高性能泥漿在復雜地質基樁鉆孔施工中的應用

孫 軼

(湖南路橋建設集團公司，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為鋼筋混凝土基樁與承臺的組合結構，基樁設計直徑為2.2 m，長度為80 m，鉆孔長度近90 m。南塔基礎構造見圖1。基礎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泥巖，南慢灘基巖巖性主要為變余粉砂質泥巖，巖石飽和單軸抗壓強度為40～50 MPa。勘察結果表明，本橋橋位長江主床體南部、南岸慢灘范圍均處于不良地質發育地段，受風化及構造影響，巖體完整性差，斷層交切發育，并有溶蝕填充物存在。位于南岸慢灘上的南塔位粉砂質泥巖層間錯動強烈，發育大量層間剪切帶，形成了破碎與完整巖體相間分布、巖體傾斜陡立的復雜地質構造，巖體傾斜方向與水平面的夾角達到了70°～80°，剪切帶內巖體破碎和風化加強，呈現結構松散、性狀軟弱的特點。南塔位地質構造見圖2。

圖1 南塔基礎構造(單位:cm)

南塔處地質條件復雜，巖性條件變化大，同一樁位存在巖體軟硬不均且巖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塌孔、偏孔等現象，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，氣舉反循環鉆進。鉆孔前試驗室做好泥漿配比試驗，確定采用高性能復合泥漿配比，并派人在現場全過程抽檢泥漿比重、粘度、含砂率、失水量及pH值等指標，結合現場地質情況對鉆孔泥漿指標進行調整，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系統和泥漿現場質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)和添加劑按適當的配合比配制而成。在正式開鉆前，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量泥漿的優良性能，它是在任何復雜的水文地質條件下實現高標準、高質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土不分散的特點，實質上，泥漿在孔壁形成泥皮的過程中，所產生的濾液，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越性能)。

③同時，由于它的不分散作用，對鉆孔中的循環泥漿在地面凈化系統中很容易實現凈化，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鉆機成孔。

全液壓沖擊反循環鉆機的泥漿循環方式與傳統沖擊鉆機的泥漿循環方式完全不同。全液壓沖擊反循環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系統。在沖孔過程中，鉆頭沿著排渣管上下運動，并不影響泥漿循環的進行，因此泥漿性能不會如同傳統沖擊鉆機施工時由于靜置較長時間而發生變質。根據以往的施工經驗，全液壓沖擊反循環鉆機施工時，采用的泥漿性能指標與旋轉鉆機反循環施工時采用的泥漿性能指標幾乎一致。因此，無論是采用旋轉鉆機施工，還是采用沖擊反循環鉆機施工，均應按表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

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

圖3 泥漿系統布置平面圖(單位:cm)

4.1 鋼桶結構泥漿循環系統

一個鋼桶結構泥漿循環系統由鉆機、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，采用桶內上下循環的方式工作。根據試驗室提供的配合比，制造鉆孔需要的泥漿。鉆孔施工時，應根據不同地層的地質情況，制造相應性能的泥漿。泥漿在造漿桶內制造完成后，經檢驗合格才能將其抽入泥漿循環系統中。

4.1.2 儲漿、補漿

利用一個內徑為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，應派專人監測樁孔水頭變化，根據需要及時補充泥漿。

4.1.3 排渣

在三個沉渣桶底設置了出渣洞，通過出渣洞將鉆渣排除并清除出場地外。

4.2 泥漿池循環系統

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，采用桶內上下循環的方式工作，根據試驗室提供的配合比，制造鉆孔需要的泥漿。鉆孔施工時，應根據不同的地層的地質情況，制造相應性能的泥漿。泥漿造好后，經檢驗合格才能排入泥漿循環系統中。

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。泥漿在造漿桶內制造完成，經檢驗合格后，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，應派專人監測樁孔水頭變化，根據需要及時補充泥漿。在澆筑樁基水下混凝土時，利用儲漿池作為泥漿回收的容器。

4.2.3 排渣

當沉渣池內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 泥漿現場質量控制及管理

1)對反循環鉆孔而言，泥漿性能指標確定應遵循“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，規范規定不得小于1～2 m，如果依靠加大泥漿密度來保持孔壁的穩定是不經濟的，而且會嚴重影響鉆孔的效果。

②低失水:失水現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、液柱壓力及地質情況有關，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定的情況下，適當的放寬失水指標有利于提高鉆速。

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孔隙、裂隙發育時應加大泥漿粘度，反之可適當降低粘度。

2)在進入某一土層前應調整泥漿指標，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。

泥漿性能的調整是建立在取樣試驗的基礎上，處理劑的加入量很關鍵。應根據試驗結果和孔內泥漿數量以及泥漿循環速度確定，可在一個循環周期內均勻加完。每天派人員輪流在現場，每2 h測量一次泥漿指標，尤其是在地質變化需調整泥漿性能時和終孔循環清除沉淀時，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定，在參考規范的基礎上，結合這次試樁中實際泥漿指標的控制情況，總結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，根據鉆進速度和排渣情況及時清理泥漿循環池，保證泥漿循環暢通和防止泥漿流失，并保持泥漿循環池的漿位不變。注意隨時往孔內補充漿液，維持孔內的水頭高度。

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

5)29#墩樁基礎采用水下30號混凝土，坍落度控制在18～22 cm，配合比設計采用雙摻技術(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

在運用了上述關鍵技術以后，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，孔截面最大偏差均被控制在50 cm以內。樁孔垂直度及平面位置精度均滿足施工規范和設計圖要求。

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難題已得到了徹底解決。針對南塔基樁鉆孔施工技術難題所研究、提出的一套關鍵技術成果，對破碎與完整巖體相間分布、巖體傾斜陡立的復雜地質條件下所存在的鉆孔塌孔、偏孔等技術難題，是行之有效的解決方法，可為類似復雜地質條件下的基樁成孔施工提供有益的借鑒、參考和指導。

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