高性能泥浆在复杂地质基桩钻孔施工中的应用

孙 轶

(湖南路桥建设集团公司，湖南长沙 410004)

1 概述

荆岳长江公路大桥主桥为双塔双索面钢箱梁与混凝土箱梁相接组合的钢混组合梁斜拉桥，其主跨跨径达816 m。该桥主桥双塔之一的南塔基础为钢筋混凝土基桩与承台的组合结构，基桩设计直径为2.2 m，长度为80 m，钻孔长度近90 m。南塔基础构造见图1。基础位处于长江南岸慢滩江边，其所在地面在枯、中水期处于岸上，地层覆盖层厚度为21.2～24.7 m，以粘性土为主。桥位主床体南段基岩主要为白云岩及变余粉砂质泥岩，南慢滩基岩岩性主要为变余粉砂质泥岩，岩石饱和单轴抗压强度为40～50 MPa。勘察结果表明，本桥桥位长江主床体南部、南岸慢滩范围均处于不良地质发育地段，受风化及构造影响，岩体完整性差，断层交切发育，并有溶蚀填充物存在。位于南岸慢滩上的南塔位粉砂质泥岩层间错动强烈，发育大量层间剪切带，形成了破碎与完整岩体相间分布、岩体倾斜陡立的复杂地质构造，岩体倾斜方向与水平面的夹角达到了70°～80°，剪切带内岩体破碎和风化加强，呈现结构松散、性状软弱的特点。南塔位地质构造见图2。

图1 南塔基础构造(单位:cm)

南塔处地质条件复杂，岩性条件变化大，同一桩位存在岩体软硬不均且岩体软硬交替还存在岩体破碎带和层间剪切带，在钻孔过程中极易出现塌孔、偏孔等现象，其施工难度较大。为保证基桩成孔的可靠，钻孔采用高性能泥浆护壁工艺，气举反循环钻进。钻孔前试验室做好泥浆配比试验，确定采用高性能复合泥浆配比，并派人在现场全过程抽检泥浆比重、粘度、含砂率、失水量及pH值等指标，结合现场地质情况对钻孔泥浆指标进行调整，严格控制好各项指标，保证钻孔桩的顺利施工。接下来具体介绍29#墩钻孔桩中泥浆制备及循环系统和泥浆现场质量控制管理及混凝土浇筑情况。

2 泥浆的主要作用

1)清洗孔底，携带钻屑;

2)形成泥皮，保护孔壁;

3)控制与平衡地层压力;

4)悬浮岩屑;

5)在地面沉除岩屑;

图2 南塔位地基地质情况示意图

6)将水功率传给钻头;

7)冷却和润滑钻头、钻柱。

3 泥浆的配比

1)护壁泥浆在钻孔中非常重要，其各项指标控制着钻孔的效率和成孔质量。泥浆性能好，护壁效果好，孔壁泥皮薄而韧，孔底沉淀少，确保桩基的有效承载力。泥浆一般由水、粘土(膨润土)和添加剂按适当的配合比配制而成。在正式开钻前，试验室进行配比试验，选用不同的钙基膨润土和不同比例的水、碱、聚丙烯酰胺等进行试配。并考虑成本核算，最后选用不分散、低固相、低失水、适当粘度的PHP泥浆配比。不分散泥浆的特点:

①不分散泥浆具有高质量泥浆的优良性能，它是在任何复杂的水文地质条件下实现高标准、高质量大型桩基施工的最佳选择。

②不分散的含义可理解为，它具有对钻屑和劣质土不分散的特点，实质上，泥浆在孔壁形成泥皮的过程中，所产生的滤液，同样对岩层土具有不分散作用，从而使孔壁不会因此水化膨胀而导致坍塌或扩孔(特别对水敏性强的页岩地基更显示出它的优越性能)。

