泥漿技術(shù)在巖溶發(fā)育地區(qū)沖孔樁基施工中的應(yīng)用

羅杰東

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泥漿技術(shù)在巖溶發(fā)育地區(qū)沖孔樁基施工中的應(yīng)用

羅杰東

安徽理工大學(xué)

龍巖裕福大廈沖孔樁基工程通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)泥漿進(jìn)行改良，采用HL泥漿護(hù)壁技術(shù)，有效地解決了石灰?guī)r巖溶區(qū)復(fù)雜地層條件下，孔壁坍塌、泥漿漏失及砼罐注過于超量的技術(shù)難題。

沖孔樁 石灰?guī)r巖溶區(qū) HL 防塌 堵漏 充盈系數(shù)

1 概況

龍巖位于福建省西部，是距離廈門最近的內(nèi)陸鄰海城市，也是海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)向福建內(nèi)陸延伸、拓展的腹地。龍巖還是革命老區(qū)，是一塊為中國(guó)革命勝利做出重要貢獻(xiàn)的紅土地。改革開放以來，龍巖經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市建設(shè)日新月異。龍巖裕福大廈位于市區(qū)中心，其主體設(shè)計(jì)為三幢主樓28～30層，一層地下室，裙樓三層（局部為6層）組成，地上總建筑面積52482m2，地下總建筑面積7916m2，主樓高度達(dá)98.25m。是迄今為止龍巖市最高層建筑樓群。

該建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用樁型為沖孔灌注樁，總樁數(shù)334根，樁徑有700mm～1000mm四種。其中700mm89根，800mm99根，900mm93根，1000mm53根，理論灌砼量約5000m3。沖孔樁施工任務(wù)由福建省煤田地質(zhì)局下屬施工單位承擔(dān)。建筑場(chǎng)地屬石灰?guī)r巖溶區(qū)，巖土地質(zhì)條件復(fù)雜，樁基持力層為較完整的微風(fēng)化石灰?guī)r。樁尖應(yīng)進(jìn)入持力層≥1d。樁身采用商品砼灌注，砼強(qiáng)度為C35，局部為C25灌注，鋼筋籠為通長(zhǎng)筋布設(shè)，孔底沉渣≤50mm。2008年底開始樁基施工。

2 建筑場(chǎng)地巖土工程地質(zhì)特征

樓群場(chǎng)地位于龍巖盆地中部，屬龍津河I級(jí)堆積階地地貌，地形較平坦，地下水位埋深2～2.5m。據(jù)龍巖工程勘察院提交的《巖土工程地質(zhì)勘察報(bào)告》以及現(xiàn)場(chǎng)試樁資料，本工程沖孔樁施工由地表至持力層應(yīng)揭露的主要巖土層，見表1所示。

根據(jù)大廈地層綜合柱狀圖中的地層情況分析，2、3、4、5、6層均結(jié)構(gòu)松散，受外力作用后，容易坍塌。沖孔樁施工穿過這些地層，到達(dá)7層（持力層），防塌孔、漏漿是施工關(guān)鍵技術(shù)。成孔孔徑的完整程度，直接關(guān)系到砼的澆注量，即充盈系數(shù)大小。所以，整個(gè)沖孔樁基工程施工關(guān)鍵技術(shù)在于泥漿護(hù)壁的效果，它直接關(guān)系到整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 龍巖裕福大廈地層綜合柱狀圖

3 工程早期施工情況

沖孔樁基工程開工后，按傳統(tǒng)工法施工。我們走訪了多家在該地區(qū)施工過沖孔樁的施工隊(duì)伍，與他們共同分析、探討，結(jié)合本工程實(shí)際情況，采取了一些對(duì)策與措施，如：

（1）置備大量?jī)?yōu)質(zhì)黃土及袋裝水泥，施工過程一旦發(fā)現(xiàn)塌孔、漏漿，及時(shí)用鏟車快速將大量黃土和水泥攪拌后倒入孔內(nèi)，爭(zhēng)取做到及時(shí)堵漏、護(hù)壁、回漿；

