化學(xué)泥漿在跨膠州灣特大橋海中樁基旋挖成孔施工中的應(yīng)用研究

劉奎文

摘要：本文結(jié)合新建青連鐵路跨膠州灣特大橋海中樁基旋挖成孔施工情況，介紹了鉆孔過(guò)程中使用化學(xué)聚合物造漿，在海洋海水環(huán)境有較厚的砂層的地質(zhì)條件下利用海水、化學(xué)劑、火堿等材料成功造漿并護(hù)壁成孔的施工技術(shù)。此施工技術(shù)在海水、砂層厚的施工環(huán)境下旋挖快速成孔施工中推廣應(yīng)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.

關(guān)鍵詞：化學(xué)聚合物；海中樁基；旋挖成孔；施工技術(shù)

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

中圖分類號(hào)：U445.55+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）12-0124-03

0 引言

近些年來(lái)，我國(guó)針對(duì)以旋挖作業(yè)為主的橋梁工程中的鉆孔速度、成樁質(zhì)量以及環(huán)保指標(biāo)提出了嚴(yán)格的要求，加之高速鐵路建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，旋挖鉆在建筑施工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。采用旋挖成孔工法施作覆蓋層，不僅能在保證成孔質(zhì)量的前提下滿足快速成孔的施工要求，而且整個(gè)作業(yè)過(guò)程無(wú)噪音，對(duì)周圍環(huán)境無(wú)污染或者污染小，得到了工程領(lǐng)域的一致認(rèn)可。旋挖成孔工法以靜態(tài)泥漿穩(wěn)定液護(hù)壁代替了循環(huán)造漿的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)鉆孔持續(xù)補(bǔ)漿來(lái)平衡鉆孔內(nèi)外的水壓，所以泥漿的選用及性能指標(biāo)在成孔過(guò)程中顯得尤為重要。

目前工程領(lǐng)域仍采用膨潤(rùn)土礦物泥漿護(hù)壁法進(jìn)行鉆孔施工，這種工法不適用于相對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。隨著施工技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)聚合物泥漿技術(shù)逐漸從國(guó)際工程領(lǐng)域引入到國(guó)內(nèi)，在國(guó)內(nèi)的一些地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜的工程中取得了較好的應(yīng)用效果。本文通過(guò)青連鐵路跨膠州灣海中樁基工程的實(shí)例來(lái)闡述化學(xué)聚合物泥漿在海中復(fù)雜地質(zhì)條件下樁基旋挖成孔施工中的應(yīng)用。

1 工程概況

青連鐵路跨膠州灣特大橋位于青島市城陽(yáng)區(qū)，其中跨海部分2.1公里，41個(gè)墩，采用樁基礎(chǔ)，其中樁徑有？準(zhǔn)1.25、？準(zhǔn)1.5m兩種，平均樁長(zhǎng)45m，東西兩側(cè)填筑部分樁基采用360旋挖鉆施工。

1.1 工程地質(zhì)條件

設(shè)計(jì)勘察地層主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q■■），第四系全新統(tǒng)沖海積層（Q■■）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂，下伏基巖為白堊系下統(tǒng)（K1）流紋巖、安山巖、礫巖、泥質(zhì)砂巖及凝灰?guī)r。

膠州灣海中地層主要為：第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q■■），第四系全新統(tǒng)沖海積層（Q■■）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂，第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q■■）黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂及礫砂，下伏基巖為白堊系下統(tǒng)（K1）流紋巖、安山巖、角礫巖、泥質(zhì)粉砂巖。DK10+900附近揭露斷層。

1.2 水文地質(zhì)特征

橋址區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水，主要接收大氣降水補(bǔ)給及海水影響，設(shè)計(jì)單位勘察期間測(cè)得鉆孔穩(wěn)定水位0.90m～3.60m，高程1.20m～3.08m，水位季節(jié)變化幅度2～4m。

海中段位于典型半日潮潮汐的膠州灣內(nèi)，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，最大潮差約6.8m。

1.3 地質(zhì)條件特點(diǎn)