③同时，由于它的不分散作用，对钻孔中的循环泥浆在地面净化系统中很容易实现净化，并且它具有较好的“剪切稀释”性能，钻孔中流动性能好，钻孔终止时，切力增加，稳定性好，使泥浆及其中夹带的少量微小钻屑不易沉落，从而不会在桩尖出现沉淀，因此对保证桩基的承载力具有积极意义。

2)配比详情如表1。

荆岳长江公路大桥采用全液压冲击反循环钻机成孔。

全液压冲击反循环钻机的泥浆循环方式与传统冲击钻机的泥浆循环方式完全不同。全液压冲击反循环钻机的钻头中心有一个圆孔，施工时，一根排渣管通过钻头中心的圆孔下到孔底，排渣管上端通过软管与砂石泵相连，形成一个泵吸式反循环系统。在冲孔过程中，钻头沿着排渣管上下运动，并不影响泥浆循环的进行，因此泥浆性能不会如同传统冲击钻机施工时由于静置较长时间而发生变质。根据以往的施工经验，全液压冲击反循环钻机施工时，采用的泥浆性能指标与旋转钻机反循环施工时采用的泥浆性能指标几乎一致。因此，无论是采用旋转钻机施工，还是采用冲击反循环钻机施工，均应按表1控制泥浆性能指标。

表1 配比情况表

在配比试验中，泥浆性能指标测定记录如表2。

表2 泥浆性能指标测定记录表

4 泥浆的制造与循环

每个钻孔平台配套4组泥浆循环系统，满足4台钻机同时钻孔施工的需要。根据现场实际情况，采用两种结构形式的泥浆循环系统。一种为钢桶结构;一种为地面开挖泥浆池。泥浆池的布置见泥浆系统布置平面图(图3)。

图3 泥浆系统布置平面图(单位:cm)

4.1 钢桶结构泥浆循环系统

一个钢桶结构泥浆循环系统由钻机、消能池、三个沉渣桶、桩孔及溜槽组成。

4.1.1 造浆

利用一个内径为340 cm、高度为200 cm的钢筒作为造浆桶。造浆机械为一台6BS砂石泵，采用桶内上下循环的方式工作。根据试验室提供的配合比，制造钻孔需要的泥浆。钻孔施工时，应根据不同地层的地质情况，制造相应性能的泥浆。泥浆在造浆桶内制造完成后，经检验合格才能将其抽入泥浆循环系统中。

4.1.2 储浆、补浆

利用一个内径为340 cm、高度为300 cm的钢筒作为储浆桶。通过砂石泵将造浆桶的泥浆泵入储浆桶中备用。储浆桶通过泥浆溜槽与桩孔钢护筒相连，利用储浆桶上的阀门来控制储浆桶的供浆量。钻孔施工时，应派专人监测桩孔水头变化，根据需要及时补充泥浆。

4.1.3 排渣

在三个沉渣桶底设置了出渣洞，通过出渣洞将钻渣排除并清除出场地外。

4.2 泥浆池循环系统

泥浆池开挖深度为2 m，砌筑高度高于地面1 m。

4.2.1 造浆

利用一个直径为3.4 m，高度为2 m的钢桶用作造浆。造浆机械为一台6BS砂石泵，采用桶内上下循环的方式工作，根据试验室提供的配合比，制造钻孔需要的泥浆。钻孔施工时，应根据不同的地层的地质情况，制造相应性能的泥浆。泥浆造好后，经检验合格才能排入泥浆循环系统中。

4.2.2 储浆、补浆

利用一个面积为182 m2、深度度为2 m、储浆容量为364 m3的泥浆池作为储浆池。泥浆在造浆桶内制造完成，经检验合格后，通过砂石泵将泥浆抽入储浆池中备用。储浆池通过泥浆泵向桩孔补浆。钻孔施工时，应派专人监测桩孔水头变化，根据需要及时补充泥浆。在浇筑桩基水下混凝土时，利用储浆池作为泥浆回收的容器。