（2）對(duì)上部卵石層等松散層采用長(zhǎng)鋼質(zhì)護(hù)筒預(yù)埋護(hù)壁隔離的方法，減少塌孔，保護(hù)上部孔壁；

（3）施工中盡量加大泥漿比重和粘度，增強(qiáng)護(hù)壁效果，減少塌孔、漏漿現(xiàn)象發(fā)生。

受巖土工程地質(zhì)條件影響，孔內(nèi)坍塌、漏漿嚴(yán)重。盡管施工過程反復(fù)采用上述措施，成孔后商品砼嚴(yán)重超灌，充盈系數(shù)沒有達(dá)到預(yù)想要求，收效甚微。首批4臺(tái)沖孔樁機(jī)在場(chǎng)地中部和東部同時(shí)施工，205#樁充盈系數(shù)達(dá)1.57， 323#樁充盈系數(shù)達(dá)2.06，320#樁充盈系數(shù)達(dá)1.97，324#樁充盈系數(shù)達(dá)2.53，充盈系數(shù)平均達(dá)到2.03（合同約定的充盈系數(shù)僅為1.35）。照此下去，整個(gè)工程將難以為繼。對(duì)場(chǎng)地中部往東部沖孔樁砼灌注量進(jìn)行分析，東部沖孔樁充盈系數(shù)還有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)。324#樁甚至出現(xiàn)樁孔越?jīng)_越淺的異?，F(xiàn)象，由于孔內(nèi)嚴(yán)重坍塌，造成孔口外地面產(chǎn)生裂縫，甚至發(fā)生機(jī)臺(tái)下陷現(xiàn)象，直接危及施工設(shè)備與人員的安全，這一技術(shù)難題亟待攻克。

上述4根沖孔樁砼灌注量與地層對(duì)照分析結(jié)果，如圖1～圖4分析：

圖1 沖孔樁砼灌注與地層柱狀對(duì)照（一）

圖2 沖孔樁砼灌注與地層柱狀對(duì)照（二）

圖3 沖孔樁砼灌注與地層柱狀對(duì)照（三）

圖4 沖孔樁砼灌注與地層柱狀對(duì)照（四）

4 尋找途徑，解決難題

現(xiàn)場(chǎng)施工人員一致認(rèn)為，不能再引用老工法施工了。能否尋找一種化學(xué)泥漿對(duì)孔壁進(jìn)行有效保護(hù)，確實(shí)起到防塌、堵漏作用，才是工程施工的當(dāng)務(wù)之急。性能良好的泥漿具失水量少，泥皮薄而密，具有較強(qiáng)的粘結(jié)力，能起到維護(hù)孔壁穩(wěn)定，有防止或減少較松散巖土層垮塌的作用。

經(jīng)過對(duì)多種造漿材料性能比較之后，最終選擇上海哈利（HL）專用泥漿復(fù)合劑（下稱HL）作為造漿材料，HL配制出的泥漿與黃土漿混合交融后使用（出于生產(chǎn)成本考慮）。參考產(chǎn)品制造商提供的配漿方法，結(jié)合孔內(nèi)地層坍塌、漏漿嚴(yán)重的具體情況，配制泥漿在位于場(chǎng)地西、中、東部的199#、296#、305#三根沖孔樁位上進(jìn)行試驗(yàn)。

4.1 主要設(shè)備、儀器和材料

（1）沖孔樁機(jī)，型號(hào)：ZZ－5。

（2）泥漿攪拌機(jī)，型號(hào)：JT—350。

（3）立式渦流泥漿泵，型號(hào)：100LWB—10。

（4）比重計(jì)，型號(hào)：NB—1。

（5）粘度計(jì)，型號(hào)：NC—1006。

（6）泥漿專用復(fù)合劑，型號(hào)：HL系列。

4.2 配漿工藝流程

為滿足工藝流程要求，在每根樁周圍配置:

(1)容量約5m3的泥漿沉淀池;

(2)容量約4m3的泥漿供應(yīng)池;

(3)容量約50m3的泥漿總儲(chǔ)備池;

(4)備足黃土、編織袋、水泥、清水等材料;

(5)鏟車等機(jī)械設(shè)備。

4.3 HL泥漿制備

在泥漿攪拌機(jī)料筒內(nèi)加入清水1.0m3，啟動(dòng)攪拌泵緩慢地加入30kgHL泥漿專用復(fù)合劑材料，攪拌10分鐘后再匯入到泥漿供應(yīng)池。照此方法，連續(xù)不停配漿，滿足生產(chǎn)使用。

