化学泥浆在跨胶州湾特大桥海中桩基旋挖成孔施工中的应用研究

刘奎文

摘要：本文结合新建青连铁路跨胶州湾特大桥海中桩基旋挖成孔施工情况，介绍了钻孔过程中使用化学聚合物造漿，在海洋海水环境有较厚的砂层的地质条件下利用海水、化学剂、火碱等材料成功造浆并护壁成孔的施工技术。此施工技术在海水、砂层厚的施工环境下旋挖快速成孔施工中推广应用。

Abstract： Combined with the construction of rotary excavation pore-creating of the submarine pile foundation in Jiaozhouwan super maior bridge of Qinglian Railway， this paper introduces the mud making by chemical polymer in the drilling process， and the construction technology of mud making and dado pore-creating by sea water， chemical agent， caustic soda and other materials under the environment of geological conditions of thick sand layer in sea water. The construction technology is popularized and applied in the construction of rotary excavation pore-creating under the construction environment of sea water and thick sand layer.

关键词：化学聚合物；海中桩基；旋挖成孔；施工技术

Key words：chemical polymer；submarine pile foundation；rotary excavation pore-creating；construction technique

中图分类号：U445.55+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）12-0124-03

0 引言

近些年来，我国针对以旋挖作业为主的桥梁工程中的钻孔速度、成桩质量以及环保指标提出了严格的要求，加之高速铁路建设规模的扩大，旋挖钻在建筑施工领域得到了广泛应用。采用旋挖成孔工法施作覆盖层，不仅能在保证成孔质量的前提下满足快速成孔的施工要求，而且整个作业过程无噪音，对周围环境无污染或者污染小，得到了工程领域的一致认可。旋挖成孔工法以静态泥浆稳定液护壁代替了循环造浆的设计，通过对钻孔持续补浆来平衡钻孔内外的水压，所以泥浆的选用及性能指标在成孔过程中显得尤为重要。

目前工程领域仍采用膨润土矿物泥浆护壁法进行钻孔施工，这种工法不适用于相对复杂的地质环境。随着施工技术的发展，化学聚合物泥浆技术逐渐从国际工程领域引入到国内，在国内的一些地质条件相对复杂的工程中取得了较好的应用效果。本文通过青连铁路跨胶州湾海中桩基工程的实例来阐述化学聚合物泥浆在海中复杂地质条件下桩基旋挖成孔施工中的应用。

1 工程概况

青连铁路跨胶州湾特大桥位于青岛市城阳区，其中跨海部分2.1公里，41个墩，采用桩基础，其中桩径有？准1.25、？准1.5m两种，平均桩长45m，东西两侧填筑部分桩基采用360旋挖钻施工。

1.1 工程地质条件

设计勘察地层主要为第四系全新统人工堆积层（Q■■），第四系全新统冲海积层（Q■■）淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾砂，下伏基岩为白垩系下统（K1）流纹岩、安山岩、砾岩、泥质砂岩及凝灰岩。

胶州湾海中地层主要为：第四系全新统人工堆积层（Q■■），第四系全新统冲海积层（Q■■）淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉砂、细砂、中砂、粗砂，第四系上更新统冲洪积层（Q■■）黏土、粉质黏土、粉砂、细砂、中砂、粗砂及砾砂，下伏基岩为白垩系下统（K1）流紋岩、安山岩、角砾岩、泥质粉砂岩。DK10+900附近揭露断层。

1.2 水文地质特征

桥址区地下水主要为第四系孔隙潜水，主要接收大气降水补给及海水影响，设计单位勘察期间测得钻孔稳定水位0.90m～3.60m，高程1.20m～3.08m，水位季节变化幅度2～4m。

海中段位于典型半日潮潮汐的胶州湾内，潮汐最高潮位5.3m，最低潮位-0.57m，平均高潮位3.85m，平均低潮位1.08m，平均潮差2.7m，最大潮差约6.8m。

1.3 地质条件特点

桩基施工的地质条件复杂，海床以下最深达5m的淤泥质粉质粘土，为软塑状态，易造成塌孔。以下6m～35m的范围内分布着粉细沙、细沙层、中砂层和粗砂层，中间夹薄层粉质粘土，30m范围内塌孔的可能性较大。

