基強度。（6）容易清孔。

（7）保證灌樁順利。由于高效穩定液穩定的親液膠體和不與混凝土相混合的性質，水下灌注時能被混凝土代替而排出。

2.4 高效穩定液制備方法

（1）機械攪拌。用泥漿攪拌機攪拌成漿后放至泥漿池內，再抽至孔內。也可在混凝土攪拌站攪拌成漿，用灌車運至工地現場。

（2）人工攪拌。將各種原料按配比加入制漿池內，然后用人工攪拌均勻。

（3）鉆錐攪拌。將各種原料直接投入鉆孔內，利用鉆錐攪拌。此方法勞動強度低，效率高，但均勻性稍差。

2.5 高效穩定液各性能指標的測定

（1）相對密度ρx。工地上一般用相對密度計直接測定。若無儀器，可用一口杯，先標其質量m1（g），裝滿水成為m2（g），倒去清水后裝滿泥漿，并擦去溢出的泥漿，稱重為m3（g），則相對密度ρx為：

（2）靜切力θ。用空心不銹鋼泥漿切力計測定，泥漿靜切力θ計算式[1]為：

式中：θ為泥漿切力，N/m2；a為切力計重力（1.4855N）；F為切力計橫斷面積（7.5cm2）；h為切力計沉入泥漿中的深度，cm；r為泥漿容重，N/cm3；S為切力計橫斷面周長（13cm）。

計算出的切力單位為N/cm2，按1Pa=1×10-4N/cm2，換算成Pa。

（3）黏度η。現場用工地標準漏斗黏度計測定。以500mL泥漿（無大砂粒）從標準漏斗中流出所需時間為所測泥漿的黏度，單位s。

（4）含砂率。用含砂率計直接測定。小型含砂率計測定值為儀器下端沉淀（體積）讀數乘2；大型含砂率計測定值為直接讀取，不乘2。

（5）膠體率。膠體率是泥漿中土粒保持懸浮狀態的性能。測定方法是用100mL量杯倒入100mL泥漿靜置24h后，量取杯中上部清水的體積，膠體率為100-上部清水體積。

（6）失水率。工地上用濾紙法測定。用1張12cm×12cm的濾紙，放置于水平的玻璃板上，在濾紙中央畫出直徑為3cm的圓圈，將2mL的泥漿輕輕滴入圓圈內，30min過后，按規定方法測量濕圓圈的平均直徑；將圓圈內泥漿攤平，用同樣方法測量泥皮平均直徑。2個直徑的差值即為失水率。

（7）酸堿度（pH值）。工地上一般用比色法，或用pH酸堿計直接測量。

表3 高效穩定液主要成分和配比

（8）穩定度。穩定度是高質量泥漿的穩定性指標，為不同部分泥漿相對密度的差值。

2.6 鉆孔工藝

選用ZR360C-2鉆機，動力頭輸出扭矩360kN·m，成孔直徑為1.5～3.0m，成孔深度為65～110m，完全適合岳陽市華容梅田湖大橋樁基工程的施工。

2.6.1 護筒埋設

護筒用厚10mm鋼板卷制焊接而成，直徑比樁基設計直徑大0.6～1.0m。護筒底置于穩定的黏土層中（如不含黏土層則開挖換填黏土），周邊夯實，護筒標高高于施工最高水位2m以上，并高于地下水位。

2.6.2 鉆進工藝參數的控制與確定

（1）鉆壓。施加壓力為軸向壓力，壓力與孔底工作面垂直，不偏壓。鉆壓需根據巖層的物理性質、工程力學性質、鉆斗的直徑、類型和操作人員技能，并結合其他鉆進參數予以綜合確定。如軟土巖層單軸抗壓強度[N]=30～70MPa，鉆孔直徑1.5m以上時，則鉆壓經驗數據為30～40kN。

（2）鉆進轉速。根據地層、鉆速、刀具磨耗、鉆進阻力、鉆機性能等多因素綜合考慮，對于穩定較差的土層、極不穩定的砂層、流砂層，鉆徑1.5m以上的樁孔，一般轉速為5～15r/min。

（3）回次進尺長度的確定。不大于鉆斗高度的0.8倍，若鉆斗高度為1m，則回次進尺長度不得大于0.8m。

（4）鉆具下降、提升速度控制。空鉆斗升降時，穩定液會流入鉆斗內部，一般情況下不會破壞孔壁，造成孔壁坍塌。對于直徑大于1.5m的鉆孔，升降速度一般可控制在0.8m/s，小樁徑鉆孔升降速度可適當加大。帶渣提升過程相當于鉆具在孔內做活塞運動，提升速度越快，所形成的負壓力越大，抽吸作用越強，因而對孔壁的穩定影響越大，這樣很容易發生孔壁失穩坍塌事故，因此應綜合孔徑大小、土質情況、人工操作技能去調整提升速度，提升時要準、慢、穩。孔徑在1.5m以上的鉆孔，升降速度宜控制在0.6m/s以內。

