泥浆技术在岩溶发育地区冲孔桩基施工中的应用

罗杰东



泥浆技术在岩溶发育地区冲孔桩基施工中的应用

罗杰东

安徽理工大学

龙岩裕福大厦冲孔桩基工程通过现场试验，对传统泥浆进行改良，采用HL泥浆护壁技术，有效地解决了石灰岩岩溶区复杂地层条件下，孔壁坍塌、泥浆漏失及砼罐注过于超量的技术难题。

冲孔桩 石灰岩岩溶区 HL 防塌 堵漏 充盈系数

1 概况

龙岩位于福建省西部，是距离厦门最近的内陆邻海城市，也是海峡西岸经济区向福建内陆延伸、拓展的腹地。龙岩还是革命老区，是一块为中国革命胜利做出重要贡献的红土地。改革开放以来，龙岩经济快速发展，城市建设日新月异。龙岩裕福大厦位于市区中心，其主体设计为三幢主楼28～30层，一层地下室，裙楼三层（局部为6层）组成，地上总建筑面积52482m2，地下总建筑面积7916m2，主楼高度达98.25m。是迄今为止龙岩市最高层建筑楼群。

该建筑基础设计采用桩型为冲孔灌注桩，总桩数334根，桩径有700mm～1000mm四种。其中700mm89根，800mm99根，900mm93根，1000mm53根，理论灌砼量约5000m3。冲孔桩施工任务由福建省煤田地质局下属施工单位承担。建筑场地属石灰岩岩溶区，岩土地质条件复杂，桩基持力层为较完整的微风化石灰岩。桩尖应进入持力层≥1d。桩身采用商品砼灌注，砼强度为C35，局部为C25灌注，钢筋笼为通长筋布设，孔底沉渣≤50mm。2008年底开始桩基施工。

2 建筑场地岩土工程地质特征

楼群场地位于龙岩盆地中部，属龙津河I级堆积阶地地貌，地形较平坦，地下水位埋深2～2.5m。据龙岩工程勘察院提交的《岩土工程地质勘察报告》以及现场试桩资料，本工程冲孔桩施工由地表至持力层应揭露的主要岩土层，见表1所示。

根据大厦地层综合柱状图中的地层情况分析，2、3、4、5、6层均结构松散，受外力作用后，容易坍塌。冲孔桩施工穿过这些地层，到达7层（持力层），防塌孔、漏浆是施工关键技术。成孔孔径的完整程度，直接关系到砼的浇注量，即充盈系数大小。所以，整个冲孔桩基工程施工关键技术在于泥浆护壁的效果，它直接关系到整个工程的经济效益。

表1 龙岩裕福大厦地层综合柱状图

3 工程早期施工情况

冲孔桩基工程开工后，按传统工法施工。我们走访了多家在该地区施工过冲孔桩的施工队伍，与他们共同分析、探讨，结合本工程实际情况，采取了一些对策与措施，如：

（1）置备大量优质黄土及袋装水泥，施工过程一旦发现塌孔、漏浆，及时用铲车快速将大量黄土和水泥搅拌后倒入孔内，争取做到及时堵漏、护壁、回浆；

（2）对上部卵石层等松散层采用长钢质护筒预埋护壁隔离的方法，减少塌孔，保护上部孔壁；

（3）施工中尽量加大泥浆比重和粘度，增强护壁效果，减少塌孔、漏浆现象发生。

受岩土工程地质条件影响，孔内坍塌、漏浆严重。尽管施工过程反复采用上述措施，成孔后商品砼严重超灌，充盈系数没有达到预想要求，收效甚微。首批4台冲孔桩机在场地中部和东部同时施工，205#桩充盈系数达1.57， 323#桩充盈系数达2.06，320#桩充盈系数达1.97，324#桩充盈系数达2.53，充盈系数平均达到2.03（合同约定的充盈系数仅为1.35）。照此下去，整个工程将难以为继。对场地中部往东部冲孔桩砼灌注量进行分析，东部冲孔桩充盈系数还有继续扩大的趋势。324#桩甚至出现桩孔越冲越浅的异常现象，由于孔内严重坍塌，造成孔口外地面产生裂缝，甚至发生机台下陷现象，直接危及施工设备与人员的安全，这一技术难题亟待攻克。

