深水特殊地质条件下大直径超长桩基泥浆 制备技术研究

薛 勇

（中铁十六局集团有限公司， 北京 100018）

1 工程背景

永宁黄河公路大桥位于宁夏回族自治区银川市永宁县和灵武市之间，属于银川市综合交通规划中的银川市第二绕城通道的一部分，是跨越黄河天堑的又一通道。

永宁黄河公路大桥起点桩号为K11+789.7，终点桩号为K15+542.8。主桥全长3743m，桥跨结构布置为(110+260+110)m 双塔双索面斜拉桥。主墩桩基104 根，直径2.2m，桩长80m；地质主要为饱和液化砂土及卵石土，钻孔揭示实际地质：12m～28m 为细砂，28m～30m 粉砂，30m～31m 砂砾，31m～40m 细砂，40m～41m 粉砂，41m～45m 细砂，45m～58m 粘土，58m～93m 细砂。

根据项目工期要求和现场施工条件，通过钻机机型比选选用XR360 旋挖钻机成孔，但由于钻进速度快、土质扰动大、施工过程易塌孔、易缩径，所以泥浆性能的控制是保证本工程质量与进度的一个重难点[1]。

2 工程特点

本项目主墩桩基施工具有以下几个特点：

（1）桩基钻孔时间长，钢筋笼长，主筋数量多，主筋对接时间长，桩基施工过程中泥浆静置时间长，泥浆含砂率大，清孔时间长，钢筋笼孔口连接到砼灌注结束至少需要36 小时。

（2）桩基施工过程中泥浆静置时间长，混凝土方量大，混凝土灌注时间长，施工过程中易发生缩径、夹层或塌孔现象。

（3）地质情况以粉细砂为主，泥浆的浮砂性能要求高，普通泥浆不能满足施工要求。

3.动态相关系数图分析与配对样本T检验。“深港通”开通前后两阶段深港两地的收益率对冲击的反应表现出非对称性，同时两地之间也存在着较强的持续动态相关性，为了更加清晰、直观地考察深港两地之间的动态关联度，需要通过动态相关系数图进行分析。

（4）主墩桩基均位于河道中，采用旋挖钻机施工，容易发生呼吸效应，泥浆的护壁要求有较高的泥皮韧性。

（5）水上作业施工安全风险大。

3 泥浆的制配

3.1 泥浆的作用及性能

泥浆在桩基施工过程中的作用：

（1）护壁作用，防渗、防水帷幕。以孔内高于地下水位的泥浆的侧压力平衡孔壁土压力和孔周水压力[2]。

（2）悬浮土渣，携带土渣出桩孔。避免土渣沉入孔底造成桩底沉渣厚度超标。

桩基采用XR360 型旋挖钻钻孔成孔，高性能泥浆进行护壁和清孔作用，要求施工过程中泥浆应具备以下性能：

（1）物理稳定性：即静置相当长时间其性质不变化，不因重力而沉淀。

（2）化学稳定性：不因水泥等异物混入而污染。

（3）适当的比重：钻孔过程中泥浆比重大对孔内护壁、浮渣有利，但比重过大会使泥浆泵的工作能力下降，同时妨碍混凝土灌注。

（4）良好的触变性：要求泥浆在流动时，阻力很小，以便泵送。当停止钻孔时，泥浆能很快凝聚成凝胶状，避免浆中砂粒迅速下沉；而附着在孔壁的泥浆能很快固结，以维持孔壁稳定[3]。

（5）形成薄而韧的泥皮，附于孔壁上，不透水。

（6）不产生过多气泡。

3.2 泥浆最优配合比的确定

3.2.1 制浆材料选取

根据泥浆性能要求，结合本项目特定的地理位置及桩基施工工艺特点等，对制备泥浆材料进行了选取。

（1）土的选取：钠基膨润土泥浆具有相对密度低、黏度好、失水量小、泥皮薄、稳定性强、固壁能力高、气具回转阻力小、钻进率高、制浆能力大等特点[3]，作为了本项目首选造浆土源。选取了5 种膨润土土源(分别为：湖南膨润土、鹤壁膨润土、中卫膨润土、潍坊膨润土、邯郸膨润土)。

（2）水的选取：根据地理位置、用水成本等考虑，选取了3 种水源，即地下井水、池塘水、黄河水)。

（3）分散剂的选取：采用纯碱（Na2CO3）作为分散剂。分散剂的首要作用是使进入水中的膨润土颗粒分散开来，形成外包水化膜的胶体颗粒，可有效改善泥浆的性能[4]。

（4）改性剂的选取：采用羟甲基纤维素能够提高泥浆的黏度，具有使护壁表面形成化学膜泥皮和降低失水量的功能。

3.2.2 制浆试验

通过调整泥浆配合比中的土、水、减、纤维素的比例，对不同配比的泥浆性能进行了反复试验比对，比选出了最优的泥浆施工配合比，该配比的泥浆不仅能满足钻孔和混凝土灌注过程的护壁需求，还能使悬浮的细砂在泥浆中保持至少36小时不沉淀，为桩基成桩的质量与进度提供了有力保障。泥浆试验结果见表1。