樁基施工的地質(zhì)條件復(fù)雜，海床以下最深達(dá)5m的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，為軟塑狀態(tài)，易造成塌孔。以下6m～35m的范圍內(nèi)分布著粉細(xì)沙、細(xì)沙層、中砂層和粗砂層，中間夾薄層粉質(zhì)粘土，30m范圍內(nèi)塌孔的可能性較大。

2 泥漿選擇過(guò)程

2.1 泥漿的重要性

按照相關(guān)技術(shù)規(guī)程，泥漿比重宜為1.15～1.20g/cm3，泥漿粘度應(yīng)該在18～22Pa·s之間，泥漿的含砂率應(yīng)不大于4%。鉆孔泥漿質(zhì)量差將導(dǎo)致以下問(wèn)題：

①護(hù)壁泥膜黏附力不足，容易脫落，或者根本不能形成護(hù)壁泥膜，導(dǎo)致孔壁缺乏穩(wěn)定性，鉆進(jìn)時(shí)容易塌孔或縮頸。

②泥漿的比重和粘稠度超標(biāo)，含砂率高，使得泥膜過(guò)厚，沒(méi)有足夠的粘附力，鉆進(jìn)時(shí)造成樁的側(cè)摩阻力過(guò)大。

③濃稠的泥漿沉積粘附在鋼筋籠上，破壞了鋼筋與混凝土之間的握裹力，而且泥漿比重超標(biāo)增加了混凝土水下灌注的阻力，影響了混凝土的流動(dòng)性，造成大量混凝土骨料在樁芯處積聚，造成鋼筋籠內(nèi)外骨料分布不均，樁的側(cè)摩阻力很難發(fā)揮，最終影響了成樁質(zhì)量。

2.2 粘土造漿

施作鉆孔樁時(shí)按照水：黃土：火堿=100：38：0.25的比例，用粘土配置泥漿，以降低作業(yè)成本。用火堿造漿的目的是通過(guò)提高泥漿pH值保證粘土顆粒分散，增大粘粒表面負(fù)荷，增大水化膜厚度，以確保泥漿的穩(wěn)定性和膠體率達(dá)到造漿要求。作業(yè)期間不定時(shí)檢測(cè)泥漿質(zhì)量，將泥漿比重控制在1.05～1.2g/cm3之間，含砂率在4%～8%之間，使?jié){液粘度達(dá)到18～20Pa·s。按上述標(biāo)準(zhǔn)控制泥漿參數(shù)，可有效降低泥漿比重，從而確保漿液有足夠的粘附力。但嚴(yán)格來(lái)講，這套標(biāo)準(zhǔn)中泥漿的含砂率較大，造成鉆進(jìn)時(shí)孔壁坍塌，塌孔地層集中在粉細(xì)砂和細(xì)砂層之間。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)塌孔主要要是因?yàn)槟酀{比重偏小，粘度偏低，使孔壁泥膜不堅(jiān)實(shí)所致。

2.3 膨潤(rùn)土造漿

根據(jù)地勘報(bào)告，粉細(xì)砂和細(xì)砂層最深達(dá)40m左右，粘土泥漿已經(jīng)無(wú)法對(duì)孔壁進(jìn)行有效護(hù)壁，塌孔嚴(yán)重影響成樁質(zhì)量。故決定改用膨潤(rùn)土造漿。

2.3.1 泥漿原材料

鉆孔泥漿選用不分散、低固相、高粘度的優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土造漿，另外適量加入火堿（NaOH）。

①膨潤(rùn)土：為泥漿膠體質(zhì)的主要來(lái)源，采用以蒙脫石為主的鈉質(zhì)膨潤(rùn)土，具有較好的分散懸浮性和造漿性能，泥皮較薄，穩(wěn)定性好，造漿率高（1t膨潤(rùn)土可造12m3～16m3泥漿），質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。膨潤(rùn)土摻量為泥漿體積的6%～10%，即100m3泥漿需用6t～10t膨潤(rùn)土。為了增大泥漿中膠體的成份，選擇膠體率大（≥96%）和含砂率少（0～0.3%）的膨潤(rùn)土，特別注意不能錯(cuò)用鑄造用的膨潤(rùn)土（膠體率特別低）。

