淺談非開挖工程施工中鉆孔泥漿的幾個問題

李志康

（中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊 065000）

淺談非開挖工程施工中鉆孔泥漿的幾個問題

李志康

（中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊 065000）

在非開挖工程施工中，鉆孔泥漿有著非常重要的作用。就非開挖工程施工對泥漿的要求、泥漿材料、泥漿設計、泥漿配備設備、廢棄泥漿的處理等問題進行了討論。

非開挖;鉆孔泥漿;泥漿配備設備;廢棄泥漿處理

0 引言

非開挖工程施工技術是近幾年在市政排水、通信電纜、燃氣管道以及電力電纜等地下管線施工中應用最為廣泛的技術。非開挖技術主要分為新管道鋪設技術以及管道修復和更新技術。目前國內施工的市政、通信、燃氣以及電力等管網主要還是在進行新管道鋪設，隨著近幾年國內非開挖技術的高速發展，非開挖鉆機已向大型及超大型發展，進而帶動了非開挖施工向長距離及大口徑的快速發展。

非開挖施工多在距離地面15 m以內的淺地層施工，其成孔直徑一般在幾十毫米到上千毫米不等。非開挖施工中遇到的地層一般是粘土層、砂礫層或者是它們的混合層，中間也會遇到淤泥層、鵝卵石或者建筑回填等石塊區。在非開挖施工鉆孔回擴過程中，由于孔壁及周邊區域的受力，極易發生孔壁的分散、垮塌、流失、變形等，即非開挖水平孔的成孔破壞，這必將影響非開挖的正常施工，甚至造成嚴重的經濟損失以及安全事故（如路面開裂、沉降、冒漿等）。因此，非開挖施工中正確的使用鉆孔泥漿護壁就顯得尤為重要。

1 非開挖施工對泥漿的要求

由于非開挖工程施工的特殊性，所以需要鉆孔泥漿具有以下特性。

（1）良好的流變性，具有較強的攜帶鉆屑能力。在非開挖工程施工中，由于施工鉆孔過程中除了入孔和出孔外其余多為水平孔，因此要求鉆孔泥漿最主要的作用就是將鉆進過程中的鉆屑攜帶出鉆孔，防止鉆孔過程中鉆屑沉積，以免在回擴及拖管過程中造成卡鉆以及回拖困難等孔內事故。

（2）泥漿有較低的摩擦系數，良好的潤滑性能性能。非開挖施工中鉆孔泥漿的潤滑性能也是至關重要的，潤滑性能的提高可以有效地增加施工效率、縮短施工時間、降低回拖力、增加回拖距離，從而降低成本，降低風險，進而提高非開挖工程施工的安全系數。

（3）能夠很好的將孔壁護好，在孔壁形成一定厚度的保護層，穩定孔壁，減少泥漿漏失。目前，非開挖工程施工鉆孔泥漿的使用有2種，一種是在粘土地層中，只使用清水鉆進，通過粘土自造泥漿;另一種是在沙土、砂層等地層中使用水基泥漿，主要是在清水中加入3%～6%的鈉基膨潤土。自造漿雖然在經濟上來說比較節約，但對于非開挖施工的特殊性來說顯然不合理，清水鉆進時泥漿性能的不確定性比較大，孔壁周圍的粘土很容易混入泥漿，增加了孔壁的不穩定性，而且粘度不一，也容易引起粘附卡鉆。

因此，在非開挖工程施工中，一定要根據地層的不同選用一種適合的有良好流變性能的泥漿體系。一般來說，在粘土、粉土地層施工時，泥漿馬氏漏斗粘度應控制在60～65 s，在沙土、砂層施工時，由于砂礫顆粒較大、密度較重，因此泥漿粘度應適當加大一些，提高懸浮性能。而且，在具體施工過程中泥漿也應當根據具體情況進行適當調整，比如說在擴孔和回拖的時候泥漿粘度就應比導向時適當提高。

2 非開挖工程施工中常用的泥漿材料

目前非開挖工程施工中主要使用的鉆孔泥漿材料有以下幾種。

（1）鈉基膨潤土。鈉基膨潤土可以直接采用石油系統和地礦系統鉆井用的膨潤土，由于不同廠家的鈉基膨潤土的結構、成分和加工工藝不同，造漿率和泥漿性能也有差異，因此在使用之前要根據具體的地層進行必要的實驗。

（2）鈉羧甲基纖維素（Na-CMC）。鈉羧甲基纖維素是一種常用的泥漿有機處理劑，分為高粘、中粘、低粘和速溶4種。在泥漿中主要起到增加粘度和降低失水的作用。非開挖工程施工中主要使用中粘類型的CMC，添加量一般小于0.2%，可根據地層以及水質進行具體調配。

