泥漿循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及泥漿配合比研究

肖光強(qiáng)

(中交二航局第一工程有限公司，重慶 402160)

1 工程概況

埃及蘇赫娜第二集裝箱碼頭位于蘇伊士運(yùn)河南入口約40 km，在開(kāi)羅東南方向 140 km，丘陵山地。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)大體分為3層，地面標(biāo)高至+1m為細(xì)砂層或砂夾泥層，為松散地層；+1m至-8.5為較密實(shí)的細(xì)砂層，中間偶爾會(huì)遇到1～2m的黏土層；-8.5m至-22m為較為密實(shí)的砂卵石層。而本項(xiàng)目地連墻設(shè)計(jì)底標(biāo)高以達(dá)到了砂卵石層，碼頭岸線1 400 m左右，前400 m超過(guò)-22 m都為密實(shí)的砂卵石層，之后1 000 m地質(zhì)則較松軟，因此，沿岸線方向又將碼頭分為M1(前400 m)和M234(后1 000 m)兩個(gè)區(qū)域。

2 泥漿的基本組成和主要性能指標(biāo)

在地連墻施工過(guò)程中，泥漿有著至關(guān)重要的作用。首先，地連墻施工需要持續(xù)的新鮮泥漿供應(yīng)以維持槽壁的穩(wěn)定性，成槽是否穩(wěn)定快速與泥漿好壞密不可分；其次，在施工過(guò)程中，泥漿循環(huán)可以使泥渣懸浮并攜帶一部分泥渣，加快施工效率；并且，銑槽機(jī)或液壓抓斗在持續(xù)高速的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高溫，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行對(duì)機(jī)具損耗巨大，泥漿循環(huán)可以冷卻和潤(rùn)滑機(jī)具，使其可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)并降低損耗。

2.1 泥漿的基本組成

泥漿是指有清水和膨潤(rùn)土加上一些添加劑拌和而成的混合液；所以泥漿主要組成有三個(gè)部分。

1)清水：泥漿的溶劑，清水水質(zhì)直接影響泥漿的性能。

2)膨潤(rùn)土：泥漿的主要成分，其膨化性能，與水混合的密度、稠度都與泥漿性能息息相關(guān)。

3)添加劑：由于地質(zhì)條件的不同，往往需要不同性能的泥漿，如早期護(hù)壁，后期護(hù)壁，因此，往往添加一些不同的添加劑提升泥漿性能；另外，在地連墻施工過(guò)程中，開(kāi)挖會(huì)摻和一些砂土降低泥漿性能，加入添加劑可有效地防止泥漿劣化。

2.2 泥漿的性能指標(biāo)

泥漿的性能主要表現(xiàn)在比重、黏度、含砂率、pH值四個(gè)方面。

1)比重：比重增加，槽壁穩(wěn)定性增加，泥皮厚度減小，攜渣能力增加，比重過(guò)大，滲流增多，不利于固壁。

2)黏度：黏度增加，槽壁穩(wěn)定性減弱，黏度過(guò)大，鉆挖阻力大，生成泥皮厚，不利于槽壁穩(wěn)定。

3)含砂率：含砂率增加，攜渣能力減弱，比重增加，黏度減少，含砂率越小越好，一般不應(yīng)大于5%。

4)pH值：pH值過(guò)大不利于槽壁穩(wěn)定，一般8～9為宜。

3 泥漿配合比設(shè)計(jì)

不同的地質(zhì)條件和施工工藝往往需要不同性能的泥漿。以埃及蘇赫納第二集裝箱碼頭為例，縱向?yàn)樯奥咽貙樱瑱M向本項(xiàng)目沿碼頭岸線分為地質(zhì)較硬的M1(前400 m)和地質(zhì)較松軟的M234(后1 000 m)；與之對(duì)應(yīng)，M1區(qū)域采用更適合硬層的液壓抓斗成槽，M234采用銑槽機(jī)和液壓抓斗同時(shí)施工，大大加快了施工效率。

M1地質(zhì)硬，成槽慢，液壓抓斗配備的泥漿循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)輸距離遠(yuǎn)；另外，M1臨海，潮汐使得地下水位增高，加大了泥漿護(hù)壁的壓力；而且一部分海水通過(guò)滲流混合到泥漿中，加速了泥漿劣化，因此適合后期護(hù)壁泥漿；M234地質(zhì)軟，成槽快，與銑槽機(jī)配備的泥漿循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)輸距離近，因此適合前期護(hù)壁泥漿。