（5）孔內穩定液面的控制。鉆孔過程中，孔內液面隨時變動，因鉆具提升瞬間孔內液面會迅速下降，這時必須及時補充穩定液，盡可能保證鉆孔液柱的平衡。

2.7 高效穩定液的性能參數

根據地層情況、鉆具性能和工程環境條件，試驗確定的高效穩定液最小黏度為25s；pH值最高為11；膨潤土的最低濃度為8%。

高效穩定液性能參數表見表4。

2.8 造漿池、沉淀池和貯漿池體積的確定

造漿池體積V造為：

式中：Q=（85-115）D2，Q為泥漿循環所需流量，m3/h，D為鉆孔直徑，m；系數K=Q/Q1，其中的Q1為造漿能力，m3/h。

沉淀池體積V沉（一般設2個輪換）為：

式中：H為鉆孔深度，m。

貯漿池體積V貯為：

2.9 泥漿重復利用

（1）機械凈化法：用高頻振動篩篩出0.5mm以上顆粒，用皮帶輪輸入汽車、運走，混有0.5mm以下顆粒的泥漿返回孔內再利用。

（2）重力沉淀法：利用重力原理制造旋流除渣器，排除顆粒物，收集泥漿再利用。

（3）化學凈化法：在泥漿內加入分散劑FCL，使鉆渣顆粒加速聚集沉淀，以重復利用除渣后的泥漿。

3 特殊地層鉆進

3.1 漏失層

（1）對于漏失不嚴重的地層，選用低密度高效穩定液防漏。降低密度的主要方法為：采用優質膨潤土，用水解度30%的聚丙烯酰胺絮凝清除劣質土和鉆渣，并加入煤堿劑鈉、羧甲基纖維素。

（2）漏失嚴重時，需填土一段一段回轉擠壓形成人工護壁，既堵漏又護壁。同時加入高效穩定液，要求為高黏度，黏度30～50s，高固相含量，相對密度為1.2左右，30min失水率為8～10mL。

（3）遇漏水地段，可配置加重穩定液，一邊造孔一邊投入重晶石粉，穩定液的相對密度大于1.3，黏度大于30s，pH=8～9，30min失水率小于15mL，靜切力30～50mg/cm2，膠體率不小于97%。

3.2 障礙物

遇到地下障礙物時，采用輕壓慢轉上下活動、正反交替轉動循環，反復切削鉆渣障礙物。

4 清孔

第1次清孔是在鉆孔達到設計標高后，鋼筋籠未下入孔內之前進行。用帶擋板的鉆斗清渣，時間較長時，用水泵進行抽水循環。

第2次清孔是在鋼筋籠下入孔內后，在混凝土灌注前進行。利用灌注導管，用抽水泵反循環進行排渣，直至達標。

5 不同鉆孔方法與高效穩定液使用后效果對比

灌注樁第1步工作是造成合格的孔，主要檢查項目要求為：垂直度合格，沉渣不超標，樁徑、樁深符合設計要求，平面位置準確。只要不趕工期，較復雜地層條件下用沖擊鉆都可成孔。如遇困難、特殊地段添加穩定液、固體填料都可解決，但時間長、成本高，有時會出掉鉆頭等事故。而同樣地質條件，使用添加高效穩定液旋挖鉆成孔可大大縮短工期，綜合成本低，同時成孔、成樁質量又有保證。

表4 高效穩定液性能參數表[2]

岳陽市華容梅田湖大橋13#-1樁采用沖擊鉆成孔，13#-2樁采用添加高效穩定液旋挖鉆成孔。兩者地質條件完全相同，經檢測，添加高效穩定液旋挖鉆成孔的各項質量指標遠遠好于沖擊鉆鉆成的孔，且優于現行規范標準。

沖擊鉆成孔與添加高效穩定液旋挖鉆成孔的沉渣厚度對照、成孔質量比較和成本比較見表5~表7。

表5 沖擊鉆成孔與添加高效穩定液旋挖鉆成孔的沉渣厚度對照

表6 沖擊鉆成孔與添加高效穩定液旋挖鉆成孔質量比較

由表6可知，添加高效穩定液旋挖鉆成孔的質量完全合格，而沖擊鉆成孔的質量有幾項不合格，灌樁前需進一步處理。

由表7可知，同地質條件、同樁徑、同深度的成孔，旋挖鉆加高效穩定液成孔成本比沖擊鉆成孔多70050-53475=16575元，但工期可大大縮短。

綜合表6、表7可知：由于沖擊鉆成孔平均孔徑為235cm，旋挖鉆平均孔徑為228cm，沖擊鉆成孔擴孔率較大，同樁徑、同深度沖擊鉆成孔體積比旋挖鉆加高效穩定液成孔體積大（2.352-2.282）×3.14÷4×85=22m3，需多灌混凝土22×1.02=22.44m3，按C30水下混凝土600元/m3計，需增加混凝土費用13464元。經簡單比較，旋挖鉆加高效穩定液成孔比沖擊鉆成孔成本多16575-13464=3111元。由于旋挖鉆加高效穩定液成孔成樁工藝具有工期和質量優勢，故綜合效益較好。

表7 沖擊鉆成孔與添加高效穩定液旋挖鉆成孔成本比較（采用企業內部單價實測）

6 結語

湖泊地區的地質大都經過雨水長期沖積形成，地質條件復雜，有填土、砂礫、粉砂、流礫、漂石等地層。由于持力層較深，樁基礎都是摩擦樁，樁徑大、樁體深，成孔成樁較困難，一般都采用沖擊鉆、正反循環回旋機及旋挖鉆施工，但沖擊鉆、正反循環回旋機成孔時間長，施工過程容易塌孔，成孔質量不好。采用高效穩定液旋挖鉆成孔，不但進度快，而且質量好，各種材料容易采購，施工時環保很好控制，綜合成本也不高。岳陽市華容梅田湖大橋的實踐表明，對于粉砂、流砂、有承壓水、軟土、淤泥等復雜地層的深大樁基施工，采用添加高效穩定液旋挖鉆施工是非常有效的，對于其他容易塌孔的樁基成孔施工也有一定的借鑒意義。