化学泥浆在地铁车站围护结构钻孔灌注桩中的应用(知名施工企业).doc

地铁X号线一期工程X标段

中铁X局轨道交通工程
施工技术交流材料

中铁X局集团第X工程有限公司
XX市地铁X号线X标段项目经理部
2013年11月20日
化学泥浆在地铁车站围护结构钻孔灌注桩施工中的应用
[摘  要]： 介绍旋挖钻在地铁钻孔桩施工中化学聚合物泥浆护壁成孔技术 
[关 键 词]： 粉砂层  细砂层  成孔  粘土泥浆    化学泥浆

近年来，随着国家重点工程对桩基质量、成孔速度、环保等要求的不断提高，以及在地铁建设的带动下，旋挖钻市场占有率迅速扩大。旋挖钻机在覆盖层施工具有成孔质量好、速度快，无噪音、无污染或小污染等优势。但是由于旋挖成孔施工无循环造浆功能，只能采用静态泥浆稳定液护壁，靠不停的向孔内进行补浆来保证孔内外水压的平衡和护壁效果，所以泥浆的选用及性能指标在成孔过程中显得尤为重要。   
目前我国传统上仍采用膨润土矿物泥浆护壁，但是在某些复杂地质条件下，膨润土泥浆存在一定的局限性。随着市场的发展，化学聚合物泥浆技术逐渐地引入国内，并取得良好效果。本文通过XX市地铁1号线X标化学泥浆实例来阐述化学聚合物泥浆在复杂地质条件下旋挖成孔施工中的应用。
1 工程概况 
XX市地铁1号线X标段工程范围为：省博物馆站～体育场站～北宋站（不含），共两站两区间，线路总长2.053km；省博物馆站为地下三层车站，平均开挖深度26.5m，采用明挖顺做法施工；体育场站为标准二层站，采用明挖顺做法（局部盖挖）施工。两个车站主体围护结构均采用钻孔灌注桩施工工艺。
1.1 水文地质条件 
根据初勘及详堪资料显示，由于XX市市地下水开采较为严重，导致在建地铁线路沿线地下水埋深大，主要以潜水为主，标段水位埋深在35m左右。
按地层沉积年代、成因类型分类，本工程沿线勘探范围内的土层划分为人工堆积层（Qml）、新近沉积层（Q4al）第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）、第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）四大层。车站所在地层主要有黄土状粉质粘土③1层、粉细砂④1层、中粗砂④2层、粉质粘土⑤1层。地质情况见附表1：
工程地质表 表1
地层
编号
岩土名称
重度
γ(kN/m3)
粘聚力
c（kPa)
内摩擦
角φ
静止侧
压力系数
垂直基床
系数kPa/m
水平基床系数kPa/m
地基土的基本承载力σ0（kPa）
③1
黄土状粉质粘土
18.1
30
17
0.35
45000
40000
110~160
④1
粉细砂
18.5
0
27
0.40
30000
35000
150~200
④2
中粗砂
20.2
0
30
0.32
32000
35000
150~300
⑤1
粉质粘土
18.7
33
18
0.41
35000
50000
150~220
1.2成孔方式
本标段桩径参数800@1300mm和1000@1500mm，均为摩擦桩，地层参数由上而下分为杂填土、粉质粘土、粉土、粉砂、粉细砂、细中砂、中粗砂、粉质粘土。因总体穿越砂层较厚，故桩基成孔选用泥浆护壁法，桩基施工采用国产三一重工220型旋挖钻机。
2 泥浆的选择过程
结合XX市市“城市污染综合治理”方针，同时考虑“技术先进可行、成本受控”的原则，施工前，项目部对泥浆种类进行了比选：
2.1传统泥浆的制备及应用
钻孔泥浆选用不分散、低固相、高粘度的优质膨润土造浆，另外适量加入纯碱（Na2CO3）。
⑴ 膨润土：为泥浆胶体质的主要来源，采用以蒙脱石为主的钠质膨润土，具有较好的分散悬浮性和造浆性能，泥皮较薄，稳定性好，造浆率高（1t膨润土可造12m3～16m3泥浆），质量等级为二级标准。膨润土掺量为泥浆体积的6%～10%，即100m3泥浆需用6t～10t膨润土。为了增大泥浆中胶体的成份，选择胶体率大（≥96%）和含砂率少（0～0.3%）的膨润土。
⑵ 纯碱（Na2CO3）： 其指标应符合GB210-92的Ⅲ类合格品的标准，主要作用是增大PH值，使粘土颗粒分散，并增加表面负电荷，吸附带正电荷的钻屑，使泥浆悬浮钻屑效能更好，因此回流孔内泥浆中PH值应稍高一些。纯碱掺量为泥浆体积的0.3%～0.5%左右，即100m3泥浆需用碱300～500公斤。碱用量增加到使泥浆PH值达到10～12后，再加入膨润土，以增大泥浆粘度。
2.2泥浆拌制
泥浆调制采用机械搅拌，搅拌时将定量的清水加入搅拌机，然后慢慢地加进与水量相应的粘土，并开动机器搅拌，成浆后打开出浆门出浆。
2.3膨润土性能指标检测
优质泥浆各阶段性能指标表 表2
指标
①基浆
膨润土+碱
②钻进
①与钻屑混
③回流
②净化+①
④清孔
③+①
⑤弃用
③沉淀中
1、比重V（g/cm3）
<1.03
<1.20
<1.08
1.06～1.10
>1.2
2、粘度T（Pa.s）
18～22
25～28
24～26
22～24
>40
3、含砂率π（%）
<0.5
<5.0
0.6～1.2
≤0.70
>9