2 泥浆选择过程

2.1 泥浆的重要性

按照相关技术规程，泥浆比重宜为1.15～1.20g/cm3，泥浆粘度应该在18～22Pa·s之间，泥浆的含砂率应不大于4%。钻孔泥浆质量差将导致以下问题：

①护壁泥膜黏附力不足，容易脱落，或者根本不能形成护壁泥膜，导致孔壁缺乏稳定性，钻进时容易塌孔或缩颈。

②泥浆的比重和粘稠度超标，含砂率高，使得泥膜过厚，没有足够的粘附力，钻进时造成桩的侧摩阻力过大。

③浓稠的泥浆沉积粘附在钢筋笼上，破坏了钢筋与混凝土之间的握裹力，而且泥浆比重超标增加了混凝土水下灌注的阻力，影响了混凝土的流动性，造成大量混凝土骨料在桩芯处积聚，造成钢筋笼内外骨料分布不均，桩的侧摩阻力很难发挥，最终影响了成桩质量。

2.2 粘土造浆

施作钻孔桩时按照水：黄土：火碱=100：38：0.25的比例，用粘土配置泥浆，以降低作业成本。用火碱造浆的目的是通过提高泥浆pH值保证粘土颗粒分散，增大粘粒表面负荷，增大水化膜厚度，以确保泥浆的稳定性和胶体率达到造浆要求。作业期间不定时检测泥浆质量，将泥浆比重控制在1.05～1.2g/cm3之间，含砂率在4%～8%之间，使浆液粘度达到18～20Pa·s。按上述标准控制泥浆参数，可有效降低泥浆比重，从而确保浆液有足够的粘附力。但严格来讲，这套标准中泥浆的含砂率较大，造成钻进时孔壁坍塌，塌孔地层集中在粉细砂和细砂层之间。通过现场调研发现塌孔主要要是因为泥浆比重偏小，粘度偏低，使孔壁泥膜不坚实所致。

2.3 膨润土造浆

根据地勘报告，粉细砂和细砂层最深达40m左右，粘土泥浆已经无法对孔壁进行有效护壁，塌孔严重影响成桩质量。故决定改用膨润土造浆。

2.3.1 泥浆原材料

钻孔泥浆选用不分散、低固相、高粘度的优质膨润土造浆，另外适量加入火碱（NaOH）。

①膨润土：为泥浆胶体质的主要来源，采用以蒙脱石为主的钠质膨润土，具有较好的分散悬浮性和造浆性能，泥皮较薄，稳定性好，造浆率高（1t膨润土可造12m3～16m3泥浆），质量等级为二级标准。膨润土掺量为泥浆体积的6%～10%，即100m3泥浆需用6t～10t膨润土。为了增大泥浆中胶体的成份，选择胶体率大（≥96%）和含砂率少（0～0.3%）的膨润土，特别注意不能错用铸造用的膨润土（胶体率特别低）。

②火碱（NaOH）：其指标应符合标准。在泥浆中添加火碱，目的是提高pH值，保证粘土颗粒分散，同时增大表面负电荷，增强泥浆对带正电荷钻渣（特别是悬浮钻渣）的吸附能力，所以回流孔内泥浆的pH值应该偏高一些。配置泥浆时，火碱的添加量应该是泥浆体积的0.3%～0.5%，也就是说100m3泥浆要添加300～500公斤火碱。一般情况下，添加火碱后，泥浆的pH值能够提高到10～12左右，这时再添加膨润土，可大幅度提高泥浆的粘附性。

2.3.2 膨润土性能指标检测

从表1中的数据可以看出，膨润土泥浆各项指标均符合要求，成孔质量有较大的提高，但仍然发生塌孔现象，塌孔地层为较厚的粉砂层和细砂层。说明在复杂地质条件下，按常规性能指标要求，泥浆护壁效果不明显。同时，膨润土泥浆的最大缺陷在于钻渣沉淀速度慢，清孔时钻渣很难同时沉淀下来，往往在首次清孔后，下完钢筋笼，二次清孔前短短2～3小时，沉渣厚度超过1m，水下混凝土浇筑过程中，仍有大量钻渣沉淀，影响桩身质量，而且海中施工膨润土造浆极易污染海水。

3 化学泥浆应用研究

在本工程中復杂地质条件下，需要较大粘度的泥浆达到稳定的护壁效果，彻底解决钻孔过程中的塌孔问题，同时，要求钻渣沉淀速度快，造浆不污染海域，又要确保桩身质量。经过反复对比研究，决定采用化学聚合物泥浆。本工程中采用奈普顿（Neptune）化学聚合物泥浆。

