泥漿技術在巖溶發(fā)育地區(qū)沖孔樁基施工中的應用

羅杰東

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泥漿技術在巖溶發(fā)育地區(qū)沖孔樁基施工中的應用

羅杰東

安徽理工大學

龍巖裕福大廈沖孔樁基工程通過現場試驗，對傳統(tǒng)泥漿進行改良，采用HL泥漿護壁技術，有效地解決了石灰?guī)r巖溶區(qū)復雜地層條件下，孔壁坍塌、泥漿漏失及砼罐注過于超量的技術難題。

沖孔樁 石灰?guī)r巖溶區(qū) HL 防塌 堵漏 充盈系數

1 概況

龍巖位于福建省西部，是距離廈門最近的內陸鄰海城市，也是海峽西岸經濟區(qū)向福建內陸延伸、拓展的腹地。龍巖還是革命老區(qū)，是一塊為中國革命勝利做出重要貢獻的紅土地。改革開放以來，龍巖經濟快速發(fā)展，城市建設日新月異。龍巖裕福大廈位于市區(qū)中心，其主體設計為三幢主樓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98.25m。是迄今為止龍巖市最高層建筑樓群。

該建筑基礎設計采用樁型為沖孔灌注樁，總樁數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。沖孔樁施工任務由福建省煤田地質局下屬施工單位承擔。建筑場地屬石灰?guī)r巖溶區(qū)，巖土地質條件復雜，樁基持力層為較完整的微風化石灰?guī)r。樁尖應進入持力層≥1d。樁身采用商品砼灌注，砼強度為C35，局部為C25灌注，鋼筋籠為通長筋布設，孔底沉渣≤50mm。2008年底開始樁基施工。

2 建筑場地巖土工程地質特征

樓群場地位于龍巖盆地中部，屬龍津河I級堆積階地地貌，地形較平坦，地下水位埋深2～2.5m。據龍巖工程勘察院提交的《巖土工程地質勘察報告》以及現場試樁資料，本工程沖孔樁施工由地表至持力層應揭露的主要巖土層，見表1所示。

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

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伍，與他們共同分析、探討，結合本工程實際情況，采取了一些對策與措施，如：

（1）置備大量優(yōu)質黃土及袋裝水泥，施工過程一旦發(fā)現塌孔、漏漿，及時用鏟車快速將大量黃土和水泥攪拌后倒入孔內，爭取做到及時堵漏、護壁、回漿；

（2）對上部卵石層等松散層采用長鋼質護筒預埋護壁隔離的方法，減少塌孔，保護上部孔壁；

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

受巖土工程地質條件影響，孔內坍塌、漏漿嚴重。盡管施工過程反復采用上述措施，成孔后商品砼嚴重超灌，充盈系數沒有達到預想要求，收效甚微。首批4臺沖孔樁機在場地中部和東部同時施工，205#樁充盈系數達1.57， 323#樁充盈系數達2.06，320#樁充盈系數達1.97，324#樁充盈系數達2.53，充盈系數平均達到2.03（合同約定的充盈系數僅為1.35）。照此下去，整個工程將難以為繼。對場地中部往東部沖孔樁砼灌注量進行分析，東部沖孔樁充盈系數還有繼續(xù)擴大的趨勢。324#樁甚至出現樁孔越沖越淺的異?，F象，由于孔內嚴重坍塌，造成孔口外地面產生裂縫，甚至發(fā)生機臺下陷現象，直接危及施工設備與人員的安全，這一技術難題亟待攻克。

上述4根沖孔樁砼灌注量與地層對照分析結果，如圖1～圖4分析：

圖1 沖孔樁砼灌注與地層柱狀對照（一）

圖2 沖孔樁砼灌注與地層柱狀對照（二）

圖3 沖孔樁砼灌注與地層柱狀對照（三）

圖4 沖孔樁砼灌注與地層柱狀對照（四）

4 尋找途徑，解決難題

現場施工人員一致認為，不能再引用老工法施工了。能否尋找一種化學泥漿對孔壁進行有效保護，確實起到防塌、堵漏作用，才是工程施工的當務之急。性能良好的泥漿具失水量少，泥皮薄而密，具有較強的粘結力，能起到維護孔壁穩(wěn)定，有防止或減少較松散巖土層垮塌的作用。

經過對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（出于生產成本考慮）。參考產品制造商提供的配漿方法，結合孔內地層坍塌、漏漿嚴重的具體情況，配制泥漿在位于場地西、中、東部的199#、296#、305#三根沖孔樁位上進行試驗。

4.1 主要設備、儀器和材料

（1）沖孔樁機，型號：ZZ－5。

（2）泥漿攪拌機，型號：JT—350。

（3）立式渦流泥漿泵，型號：100LWB—10。

（4）比重計，型號：NB—1。

（5）粘度計，型號：NC—1006。

（6）泥漿專用復合劑，型號：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的泥漿供應池;

(3)容量約50m3的泥漿總儲備池;

(4)備足黃土、編織袋、水泥、清水等材料;