根據(jù)不同的地質(zhì)條件和施工工藝，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了前期護(hù)壁，后期護(hù)壁兩種泥漿。

3.1 早期泥漿配制

首先，對(duì)原材進(jìn)行選擇，筆者在埃及市場(chǎng)選取了3種水質(zhì)較好的清水為1號(hào)清水、2號(hào)清水、3號(hào)清水；和3種膨化性能較好的膨潤(rùn)土分別為1號(hào)膨潤(rùn)土、2號(hào)膨潤(rùn)土、3號(hào)膨潤(rùn)土。然后分別隨機(jī)組合得到9種性能指標(biāo)不同的泥漿溶液分別對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試得到表1。

表1 新制泥漿性能對(duì)比

3.2 實(shí)驗(yàn)確定泥漿

配制好新制泥漿后，筆者將9種泥漿分別在M1和M4不同地質(zhì)條件下選取9幅地連墻進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并由清孔達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)含砂率的時(shí)間、以及護(hù)壁效果(是否塌孔：澆筑的標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高差值比較)等進(jìn)行優(yōu)劣對(duì)比，如表2。

表2 泥漿性能對(duì)比表

根據(jù)結(jié)果，對(duì)于M1區(qū)域筆者選取了后期護(hù)壁效果較好的 1號(hào)泥漿，對(duì)于M4區(qū)域筆者選取前期護(hù)壁效果較好的 5號(hào)泥漿。

3.3 泥漿的性能指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)范要求查得泥漿要求的比重，黏度，含砂率以及pH值等性能指標(biāo)如表3。

表3 泥漿性能指標(biāo)表

根據(jù)成槽工藝和地質(zhì)條件的不同，適當(dāng)提高比重，利于護(hù)壁，形成早期護(hù)壁泥漿；適當(dāng)增加黏度，降低比重形成后期護(hù)壁泥漿。

4 泥漿循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了適合不同地質(zhì)和工藝的泥漿還不能保證泥漿性能的完美發(fā)揮，因?yàn)橛绊懩酀{性能不只是配合比的設(shè)計(jì)和原材料的選用，其中泥漿的儲(chǔ)存時(shí)間和運(yùn)輸距離也是影響泥漿性能的重要因素。長(zhǎng)時(shí)間的靜置容易造成泥漿分層；運(yùn)輸距離過(guò)長(zhǎng)泥漿也容易在關(guān)閉形成膠化物，從而劣化；因此，為了保證泥漿的良好性能不得不設(shè)計(jì)一個(gè)完美的泥漿循環(huán)系統(tǒng)。

泥漿循環(huán)系統(tǒng)一般分為兩種。傳統(tǒng)的泥漿循環(huán)系統(tǒng)，液壓抓斗和鋼絲繩抓斗一般采用傳統(tǒng)的泥漿循環(huán)系統(tǒng)；新型的泥漿循環(huán)系統(tǒng)，銑槽機(jī)與之對(duì)應(yīng)；兩種系統(tǒng)各有利弊，本項(xiàng)目根據(jù)不同的工藝，兩種泥漿循環(huán)系統(tǒng)均有設(shè)計(jì)；下面對(duì)兩種系統(tǒng)進(jìn)行介紹分析，對(duì)比優(yōu)缺點(diǎn)，希望對(duì)類似項(xiàng)目提供參考。

4.1 傳統(tǒng)的泥漿循環(huán)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的泥漿循環(huán)系統(tǒng)需就近修建泥漿站，包含三個(gè)泥漿池，分別為：新制泥漿池、泥漿儲(chǔ)存池、泥漿回收池；在新制泥漿池中制備泥漿，在泥漿儲(chǔ)存池中膨化泥漿在通過(guò)泥漿管道用泵輸送至槽體，在施工的同時(shí)用泵回收泥漿，通過(guò)回收管道輸送至泥漿回收池；泥漿回收池中可利用的泥漿轉(zhuǎn)入泥漿制備池中循環(huán)利用，不能利用的廢棄泥漿用自卸車運(yùn)到指定區(qū)域進(jìn)行丟棄。

整個(gè)泥漿系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行，建造成本較低，但泥漿利用率不高；且泥漿池占地面積較大，基本只能一次使用，施工完成后需拆除，前期準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，在泥漿池運(yùn)行過(guò)程中泥漿容易泄露需經(jīng)常進(jìn)行文明施工維護(hù)；泥漿儲(chǔ)存時(shí)易摻雜垃圾和雨水影響泥漿性能；泥漿輸送管道較長(zhǎng)，鋪設(shè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