4.2.3 排渣

当沉渣池内钻渣淤积至一定程度，利用挖掘机挖出，装入运输车运至合适弃渣点进行处理。

5 泥浆现场质量控制及管理

1)对反循环钻孔而言，泥浆性能指标确定应遵循“三低一适当”(即低密度、低失水率、低含砂率、适当粘度)的原则。

①低密度 :一般情况下泥浆的主要作用为护壁而平衡地层压力主要依赖水头，规范规定不得小于1～2 m，如果依靠加大泥浆密度来保持孔壁的稳定是不经济的，而且会严重影响钻孔的效果。

②低失水:失水现象是由于泥浆在液柱压力作用下通过地层空隙的阻塞过滤，部分泥浆中的水分向地层渗漏，在孔壁上形成泥皮的过程。由此可见，失水越少，将减少对地层的水化作用，有利于保护孔壁，同时形成的泥皮也薄，有利于防止缩孔。这些都与泥浆的性能、液柱压力及地质情况有关，而且低失水，泥皮的形成必须坚韧。但研究表明，如果在不影响地层稳定的情况下，适当的放宽失水指标有利于提高钻速。

③低含沙率:含沙率高不利于钻进，同时对钻头的磨损也加大，而且也容易增加沉淀厚度。

④适当粘度:容易漏失的地层，如护筒底或砾石层等地质孔隙、裂隙发育时应加大泥浆粘度，反之可适当降低粘度。

2)在进入某一土层前应调整泥浆指标，符合要求后方能钻进，切忌盲目进尺，尤其是在容易坍塌漏失地层更要重视。

泥浆性能的调整是建立在取样试验的基础上，处理剂的加入量很关键。应根据试验结果和孔内泥浆数量以及泥浆循环速度确定，可在一个循环周期内均匀加完。每天派人员轮流在现场，每2 h测量一次泥浆指标，尤其是在地质变化需调整泥浆性能时和终孔循环清除沉淀时，加强测试频率，每1 h测量一次泥浆指标，进行全过程控制。试桩过程中泥浆性能较稳定，在参考规范的基础上，结合这次试桩中实际泥浆指标的控制情况，总结出适合各地层泥浆参考指标(表3)。

表3 各地层泥浆参考指标

3)在钻孔过程中，根据钻进速度和排渣情况及时清理泥浆循环池，保证泥浆循环畅通和防止泥浆流失，并保持泥浆循环池的浆位不变。注意随时往孔内补充浆液，维持孔内的水头高度。

4)钻孔到位，终孔循环除砂后，检验泥浆主要指标如下:密度 1.10 g/cm3;粘度 22 s;含砂率0.75%;pH值8.5，以上均符合规范要求。其中重点确保含砂率在2%以内(尽量将含砂率降低至1%左右)。

5)29#墩桩基础采用水下30号混凝土，坍落度控制在18～22 cm，配合比设计采用双掺技术(掺粉煤灰和缓凝高效减水剂)。

原材料及配比情况见表4。

表4 原材料及配比情况

6 运用总结

在运用了上述关键技术以后，南塔基桩钻孔施工顺利。在已成功完成的40根基桩中，完成一根基桩成孔所需要时间为15～20 d，桩孔垂直度均被控制在1/150以内，孔截面最大偏差均被控制在50 cm以内。桩孔垂直度及平面位置精度均满足施工规范和设计图要求。

南塔基桩钻孔施工的情况表明，在本桥南塔基桩钻孔施工中所存在的技术难题已得到了彻底解决。针对南塔基桩钻孔施工技术难题所研究、提出的一套关键技术成果，对破碎与完整岩体相间分布、岩体倾斜陡立的复杂地质条件下所存在的钻孔塌孔、偏孔等技术难题，是行之有效的解决方法，可为类似复杂地质条件下的基桩成孔施工提供有益的借鉴、参考和指导。

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