(5)鏟車等機械設備。

4.3 HL泥漿制備

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

4.4 黃土漿制備

將黃土與清水沖搗成漿。黃土漿性能應達到粘度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應達到密度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比

A泥漿是采用地下原狀土（主要是砂質粉土）加清水調配好后形成的原漿泥皮；B泥漿是在原漿的基礎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泥漿內加入上海哈利（HL）專用泥漿復合劑后形成的泥皮。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倍后，進行觀察，可以明顯地看出兩種泥皮表面的不同結構和密度，見C、D圖。

將B、C兩種泥皮斷面在鏡下放大十萬倍后，進行觀察，可以明顯地看出兩種泥皮斷面的不同結構和密度，見E、F圖。

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

4.7 HL護壁機理分析

HL是由膨潤土、聚合物與混合金屬氫氧化物及其他化學處理劑（即MMH正電膠）組成，采用現代膠體科學技術制作而成的一種帶正電荷的泥漿材料。HL的工藝技術特性體現：①陰陽離子交換性，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膠質價，在水介質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，具有獨特的固—液相之間的流變特征（即在靜止時呈彈性固體，稍經剪切擾動，瞬間轉變?yōu)榱黧w），使其在攜帶和懸浮巖屑時顯示出獨特的優(yōu)越性。另一方面，MMH對粘土礦物的分散具有較強的抑制性，對沖孔樁有很好的護壁防塌效果。

4.8 試驗結果

歷時七天完成三根試驗（施工）任務，商品砼灌注后充盈系數分別為1.10、1.21和1.29，平均充盈系數1.20，充盈系數已經顯著下降，達到預期效果。為了保證試驗的可靠性，項目部擴大了試驗范圍，繼續(xù)試驗了5個樁位（294#、212#、244#、200#、142#），充盈系數都在1.20以下，較小的則達到1.03，效果很好。最后,項目部按照類似方法進行推廣應用，取得了良好的成效。

5 形成巖溶地區(qū)泥漿技術應用理論

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

5.2 各土層泥漿參數控制?？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及中風化花崗巖則要求保持在23～25s之間，相應的密度也應分別控制在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 泥漿使用過程的質量控制。HL化學泥漿在使用前必須攪拌均勻且泥漿必須調配到符合孔內土層的性能參數后才能使用。泥漿進入孔內后即開始發(fā)揮作用，在保護孔壁的同時，其中的金屬氫氧化物（MMH正電膠）含量也在逐漸減少，必須及時補充HL泥漿專用復合劑，補充量視孔內土層情況而定（一般要要達到黃土泥漿的1.0%～1.5%）。此外，由于壓力的作用，泥漿進入孔內后即開始失水，因此，要緩慢不間歇地添加清水。施工中，要不斷進行泥漿質量的檢測控制，一旦發(fā)現性能參數偏離要求，必須立即著手進行調配。

6 服務生產，取得經濟效益

HL泥漿護壁試驗成果已經達到預期目的，成果及時得到應用，后期的所有沖孔樁澆灌砼充盈系數都穩(wěn)定在1.15左右。

6.1 直接經濟效益

多年來，在龍巖石灰?guī)r巖溶地層中，沖孔樁項目澆灌砼充盈系數一般都在1.40以上。裕福大廈沖孔樁工程理論灌砼量約5000m3，按常規(guī)工藝施工實際灌注量達7000m3以上。按平均充盈系數1.15計算，砼灌注量是5750m3，二者相差1250m3。商品砼價格277元/m3，可節(jié)省商品砼費：277元/m3×1250m3＝346250元?？鄢鼿L成本(經測算，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：346250元-115000元=231250元。

6.2 間接經濟效益

進尺速度加快，成孔時間縮短，工效得到提高，規(guī)避了工期被延誤的風險（合同約定，工期每超一天罰款4000元），按時完成龍巖裕福大廈沖孔樁基項目施工任務?？變瘸霈F事故機率降低了，節(jié)省用在處理孔壁坍塌和卡埋鉆事故的黃土費、水電費及人工機械費等。

7 結論

通過龍巖裕福大廈沖孔樁項目的施工，有效解決了龍巖石灰?guī)r巖溶區(qū)復雜地層條件下，沖孔樁施工砼罐注過于超量的技術難題，有利于完善沖孔樁施工工藝技術，提高了技術經濟指標，摸索出了一套較為完善的沖孔樁泥漿護壁新技術，為今后在類似地層中施工沖孔樁積累了較豐富的施工經驗。此次，在龍巖裕福大廈沖孔樁基項目施工過程中，由于施工單位及時采用新穎的HL護壁技術，334根樁沒有一個鉆頭埋在孔里，也沒有因工程質量問題補救一根樁，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。

[1] 泥漿應用基礎知識[M].上海哈利非開挖工程技術服務有限公司.

[2] 樁基工程手冊[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1995.

[3] (蘇)希辛柯 Р.泥漿水力學[M].袁恩熙，陳家瑯譯.北京：石油工業(yè)出版社, 1957.