高性能泥漿在復(fù)雜地質(zhì)基樁鉆孔施工中的應(yīng)用

孫 軼

(湖南路橋建設(shè)集團公司，湖南長沙 410004)

1 概述

荊岳長江公路大橋主橋為雙塔雙索面鋼箱梁與混凝土箱梁相接組合的鋼混組合梁斜拉橋，其主跨跨徑達816 m。該橋主橋雙塔之一的南塔基礎(chǔ)為鋼筋混凝土基樁與承臺的組合結(jié)構(gòu)，基樁設(shè)計直徑為2.2 m，長度為80 m，鉆孔長度近90 m。南塔基礎(chǔ)構(gòu)造見圖1?；A(chǔ)位處于長江南岸慢灘江邊，其所在地面在枯、中水期處于岸上，地層覆蓋層厚度為21.2～24.7 m，以粘性土為主。橋位主床體南段基巖主要為白云巖及變余粉砂質(zhì)泥巖，南慢灘基巖巖性主要為變余粉砂質(zhì)泥巖，巖石飽和單軸抗壓強度為40～50 MPa?？辈旖Y(jié)果表明，本橋橋位長江主床體南部、南岸慢灘范圍均處于不良地質(zhì)發(fā)育地段，受風(fēng)化及構(gòu)造影響，巖體完整性差，斷層交切發(fā)育，并有溶蝕填充物存在。位于南岸慢灘上的南塔位粉砂質(zhì)泥巖層間錯動強烈，發(fā)育大量層間剪切帶，形成了破碎與完整巖體相間分布、巖體傾斜陡立的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造，巖體傾斜方向與水平面的夾角達到了70°～80°，剪切帶內(nèi)巖體破碎和風(fēng)化加強，呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)松散、性狀軟弱的特點。南塔位地質(zhì)構(gòu)造見圖2。

圖1 南塔基礎(chǔ)構(gòu)造(單位:cm)

南塔處地質(zhì)條件復(fù)雜，巖性條件變化大，同一樁位存在巖體軟硬不均且?guī)r體軟硬交替還存在巖體破碎帶和層間剪切帶，在鉆孔過程中極易出現(xiàn)塌孔、偏孔等現(xiàn)象，其施工難度較大。為保證基樁成孔的可靠，鉆孔采用高性能泥漿護壁工藝，氣舉反循環(huán)鉆進。鉆孔前試驗室做好泥漿配比試驗，確定采用高性能復(fù)合泥漿配比，并派人在現(xiàn)場全過程抽檢泥漿比重、粘度、含砂率、失水量及pH值等指標，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況對鉆孔泥漿指標進行調(diào)整，嚴格控制好各項指標，保證鉆孔樁的順利施工。接下來具體介紹29#墩鉆孔樁中泥漿制備及循環(huán)系統(tǒng)和泥漿現(xiàn)場質(zhì)量控制管理及混凝土澆筑情況。

2 泥漿的主要作用

1)清洗孔底，攜帶鉆屑;

2)形成泥皮，保護孔壁;

3)控制與平衡地層壓力;

4)懸浮巖屑;

5)在地面沉除巖屑;

圖2 南塔位地基地質(zhì)情況示意圖

6)將水功率傳給鉆頭;

7)冷卻和潤滑鉆頭、鉆柱。

3 泥漿的配比

1)護壁泥漿在鉆孔中非常重要，其各項指標控制著鉆孔的效率和成孔質(zhì)量。泥漿性能好，護壁效果好，孔壁泥皮薄而韌，孔底沉淀少，確保樁基的有效承載力。泥漿一般由水、粘土(膨潤土)和添加劑按適當?shù)呐浜媳扰渲贫伞Ｔ谡介_鉆前，試驗室進行配比試驗，選用不同的鈣基膨潤土和不同比例的水、堿、聚丙烯酰胺等進行試配。并考慮成本核算，最后選用不分散、低固相、低失水、適當粘度的PHP泥漿配比。不分散泥漿的特點:

①不分散泥漿具有高質(zhì)量泥漿的優(yōu)良性能，它是在任何復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下實現(xiàn)高標準、高質(zhì)量大型樁基施工的最佳選擇。

