水玻璃无固相泥浆在松散地层中的应用

■张明田

（铁道第三勘察设计院集团有限公司地路院　天津　300251）

水玻璃无固相泥浆在松散地层中的应用

■张明田

（铁道第三勘察设计院集团有限公司地路院天津300251）

我们在铁路地质勘察钻探施工中，经常会遇到卵石、圆砾、角砾等碎石类土松散地层，这类地层自稳能力差，容易出现钻孔坍塌、掉块、埋钻、卡钻等现象，施工难度大。通过采用水玻璃无固相泥浆进行护壁处理，能较好地解决碎石类土、基岩破碎带等松散地层带来的钻孔坍塌、掉块等钻探施工难度大的问题，取出的岩芯呈柱状，能较好地反映出地层的真实性。

铁路勘察碎石类土松散地层无固相泥浆地层代表性

0　前言

在铁路地质勘察钻探施工中，我们经常会遇到卵石、圆砾、角砾等碎石类土松散地层，这类地层松散无胶结或胶结程度很差，具有易被冲蚀、水化膨胀等特征，自稳能力差。特别是在外界条件（孔壁岩石受力的变化、冲洗液的性能、冲洗液的浸泡与冲刷、钻具震动与敲击、升降钻具时的压力激动等）的作用下更易发生孔壁坍塌、掉块、缩径等现象，造成埋钻、卡钻、套管断脱、套管无法取出，甚至钻孔报废等事故，施工难度很大。

笔者针对碎石类土松散地层的特点，通过室内和现场试验，并结合工程实例，旨在探讨松散地层采用水玻璃无固相泥浆的主要技术参数及施工工艺，供广大同行参考。

1　水玻璃无固相泥浆

1.1无固相冲洗液的护壁机理：

吸附到岩石表面的聚合物，每一个参与吸附的链节都可能有多种作用力使之与岩石结合（共价键、氢键、静电力、分子间作用力等），每一个分子都有许多链节与岩石表面吸附，所以这种吸附很牢固，不易被冲刷下来。

无固相冲洗液胶配方的确定是通过室内泥浆试验来确定的，评价指标和方法有三种：岩样在冲洗液中的浸泡试验、失水试验和岩样滚动试验的回收率。

1.2水玻璃性能

水玻璃(Na2SiO3·9H2O)，俗名泡花碱。它是一种无机聚合物，其聚合物为片状体或称为SiO2胶团。水玻璃中SiO2胶团的尺寸随着水玻璃中SiO2的含量的增加而增大。SiO2胶团表面带负电荷。水玻璃常态为粘稠液体，有胶粘性，它可以与水以任意比例混溶，水玻璃呈强碱性。

1.3水玻璃无固相冲洗液的特点

1.3.1护壁性能

能使松散的(如流砂)和松软的(如粘土)岩石表面层硬化，形成厚约1～1.5mm的固结层，使原来很软的粘土表面明显地变硬。岩石表层硬化是因为水玻璃中SiO2胶团凝聚物本身是硬质的，SiO2胶团在岩石表面吸附形成的SiO2薄膜和SiO2胶团进入岩石表层孔隙内聚集硬化，使整个岩石表层被硬化和固结。如果把表面被硬化固结的岩样放入清水中浸泡，结果会久泡不散，说明岩石表面被胶结得很牢固。

1.3.2水玻璃对岩石

（尤其是硅酸盐类岩石，大部分卵石的成分以SiO2为主）的胶结作用：除有SiO2凝胶与岩石表面的物理吸附作用之外，还具有化学吸附作用存在。硅酸钠溶液能够抽提出硅酸盐类物质表面上的硅进入溶液中，当水玻璃溶液充满硅酸盐岩石颗粒之间的空隙时，岩石表面被抽提下来的氧化硅，使溶液的SiO2含量增加，并逐渐形成新的硬化的玻璃质，该玻璃质所产生的化学键作用力能使两个松散岩石的表面形成胶结。

2　工程实例

2.1工程概况

长昆客运专线《球溪河特大桥》位于湖南省泠水江市禾青镇，横跨球溪河，共布置钻孔282孔。上部地层以卵石、圆砾为主，局部含有漂石，卵、砾石厚度一般15～25m，最厚达45m。前期施工中，套管断脱、卡钻、埋钻等事故频出。从2010年1月15日进场至2010年2月3日，18台钻机20天时间共完成钻孔44孔，钻探进尺缓慢（平均1～2米/台·天），施工难度极大。

2.2使用水玻璃无固相泥浆效果

针对《球溪河特大桥》的地层和施工情况，春节过后我们及时采取了相应措施，选用水玻璃无固相泥浆作钻孔护壁材料，通过在室内做泥浆调试、岩样浸泡等试验，确定水玻璃无固相泥浆配方。

水解聚丙烯酰胺(PHP)-水玻璃冲洗液配方：

PHP0.04%～0.1%；

水玻璃6%～8%；

铵盐（硫酸铵或硝酸铵）1%～2.2%（地层漏失严重时加量应多）

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

在现场使用过程中，由于水玻璃中SiO2凝胶与岩石表面的物理吸附和化学吸附作用，使松散地层中的卵、砾石由散体状胶结成整体状，钻孔孔壁稳定，卡钻、埋钻事故率大幅下降。遇到漏失地层，加入铵盐，使水玻璃无固相冲洗液即刻转换成堵漏浆液，封堵漏失层。

使用水玻璃无固相泥浆后，每台钻机的施工周期由原来的8.18天完成1个孔提高到3.07天完成1个孔，岩芯采取率由原来的20%左右提高到90～95%，并且钻出的岩芯呈柱状，较好地反映了地层的真实性。

通过使用水玻璃无固相泥浆，《球溪河特大桥》的施工进度和工程质量都得到大幅提高，在长昆客运专线筹备组和铁三院现场地质组的巡回检查中，获得的较高的好评。

图1　卵、砾石岩芯照片

3　结语

由于水玻璃无固相泥浆在钻杆和孔壁表面形成的SiO2硬质薄膜清除了原有的润滑膜，而且SiO2薄膜表面呈负电性，加之冲洗液的pH值高，所以常用的含阴离子乳化剂的乳状液，都无力改善钻具的润滑条件，因此水玻璃无固相泥浆不适于高转速钻进。

P62[文献码]B

1000-405X（2016）-9-480-1