深水特殊地質(zhì)條件下大直徑超長(zhǎng)樁基泥漿 制備技術(shù)研究

薛 勇

（中鐵十六局集團(tuán)有限公司， 北京 100018）

1 工程背景

永寧黃河公路大橋位于寧夏回族自治區(qū)銀川市永寧縣和靈武市之間，屬于銀川市綜合交通規(guī)劃中的銀川市第二繞城通道的一部分，是跨越黃河天塹的又一通道。

永寧黃河公路大橋起點(diǎn)樁號(hào)為K11+789.7，終點(diǎn)樁號(hào)為K15+542.8。主橋全長(zhǎng)3743m，橋跨結(jié)構(gòu)布置為(110+260+110)m 雙塔雙索面斜拉橋。主墩樁基104 根，直徑2.2m，樁長(zhǎng)80m；地質(zhì)主要為飽和液化砂土及卵石土，鉆孔揭示實(shí)際地質(zhì)：12m～28m 為細(xì)砂，28m～30m 粉砂，30m～31m 砂礫，31m～40m 細(xì)砂，40m～41m 粉砂，41m～45m 細(xì)砂，45m～58m 粘土，58m～93m 細(xì)砂。

根據(jù)項(xiàng)目工期要求和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，通過(guò)鉆機(jī)機(jī)型比選選用XR360 旋挖鉆機(jī)成孔，但由于鉆進(jìn)速度快、土質(zhì)擾動(dòng)大、施工過(guò)程易塌孔、易縮徑，所以泥漿性能的控制是保證本工程質(zhì)量與進(jìn)度的一個(gè)重難點(diǎn)[1]。

2 工程特點(diǎn)

本項(xiàng)目主墩樁基施工具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）樁基鉆孔時(shí)間長(zhǎng)，鋼筋籠長(zhǎng)，主筋數(shù)量多，主筋對(duì)接時(shí)間長(zhǎng)，樁基施工過(guò)程中泥漿靜置時(shí)間長(zhǎng)，泥漿含砂率大，清孔時(shí)間長(zhǎng)，鋼筋籠孔口連接到砼灌注結(jié)束至少需要36 小時(shí)。

（2）樁基施工過(guò)程中泥漿靜置時(shí)間長(zhǎng)，混凝土方量大，混凝土灌注時(shí)間長(zhǎng)，施工過(guò)程中易發(fā)生縮徑、夾層或塌孔現(xiàn)象。

（3）地質(zhì)情況以粉細(xì)砂為主，泥漿的浮砂性能要求高，普通泥漿不能滿足施工要求。

3.動(dòng)態(tài)相關(guān)系數(shù)圖分析與配對(duì)樣本T檢驗(yàn)?！吧罡弁ā遍_(kāi)通前后兩階段深港兩地的收益率對(duì)沖擊的反應(yīng)表現(xiàn)出非對(duì)稱性，同時(shí)兩地之間也存在著較強(qiáng)的持續(xù)動(dòng)態(tài)相關(guān)性，為了更加清晰、直觀地考察深港兩地之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)度，需要通過(guò)動(dòng)態(tài)相關(guān)系數(shù)圖進(jìn)行分析。

（4）主墩樁基均位于河道中，采用旋挖鉆機(jī)施工，容易發(fā)生呼吸效應(yīng)，泥漿的護(hù)壁要求有較高的泥皮韌性。

（5）水上作業(yè)施工安全風(fēng)險(xiǎn)大。

3 泥漿的制配

3.1 泥漿的作用及性能

泥漿在樁基施工過(guò)程中的作用：

（1）護(hù)壁作用，防滲、防水帷幕。以孔內(nèi)高于地下水位的泥漿的側(cè)壓力平衡孔壁土壓力和孔周水壓力[2]。

（2）懸浮土渣，攜帶土渣出樁孔。避免土渣沉入孔底造成樁底沉渣厚度超標(biāo)。

樁基采用XR360 型旋挖鉆鉆孔成孔，高性能泥漿進(jìn)行護(hù)壁和清孔作用，要求施工過(guò)程中泥漿應(yīng)具備以下性能：

（1）物理穩(wěn)定性：即靜置相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間其性質(zhì)不變化，不因重力而沉淀。

（2）化學(xué)穩(wěn)定性：不因水泥等異物混入而污染。

（3）適當(dāng)?shù)谋戎兀恒@孔過(guò)程中泥漿比重大對(duì)孔內(nèi)護(hù)壁、浮渣有利，但比重過(guò)大會(huì)使泥漿泵的工作能力下降，同時(shí)妨礙混凝土灌注。

