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摘 要：针对工程地质层以粉砂层为主的旋挖钻孔施工，着重分析聚合物泥浆的基本性能以及聚合物泥浆在旋挖钻孔中的应用。通过工程实践分析聚合物泥浆的使用情况及其带来的技术经济效益。
关键词：旋挖成孔；聚合物泥浆；粉砂层；粘度
中图分类号： P634.6+2 文献标识码： A 文章编号：
前言
旋挖钻机钻孔成桩亦称回转斗成桩、取土成桩，英文名称“Earth Drill”，具有成孔质量好，速度快，无噪声，无污染等优势。旋挖成孔过程中因工程地质层的千变万化，尤其是连续粉砂层，对所需护壁的泥浆性能要求较高。自20世纪70年代初以来，国内外研制生产的新型聚合物泥浆材料，使用简单，小巧轻便，制浆速度快，护壁效果好，沉淀凝聚速度快，无污染。极大改善了灌注桩施工的护壁效果和施工环境，加快了工程施工的速度，节省了施工费用，提高了工程的施工效率。
1.聚合物泥浆性能特点
1.1桥联与包被作用
当聚合物泥浆注入钻孔后，一定数量聚合物分子吸附在钻孔孔壁的土粒表面和两个土粒的间隙上，就会形成网络结构，称为桥联作用。当高分子链吸附在一个土粒上，并将其覆盖包裹时，称为包被作用。聚合物泥浆的桥联与包被作用使钻孔孔壁表面形成吸附网并不断加密，逐渐形成连续覆盖孔壁表面和孔隙内表面的膜，在胶结作用下使孔壁保持稳定。
1.2絮凝作用
当聚合物在泥浆中主要发生桥联吸附时，会将一些细颗粒聚结在一起形成粒子团，这种作用称为絮凝作用，在絮凝作用下形成大颗粒从而快速沉淀到孔底，很好的保持泥浆性能，最大化泥浆的可重复利用率。
2.工程实例
江苏LNG接收站T1204储罐桩基采用三岔双向挤扩灌注桩，桩侧、桩端采用后压浆处理，桩侧注浆阀设置两道；桩径1.40m，桩长58.600、58.900和64.000m。工程地质均为粉砂层，以第⑤ 、⑦ 层粉砂为桩端持力层，地下水稳定水位埋深为4.5～5.1m，总桩数为401 根，现已完成钻孔桩试桩工程。
3.人工淡水造浆
3.1泥浆池及配套设备
T1204储罐区北侧新建泥浆池：长40 米，宽5 米，高2 米，容积400m³，保证钻孔灌注桩泥浆护壁用量。其泥浆循环系统由制浆池、供浆池、泥浆沉淀池、废浆池、空压机供气系统、供浆泵、回浆泵、供浆管和回浆管构成。制浆池和供浆池中配备空压机供气系统，以保证池中的泥浆持续搅动。泥浆沉淀池中不能配备供气系统，以便混凝土灌注后回浆中悬浮的钻屑能够沉淀到池底。旋挖钻孔施工时，泥浆在制浆池中制备完成后排人供浆池中，通过供浆泵和供浆管输入到钻孔中。混凝土灌注时，泥浆通过回浆泵和回浆管排入泥浆沉淀池，回浆中悬浮的泥沙沉淀到池底后，将沉淀池上部的好浆排入供浆池中进行循环利用。
3.2聚合物泥浆制备
聚合物泥浆的主要成分为水、高分子聚合物泥浆材料和水处理剂(Na2CO3)，按照表1配合比制浆；将清水注入泥浆池后，用20%纯碱溶液调节水的PH值在8～10之间，以沉淀水中的钙离子使聚合物泥浆达到最佳的性能。并用空压机搅拌均匀10～20分钟，纯碱具体加量视现场PH试纸测试结果确定。
将循环泵打开，进行自循环后，通过泵出水管口加入聚合物，要求慢慢均匀加入，后用空压机搅拌60～90分钟，用马氏漏斗测定溶液的黏度到35秒左右。
表 1
4.钻进过程中注意事项及泥浆性能变化
4.1钻进过程控制
4.2.1开钻时要马上注入聚合物泥浆，应垂直向桩孔中间进行入浆，避免泥浆沿着护筒壁冲刷其底部，致使护筒底部土质松散，且保证孔内泥浆的液面高于护筒高度一半以上。钻进过程中，每一钻程进尺应控制在0.5～1m左右。每次提钻时，及时向孔内注入合格的泥浆至孔口，以保证孔壁的稳定性。
