水玻璃無固相泥漿在松散地層中的應用

■張明田

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司地路院　天津　300251）

水玻璃無固相泥漿在松散地層中的應用

■張明田

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司地路院天津300251）

我們在鐵路地質勘察鉆探施工中，經常會遇到卵石、圓礫、角礫等碎石類土松散地層，這類地層自穩能力差，容易出現鉆孔坍塌、掉塊、埋鉆、卡鉆等現象，施工難度大。通過采用水玻璃無固相泥漿進行護壁處理，能較好地解決碎石類土、基巖破碎帶等松散地層帶來的鉆孔坍塌、掉塊等鉆探施工難度大的問題，取出的巖芯呈柱狀，能較好地反映出地層的真實性。

鐵路勘察碎石類土松散地層無固相泥漿地層代表性

0　前言

在鐵路地質勘察鉆探施工中，我們經常會遇到卵石、圓礫、角礫等碎石類土松散地層，這類地層松散無膠結或膠結程度很差，具有易被沖蝕、水化膨脹等特征，自穩能力差。特別是在外界條件（孔壁巖石受力的變化、沖洗液的性能、沖洗液的浸泡與沖刷、鉆具震動與敲擊、升降鉆具時的壓力激動等）的作用下更易發生孔壁坍塌、掉塊、縮徑等現象，造成埋鉆、卡鉆、套管斷脫、套管無法取出，甚至鉆孔報廢等事故，施工難度很大。

筆者針對碎石類土松散地層的特點，通過室內和現場試驗，并結合工程實例，旨在探討松散地層采用水玻璃無固相泥漿的主要技術參數及施工工藝，供廣大同行參考。

1　水玻璃無固相泥漿

1.1無固相沖洗液的護壁機理：

吸附到巖石表面的聚合物，每一個參與吸附的鏈節都可能有多種作用力使之與巖石結合（共價鍵、氫鍵、靜電力、分子間作用力等），每一個分子都有許多鏈節與巖石表面吸附，所以這種吸附很牢固，不易被沖刷下來。

無固相沖洗液膠配方的確定是通過室內泥漿試驗來確定的，評價指標和方法有三種：巖樣在沖洗液中的浸泡試驗、失水試驗和巖樣滾動試驗的回收率。

1.2水玻璃性能

水玻璃(Na2SiO3·9H2O)，俗名泡花堿。它是一種無機聚合物，其聚合物為片狀體或稱為SiO2膠團。水玻璃中SiO2膠團的尺寸隨著水玻璃中SiO2的含量的增加而增大。SiO2膠團表面帶負電荷。水玻璃常態為粘稠液體，有膠粘性，它可以與水以任意比例混溶，水玻璃呈強堿性。

1.3水玻璃無固相沖洗液的特點

1.3.1護壁性能

能使松散的(如流砂)和松軟的(如粘土)巖石表面層硬化，形成厚約1～1.5mm的固結層，使原來很軟的粘土表面明顯地變硬。巖石表層硬化是因為水玻璃中SiO2膠團凝聚物本身是硬質的，SiO2膠團在巖石表面吸附形成的SiO2薄膜和SiO2膠團進入巖石表層孔隙內聚集硬化，使整個巖石表層被硬化和固結。如果把表面被硬化固結的巖樣放入清水中浸泡，結果會久泡不散，說明巖石表面被膠結得很牢固。

1.3.2水玻璃對巖石

（尤其是硅酸鹽類巖石，大部分卵石的成分以SiO2為主）的膠結作用：除有SiO2凝膠與巖石表面的物理吸附作用之外，還具有化學吸附作用存在。硅酸鈉溶液能夠抽提出硅酸鹽類物質表面上的硅進入溶液中，當水玻璃溶液充滿硅酸鹽巖石顆粒之間的空隙時，巖石表面被抽提下來的氧化硅，使溶液的SiO2含量增加，并逐漸形成新的硬化的玻璃質，該玻璃質所產生的化學鍵作用力能使兩個松散巖石的表面形成膠結。

2　工程實例

2.1工程概況

長昆客運專線《球溪河特大橋》位于湖南省泠水江市禾青鎮，橫跨球溪河，共布置鉆孔282孔。上部地層以卵石、圓礫為主，局部含有漂石，卵、礫石厚度一般15～25m，最厚達45m。前期施工中，套管斷脫、卡鉆、埋鉆等事故頻出。從2010年1月15日進場至2010年2月3日，18臺鉆機20天時間共完成鉆孔44孔，鉆探進尺緩慢（平均1～2米/臺·天），施工難度極大。

2.2使用水玻璃無固相泥漿效果

針對《球溪河特大橋》的地層和施工情況，春節過后我們及時采取了相應措施，選用水玻璃無固相泥漿作鉆孔護壁材料，通過在室內做泥漿調試、巖樣浸泡等試驗，確定水玻璃無固相泥漿配方。

水解聚丙烯酰胺(PHP)-水玻璃沖洗液配方：

PHP0.04%～0.1%；

水玻璃6%～8%；

銨鹽（硫酸銨或硝酸銨）1%～2.2%（地層漏失嚴重時加量應多）

沖洗液性能：密度：1.02Kg/L；失水量：全失水；粘度：26s；PH值12。

在現場使用過程中，由于水玻璃中SiO2凝膠與巖石表面的物理吸附和化學吸附作用，使松散地層中的卵、礫石由散體狀膠結成整體狀，鉆孔孔壁穩定，卡鉆、埋鉆事故率大幅下降。遇到漏失地層，加入銨鹽，使水玻璃無固相沖洗液即刻轉換成堵漏漿液，封堵漏失層。

使用水玻璃無固相泥漿后，每臺鉆機的施工周期由原來的8.18天完成1個孔提高到3.07天完成1個孔，巖芯采取率由原來的20%左右提高到90～95%，并且鉆出的巖芯呈柱狀，較好地反映了地層的真實性。

通過使用水玻璃無固相泥漿，《球溪河特大橋》的施工進度和工程質量都得到大幅提高，在長昆客運專線籌備組和鐵三院現場地質組的巡回檢查中，獲得的較高的好評。

圖1　卵、礫石巖芯照片

3　結語

由于水玻璃無固相泥漿在鉆桿和孔壁表面形成的SiO2硬質薄膜清除了原有的潤滑膜，而且SiO2薄膜表面呈負電性，加之沖洗液的pH值高，所以常用的含陰離子乳化劑的乳狀液，都無力改善鉆具的潤滑條件，因此水玻璃無固相泥漿不適于高轉速鉆進。

P62[文獻碼]B

1000-405X（2016）-9-480-1