②火堿（NaOH）：其指標(biāo)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)。在泥漿中添加火堿，目的是提高pH值，保證粘土顆粒分散，同時(shí)增大表面負(fù)電荷，增強(qiáng)泥漿對(duì)帶正電荷鉆渣（特別是懸浮鉆渣）的吸附能力，所以回流孔內(nèi)泥漿的pH值應(yīng)該偏高一些。配置泥漿時(shí)，火堿的添加量應(yīng)該是泥漿體積的0.3%～0.5%，也就是說(shuō)100m3泥漿要添加300～500公斤火堿。一般情況下，添加火堿后，泥漿的pH值能夠提高到10～12左右，這時(shí)再添加膨潤(rùn)土，可大幅度提高泥漿的粘附性。

2.3.2 膨潤(rùn)土性能指標(biāo)檢測(cè)

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，膨潤(rùn)土泥漿各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，成孔質(zhì)量有較大的提高，但仍然發(fā)生塌孔現(xiàn)象，塌孔地層為較厚的粉砂層和細(xì)砂層。說(shuō)明在復(fù)雜地質(zhì)條件下，按常規(guī)性能指標(biāo)要求，泥漿護(hù)壁效果不明顯。同時(shí)，膨潤(rùn)土泥漿的最大缺陷在于鉆渣沉淀速度慢，清孔時(shí)鉆渣很難同時(shí)沉淀下來(lái)，往往在首次清孔后，下完鋼筋籠，二次清孔前短短2～3小時(shí)，沉渣厚度超過(guò)1m，水下混凝土澆筑過(guò)程中，仍有大量鉆渣沉淀，影響樁身質(zhì)量，而且海中施工膨潤(rùn)土造漿極易污染海水。

3 化學(xué)泥漿應(yīng)用研究

在本工程中復(fù)雜地質(zhì)條件下，需要較大粘度的泥漿達(dá)到穩(wěn)定的護(hù)壁效果，徹底解決鉆孔過(guò)程中的塌孔問(wèn)題，同時(shí)，要求鉆渣沉淀速度快，造漿不污染海域，又要確保樁身質(zhì)量。經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比研究，決定采用化學(xué)聚合物泥漿。本工程中采用奈普頓（Neptune）化學(xué)聚合物泥漿。

3.1 泥漿配制

旋挖取土成孔中，靜態(tài)泥漿作為成孔過(guò)程的穩(wěn)定液，主要作用是護(hù)壁?；瘜W(xué)聚合物泥漿主要由高分子聚合物水解后形成。由于泥漿聚合物分子量一般高達(dá)2000萬(wàn)以上，水解后分子璉擴(kuò)散并會(huì)與其他分子鏈重新連接，故會(huì)形成較為粘稠的近似糊狀的泥漿，能夠最大限度的粘住并沉淀鉆渣。該泥漿體系能對(duì)孔壁提供壓力，防止在不穩(wěn)定地層中鉆孔的坍塌；同時(shí)最大化旋挖鉆的裝載能力，提高掘進(jìn)速度。

制配泥漿時(shí)，先通過(guò)pH試紙對(duì)配制用水的pH值進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)測(cè)定結(jié)果加入適量的火堿（添加量約為0.5kg/m3），將泥漿體系的pH值調(diào)節(jié)到8～10，減少因海水問(wèn)題造成對(duì)泥漿性能的影響。

在噴射的水流中沖入可使聚合物泥漿原料迅速水化分散，并利用空壓機(jī)鼓動(dòng)泥漿不少于3小時(shí)以上直至泥漿材料充分水化分散。性能指標(biāo)如表3。

奈普頓化學(xué)劑造漿施工過(guò)程中根據(jù)地層不同，按0.01%～0.1%比例配制，指標(biāo)如表4所示。

3.2 旋挖鉆進(jìn)成孔

①挖一個(gè)泥漿池，根據(jù)用量確定泥漿池的大小，并在池邊安裝好泥漿泵和空氣壓縮機(jī)，周邊做好防護(hù)。

②將海水注入泥漿池后，用20%氫氧化納（又名燒堿、火堿或片堿）溶液調(diào)節(jié)水的pH值在8～10之間，用空壓機(jī)攪拌10min～20min。