（4）良好的觸變性：要求泥漿在流動(dòng)時(shí)，阻力很小，以便泵送。當(dāng)停止鉆孔時(shí)，泥漿能很快凝聚成凝膠狀，避免漿中砂粒迅速下沉；而附著在孔壁的泥漿能很快固結(jié)，以維持孔壁穩(wěn)定[3]。

（5）形成薄而韌的泥皮，附于孔壁上，不透水。

（6）不產(chǎn)生過(guò)多氣泡。

3.2 泥漿最優(yōu)配合比的確定

3.2.1 制漿材料選取

根據(jù)泥漿性能要求，結(jié)合本項(xiàng)目特定的地理位置及樁基施工工藝特點(diǎn)等，對(duì)制備泥漿材料進(jìn)行了選取。

（1）土的選?。衡c基膨潤(rùn)土泥漿具有相對(duì)密度低、黏度好、失水量小、泥皮薄、穩(wěn)定性強(qiáng)、固壁能力高、氣具回轉(zhuǎn)阻力小、鉆進(jìn)率高、制漿能力大等特點(diǎn)[3]，作為了本項(xiàng)目首選造漿土源。選取了5 種膨潤(rùn)土土源(分別為：湖南膨潤(rùn)土、鶴壁膨潤(rùn)土、中衛(wèi)膨潤(rùn)土、濰坊膨潤(rùn)土、邯鄲膨潤(rùn)土)。

（2）水的選?。焊鶕?jù)地理位置、用水成本等考慮，選取了3 種水源，即地下井水、池塘水、黃河水)。

（3）分散劑的選?。翰捎眉儔A（Na2CO3）作為分散劑。分散劑的首要作用是使進(jìn)入水中的膨潤(rùn)土顆粒分散開(kāi)來(lái)，形成外包水化膜的膠體顆粒，可有效改善泥漿的性能[4]。

（4）改性劑的選?。翰捎昧u甲基纖維素能夠提高泥漿的黏度，具有使護(hù)壁表面形成化學(xué)膜泥皮和降低失水量的功能。

3.2.2 制漿試驗(yàn)

通過(guò)調(diào)整泥漿配合比中的土、水、減、纖維素的比例，對(duì)不同配比的泥漿性能進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)比對(duì)，比選出了最優(yōu)的泥漿施工配合比，該配比的泥漿不僅能滿足鉆孔和混凝土灌注過(guò)程的護(hù)壁需求，還能使懸浮的細(xì)砂在泥漿中保持至少36小時(shí)不沉淀，為樁基成樁的質(zhì)量與進(jìn)度提供了有力保障。泥漿試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 泥漿試驗(yàn)結(jié)果表

3.2.3 確定最優(yōu)施工配合比

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)不同地區(qū)膨潤(rùn)土、不同水源、不同配合比配制的泥漿性能進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)比對(duì)，得出以下結(jié)論：

（1）膨潤(rùn)土在黃河水中膨化效果最好，池塘水次之，地下井水最差；

（2）對(duì)本項(xiàng)目土源制漿性能來(lái)看，湖南膨潤(rùn)土最好，鶴壁膨潤(rùn)土次之，而邯鄲土、寧夏中衛(wèi)土、濰坊土不適合本項(xiàng)目制漿施工；

（3）水:土:堿:纖維素為400:40:3.2:0.24 時(shí)，湖南土、鶴壁土均能滿足施工需求；水：土：堿：纖維素為400:35:3.2:0.24 時(shí)，僅湖南土能滿足施工需求。

綜合考慮施工成本、泥漿比重、泥漿黏度及施工實(shí)際可操作性，優(yōu)先確定選用400:40:3.2：0.24 的配合比作為最優(yōu)泥漿施工配合比；土源選用湖南鈉基膨潤(rùn)土，施工用水采用黃河水或池塘水(不得使用地下井水制備泥漿)。水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果及泥漿配合比比選結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果及泥漿配合比比選結(jié)果

4 泥漿制作及循環(huán)系統(tǒng)