上述4根冲孔桩砼灌注量与地层对照分析结果，如图1～图4分析：

图1 冲孔桩砼灌注与地层柱状对照（一）

图2 冲孔桩砼灌注与地层柱状对照（二）

图3 冲孔桩砼灌注与地层柱状对照（三）

图4 冲孔桩砼灌注与地层柱状对照（四）

4 寻找途径，解决难题

现场施工人员一致认为，不能再引用老工法施工了。能否寻找一种化学泥浆对孔壁进行有效保护，确实起到防塌、堵漏作用，才是工程施工的当务之急。性能良好的泥浆具失水量少，泥皮薄而密，具有较强的粘结力，能起到维护孔壁稳定，有防止或减少较松散岩土层垮塌的作用。

经过对多种造浆材料性能比较之后，最终选择上海哈利（HL）专用泥浆复合剂（下称HL）作为造浆材料，HL配制出的泥浆与黄土浆混合交融后使用（出于生产成本考虑）。参考产品制造商提供的配浆方法，结合孔内地层坍塌、漏浆严重的具体情况，配制泥浆在位于场地西、中、东部的199#、296#、305#三根冲孔桩位上进行试验。

4.1 主要设备、仪器和材料

（1）冲孔桩机，型号：ZZ－5。

（2）泥浆搅拌机，型号：JT—350。

（3）立式涡流泥浆泵，型号：100LWB—10。

（4）比重计，型号：NB—1。

（5）粘度计，型号：NC—1006。

（6）泥浆专用复合剂，型号：HL系列。

4.2 配浆工艺流程

为满足工艺流程要求，在每根桩周围配置:

(1)容量约5m³的泥浆沉淀池;

(2)容量约4m³的泥浆供应池;

(3)容量约50m³的泥浆总储备池;

(4)备足黄土、编织袋、水泥、清水等材料;

(5)铲车等机械设备。

4.3 HL泥浆制备

在泥浆搅拌机料筒内加入清水1.0m3，启动搅拌泵缓慢地加入30kgHL泥浆专用复合剂材料，搅拌10分钟后再汇入到泥浆供应池。照此方法，连续不停配浆，满足生产使用。

4.4 黄土浆制备

将黄土与清水冲捣成浆。黄土浆性能应达到粘度22～25s、密度1.20～1.30。

4.5 HL泥浆与黄土浆混合比例

HL泥浆与黄土浆按1:1.5比例混合后的泥浆性能参数应达到密度1.25、粘度25s左右、pH值8～10之间，并加入适量纯碱控制泥浆胶体的稳定性。

4.6 HL泥浆与普通泥浆的镜像对比

A泥浆是采用地下原状土（主要是砂质粉土）加清水调配好后形成的原浆泥皮；B泥浆是在原浆的基础上加入纯碱和聚合物（聚丙烯酰胺）后形成的泥皮；C泥浆是在B泥浆内加入上海哈利（HL）专用泥浆复合剂后形成的泥皮。把三种泥皮都放在大理石面专用的模拟纸上，可以看出，A泥皮没有形状，见A图；B泥皮虽已成形状，但泥皮较松软，见B图；C泥皮则薄而致密，见C图。

将B、C两种泥皮表面泥膜在镜下放大十万倍后，进行观察，可以明显地看出两种泥皮表面的不同结构和密度，见C、D图。

将B、C两种泥皮断面在镜下放大十万倍后，进行观察，可以明显地看出两种泥皮断面的不同结构和密度，见E、F图。

由此可见，不论从宏观，还是从微观角度对加入HL后形成的泥浆（皮），其质量是最好的，对孔内防塌、堵漏效果也应该是最好的。

4.7 HL护壁机理分析

HL是由膨润土、聚合物与混合金属氢氧化物及其他化学处理剂（即MMH正电胶）组成，采用现代胶体科学技术制作而成的一种带正电荷的泥浆材料。HL的工艺技术特性体现：①阴阳离子交换性，提高泥浆微粒间吸附性，吸附性能可提高5倍以上；②吸水性，能吸附数倍于自身体积的水量，膨胀后体积能迅速增大几倍到十几倍；③胶质价，在水介质中能分散呈胶体状悬浮液，这种悬浮液具有一定的粘滞性、触变性和润滑性。④絮凝性，可絮凝岩屑，减少泥浆漏失；⑤ HL中的MMH正电胶，是一种带正电颗粒与带负电的粘土胶粒之间，通过极化水串形成空间稳定体系，具有独特的固—液相之间的流变特征（即在静止时呈弹性固体，稍经剪切扰动，瞬间转变为流体），使其在携带和悬浮岩屑时显示出独特的优越性。另一方面，MMH对粘土矿物的分散具有较强的抑制性，对冲孔桩有很好的护壁防塌效果。

