泥漿循環系統設計及泥漿配合比研究

肖光強

(中交二航局第一工程有限公司，重慶 402160)

1 工程概況

埃及蘇赫娜第二集裝箱碼頭位于蘇伊士運河南入口約40 km，在開羅東南方向 140 km，丘陵山地。

根據地質報告現場地質大體分為3層，地面標高至+1m為細砂層或砂夾泥層，為松散地層；+1m至-8.5為較密實的細砂層，中間偶爾會遇到1～2m的黏土層；-8.5m至-22m為較為密實的砂卵石層。而本項目地連墻設計底標高以達到了砂卵石層，碼頭岸線1 400 m左右，前400 m超過-22 m都為密實的砂卵石層，之后1 000 m地質則較松軟，因此，沿岸線方向又將碼頭分為M1(前400 m)和M234(后1 000 m)兩個區域。

2 泥漿的基本組成和主要性能指標

在地連墻施工過程中，泥漿有著至關重要的作用。首先，地連墻施工需要持續的新鮮泥漿供應以維持槽壁的穩定性，成槽是否穩定快速與泥漿好壞密不可分；其次，在施工過程中，泥漿循環可以使泥渣懸浮并攜帶一部分泥渣，加快施工效率；并且，銑槽機或液壓抓斗在持續高速的運轉過程中會產生高溫，長時間運行對機具損耗巨大，泥漿循環可以冷卻和潤滑機具，使其可以長時間運轉并降低損耗。

2.1 泥漿的基本組成

泥漿是指有清水和膨潤土加上一些添加劑拌和而成的混合液；所以泥漿主要組成有三個部分。

1)清水：泥漿的溶劑，清水水質直接影響泥漿的性能。

2)膨潤土：泥漿的主要成分，其膨化性能，與水混合的密度、稠度都與泥漿性能息息相關。

3)添加劑：由于地質條件的不同，往往需要不同性能的泥漿，如早期護壁，后期護壁，因此，往往添加一些不同的添加劑提升泥漿性能；另外，在地連墻施工過程中，開挖會摻和一些砂土降低泥漿性能，加入添加劑可有效地防止泥漿劣化。

2.2 泥漿的性能指標

泥漿的性能主要表現在比重、黏度、含砂率、pH值四個方面。

1)比重：比重增加，槽壁穩定性增加，泥皮厚度減小，攜渣能力增加，比重過大，滲流增多，不利于固壁。

2)黏度：黏度增加，槽壁穩定性減弱，黏度過大，鉆挖阻力大，生成泥皮厚，不利于槽壁穩定。

3)含砂率：含砂率增加，攜渣能力減弱，比重增加，黏度減少，含砂率越小越好，一般不應大于5%。

4)pH值：pH值過大不利于槽壁穩定，一般8～9為宜。

3 泥漿配合比設計

不同的地質條件和施工工藝往往需要不同性能的泥漿。以埃及蘇赫納第二集裝箱碼頭為例，縱向為砂卵石地層，橫向本項目沿碼頭岸線分為地質較硬的M1(前400 m)和地質較松軟的M234(后1 000 m)；與之對應，M1區域采用更適合硬層的液壓抓斗成槽，M234采用銑槽機和液壓抓斗同時施工，大大加快了施工效率。

M1地質硬，成槽慢，液壓抓斗配備的泥漿循環系統運輸距離遠；另外，M1臨海，潮汐使得地下水位增高，加大了泥漿護壁的壓力；而且一部分海水通過滲流混合到泥漿中，加速了泥漿劣化，因此適合后期護壁泥漿；M234地質軟，成槽快，與銑槽機配備的泥漿循環系統運輸距離近，因此適合前期護壁泥漿。

根據不同的地質條件和施工工藝，本項目設計了前期護壁，后期護壁兩種泥漿。

3.1 早期泥漿配制

首先，對原材進行選擇，筆者在埃及市場選取了3種水質較好的清水為1號清水、2號清水、3號清水；和3種膨化性能較好的膨潤土分別為1號膨潤土、2號膨潤土、3號膨潤土。然后分別隨機組合得到9種性能指標不同的泥漿溶液分別對其性能指標進行測試得到表1。

表1 新制泥漿性能對比

3.2 實驗確定泥漿

配制好新制泥漿后，筆者將9種泥漿分別在M1和M4不同地質條件下選取9幅地連墻進行現場試驗，并由清孔達到標準含砂率的時間、以及護壁效果(是否塌孔：澆筑的標高與設計標高差值比較)等進行優劣對比，如表2。