②不分散的含義可理解為，它具有對鉆屑和劣質(zhì)土不分散的特點，實質(zhì)上，泥漿在孔壁形成泥皮的過程中，所產(chǎn)生的濾液，同樣對巖層土具有不分散作用，從而使孔壁不會因此水化膨脹而導(dǎo)致坍塌或擴孔(特別對水敏性強的頁巖地基更顯示出它的優(yōu)越性能)。

③同時，由于它的不分散作用，對鉆孔中的循環(huán)泥漿在地面凈化系統(tǒng)中很容易實現(xiàn)凈化，并且它具有較好的“剪切稀釋”性能，鉆孔中流動性能好，鉆孔終止時，切力增加，穩(wěn)定性好，使泥漿及其中夾帶的少量微小鉆屑不易沉落，從而不會在樁尖出現(xiàn)沉淀，因此對保證樁基的承載力具有積極意義。

2)配比詳情如表1。

荊岳長江公路大橋采用全液壓沖擊反循環(huán)鉆機成孔。

全液壓沖擊反循環(huán)鉆機的泥漿循環(huán)方式與傳統(tǒng)沖擊鉆機的泥漿循環(huán)方式完全不同。全液壓沖擊反循環(huán)鉆機的鉆頭中心有一個圓孔，施工時，一根排渣管通過鉆頭中心的圓孔下到孔底，排渣管上端通過軟管與砂石泵相連，形成一個泵吸式反循環(huán)系統(tǒng)。在沖孔過程中，鉆頭沿著排渣管上下運動，并不影響泥漿循環(huán)的進行，因此泥漿性能不會如同傳統(tǒng)沖擊鉆機施工時由于靜置較長時間而發(fā)生變質(zhì)。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，全液壓沖擊反循環(huán)鉆機施工時，采用的泥漿性能指標與旋轉(zhuǎn)鉆機反循環(huán)施工時采用的泥漿性能指標幾乎一致。因此，無論是采用旋轉(zhuǎn)鉆機施工，還是采用沖擊反循環(huán)鉆機施工，均應(yīng)按表1控制泥漿性能指標。

表1 配比情況表

在配比試驗中，泥漿性能指標測定記錄如表2。

表2 泥漿性能指標測定記錄表

4 泥漿的制造與循環(huán)

每個鉆孔平臺配套4組泥漿循環(huán)系統(tǒng)，滿足4臺鉆機同時鉆孔施工的需要。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用兩種結(jié)構(gòu)形式的泥漿循環(huán)系統(tǒng)。一種為鋼桶結(jié)構(gòu);一種為地面開挖泥漿池。泥漿池的布置見泥漿系統(tǒng)布置平面圖(圖3)。

圖3 泥漿系統(tǒng)布置平面圖(單位:cm)

4.1 鋼桶結(jié)構(gòu)泥漿循環(huán)系統(tǒng)

一個鋼桶結(jié)構(gòu)泥漿循環(huán)系統(tǒng)由鉆機、消能池、三個沉渣桶、樁孔及溜槽組成。

4.1.1 造漿

利用一個內(nèi)徑為340 cm、高度為200 cm的鋼筒作為造漿桶。造漿機械為一臺6BS砂石泵，采用桶內(nèi)上下循環(huán)的方式工作。根據(jù)試驗室提供的配合比，制造鉆孔需要的泥漿。鉆孔施工時，應(yīng)根據(jù)不同地層的地質(zhì)情況，制造相應(yīng)性能的泥漿。泥漿在造漿桶內(nèi)制造完成后，經(jīng)檢驗合格才能將其抽入泥漿循環(huán)系統(tǒng)中。

4.1.2 儲漿、補漿

利用一個內(nèi)徑為340 cm、高度為300 cm的鋼筒作為儲漿桶。通過砂石泵將造漿桶的泥漿泵入儲漿桶中備用。儲漿桶通過泥漿溜槽與樁孔鋼護筒相連，利用儲漿桶上的閥門來控制儲漿桶的供漿量。鉆孔施工時，應(yīng)派專人監(jiān)測樁孔水頭變化，根據(jù)需要及時補充泥漿。