3.1 泥浆配制

旋挖取土成孔中，静态泥浆作为成孔过程的稳定液，主要作用是护壁。化学聚合物泥浆主要由高分子聚合物水解后形成。由于泥浆聚合物分子量一般高达2000万以上，水解后分子琏扩散并会与其他分子链重新连接，故会形成较为粘稠的近似糊状的泥浆，能够最大限度的粘住并沉淀钻渣。该泥浆体系能对孔壁提供压力，防止在不稳定地层中钻孔的坍塌；同时最大化旋挖钻的装载能力，提高掘进速度。

制配泥浆时，先通过pH试纸对配制用水的pH值进行测定，根据测定结果加入适量的火碱（添加量约为0.5kg/m3），将泥浆体系的pH值调节到8～10，减少因海水问题造成对泥浆性能的影响。

在喷射的水流中冲入可使聚合物泥浆原料迅速水化分散，并利用空压机鼓动泥浆不少于3小时以上直至泥浆材料充分水化分散。性能指标如表3。

奈普顿化学剂造浆施工过程中根据地层不同，按0.01%～0.1%比例配制，指标如表4所示。

3.2 旋挖钻进成孔

①挖一个泥浆池，根据用量确定泥浆池的大小，并在池边安装好泥浆泵和空气压缩机，周边做好防护。

②将海水注入泥浆池后，用20%氢氧化纳（又名烧碱、火碱或片碱）溶液调节水的pH值在8～10之间，用空压机搅拌10min～20min。

③打开循环泵进行自循环，将本产品从泵出水管口缓慢匀速地加入，首次使用时一般采用最大量使用，加量为万分之五（即100m3水中添加50kg本产品后拌制10min，用工程漏斗测定溶液的黏度约为28s即可，要求手感稍有粘度起线丝状）。该标准不适用于特殊地质。

④在拌和过程中，黏度超过28s需要注水稀释，但是如果黏度达不到30s，多半是因为拌和不充分，可将搅拌时间适当延长。如果上述两种情况均被排除后黏度仍达不到设计值，就需要打开循环泵自循环后将奈普顿造浆剂从出水口处加入，再用空压机搅拌一段时间，直至其达到设计要求。

⑤钻进时提前备好泥浆，遇到含砂层较多的问题时，伴随钻进过程持续补浆，以维持钻进液面，平衡地层压力。

⑥结束钻进作业后查看孔深情况，适当停顿15～40min。用钻机打捞孔底沉砂（打捞时不宜控浆）后，按设计要求将钢筋笼、注浆导管下放到孔底，照此操作，如无意外情况都可以达到灌注桩要求的含砂量及沉砂量，经过打捞后有的地层依然有大量沉砂，但都属于个别情况，对这部分地层可增加打捞次数，直到沉砂量达到设计要求后再下放钢筋笼。一般来说，化学聚合物泥浆本身就具有快速沉淀钻渣的功能，成孔时残留在孔内的沉渣本来就很少，下放钢筋笼后沉渣厚度通常在10cm以下，如果都符合要求可跳过二次清孔直接进行下一道工序。此外，聚合物泥浆不会粘附在孔壁上，也不会带钻渣，可以大幅度提高摩擦承载力。

⑦灌桩后，如果返回的泥浆粘度不足30s，就要开启循环泵进行自循环，然后从出水口处补充奈普顿造浆剂，并用空压机搅拌均匀。同时，还需要提前用另一个泥浆池配置好下一个钻孔所需的泥浆。

3.3 化学泥浆应用效果

使用化学聚合物泥浆钻孔不仅实现了快速成孔（成孔速度为每5～10小时/根），而且有效避免了塌孔问题，保证了成桩质量。经检验，采用聚合物泥浆成桩等级都符合I类桩标准，且环境得到一定保护，泥浆不污染海域。

4 结束语

聚合物泥浆作为一种新型材料有着与粘土泥浆和膨润土泥浆截然不同的性能。快速沉淀钻渣的能力比较显著，特别是膨润土和粘土较难适应的复杂地质条件及砂层较厚的地层，其粘度大，比重小，含砂率小的特点在现场施工中取得了良好的实际效果。作为一种相对环保的产品，相信在类似海洋复杂的地质条件下能够更大地发挥作用。此施工经验亦可以在砂层较厚陆地桩基旋挖施工中推广应用。

参考文献：

[1]李华.化学泥浆在复杂地质条件下旋挖成孔施工工艺中的应用研究[J].中国高新技术企业，2013（25）.

[2]夏成元，程元瑞，侯丽君.聚合物泥浆在旋挖钻孔灌注桩施工中的应用[J].四川水利水电，2012（3）.

[3]刘川.化学聚合物泥浆在旋挖钻孔桩施工中的应用[J].公路，2010（10）.