聚合物泥浆系统在旋挖钻孔灌注桩中的应用

金欣欣 中交四航局第二工程有限公司

1.前言

随着我国新基建的快速发展，及我国加入世贸组织和环境管理体系（ISO-14001）认证的推广，建筑行业也走向世界，对水利、公路、市政建筑、港口码头等基础钻孔灌注桩的施工，提出了优质、高效、快速、清洁、环保的要求。原有的冲击钻、正、反循环回旋钻机不能满足工程的需要，已被旋挖钻机越来越广泛的投入使用所代替。因此，目前研究、探讨、总结旋挖钻孔灌注桩在各种地层中的应用，具有十分重要的现实意义。

2.工程概况

唐山市全域治水清水润城县区PPP项目，沙河防潮闸桩基数量共317 根（其中有涌水的孔桩共290根），单根长30m，总计桩长9510m，桩基类别为摩擦桩。灌注桩桩身混凝土等级为C40W8，桩身混凝土掺加复合阻锈剂（抗硫酸根离子SO，氯离子CL等腐蚀)，地表水和地下承压水丰富，钻孔桩涌水量大；地质结构复杂、破碎，都是松散不稳定地层。由于原材料供应的原因，只有少部分孔桩采用了聚合物泥浆系统进行施工，但也使我们看到了聚合物泥浆系统在钻孔桩施工上应用前景十分广泛。

3.施工过程

使用旋挖钻机施工钻孔灌注桩具有进度快、有利于环保等方面的优点，但也存在适用范围窄、不适于在松散地层中施工等局限性。在施工过程中，我们采用了捷高公司（CETCO）的钻进泥浆与添加剂产品—Shore PAC GCV聚合物泥浆系统（图1），它可用于旋挖钻施工，能够适应各种困难的地层状况，是一种高效、清洁、环保型的钻孔桩泥浆系统。

图1 Shore PAC GCV的混合物泥浆

3.1 Shore PAC GCV泥浆系统的使用

（1）应用原理Shore PAC GCV是一种高分子量的人工合成聚合物，可以在较低的浓度条件下创造极佳的粘度环境。长的聚合物链呈卷状无序的分散于钻液中，这些单个的小卷受到剪切力后就会伸展开来，穿过不同的层面形成连接桥。正是这种表面吸附作用发生效力，使Shore PAC GCV在钻进时能够有效的保持地层稳定，同时还可以帮助泥浆粘结住被切削下来的钻屑，以使得钻屑能够被轻易从钻孔中移出。

（2）Shore Pac GCV在混合时（图2），应洒落在注入泥浆池或搅拌池的水流之上，以使其充分混合。分散注入的水流通过倾斜的平板，有助于防止胶结。如果在钻孔中直接混合，就应在加入后轻微的上下移动钻具(螺旋钻头或钻斗)，以使聚合物均匀的分散。加入纯碱可以改善水质，沉淀游离的钙离子，最大化Shore Pac GCV的粘度。当在Shore Pac GCV泥浆液面下进行孔桩掘进时，所有悬浮沙粒都会沉淀于钻孔的底部，便于最后清除。

图2 Shore PAC GCV的混合

（3）过程中，如果能识别出水中污染物从而正确的加以处理，可以显著的缩短工期，节约施工成本。

图4 正在使用Shore Pac GCV进行钻孔桩施工

（4）泥浆测试工具（图3）。应用捷高公司（CETCO）的泥浆测试工具可以正确评价泥浆系统的性能以便加以调试。

图3 泥浆测试工具

3.2 Shore PAC GCV泥浆系统的优点

（1）可以把钻屑充分粘结于螺旋钻头之上，增大携沙量，最大化螺旋钻头携带钻屑的能力，提高掘进效率和螺旋钻头的应用范围；

（2）提高生产能力，减少泥浆的浪费；

（3）对孔壁提供压力，防止在不稳定地层中钻孔的坍塌；

（4）易于混合不结块；

（5）环保产品，对人体和环境没有损害；

（6）使用Shore Pac GCV所成的桩侧壁具有更大的摩擦力，从而可以增加桩的承重能力。

3.3 Shore PAC GCV泥浆回收

完成泥浆测试、放入钢筋笼之后，把泥浆泵管道放入孔中。放入孔桩中的混凝土将取代泥浆的位置使泥浆向上方移动，然后泥浆通过泥浆泵管道从孔桩顶部抽入到泥浆回收罐中。不要吸入在混凝土表面上的最后0.9m泥浆，这些泥浆由于与混凝土的接触会受到污染，可以泵入废物罐中。泥浆回收后应测试其粘度和pH值。加水复原泥浆体积时，可加入碱来调整pH值。为了补充粘度的损失，可以加入新的Shore PAC GCV以达到需要的使用粘度，加入量由钻孔液损失的量以及地层状况决定。