4.1.3 排渣

在三個沉渣桶底設(shè)置了出渣洞，通過出渣洞將鉆渣排除并清除出場地外。

4.2 泥漿池循環(huán)系統(tǒng)

泥漿池開挖深度為2 m，砌筑高度高于地面1 m。

4.2.1 造漿

利用一個直徑為3.4 m，高度為2 m的鋼桶用作造漿。造漿機械為一臺6BS砂石泵，采用桶內(nèi)上下循環(huán)的方式工作，根據(jù)試驗室提供的配合比，制造鉆孔需要的泥漿。鉆孔施工時，應(yīng)根據(jù)不同的地層的地質(zhì)情況，制造相應(yīng)性能的泥漿。泥漿造好后，經(jīng)檢驗合格才能排入泥漿循環(huán)系統(tǒng)中。

4.2.2 儲漿、補漿

利用一個面積為182 m2、深度度為2 m、儲漿容量為364 m3的泥漿池作為儲漿池。泥漿在造漿桶內(nèi)制造完成，經(jīng)檢驗合格后，通過砂石泵將泥漿抽入儲漿池中備用。儲漿池通過泥漿泵向樁孔補漿。鉆孔施工時，應(yīng)派專人監(jiān)測樁孔水頭變化，根據(jù)需要及時補充泥漿。在澆筑樁基水下混凝土?xí)r，利用儲漿池作為泥漿回收的容器。

4.2.3 排渣

當沉渣池內(nèi)鉆渣淤積至一定程度，利用挖掘機挖出，裝入運輸車運至合適棄渣點進行處理。

5 泥漿現(xiàn)場質(zhì)量控制及管理

1)對反循環(huán)鉆孔而言，泥漿性能指標確定應(yīng)遵循“三低一適當”(即低密度、低失水率、低含砂率、適當粘度)的原則。

①低密度 :一般情況下泥漿的主要作用為護壁而平衡地層壓力主要依賴水頭，規(guī)范規(guī)定不得小于1～2 m，如果依靠加大泥漿密度來保持孔壁的穩(wěn)定是不經(jīng)濟的，而且會嚴重影響鉆孔的效果。

②低失水:失水現(xiàn)象是由于泥漿在液柱壓力作用下通過地層空隙的阻塞過濾，部分泥漿中的水分向地層滲漏，在孔壁上形成泥皮的過程。由此可見，失水越少，將減少對地層的水化作用，有利于保護孔壁，同時形成的泥皮也薄，有利于防止縮孔。這些都與泥漿的性能、液柱壓力及地質(zhì)情況有關(guān)，而且低失水，泥皮的形成必須堅韌。但研究表明，如果在不影響地層穩(wěn)定的情況下，適當?shù)姆艑捠笜擞欣谔岣咩@速。

③低含沙率:含沙率高不利于鉆進，同時對鉆頭的磨損也加大，而且也容易增加沉淀厚度。

④適當粘度:容易漏失的地層，如護筒底或礫石層等地質(zhì)孔隙、裂隙發(fā)育時應(yīng)加大泥漿粘度，反之可適當降低粘度。

2)在進入某一土層前應(yīng)調(diào)整泥漿指標，符合要求后方能鉆進，切忌盲目進尺，尤其是在容易坍塌漏失地層更要重視。

泥漿性能的調(diào)整是建立在取樣試驗的基礎(chǔ)上，處理劑的加入量很關(guān)鍵。應(yīng)根據(jù)試驗結(jié)果和孔內(nèi)泥漿數(shù)量以及泥漿循環(huán)速度確定，可在一個循環(huán)周期內(nèi)均勻加完。每天派人員輪流在現(xiàn)場，每2 h測量一次泥漿指標，尤其是在地質(zhì)變化需調(diào)整泥漿性能時和終孔循環(huán)清除沉淀時，加強測試頻率，每1 h測量一次泥漿指標，進行全過程控制。試樁過程中泥漿性能較穩(wěn)定，在參考規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合這次試樁中實際泥漿指標的控制情況，總結(jié)出適合各地層泥漿參考指標(表3)。