采用造漿機(jī)在造漿池內(nèi)按照試驗(yàn)確定的最優(yōu)施工配合比制備泥漿，制備完成的泥漿采用泥漿泵泵送至泥漿池內(nèi)儲(chǔ)存?zhèn)溆?。主墩每個(gè)鉆孔平臺(tái)泥漿制備機(jī)具采用兩臺(tái)泥漿攪拌機(jī)、1 個(gè)800m2 的泥漿儲(chǔ)漿池、2 臺(tái)22KW 泥漿泵和2 個(gè)20m的鋼箱沉淀池，泥漿循環(huán)凈化系統(tǒng)由鋼管組成的泥漿循環(huán)通道、儲(chǔ)漿池、泥漿濾砂器(兩臺(tái))及泥漿沉淀池、泥漿泵等組成。泥漿循環(huán)通道連接儲(chǔ)漿池與鋼護(hù)筒之間用于泥漿循環(huán)。泥漿攪拌機(jī)置于泥漿池的上面，用于制拌泥漿[5]。泥漿濾砂器用于分離處理泥漿中大顆砂粒，凈化泥漿。泥漿循環(huán)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 泥漿循環(huán)系統(tǒng)示意圖

5 施工注意事項(xiàng)

（1）第一次制作泥漿時(shí)，先將定量的清水加入攪拌機(jī)，然后慢慢地加進(jìn)膨潤(rùn)土，再加纖維素和工業(yè)堿。由于纖維素和堿可能會(huì)影響膨潤(rùn)土的溶脹，所以要在膨潤(rùn)土之后放入。并開(kāi)動(dòng)機(jī)械攪拌，成漿后，打開(kāi)出漿門將泥漿流入儲(chǔ)漿池中。泥漿的攪拌方法對(duì)膨潤(rùn)土的溶脹程度影響很大。攪拌個(gè)夠充分，泥漿的粘度和失水量都會(huì)受到影響。泥漿攪拌完全均勻所需的時(shí)間根據(jù)攪拌機(jī)的攪拌能力、膨潤(rùn)土的質(zhì)量以及加料方式不同而有所差異，原則上要根據(jù)攪拌試驗(yàn)的結(jié)果在現(xiàn)場(chǎng)決定攪拌時(shí)間[6]。

（2）為了保證施工各階段的泥漿性能指標(biāo)，對(duì)鉆孔全過(guò)程進(jìn)行泥漿性能監(jiān)測(cè)監(jiān)控。開(kāi)鉆施工期間，每1 小時(shí)檢測(cè)一次，等到泥漿性能穩(wěn)定后，每2 小時(shí)檢測(cè)一次，并根據(jù)鉆進(jìn)過(guò)程中地層變化情況增加檢測(cè)頻率。

（3）根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況在鋼棧橋橋頭設(shè)置泥漿沉淀池、儲(chǔ)漿池，用兩根鋼管連接到鉆孔平臺(tái)，一根為進(jìn)漿，一根為回漿，鉆孔平臺(tái)上設(shè)置泥漿中轉(zhuǎn)箱。鉆孔時(shí)泥漿通過(guò)進(jìn)漿口進(jìn)入樁孔內(nèi)，灌注時(shí)排出泥漿通過(guò)泥漿泵抽入中轉(zhuǎn)箱回入儲(chǔ)漿池。

（3）鉆孔樁施工時(shí)，為及時(shí)排除孔內(nèi)鉆渣，提高鉆孔效率，泥漿循環(huán)系統(tǒng)中采用先進(jìn)的ZX-250 型泥漿處理器排渣。泥漿處理機(jī)可直接將鉆渣從泥漿中分離，處理后的泥漿可循環(huán)回入孔內(nèi)，縮短了清孔時(shí)間。

（4）在黃河區(qū)域內(nèi)施工，環(huán)保最為重要，產(chǎn)生的鉆渣和泥漿不能就近倒入河中，應(yīng)將鉆渣集中收集堆放，用汽車轉(zhuǎn)運(yùn)到指定棄土場(chǎng)進(jìn)行處理。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比得出的最優(yōu)泥漿配合比滿足實(shí)際施工需求，完成的260 根樁基實(shí)體經(jīng)第三方檢測(cè)全部為Ⅰ類樁基。施工過(guò)程中未出現(xiàn)塌孔、縮徑等不良現(xiàn)象，施工的沉渣厚度也得到了有效控制。該泥漿配合比在飽和液化砂土、砂礫土等特殊地質(zhì)情況下的樁基泥漿制備施工具有很好的指導(dǎo)意義，值得在類似工程的施工過(guò)程中推廣應(yīng)用。