③打開(kāi)循環(huán)泵進(jìn)行自循環(huán)，將本產(chǎn)品從泵出水管口緩慢勻速地加入，首次使用時(shí)一般采用最大量使用，加量為萬(wàn)分之五（即100m3水中添加50kg本產(chǎn)品后拌制10min，用工程漏斗測(cè)定溶液的黏度約為28s即可，要求手感稍有粘度起線絲狀）。該標(biāo)準(zhǔn)不適用于特殊地質(zhì)。

④在拌和過(guò)程中，黏度超過(guò)28s需要注水稀釋，但是如果黏度達(dá)不到30s，多半是因?yàn)榘韬筒怀浞郑蓪嚢钑r(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)。如果上述兩種情況均被排除后黏度仍達(dá)不到設(shè)計(jì)值，就需要打開(kāi)循環(huán)泵自循環(huán)后將奈普頓造漿劑從出水口處加入，再用空壓機(jī)攪拌一段時(shí)間，直至其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

⑤鉆進(jìn)時(shí)提前備好泥漿，遇到含砂層較多的問(wèn)題時(shí)，伴隨鉆進(jìn)過(guò)程持續(xù)補(bǔ)漿，以維持鉆進(jìn)液面，平衡地層壓力。

⑥結(jié)束鉆進(jìn)作業(yè)后查看孔深情況，適當(dāng)停頓15～40min。用鉆機(jī)打撈孔底沉砂（打撈時(shí)不宜控漿）后，按設(shè)計(jì)要求將鋼筋籠、注漿導(dǎo)管下放到孔底，照此操作，如無(wú)意外情況都可以達(dá)到灌注樁要求的含砂量及沉砂量，經(jīng)過(guò)打撈后有的地層依然有大量沉砂，但都屬于個(gè)別情況，對(duì)這部分地層可增加打撈次數(shù)，直到沉砂量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后再下放鋼筋籠。一般來(lái)說(shuō)，化學(xué)聚合物泥漿本身就具有快速沉淀鉆渣的功能，成孔時(shí)殘留在孔內(nèi)的沉渣本來(lái)就很少，下放鋼筋籠后沉渣厚度通常在10cm以下，如果都符合要求可跳過(guò)二次清孔直接進(jìn)行下一道工序。此外，聚合物泥漿不會(huì)粘附在孔壁上，也不會(huì)帶鉆渣，可以大幅度提高摩擦承載力。

⑦灌樁后，如果返回的泥漿粘度不足30s，就要開(kāi)啟循環(huán)泵進(jìn)行自循環(huán)，然后從出水口處補(bǔ)充奈普頓造漿劑，并用空壓機(jī)攪拌均勻。同時(shí)，還需要提前用另一個(gè)泥漿池配置好下一個(gè)鉆孔所需的泥漿。

3.3 化學(xué)泥漿應(yīng)用效果

使用化學(xué)聚合物泥漿鉆孔不僅實(shí)現(xiàn)了快速成孔（成孔速度為每5～10小時(shí)/根），而且有效避免了塌孔問(wèn)題，保證了成樁質(zhì)量。經(jīng)檢驗(yàn)，采用聚合物泥漿成樁等級(jí)都符合I類樁標(biāo)準(zhǔn)，且環(huán)境得到一定保護(hù)，泥漿不污染海域。

4 結(jié)束語(yǔ)

聚合物泥漿作為一種新型材料有著與粘土泥漿和膨潤(rùn)土泥漿截然不同的性能?？焖俪恋磴@渣的能力比較顯著，特別是膨潤(rùn)土和粘土較難適應(yīng)的復(fù)雜地質(zhì)條件及砂層較厚的地層，其粘度大，比重小，含砂率小的特點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)施工中取得了良好的實(shí)際效果。作為一種相對(duì)環(huán)保的產(chǎn)品，相信在類似海洋復(fù)雜的地質(zhì)條件下能夠更大地發(fā)揮作用。此施工經(jīng)驗(yàn)亦可以在砂層較厚陸地樁基旋挖施工中推廣應(yīng)用。

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