4.4 黃土漿制備

將黃土與清水沖搗成漿。黃土漿性能應(yīng)達(dá)到粘度22～25s、密度1.20～1.30。

4.5 HL泥漿與黃土漿混合比例

HL泥漿與黃土漿按1:1.5比例混合后的泥漿性能參數(shù)應(yīng)達(dá)到密度1.25、粘度25s左右、pH值8～10之間，并加入適量純堿控制泥漿膠體的穩(wěn)定性。

4.6 HL泥漿與普通泥漿的鏡像對(duì)比

A泥漿是采用地下原狀土（主要是砂質(zhì)粉土）加清水調(diào)配好后形成的原漿泥皮；B泥漿是在原漿的基礎(chǔ)上加入純堿和聚合物（聚丙烯酰胺）后形成的泥皮；C泥漿是在B泥漿內(nèi)加入上海哈利（HL）專用泥漿復(fù)合劑后形成的泥皮。把三種泥皮都放在大理石面專用的模擬紙上，可以看出，A泥皮沒有形狀，見A圖；B泥皮雖已成形狀，但泥皮較松軟，見B圖；C泥皮則薄而致密，見C圖。

將B、C兩種泥皮表面泥膜在鏡下放大十萬(wàn)倍后，進(jìn)行觀察，可以明顯地看出兩種泥皮表面的不同結(jié)構(gòu)和密度，見C、D圖。

將B、C兩種泥皮斷面在鏡下放大十萬(wàn)倍后，進(jìn)行觀察，可以明顯地看出兩種泥皮斷面的不同結(jié)構(gòu)和密度，見E、F圖。

由此可見，不論從宏觀，還是從微觀角度對(duì)加入HL后形成的泥漿（皮），其質(zhì)量是最好的，對(duì)孔內(nèi)防塌、堵漏效果也應(yīng)該是最好的。

4.7 HL護(hù)壁機(jī)理分析

HL是由膨潤(rùn)土、聚合物與混合金屬氫氧化物及其他化學(xué)處理劑（即MMH正電膠）組成，采用現(xiàn)代膠體科學(xué)技術(shù)制作而成的一種帶正電荷的泥漿材料。HL的工藝技術(shù)特性體現(xiàn)：①陰陽(yáng)離子交換性，提高泥漿微粒間吸附性，吸附性能可提高5倍以上；②吸水性，能吸附數(shù)倍于自身體積的水量，膨脹后體積能迅速增大幾倍到十幾倍；③膠質(zhì)價(jià)，在水介質(zhì)中能分散呈膠體狀懸浮液，這種懸浮液具有一定的粘滯性、觸變性和潤(rùn)滑性。④絮凝性，可絮凝巖屑，減少泥漿漏失；⑤ HL中的MMH正電膠，是一種帶正電顆粒與帶負(fù)電的粘土膠粒之間，通過極化水串形成空間穩(wěn)定體系，具有獨(dú)特的固—液相之間的流變特征（即在靜止時(shí)呈彈性固體，稍經(jīng)剪切擾動(dòng)，瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w），使其在攜帶和懸浮巖屑時(shí)顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。另一方面，MMH對(duì)粘土礦物的分散具有較強(qiáng)的抑制性，對(duì)沖孔樁有很好的護(hù)壁防塌效果。

4.8 試驗(yàn)結(jié)果

歷時(shí)七天完成三根試驗(yàn)（施工）任務(wù)，商品砼灌注后充盈系數(shù)分別為1.10、1.21和1.29，平均充盈系數(shù)1.20，充盈系數(shù)已經(jīng)顯著下降，達(dá)到預(yù)期效果。為了保證試驗(yàn)的可靠性，項(xiàng)目部擴(kuò)大了試驗(yàn)范圍，繼續(xù)試驗(yàn)了5個(gè)樁位（294#、212#、244#、200#、142#），充盈系數(shù)都在1.20以下，較小的則達(dá)到1.03，效果很好。最后,項(xiàng)目部按照類似方法進(jìn)行推廣應(yīng)用，取得了良好的成效。

