水玻璃無固相泥漿在松散地層中的應用

■張明田

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司地路院　天津　300251）

水玻璃無固相泥漿在松散地層中的應用

■張明田

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司地路院天津300251）

我們在鐵路地質(zhì)勘察鉆探施工中，經(jīng)常會遇到卵石、圓礫、角礫等碎石類土松散地層，這類地層自穩(wěn)能力差，容易出現(xiàn)鉆孔坍塌、掉塊、埋鉆、卡鉆等現(xiàn)象，施工難度大。通過采用水玻璃無固相泥漿進行護壁處理，能較好地解決碎石類土、基巖破碎帶等松散地層帶來的鉆孔坍塌、掉塊等鉆探施工難度大的問題，取出的巖芯呈柱狀，能較好地反映出地層的真實性。

鐵路勘察碎石類土松散地層無固相泥漿地層代表性

0　前言

在鐵路地質(zhì)勘察鉆探施工中，我們經(jīng)常會遇到卵石、圓礫、角礫等碎石類土松散地層，這類地層松散無膠結(jié)或膠結(jié)程度很差，具有易被沖蝕、水化膨脹等特征，自穩(wěn)能力差。特別是在外界條件（孔壁巖石受力的變化、沖洗液的性能、沖洗液的浸泡與沖刷、鉆具震動與敲擊、升降鉆具時的壓力激動等）的作用下更易發(fā)生孔壁坍塌、掉塊、縮徑等現(xiàn)象，造成埋鉆、卡鉆、套管斷脫、套管無法取出，甚至鉆孔報廢等事故，施工難度很大。

筆者針對碎石類土松散地層的特點，通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，并結(jié)合工程實例，旨在探討松散地層采用水玻璃無固相泥漿的主要技術參數(shù)及施工工藝，供廣大同行參考。

1　水玻璃無固相泥漿

1.1無固相沖洗液的護壁機理：

吸附到巖石表面的聚合物，每一個參與吸附的鏈節(jié)都可能有多種作用力使之與巖石結(jié)合（共價鍵、氫鍵、靜電力、分子間作用力等），每一個分子都有許多鏈節(jié)與巖石表面吸附，所以這種吸附很牢固，不易被沖刷下來。

無固相沖洗液膠配方的確定是通過室內(nèi)泥漿試驗來確定的，評價指標和方法有三種：巖樣在沖洗液中的浸泡試驗、失水試驗和巖樣滾動試驗的回收率。

1.2水玻璃性能

水玻璃(Na2SiO3·9H2O)，俗名泡花堿。它是一種無機聚合物，其聚合物為片狀體或稱為SiO2膠團。水玻璃中SiO2膠團的尺寸隨著水玻璃中SiO2的含量的增加而增大。SiO2膠團表面帶負電荷。水玻璃常態(tài)為粘稠液體，有膠粘性，它可以與水以任意比例混溶，水玻璃呈強堿性。

1.3水玻璃無固相沖洗液的特點

1.3.1護壁性能

能使松散的(如流砂)和松軟的(如粘土)巖石表面層硬化，形成厚約1～1.5mm的固結(jié)層，使原來很軟的粘土表面明顯地變硬。巖石表層硬化是因為水玻璃中SiO2膠團凝聚物本身是硬質(zhì)的，SiO2膠團在巖石表面吸附形成的SiO2薄膜和SiO2膠團進入巖石表層孔隙內(nèi)聚集硬化，使整個巖石表層被硬化和固結(jié)。如果把表面被硬化固結(jié)的巖樣放入清水中浸泡，結(jié)果會久泡不散，說明巖石表面被膠結(jié)得很牢固。

1.3.2水玻璃對巖石

（尤其是硅酸鹽類巖石，大部分卵石的成分以SiO2為主）的膠結(jié)作用：除有SiO2凝膠與巖石表面的物理吸附作用之外，還具有化學吸附作用存在。硅酸鈉溶液能夠抽提出硅酸鹽類物質(zhì)表面上的硅進入溶液中，當水玻璃溶液充滿硅酸鹽巖石顆粒之間的空隙時，巖石表面被抽提下來的氧化硅，使溶液的SiO2含量增加，并逐漸形成新的硬化的玻璃質(zhì)，該玻璃質(zhì)所產(chǎn)生的化學鍵作用力能使兩個松散巖石的表面形成膠結(jié)。

2　工程實例

2.1工程概況

長昆客運專線《球溪河特大橋》位于湖南省泠水江市禾青鎮(zhèn)，橫跨球溪河，共布置鉆孔282孔。上部地層以卵石、圓礫為主，局部含有漂石，卵、礫石厚度一般15～25m，最厚達45m。前期施工中，套管斷脫、卡鉆、埋鉆等事故頻出。從2010年1月15日進場至2010年2月3日，18臺鉆機20天時間共完成鉆孔44孔，鉆探進尺緩慢（平均1～2米/臺·天），施工難度極大。

2.2使用水玻璃無固相泥漿效果

針對《球溪河特大橋》的地層和施工情況，春節(jié)過后我們及時采取了相應措施，選用水玻璃無固相泥漿作鉆孔護壁材料，通過在室內(nèi)做泥漿調(diào)試、巖樣浸泡等試驗，確定水玻璃無固相泥漿配方。

水解聚丙烯酰胺(PHP)-水玻璃沖洗液配方：

PHP0.04%～0.1%；

水玻璃6%～8%；

銨鹽（硫酸銨或硝酸銨）1%～2.2%（地層漏失嚴重時加量應多）

沖洗液性能：密度：1.02Kg/L；失水量：全失水；粘度：26s；PH值12。

在現(xiàn)場使用過程中，由于水玻璃中SiO2凝膠與巖石表面的物理吸附和化學吸附作用，使松散地層中的卵、礫石由散體狀膠結(jié)成整體狀，鉆孔孔壁穩(wěn)定，卡鉆、埋鉆事故率大幅下降。遇到漏失地層，加入銨鹽，使水玻璃無固相沖洗液即刻轉(zhuǎn)換成堵漏漿液，封堵漏失層。

使用水玻璃無固相泥漿后，每臺鉆機的施工周期由原來的8.18天完成1個孔提高到3.07天完成1個孔，巖芯采取率由原來的20%左右提高到90～95%，并且鉆出的巖芯呈柱狀，較好地反映了地層的真實性。

通過使用水玻璃無固相泥漿，《球溪河特大橋》的施工進度和工程質(zhì)量都得到大幅提高，在長昆客運專線籌備組和鐵三院現(xiàn)場地質(zhì)組的巡回檢查中，獲得的較高的好評。

圖1　卵、礫石巖芯照片

3　結(jié)語

由于水玻璃無固相泥漿在鉆桿和孔壁表面形成的SiO2硬質(zhì)薄膜清除了原有的潤滑膜，而且SiO2薄膜表面呈負電性，加之沖洗液的pH值高，所以常用的含陰離子乳化劑的乳狀液，都無力改善鉆具的潤滑條件，因此水玻璃無固相泥漿不適于高轉(zhuǎn)速鉆進。

P62[文獻碼]B

1000-405X（2016）-9-480-1