泥浆循环系统设计及泥浆配合比研究

肖光强

(中交二航局第一工程有限公司，重庆 402160)

1 工程概况

埃及苏赫娜第二集装箱码头位于苏伊士运河南入口约40 km，在开罗东南方向 140 km，丘陵山地。

根据地质报告现场地质大体分为3层，地面标高至+1m为细砂层或砂夹泥层，为松散地层；+1m至-8.5为较密实的细砂层，中间偶尔会遇到1～2m的黏土层；-8.5m至-22m为较为密实的砂卵石层。而本项目地连墙设计底标高以达到了砂卵石层，码头岸线1 400 m左右，前400 m超过-22 m都为密实的砂卵石层，之后1 000 m地质则较松软，因此，沿岸线方向又将码头分为M1(前400 m)和M234(后1 000 m)两个区域。

2 泥浆的基本组成和主要性能指标

在地连墙施工过程中，泥浆有着至关重要的作用。首先，地连墙施工需要持续的新鲜泥浆供应以维持槽壁的稳定性，成槽是否稳定快速与泥浆好坏密不可分；其次，在施工过程中，泥浆循环可以使泥渣悬浮并携带一部分泥渣，加快施工效率；并且，铣槽机或液压抓斗在持续高速的运转过程中会产生高温，长时间运行对机具损耗巨大，泥浆循环可以冷却和润滑机具，使其可以长时间运转并降低损耗。

2.1 泥浆的基本组成

泥浆是指有清水和膨润土加上一些添加剂拌和而成的混合液；所以泥浆主要组成有三个部分。

1)清水：泥浆的溶剂，清水水质直接影响泥浆的性能。

2)膨润土：泥浆的主要成分，其膨化性能，与水混合的密度、稠度都与泥浆性能息息相关。

3)添加剂：由于地质条件的不同，往往需要不同性能的泥浆，如早期护壁，后期护壁，因此，往往添加一些不同的添加剂提升泥浆性能；另外，在地连墙施工过程中，开挖会掺和一些砂土降低泥浆性能，加入添加剂可有效地防止泥浆劣化。

2.2 泥浆的性能指标

泥浆的性能主要表现在比重、黏度、含砂率、pH值四个方面。

1)比重：比重增加，槽壁稳定性增加，泥皮厚度减小，携渣能力增加，比重过大，渗流增多，不利于固壁。

2)黏度：黏度增加，槽壁稳定性减弱，黏度过大，钻挖阻力大，生成泥皮厚，不利于槽壁稳定。

3)含砂率：含砂率增加，携渣能力减弱，比重增加，黏度减少，含砂率越小越好，一般不应大于5%。

4)pH值：pH值过大不利于槽壁稳定，一般8～9为宜。

3 泥浆配合比设计

不同的地质条件和施工工艺往往需要不同性能的泥浆。以埃及苏赫纳第二集装箱码头为例，纵向为砂卵石地层，横向本项目沿码头岸线分为地质较硬的M1(前400 m)和地质较松软的M234(后1 000 m)；与之对应，M1区域采用更适合硬层的液压抓斗成槽，M234采用铣槽机和液压抓斗同时施工，大大加快了施工效率。

M1地质硬，成槽慢，液压抓斗配备的泥浆循环系统运输距离远；另外，M1临海，潮汐使得地下水位增高，加大了泥浆护壁的压力；而且一部分海水通过渗流混合到泥浆中，加速了泥浆劣化，因此适合后期护壁泥浆；M234地质软，成槽快，与铣槽机配备的泥浆循环系统运输距离近，因此适合前期护壁泥浆。

根据不同的地质条件和施工工艺，本项目设计了前期护壁，后期护壁两种泥浆。

3.1 早期泥浆配制

首先，对原材进行选择，笔者在埃及市场选取了3种水质较好的清水为1号清水、2号清水、3号清水；和3种膨化性能较好的膨润土分别为1号膨润土、2号膨润土、3号膨润土。然后分别随机组合得到9种性能指标不同的泥浆溶液分别对其性能指标进行测试得到表1。

表1 新制泥浆性能对比

3.2 实验确定泥浆

配制好新制泥浆后，笔者将9种泥浆分别在M1和M4不同地质条件下选取9幅地连墙进行现场试验，并由清孔达到标准含砂率的时间、以及护壁效果(是否塌孔：浇筑的标高与设计标高差值比较)等进行优劣对比，如表2。