5 形成巖溶地區(qū)泥漿技術(shù)應(yīng)用理論

5.1 泥漿性能總體要求。在具備有效護(hù)壁的前提下，以剛好能夠帶出孔內(nèi)巖屑為基點(diǎn)，盡量調(diào)低泥漿的粘度與密度。

5.2 各土層泥漿參數(shù)控制?？卓谥谅咽瘜又g土層，包括回填土、砂層、淤泥層的泥漿粘度可以較高，一般要求控制在30s左右（淤泥層≥33s）。中下部的卵石層、角礫層、石灰?guī)r及中風(fēng)化花崗巖則要求保持在23～25s之間，相應(yīng)的密度也應(yīng)分別控制在1.4～1.5和1.2～1.4之間。

5.3 泥漿酸堿度的要求。pH值全過程要求控制在8～9.5之間。

5.4 泥漿使用過程的質(zhì)量控制。HL化學(xué)泥漿在使用前必須攪拌均勻且泥漿必須調(diào)配到符合孔內(nèi)土層的性能參數(shù)后才能使用。泥漿進(jìn)入孔內(nèi)后即開始發(fā)揮作用，在保護(hù)孔壁的同時(shí)，其中的金屬氫氧化物（MMH正電膠）含量也在逐漸減少，必須及時(shí)補(bǔ)充HL泥漿專用復(fù)合劑，補(bǔ)充量視孔內(nèi)土層情況而定（一般要要達(dá)到黃土泥漿的1.0%～1.5%）。此外，由于壓力的作用，泥漿進(jìn)入孔內(nèi)后即開始失水，因此，要緩慢不間歇地添加清水。施工中，要不斷進(jìn)行泥漿質(zhì)量的檢測(cè)控制，一旦發(fā)現(xiàn)性能參數(shù)偏離要求，必須立即著手進(jìn)行調(diào)配。

6 服務(wù)生產(chǎn)，取得經(jīng)濟(jì)效益

HL泥漿護(hù)壁試驗(yàn)成果已經(jīng)達(dá)到預(yù)期目的，成果及時(shí)得到應(yīng)用，后期的所有沖孔樁澆灌砼充盈系數(shù)都穩(wěn)定在1.15左右。

6.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

多年來，在龍巖石灰?guī)r巖溶地層中，沖孔樁項(xiàng)目澆灌砼充盈系數(shù)一般都在1.40以上。裕福大廈沖孔樁工程理論灌砼量約5000m3，按常規(guī)工藝施工實(shí)際灌注量達(dá)7000m3以上。按平均充盈系數(shù)1.15計(jì)算，砼灌注量是5750m3，二者相差1250m3。商品砼價(jià)格277元/m3，可節(jié)省商品砼費(fèi)：277元/m3×1250m3＝346250元。扣除HL成本(經(jīng)測(cè)算，澆注砼量中的HL成本為20元/m3)，20元/m3×5750m3＝115000元。

節(jié)省商品砼費(fèi)：346250元-115000元=231250元。

6.2 間接經(jīng)濟(jì)效益

進(jìn)尺速度加快，成孔時(shí)間縮短，工效得到提高，規(guī)避了工期被延誤的風(fēng)險(xiǎn)（合同約定，工期每超一天罰款4000元），按時(shí)完成龍巖裕福大廈沖孔樁基項(xiàng)目施工任務(wù)?？變?nèi)出現(xiàn)事故機(jī)率降低了，節(jié)省用在處理孔壁坍塌和卡埋鉆事故的黃土費(fèi)、水電費(fèi)及人工機(jī)械費(fèi)等。

7 結(jié)論

通過龍巖裕福大廈沖孔樁項(xiàng)目的施工，有效解決了龍巖石灰?guī)r巖溶區(qū)復(fù)雜地層條件下，沖孔樁施工砼罐注過于超量的技術(shù)難題，有利于完善沖孔樁施工工藝技術(shù)，提高了技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，摸索出了一套較為完善的沖孔樁泥漿護(hù)壁新技術(shù)，為今后在類似地層中施工沖孔樁積累了較豐富的施工經(jīng)驗(yàn)。此次，在龍巖裕福大廈沖孔樁基項(xiàng)目施工過程中，由于施工單位及時(shí)采用新穎的HL護(hù)壁技術(shù)，334根樁沒有一個(gè)鉆頭埋在孔里，也沒有因工程質(zhì)量問題補(bǔ)救一根樁，算是在龍巖石灰?guī)r巖溶發(fā)育地區(qū)沖孔樁施工的一次創(chuàng)舉。

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