4.1.1 泥漿系統(tǒng)總體布置

本項(xiàng)目施工沿線約1 350 m,最初計(jì)劃將漿站設(shè)置在最西邊，由于地質(zhì)條件不同，以M1和M234分隔開(kāi)在M1的端頭設(shè)置一個(gè)臨時(shí)的漿站，以便提供不同護(hù)壁效果的泥漿。

總體布置如圖1。

圖1 泥漿系統(tǒng)總體布置圖

4.1.2 泥漿系統(tǒng)優(yōu)化

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)泥漿性能受運(yùn)距的影響極大；新制性能良好的泥漿在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)1 km的運(yùn)輸后開(kāi)始劣化，比重和黏度加大，護(hù)壁效果變差，性能變得不再優(yōu)良因此筆者優(yōu)化了泥漿管線，假設(shè)臨時(shí)漿站減少泥漿的運(yùn)輸距離，使泥漿性能達(dá)到最大的保障。

優(yōu)化后泥漿系統(tǒng)布置如圖2。

圖2 優(yōu)化后泥漿系統(tǒng)總體布置圖

4.2 新型的泥漿循環(huán)系統(tǒng)

與傳統(tǒng)泥漿循環(huán)系統(tǒng)不同的是新型泥漿循環(huán)系統(tǒng)采用泥漿罐代替了泥漿池，不需建造泥漿池，只需修筑一個(gè)泥漿罐放置平臺(tái)即可施工；同樣分為泥漿制備罐、泥漿儲(chǔ)存罐、泥漿回收罐，與傳統(tǒng)泥漿循環(huán)系統(tǒng)不同的是銑槽機(jī)本身安裝了一個(gè)泵，在施工過(guò)程中由泥漿儲(chǔ)存罐輸送泥漿至槽體，銑槽機(jī)本身會(huì)將泥漿循環(huán)，將可利用的泥漿循環(huán)利用，不可利用的輸送至泥漿回收罐。與傳統(tǒng)泥漿系統(tǒng)相比，新型泥漿循環(huán)系統(tǒng)大大提高了泥漿利用率，且泥漿罐與銑槽機(jī)相連，管道距離短，不用擔(dān)心運(yùn)輸距離長(zhǎng)導(dǎo)致泥漿劣化，并且利用泥漿罐儲(chǔ)存泥漿本身就是封閉的不用擔(dān)心泥漿遮蔽問(wèn)題，泥漿不會(huì)與雜物混合而影響性能；但由于泥漿循環(huán)系統(tǒng)與銑槽機(jī)配套，成本較高，一旦故障，維修較為困難。

4.2.1 泥漿系統(tǒng)總體布置

由于工期緊，項(xiàng)目總體進(jìn)度部署，所以在地連墻施工后期，本項(xiàng)目引進(jìn)了新型泥漿罐循環(huán)系統(tǒng)，按照泥漿池循環(huán)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，泥漿罐僅設(shè)置在西端頭滿足M4區(qū)域施工，減少了泥漿運(yùn)距，保證了泥漿性能。泥漿系統(tǒng)總體布置圖如圖3。

圖3 泥漿系統(tǒng)總體布置圖

4.3 方案對(duì)比分析

為滿足總體施工和進(jìn)度安排，埃及蘇赫納項(xiàng)目采用兩種循環(huán)系統(tǒng)，在施工前期，采用成本較低的傳統(tǒng)泥漿池，隨著施工進(jìn)程的發(fā)展不斷減少循環(huán)路徑，優(yōu)化循環(huán)路線，在M4區(qū)域采用成本較高但泥漿性能優(yōu)良的新型泥漿罐從而整體達(dá)到利益最大化。

相比較而言，泥漿罐整體優(yōu)于泥漿池，值得注意的是泥漿最大涵蓋運(yùn)距不宜超過(guò)500 m，否則，泥漿性能會(huì)受到影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

泥漿的合理運(yùn)用對(duì)于地連墻施工具有至關(guān)重要的作用，研究泥漿的性能、配比、制備過(guò)程、作用機(jī)理，設(shè)計(jì)出滿足不同地質(zhì)條件和施工工藝要求的泥漿，并且對(duì)現(xiàn)有的泥漿循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)用到工程實(shí)際中，具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，希望對(duì)類似的工程項(xiàng)目有所幫助。

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