（3）羥乙基纖維素（HEC）。HEC在鉆孔泥漿中主要起增加粘度的作用，同時也能起保護孔壁的作用。羥乙基纖維素殘留在鉆孔內易被酸、酶或者其它的氧化劑降解為碳氫化合物，沒有明顯的毒性，較為環保。

3 非開挖工程施工泥漿設計

施工過程中鉆孔泥漿主要的設計技術指標包括密度、流變性、降失水性等。

3.1 泥漿基本設計流程

（1）確定鉆孔泥漿的膠體率、允許含沙量、固相含量、pH值、潤滑性、滲透率、泥皮質量等重要參數;

（2）選擇鉆孔泥漿的基本材料和處理劑;

（3）具體的鉆孔泥漿處理劑配方設計;

（4）鉆孔泥漿材料用量計算;

（5）確定鉆孔泥漿的制備方法;

（6）制定鉆孔泥漿循環、凈化、管理措施以及廢棄泥漿的處理。

3.2 泥漿設計原則

由于地層條件、施工工藝方法的差異性很大，因而對鉆孔泥漿的參數有著不同的要求。巖石鉆進主要考慮的是泥漿的潤滑性;沙土及孔壁松散的地層中主要考慮的是泥漿的粘度和切力等流變性能指標;遇水膨脹塌孔的地層則主要考慮泥漿的降失水性來進行鉆孔孔壁的保護;對于壓力敏感地層來說泥漿則著重需要考慮的是泥漿的密度。實際情況中，根據具體施工環境進行鉆孔泥漿性能設計中可能會遇到一些相互矛盾的情況，當滿足其中一些設計指標時，往往有另一些指標則無法得到滿足。對此，應當抓住施工中主要的設計要求，兼顧次要，綜合考慮全面性能。對一些要求不高的場合，可以酌情精簡對鉆孔泥漿性能的設計，適當放寬設計要求，以達到最終的低成本和高效率。

3.3 泥漿及材料用量計算

鉆孔泥漿的用量在非開挖工程施工中也需要科學計算。鉆孔泥漿的流量必須要能夠確保鉆孔中的碎屑懸浮和排出;鉆孔時泥漿的排出量要大致上等于替換量，以防止引起孔內憋壓而造成卡鉆或者冒漿。

3.3.1 鉆孔泥漿總體積的計算

所需鉆孔泥漿總量V是鉆孔內泥漿量V1、地表循環凈化系統泥漿量V2、漏失及其它損耗量V3的總和:其中鉆孔內泥漿量為:

地表循環凈化系統泥漿量為泥漿池、沉淀池、循環槽和地面管匯的體積之和。漏失及其它損耗量，應根據實際情況確定。

3.3.2 粘土粉用量計算

配制1 m3體積的鉆孔泥漿所需粘土質量q按以下方程推導計算:

式中:γ1——粘土的密度，2.6 ～ 2.8 g/cm3;γ2——泥漿的密度，g/cm3;γ3——水的密度，g/cm3。

3.3.3 配漿用水量計算

配制1 m3體積的鉆孔泥漿所需水量Vw為:

3.3.4 增加密度加土（或重晶石）量的計算

配制加重鉆孔泥漿時，加重1 m3鉆孔泥漿所需加重劑的質量W（kg）為:

式中:γB——加重劑的密度;γ2——加重泥漿的密度;γ0——原漿的密度。

3.3.5 降低鉆孔泥漿密度所需加水量x（m3）

式中:V——原漿體積，m3;γ1——原漿密度;γ2——加水稀釋后的泥漿密度;γ3——水的密度。

4 鉆孔泥漿的制備設備

鉆孔泥漿的制備設備主要有機械攪拌機和水力攪拌機（泥漿攪拌系統）2種類型（圖1）。目前非開挖施工主要使用的是水力攪拌機（泥漿攪拌系統），膨潤土通過漏斗與液體進行混合，然后通過水泵帶動液體反復循環流動從而達到較好的泥漿制備效果，滿足非開挖工程施工中的需要。

圖1 非開挖工程泥漿配制設備

5 廢漿的處理

非開挖施工后會產生大量的廢棄泥漿。廢泥漿是鉆進過程中從孔內排出的含有大量雜質并且難以恢復和處理的泥漿，由于廢泥漿主要包括粘土、鉆屑、加重材料、化學添加劑和無機鹽等，具有較高的pH值。破壞環境的有害成分主要包括:鹽類、殺菌劑、化學添加劑、重金屬物質、高分子有機化合物、生物降解產生的低分子有機化合物和堿性物質等。所以在進行排放時要根據不同的廢泥漿進行不同的處理后再進行排放。