表1 泥浆试验结果表

3.2.3 确定最优施工配合比

通过对国内不同地区膨润土、不同水源、不同配合比配制的泥浆性能进行了反复试验比对，得出以下结论：

（1）膨润土在黄河水中膨化效果最好，池塘水次之，地下井水最差；

（2）对本项目土源制浆性能来看，湖南膨润土最好，鹤壁膨润土次之，而邯郸土、宁夏中卫土、潍坊土不适合本项目制浆施工；

（3）水:土:碱:纤维素为400:40:3.2:0.24 时，湖南土、鹤壁土均能满足施工需求；水：土：碱：纤维素为400:35:3.2:0.24 时，仅湖南土能满足施工需求。

综合考虑施工成本、泥浆比重、泥浆黏度及施工实际可操作性，优先确定选用400:40:3.2：0.24 的配合比作为最优泥浆施工配合比；土源选用湖南钠基膨润土，施工用水采用黄河水或池塘水(不得使用地下井水制备泥浆)。水质检测结果及泥浆配合比比选结果见表2。

表2 水质检测结果及泥浆配合比比选结果

4 泥浆制作及循环系统

采用造浆机在造浆池内按照试验确定的最优施工配合比制备泥浆，制备完成的泥浆采用泥浆泵泵送至泥浆池内储存备用。主墩每个钻孔平台泥浆制备机具采用两台泥浆搅拌机、1 个800m² 的泥浆储浆池、2 台22KW 泥浆泵和2 个20m的钢箱沉淀池，泥浆循环净化系统由钢管组成的泥浆循环通道、储浆池、泥浆滤砂器(两台)及泥浆沉淀池、泥浆泵等组成。泥浆循环通道连接储浆池与钢护筒之间用于泥浆循环。泥浆搅拌机置于泥浆池的上面，用于制拌泥浆[5]。泥浆滤砂器用于分离处理泥浆中大颗砂粒，净化泥浆。泥浆循环系统示意图见图1。

图1 泥浆循环系统示意图

5 施工注意事项

（1）第一次制作泥浆时，先将定量的清水加入搅拌机，然后慢慢地加进膨润土，再加纤维素和工业碱。由于纤维素和碱可能会影响膨润土的溶胀，所以要在膨润土之后放入。并开动机械搅拌，成浆后，打开出浆门将泥浆流入储浆池中。泥浆的搅拌方法对膨润土的溶胀程度影响很大。搅拌个够充分，泥浆的粘度和失水量都会受到影响。泥浆搅拌完全均匀所需的时间根据搅拌机的搅拌能力、膨润土的质量以及加料方式不同而有所差异，原则上要根据搅拌试验的结果在现场决定搅拌时间[6]。

（2）为了保证施工各阶段的泥浆性能指标，对钻孔全过程进行泥浆性能监测监控。开钻施工期间，每1 小时检测一次，等到泥浆性能稳定后，每2 小时检测一次，并根据钻进过程中地层变化情况增加检测频率。

（3）根据施工现场的实际情况在钢栈桥桥头设置泥浆沉淀池、储浆池，用两根钢管连接到钻孔平台，一根为进浆，一根为回浆，钻孔平台上设置泥浆中转箱。钻孔时泥浆通过进浆口进入桩孔内，灌注时排出泥浆通过泥浆泵抽入中转箱回入储浆池。

（3）钻孔桩施工时，为及时排除孔内钻渣，提高钻孔效率，泥浆循环系统中采用先进的ZX-250 型泥浆处理器排渣。泥浆处理机可直接将钻渣从泥浆中分离，处理后的泥浆可循环回入孔内，缩短了清孔时间。

（4）在黄河区域内施工，环保最为重要，产生的钻渣和泥浆不能就近倒入河中，应将钻渣集中收集堆放，用汽车转运到指定弃土场进行处理。

6 结语

通过试验对比得出的最优泥浆配合比满足实际施工需求，完成的260 根桩基实体经第三方检测全部为Ⅰ类桩基。施工过程中未出现塌孔、缩径等不良现象，施工的沉渣厚度也得到了有效控制。该泥浆配合比在饱和液化砂土、砂砾土等特殊地质情况下的桩基泥浆制备施工具有很好的指导意义，值得在类似工程的施工过程中推广应用。