表2 泥漿性能對比表

根據結果，對于M1區域筆者選取了后期護壁效果較好的 1號泥漿，對于M4區域筆者選取前期護壁效果較好的 5號泥漿。

3.3 泥漿的性能指標標準

根據規范要求查得泥漿要求的比重，黏度，含砂率以及pH值等性能指標如表3。

表3 泥漿性能指標表

根據成槽工藝和地質條件的不同，適當提高比重，利于護壁，形成早期護壁泥漿；適當增加黏度，降低比重形成后期護壁泥漿。

4 泥漿循環系統設計

設計了適合不同地質和工藝的泥漿還不能保證泥漿性能的完美發揮，因為影響泥漿性能不只是配合比的設計和原材料的選用，其中泥漿的儲存時間和運輸距離也是影響泥漿性能的重要因素。長時間的靜置容易造成泥漿分層；運輸距離過長泥漿也容易在關閉形成膠化物，從而劣化；因此，為了保證泥漿的良好性能不得不設計一個完美的泥漿循環系統。

泥漿循環系統一般分為兩種。傳統的泥漿循環系統，液壓抓斗和鋼絲繩抓斗一般采用傳統的泥漿循環系統；新型的泥漿循環系統，銑槽機與之對應；兩種系統各有利弊，本項目根據不同的工藝，兩種泥漿循環系統均有設計；下面對兩種系統進行介紹分析，對比優缺點，希望對類似項目提供參考。

4.1 傳統的泥漿循環系統

傳統的泥漿循環系統需就近修建泥漿站，包含三個泥漿池，分別為：新制泥漿池、泥漿儲存池、泥漿回收池；在新制泥漿池中制備泥漿，在泥漿儲存池中膨化泥漿在通過泥漿管道用泵輸送至槽體，在施工的同時用泵回收泥漿，通過回收管道輸送至泥漿回收池；泥漿回收池中可利用的泥漿轉入泥漿制備池中循環利用，不能利用的廢棄泥漿用自卸車運到指定區域進行丟棄。

整個泥漿系統簡單易行，建造成本較低，但泥漿利用率不高；且泥漿池占地面積較大，基本只能一次使用，施工完成后需拆除，前期準備時間較長，在泥漿池運行過程中泥漿容易泄露需經常進行文明施工維護；泥漿儲存時易摻雜垃圾和雨水影響泥漿性能；泥漿輸送管道較長，鋪設費時費力。

4.1.1 泥漿系統總體布置

本項目施工沿線約1 350 m,最初計劃將漿站設置在最西邊，由于地質條件不同，以M1和M234分隔開在M1的端頭設置一個臨時的漿站，以便提供不同護壁效果的泥漿。

總體布置如圖1。

圖1 泥漿系統總體布置圖

4.1.2 泥漿系統優化

在實際運行過程中，筆者發現泥漿性能受運距的影響極大；新制性能良好的泥漿在經過長達1 km的運輸后開始劣化，比重和黏度加大，護壁效果變差，性能變得不再優良因此筆者優化了泥漿管線，假設臨時漿站減少泥漿的運輸距離，使泥漿性能達到最大的保障。

優化后泥漿系統布置如圖2。

圖2 優化后泥漿系統總體布置圖

4.2 新型的泥漿循環系統

與傳統泥漿循環系統不同的是新型泥漿循環系統采用泥漿罐代替了泥漿池，不需建造泥漿池，只需修筑一個泥漿罐放置平臺即可施工；同樣分為泥漿制備罐、泥漿儲存罐、泥漿回收罐，與傳統泥漿循環系統不同的是銑槽機本身安裝了一個泵，在施工過程中由泥漿儲存罐輸送泥漿至槽體，銑槽機本身會將泥漿循環，將可利用的泥漿循環利用，不可利用的輸送至泥漿回收罐。與傳統泥漿系統相比，新型泥漿循環系統大大提高了泥漿利用率，且泥漿罐與銑槽機相連，管道距離短，不用擔心運輸距離長導致泥漿劣化，并且利用泥漿罐儲存泥漿本身就是封閉的不用擔心泥漿遮蔽問題，泥漿不會與雜物混合而影響性能；但由于泥漿循環系統與銑槽機配套，成本較高，一旦故障，維修較為困難。

4.2.1 泥漿系統總體布置

由于工期緊，項目總體進度部署，所以在地連墻施工后期，本項目引進了新型泥漿罐循環系統，按照泥漿池循環系統的經驗，泥漿罐僅設置在西端頭滿足M4區域施工，減少了泥漿運距，保證了泥漿性能。泥漿系統總體布置圖如圖3。

圖3 泥漿系統總體布置圖

4.3 方案對比分析

為滿足總體施工和進度安排，埃及蘇赫納項目采用兩種循環系統，在施工前期，采用成本較低的傳統泥漿池，隨著施工進程的發展不斷減少循環路徑，優化循環路線，在M4區域采用成本較高但泥漿性能優良的新型泥漿罐從而整體達到利益最大化。

相比較而言，泥漿罐整體優于泥漿池，值得注意的是泥漿最大涵蓋運距不宜超過500 m，否則，泥漿性能會受到影響。

5 結束語

泥漿的合理運用對于地連墻施工具有至關重要的作用，研究泥漿的性能、配比、制備過程、作用機理，設計出滿足不同地質條件和施工工藝要求的泥漿，并且對現有的泥漿循環系統進行優化，應用到工程實際中，具有巨大的社會效益和經濟效益，希望對類似的工程項目有所幫助。

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