4.8 试验结果

历时七天完成三根试验（施工）任务，商品砼灌注后充盈系数分别为1.10、1.21和1.29，平均充盈系数1.20，充盈系数已经显著下降，达到预期效果。为了保证试验的可靠性，项目部扩大了试验范围，继续试验了5个桩位（294#、212#、244#、200#、142#），充盈系数都在1.20以下，较小的则达到1.03，效果很好。最后,项目部按照类似方法进行推广应用，取得了良好的成效。

5 形成岩溶地区泥浆技术应用理论

5.1 泥浆性能总体要求。在具备有效护壁的前提下，以刚好能够带出孔内岩屑为基点，尽量调低泥浆的粘度与密度。

5.2 各土层泥浆参数控制。孔口至卵石层之间土层，包括回填土、砂层、淤泥层的泥浆粘度可以较高，一般要求控制在30s左右（淤泥层≥33s）。中下部的卵石层、角砾层、石灰岩及中风化花岗岩则要求保持在23～25s之间，相应的密度也应分别控制在1.4～1.5和1.2～1.4之间。

5.3 泥浆酸碱度的要求。pH值全过程要求控制在8～9.5之间。

5.4 泥浆使用过程的质量控制。HL化学泥浆在使用前必须搅拌均匀且泥浆必须调配到符合孔内土层的性能参数后才能使用。泥浆进入孔内后即开始发挥作用，在保护孔壁的同时，其中的金属氢氧化物（MMH正电胶）含量也在逐渐减少，必须及时补充HL泥浆专用复合剂，补充量视孔内土层情况而定（一般要要达到黄土泥浆的1.0%～1.5%）。此外，由于压力的作用，泥浆进入孔内后即开始失水，因此，要缓慢不间歇地添加清水。施工中，要不断进行泥浆质量的检测控制，一旦发现性能参数偏离要求，必须立即着手进行调配。

6 服务生产，取得经济效益

HL泥浆护壁试验成果已经达到预期目的，成果及时得到应用，后期的所有冲孔桩浇灌砼充盈系数都稳定在1.15左右。

6.1 直接经济效益

多年来，在龙岩石灰岩岩溶地层中，冲孔桩项目浇灌砼充盈系数一般都在1.40以上。裕福大厦冲孔桩工程理论灌砼量约5000m3，按常规工艺施工实际灌注量达7000m3以上。按平均充盈系数1.15计算，砼灌注量是5750m3，二者相差1250m3。商品砼价格277元/m3，可节省商品砼费：277元/m3×1250m3＝346250元。扣除HL成本(经测算，浇注砼量中的HL成本为20元/m3)，20元/m3×5750m3＝115000元。

节省商品砼费：346250元-115000元=231250元。

6.2 间接经济效益

进尺速度加快，成孔时间缩短，工效得到提高，规避了工期被延误的风险（合同约定，工期每超一天罚款4000元），按时完成龙岩裕福大厦冲孔桩基项目施工任务。孔内出现事故机率降低了，节省用在处理孔壁坍塌和卡埋钻事故的黄土费、水电费及人工机械费等。

7 结论

通过龙岩裕福大厦冲孔桩项目的施工，有效解决了龙岩石灰岩岩溶区复杂地层条件下，冲孔桩施工砼罐注过于超量的技术难题，有利于完善冲孔桩施工工艺技术，提高了技术经济指标，摸索出了一套较为完善的冲孔桩泥浆护壁新技术，为今后在类似地层中施工冲孔桩积累了较丰富的施工经验。此次，在龙岩裕福大厦冲孔桩基项目施工过程中，由于施工单位及时采用新颖的HL护壁技术，334根桩没有一个钻头埋在孔里，也没有因工程质量问题补救一根桩，算是在龙岩石灰岩岩溶发育地区冲孔桩施工的一次创举。

[1] 泥浆应用基础知识[M].上海哈利非开挖工程技术服务有限公司.

[2] 桩基工程手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1995.

[3] (苏)希辛柯 Р.泥浆水力学[M].袁恩熙，陈家琅译.北京：石油工业出版社, 1957.