从以上数据中可以看出，膨润土泥浆各项指标均符合要求，成孔质量有较大的提高，但仍然发生塌孔现象，塌孔地层为较厚的粉砂层和细砂层。说明在复杂地质条件下，按常规性能指标要求，泥浆护壁效果不明显。同时，膨润土泥浆的最大缺陷在于钻渣沉淀速度慢，清孔时钻渣很难同时沉淀下来，往往在首次清孔后，下完钢筋笼，二次清孔前短短2～3小时，沉渣厚度超过1m，水下混凝土浇筑过程中，仍有大量钻渣沉淀，影响桩身质量。
3 化学泥浆应用研究
在本工程中复杂地质条件下，需要较大粘度的泥浆达到稳定的护壁效果，彻底解决钻孔过程中的塌孔问题，同时，要求钻渣沉淀速度快，确保桩身质量。经过反复对比研究，决定采用化学聚合物泥浆。本工程中采用美国捷高科技公司产品顺帮（Bore Pac）化学聚合物及火碱制备泥浆。

3.1泥浆配制
旋挖取土成孔中，静态泥浆作为成孔过程的稳定液，主要作用是护壁。化学聚合物泥浆主要由高分子聚合物水解后形成。由于泥浆聚合物分子量一般高达2000万以上，水解后分子琏扩散并会与其他分子琏重新连接，故会形成较为粘稠的近似糊状的泥浆，能够最大限度的粘住并沉淀钻屑。该泥浆体系能对孔壁提供压力，防止在不稳定地层中钻孔的坍塌；同时最大化旋挖钻的装载能力，提高掘进速度。
化学泥浆主要材料及配比表 表3

材料名称
成 分
配 比
说 明
水
H2O
100%
静态泥浆的主体。水中不应含有较多钙、镁等杂质离子，亦可在盐水中配制
顺帮Bore Pac
高分子聚合物
0.03%～0.05%
化学聚合物泥浆的主要材料,增加粘度控制孔壁稳定
火碱
NaOH
0.05%～0.08%
改善水质、促进聚合物迅速水解
配制泥浆以前，应先使用PH试纸测试配制水源的pH值，根据具体情况添加少量火碱（火碱的添加量一般为每立方米0.7kg左右，具体加量视现场PH测试结果确定），将泥浆体系的PH值调节到9效果最佳，减少因水源问题造成对泥浆性能的影响。
3.2 性能指标

化学泥浆的性能指标 表4
项目
指标
检测方法
泥浆比重（g/cm3）
1.0
比重计
粘度（Pa.s）
23
泥浆三件套
pH值
9.0 ～ 10.0
pH试纸

3.3 旋挖钻钻进成孔
（1）在护筒内注满泥浆后，开始钻进，钻进过程中要不断补充泥浆，使孔内水头高度始终保持不低于护筒高度的1/2，以防止压力失控导致坍孔。
（2）钻机施工时要注意控制钻具的提起和下放速度，尤其是在出入孔口和初提钻时，减少对泥浆体系的扰动，加快泥浆中钻屑的沉降，同时还可以减少对孔壁的扰动，保证孔壁稳定。
（3）与膨润土泥浆携带钻屑不同，化学聚合物泥浆内钻屑快速沉淀，在钻孔后期，为保证孔中钻屑充分沉淀，宜适当放慢钻进速度或静止半小时左右待钻屑沉淀完全后一起捞出。
4 化学浆的优点
（1）能快速沉淀钻屑，成孔后成渣厚度小，有效提高了成孔效率和成桩质量。
（2）粘度大：传统泥浆该项指标为19-22s，化学泥浆在24s，粘度明显高，便于护壁和携渣。
（3）比重小：传统泥浆该项指标为1.15-1.2，,化学泥浆比重为1.0，比重小，便于清孔。
（4）科学环保：城市施工，泥浆排放永远是大难题，尤其是近几年，各地方政府均加大了环境治理力度，化学泥浆的低污染、高环保的优越性相比传统泥浆更胜出一筹。
5 结束语
化学泥浆作为一种新型材料，具有一定优越性，快速沉降钻屑、造浆速度快、满足施
工现场环保要求的优点比较显著。在复杂的地质条件下，化学泥浆粘度大更有利于护壁、比重小便于清孔。但跟其他泥浆相比，价格较高。