表2 泥浆性能对比表

根据结果，对于M1区域笔者选取了后期护壁效果较好的 1号泥浆，对于M4区域笔者选取前期护壁效果较好的 5号泥浆。

3.3 泥浆的性能指标标准

根据规范要求查得泥浆要求的比重，黏度，含砂率以及pH值等性能指标如表3。

表3 泥浆性能指标表

根据成槽工艺和地质条件的不同，适当提高比重，利于护壁，形成早期护壁泥浆；适当增加黏度，降低比重形成后期护壁泥浆。

4 泥浆循环系统设计

设计了适合不同地质和工艺的泥浆还不能保证泥浆性能的完美发挥，因为影响泥浆性能不只是配合比的设计和原材料的选用，其中泥浆的储存时间和运输距离也是影响泥浆性能的重要因素。长时间的静置容易造成泥浆分层；运输距离过长泥浆也容易在关闭形成胶化物，从而劣化；因此，为了保证泥浆的良好性能不得不设计一个完美的泥浆循环系统。

泥浆循环系统一般分为两种。传统的泥浆循环系统，液压抓斗和钢丝绳抓斗一般采用传统的泥浆循环系统；新型的泥浆循环系统，铣槽机与之对应；两种系统各有利弊，本项目根据不同的工艺，两种泥浆循环系统均有设计；下面对两种系统进行介绍分析，对比优缺点，希望对类似项目提供参考。

4.1 传统的泥浆循环系统

传统的泥浆循环系统需就近修建泥浆站，包含三个泥浆池，分别为：新制泥浆池、泥浆储存池、泥浆回收池；在新制泥浆池中制备泥浆，在泥浆储存池中膨化泥浆在通过泥浆管道用泵输送至槽体，在施工的同时用泵回收泥浆，通过回收管道输送至泥浆回收池；泥浆回收池中可利用的泥浆转入泥浆制备池中循环利用，不能利用的废弃泥浆用自卸车运到指定区域进行丢弃。

整个泥浆系统简单易行，建造成本较低，但泥浆利用率不高；且泥浆池占地面积较大，基本只能一次使用，施工完成后需拆除，前期准备时间较长，在泥浆池运行过程中泥浆容易泄露需经常进行文明施工维护；泥浆储存时易掺杂垃圾和雨水影响泥浆性能；泥浆输送管道较长，铺设费时费力。

4.1.1 泥浆系统总体布置

本项目施工沿线约1 350 m,最初计划将浆站设置在最西边，由于地质条件不同，以M1和M234分隔开在M1的端头设置一个临时的浆站，以便提供不同护壁效果的泥浆。

总体布置如图1。

图1 泥浆系统总体布置图

4.1.2 泥浆系统优化

在实际运行过程中，笔者发现泥浆性能受运距的影响极大；新制性能良好的泥浆在经过长达1 km的运输后开始劣化，比重和黏度加大，护壁效果变差，性能变得不再优良因此笔者优化了泥浆管线，假设临时浆站减少泥浆的运输距离，使泥浆性能达到最大的保障。

优化后泥浆系统布置如图2。

图2 优化后泥浆系统总体布置图

4.2 新型的泥浆循环系统

与传统泥浆循环系统不同的是新型泥浆循环系统采用泥浆罐代替了泥浆池，不需建造泥浆池，只需修筑一个泥浆罐放置平台即可施工；同样分为泥浆制备罐、泥浆储存罐、泥浆回收罐，与传统泥浆循环系统不同的是铣槽机本身安装了一个泵，在施工过程中由泥浆储存罐输送泥浆至槽体，铣槽机本身会将泥浆循环，将可利用的泥浆循环利用，不可利用的输送至泥浆回收罐。与传统泥浆系统相比，新型泥浆循环系统大大提高了泥浆利用率，且泥浆罐与铣槽机相连，管道距离短，不用担心运输距离长导致泥浆劣化，并且利用泥浆罐储存泥浆本身就是封闭的不用担心泥浆遮蔽问题，泥浆不会与杂物混合而影响性能；但由于泥浆循环系统与铣槽机配套，成本较高，一旦故障，维修较为困难。

4.2.1 泥浆系统总体布置

由于工期紧，项目总体进度部署，所以在地连墙施工后期，本项目引进了新型泥浆罐循环系统，按照泥浆池循环系统的经验，泥浆罐仅设置在西端头满足M4区域施工，减少了泥浆运距，保证了泥浆性能。泥浆系统总体布置图如图3。

图3 泥浆系统总体布置图

4.3 方案对比分析

为满足总体施工和进度安排，埃及苏赫纳项目采用两种循环系统，在施工前期，采用成本较低的传统泥浆池，随着施工进程的发展不断减少循环路径，优化循环路线，在M4区域采用成本较高但泥浆性能优良的新型泥浆罐从而整体达到利益最大化。

相比较而言，泥浆罐整体优于泥浆池，值得注意的是泥浆最大涵盖运距不宜超过500 m，否则，泥浆性能会受到影响。

5 结束语

泥浆的合理运用对于地连墙施工具有至关重要的作用，研究泥浆的性能、配比、制备过程、作用机理，设计出满足不同地质条件和施工工艺要求的泥浆，并且对现有的泥浆循环系统进行优化，应用到工程实际中，具有巨大的社会效益和经济效益，希望对类似的工程项目有所帮助。

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