5.1 廢棄泥漿對環境的影響

廢棄泥漿對環境造成的影響主要表現在以下幾個方面:

（1）對地表水和地下水資源的污染;

（2）引起土壤板結（鹽、堿成分），對土壤上的植物生長有很大影響;

（3）有害成分的殘留，對植物的生長以及微生物的繁殖的長期影響，同時容易進入食物鏈，危害到動物及人類的健康;

（4）某些化學添加劑和生物降解后對水生動物和飛禽有一定的影響。

5.2 處理廢棄泥漿的一般方法和技術

5.2.1 直接排放法

直接排放法主要是指低毒、無毒和易生物降解的廢棄泥漿可以不經過處理，直接排放。

5.2.2 分散處理法

污染物含量超標的廢棄泥漿是無法直接排放的，可采用分散法處理。與泥土混合，降低污染物的相對含量;或者用水稀釋，少量多次以達到環保要求再進行排放。

5.2.3 脫水法

脫水法主要是利用化學絮凝劑沉降和機械分離等措施使廢棄泥漿中的固體和液體分離。其基本流程包括化學處理和機械處理2部分。

化學處理一般采用無機鹽〔CaCl2，Fe2（SO4）等〕和有機高分子絮凝劑的聯合作用將固體泥漿顆粒和高分子與水分離。

機械處理主要是通過機械分離設備將固液加速分離。主要方法包括:真空過濾、壓力過濾、離心分離等。機械分離主要有以下方式:

（1）壓力過濾器方式:

5.2.4 回填法

回填法僅適用無毒或者毒性較小的廢棄泥漿。對于無毒或者毒性較小的廢棄泥漿可以將泥漿排入儲漿池內通過放置沉淀分離出上部清液，經過處理達到環保要求后可以直接排放;剩余部分經風干后，在儲漿池內就地掩埋。掩埋后一般至少要覆蓋1～1.5 m的土層，然后再將地表進行恢復。

5.2.5 固化法

固化法主要是在廢棄泥漿中加入固化劑，使其轉化為土壤或膠結強度很大的固體，固化法比較可靠，能夠有效地消除廢棄泥漿中的金屬離子和有機物等對水體、土壤等生態環境的影響和危害。

固化處理主要是利用水硬材料結合廢棄泥漿中的水形成網狀結構，將廢棄物固定后再進行處理。目前采用的固化技術主要有以下幾種:

（1）水泥、水玻璃固化技術。首先將工業硫酸鋁加入廢棄泥漿中，完全溶解后加入水玻璃，攪拌均勻后快速地將水泥加入，固化2～7天后即可。

（2）磷石膏固化技術。將廢棄泥漿攪拌的同時向泥漿內不斷加入磷石膏，靜置7天后地貌即可恢復。

（3）水泥窯粉固化技術。將廢棄泥漿沉淀1～2天后，將上層清液進行處理排放后，按比例將固化劑混合物與廢棄泥漿進行混合，然后將挖坑留下的泥土加入均勻混合后，可固化成大塊埋入地下。

固化處理可采用機械混合和專業砂漿泵循環混合。

5.2.6 坑內密封法

此方法即是在坑底和坑壁鋪一層有機土，然后鋪一層塑料墊層，再鋪一層有機土;或者在坑底和四周加固化層。隨后將基本干燥的廢棄泥漿填入坑中后進行覆蓋密封。

6 結語

非開挖施工人員應根據施工中地層以及工程設計的具體情況進行泥漿的設計，在滿足工程施工技術需求的前提下降低成本，施工結束后應進行地表的恢復并對泥漿進行及時、科學的處理，避免對環境的污染。

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Discussion on Some Problems of Drilling Mud in Trenchless Engineering Construction

LI Zhi-kang（The Institute of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000，China）

Drilling mud is very important in trenchless engineering construction.Discussion was made in this paper on the requirements to mud in trenchless engineering construction，containing mud materials，mud design，mud equipment and wasted mud treatment.

trenchless;drilling mud;mud equipment;wasted mud treatment

P634.6

B

1672-7428（2012）09-0062-04

2012-08-21;

2012-09-14

李志康（1980-），男（漢族），山東煙臺人，中國地質科學院勘探技術研究所工程師，機械設計專業，從事設備銷售、售后和采購工作，河北省廊坊市金光道77號，3758998@qq.com。