表3 各地層泥漿參考指標

3)在鉆孔過程中，根據(jù)鉆進速度和排渣情況及時清理泥漿循環(huán)池，保證泥漿循環(huán)暢通和防止泥漿流失，并保持泥漿循環(huán)池的漿位不變。注意隨時往孔內(nèi)補充漿液，維持孔內(nèi)的水頭高度。

4)鉆孔到位，終孔循環(huán)除砂后，檢驗?zāi)酀{主要指標如下:密度 1.10 g/cm3;粘度 22 s;含砂率0.75%;pH值8.5，以上均符合規(guī)范要求。其中重點確保含砂率在2%以內(nèi)(盡量將含砂率降低至1%左右)。

5)29#墩樁基礎(chǔ)采用水下30號混凝土，坍落度控制在18～22 cm，配合比設(shè)計采用雙摻技術(shù)(摻粉煤灰和緩凝高效減水劑)。

原材料及配比情況見表4。

表4 原材料及配比情況

6 運用總結(jié)

在運用了上述關(guān)鍵技術(shù)以后，南塔基樁鉆孔施工順利。在已成功完成的40根基樁中，完成一根基樁成孔所需要時間為15～20 d，樁孔垂直度均被控制在1/150以內(nèi)，孔截面最大偏差均被控制在50 cm以內(nèi)。樁孔垂直度及平面位置精度均滿足施工規(guī)范和設(shè)計圖要求。

南塔基樁鉆孔施工的情況表明，在本橋南塔基樁鉆孔施工中所存在的技術(shù)難題已得到了徹底解決。針對南塔基樁鉆孔施工技術(shù)難題所研究、提出的一套關(guān)鍵技術(shù)成果，對破碎與完整巖體相間分布、巖體傾斜陡立的復(fù)雜地質(zhì)條件下所存在的鉆孔塌孔、偏孔等技術(shù)難題，是行之有效的解決方法，可為類似復(fù)雜地質(zhì)條件下的基樁成孔施工提供有益的借鑒、參考和指導(dǎo)。

［1］趙映珍.水泥漿攪拌樁加固軟土地基處理技術(shù)［J］.湖南交通科技，2006，32(4):43 －46.

［2］白繼東.泥漿護壁混凝土灌注樁要點分析［J］.湖南交通科技，2008，34(1):115 －116.

［3］黃生文，黃 歡，魯長亮，等.粘土水泥漿液在路基加固中的應(yīng)用［J］.中南公路工程，2006，31(2):119 －123.

［4］趙明華，胡 昱，汪 優(yōu)，等.高橋墩樁基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計及因素分析［J］.公路工程，2007，32(5):1 －4.

［5］駱 芳.橋梁鉆孔灌注樁基礎(chǔ)樁身完整性檢測方法［J］.湖南交通科技，2004，30(3):101 －103.

［6］夏雨成，曾輝明.高性能混凝土在海灣大橋樁基礎(chǔ)中的應(yīng)用［J］.湖南交通科技，2005，31(3):72 －73.

［7］陳建新.橋梁鉆孔灌注樁施工中的問題及防治［J］.中南公路工程，2004，29(4):105 －107.

［8］王泰霖.橋梁鉆孔灌注樁施工過程中質(zhì)量控制［J］.湖南交通科技，2008，34(1):113 －114.

［9］余?？?巖溶區(qū)鉆孔樁施工方法與實例［J］.湖南交通科技，2009，35(1):111 －114.

［10］廖平若，廖 固，易 丹.高性能混凝土的試驗研究［J］.中南公路工程，2005，30(1):92 －93.

［11］夏雨成，曾輝明.高性能混凝土在海灣大橋樁基礎(chǔ)中的應(yīng)用［J］.湖南交通科技，2005，31(3):72 －73.

［12］習(xí) 康，魯 浩.復(fù)雜地質(zhì)條件下橋梁樁基施工質(zhì)量控制［J］.中南公路工程，2005，30(1):120－121.