3.4 Shore PAC GCV泥浆处理

Shore Pac GCV泥浆无毒，易于降解，可抛弃而不会造成污染。工程完工后，残余的泥浆可以用Slurry Buster处理剂进行处理。5%的次氯酸钠溶液或3%的过氧化氢溶液也可以处理这种泥浆。加入Slurr y Buster处理剂，用泵循环所有需要处理的泥浆以确保充分的氧化。经处理后的泥浆是环保的。失效的泥浆可以直接排放到附近的排水沟中。

3.5 泥浆添加剂

使用泥浆添加剂可以优化Shore Pac GCV泥浆系统的性能，使之能够适应各种地层的孔桩钻进。

（1）Anchor-Load™ 加重剂。Anchor-Load 能够提高Shore Pac GCV泥浆的粘度，它可以直接加入到泥浆中去处理流沙或含水量高的地层。

（2）De-Chlor™ 除氯剂。为了防止使用市政自来水而造成泥浆被过早破坏，使用De-Chlor可以中和自来水中的氯离子。这是一种颗粒状的添加剂。De-Chlor能够提高聚合物泥浆的屈服值延长泥浆的循环使用寿命。

（3）Insta-Floc™ 凝聚剂。Insta-Floc 能够迅速的发挥效能，沉淀泥浆中的细小颗粒，使得操作者可以轻松的使用钻斗把它们从钻孔中清除。

（4）Insta-Pac提粘剂。Insta-Pac 是一种高浓度的液体聚合物。它可以快速的混合，提升泥浆粘度，同时抑制粘土与页岩的水化膨胀。

（5）Macro-Fill堵漏剂。Macro-Fill 能封堵较大的地层裂隙，密封松散多孔的地层。加入Stabilite后，这种颗粒状的聚合物可以形成最有效的防止钻液漏失的泥浆系统。

（6）Slurry Buster处理剂。Slurry Buster 是一种加强型清洁剂，一般用于处理聚合物泥浆。它通过氧化作用破坏聚合物的分子间作用力，快速的处理与清洁泥浆，以达到保护环境的目的。

（7）Soda Ash 纯碱。加入碱对水进行预处理有助于使Shore Pac GCV泥浆达到最佳的性能。提高水的pH值至8—10可以沉淀水中的钙离子，改善泥浆的混合过程。

（8）Stabilite稳定剂。Stabilite 是一种多用途的添加剂，它可以处理沉到桩孔底部的细小颗粒使他们凝结成团，以便与使用钻斗清出钻孔，防止从钻斗中漏出。这种带高电荷的液体能够提升Shore Pac GCV的性能，减少泥浆的清洁时间，除去90%的沙子。

（9）各种泥浆添加剂的使用情况见表1。

表1 不同泥浆添加剂的使用情况

4.Shore PAC GCV使用效果经济效益分析

1）Shore Pac GCV在各种地层中的使用量见表2。

表2 Shore Pac GCV在各种地层中的使用量

2）泥浆的使用量应按钻孔桩的成孔桩径计算用量见表3。

表3 泥浆的使用量

3）Shore PAC GCV是国外进口的产品，现在国内市场上也有类似的产品，捷高公司也在中国生产，生产Shore PAC GCV泥浆系统产品，成本价格合理。

4）使用Shore PAC GCV不会对钻孔桩混凝土形成污染，可以提高钻孔灌注桩的施工质量；可以减少施工时用于清洁、除渣以及处理桩头的时间，减轻劳动强度。

5）使用Shore PAC GCV泥浆系统使旋挖钻的应用范围十分广泛，可适用于各种地层。

6）使用Shore PAC GCV泥浆系统可以有效的防止在不稳定地层中钻孔的坍塌，提高施工进度，保证钻孔桩的质量。

5.结束语

Shore PAC GCV泥浆系统的施工程序为：根据钻孔桩需要的泥浆用量用钢板做成泥浆池、泥浆回收罐和和废物罐；根据水质、地层情况选择Shore PAC GCV泥浆的浓度；根据需要选择加入适当的泥浆添加剂以适用于各种地层；在钻进过程中随时注意测试钻孔桩中的泥浆粘度等指标并根据测试结果对泥浆加以调整；在灌注混凝土时及时回收钻孔中的泥浆；对失效的废弃泥浆进行处理，以免污染环境。

聚合物泥浆系统在我国钻孔灌注桩上的使用还不多，但在国外已有很广泛的应用。通过对唐沙河防潮闸钻孔桩上各种泥浆系统使用的认真研究、对比，我们认为Shore PAC GCV泥浆系统是一种真正高效、清洁、环保的理想的钻孔桩泥浆系统。随着冲击钻、循环钻等一些低效的钻孔设备越来越多地被旋挖钻等高效钻孔设备所替代，各种高性能、无污染、适应地层广的泥浆系统也越来越成为将来钻孔桩施工的首选。