4.2.2钻机施工时要注意控制钻具的提起和下放速度，尤其是在初提钻和出入孔口时，以便加快泥浆中钻屑的沉降，减少对孔壁的扰动，保证孔壁稳定。钻头提出后应直接转离孔口弃土，不要在孔口停留，避免泥沙泄流到钻孔内。
4.2.3在距离终孔深度1～2米时，暂时停止钻进，将孔内泥浆沉淀一段时间，待沉渣不再增加后再行捞渣。
4.2 聚合物泥浆粘度变化
由于该地质层为连续粉砂层，有渗透性好，内聚力小，对外力反应灵敏，在微弱动水或外力作用下易产生移动，丧失稳定的特性；因此，在钻孔过程中，对泥浆的护壁性能要求很高。
聚合物泥浆主要靠泥浆粘度粘结钻渣，便于钻进，同时将孔底内悬浮的细小颗粒沉淀于孔底，因此，粘度是聚合物泥浆的主要性能指标。
现场钻孔泥浆性能检测（经实测多个钻孔取平均值）：孔深20米时测得泥浆粘度32，比重1.04,；孔深40米时，测得泥浆粘度29，比重1.03；终孔时泥浆粘度27，比重1.03。每次取样均取孔底500mm内泥浆进行比重、粘度检测。发现，随着钻孔深度的增加，其粘度逐渐下降，而比重基本不变。
结论：泥浆中聚合物的含量随絮凝量的增加而减少当泥浆有效成分(聚合物)严重损失到失去护壁效果后，就会发生钻孔坍塌事故。因此，施工过程中应每隔1～2 h监测一次泥浆性能。泥浆性能劣化时要适时添加纯碱和聚合物材料，以保证施工需要的泥浆粘度。
4.3终孔后捞渣及二次清孔
聚合物泥浆的自身性能决定成孔后泥浆中悬浮的钻屑在较短时间内能否沉淀至孔底，故需要在成孔后及时回钻捞渣。一般在成孔后20—30 min用捞砂钻头进行捞渣。如果孔壁长时间在水头压力的作用下还是会出现失稳的情况，在捞渣完毕应及时进行灌注，否则易引起塌孔事故。
虽然我项目部已选用较高密封型的捞渣钻头，但是自终孔捞渣结束，吊装钢筋笼，安装导管完成，其中间间隔时间约5小时，孔壁及泥浆中的土粒在絮凝作用下逐渐沉积在孔底，经测绳重新测量孔底沉渣达40～80cm；因泥浆比重为1.03～1.05，导管正循环清孔时，虽然因泥浆比重过小无法有效排除孔底沉渣，但是孔底沉渣均为细小颗粒物，正循环过程中，其循环水流已将该沉渣带离孔底，正循环结束后，立即进行砼初灌，在初灌完成后，其悬浮在泥浆中沉渣逐渐沉积在砼表面，有效的保证了桩身砼质量。经检测：6根试验钻孔桩小应变，超声波，单桩水平荷载，单桩静载检测，均达到设计要求。
4.4 聚合物泥浆的排放
聚合物泥浆无毒、易于降解，可直接抛弃而不会造成环境污染。排放前，可用5％的次氯酸钠溶液或3％的过氧化氢溶液处理，破坏聚合物的化学链接，使其完全降解，泥浆的粘度可逐渐降低至清水状态。使用空压机系统确保聚合物泥浆充分氧化后，可直接排放于附近的排水沟中。
5. 聚合物泥浆的经济效益
聚合物泥浆和膨润土泥浆成本对比(以100m3泥浆配制为例，即直径1.4m，长64m桩单桩泥浆量)。
聚合物泥浆与膨润土泥浆成本对比表 表 2
聚合物泥浆与膨润土泥浆效率对比表表 3
综上：聚合物泥浆与膨润土泥浆相比，施工成本低，配制所需时间少，泥浆重复利用率高。
6.结术语
聚合物泥浆作为一种新材料被引入国内泥浆护壁旋挖式灌注桩工程，具有着与膨润土泥浆不同的性能，其快速沉淀鉆屑的能力比较显著，特别适用于膨润土泥浆较难对付的、容易产生较多沉渣的粉砂地层。且作为一种环保产品，其今后在旋挖钻孔桩施工领域有着广阔的应用前景。
关键词：旋挖成孔；聚合物泥浆；粉砂层；粘度
中图分类号： P634.6+2 文献标识码： A 文章编号：
前言
旋挖钻机钻孔成桩亦称回转斗成桩、取土成桩，英文名称“Earth Drill”，具有成孔质量好，速度快，无噪声，无污染等优势。旋挖成孔过程中因工程地质层的千变万化，尤其是连续粉砂层，对所需护壁的泥浆性能要求较高。自20世纪70年代初以来，国内外研制生产的新型聚合物泥浆材料，使用简单，小巧轻便，制浆速度快，护壁效果好，沉淀凝聚速度快，无污染。极大改善了灌注桩施工的护壁效果和施工环境，加快了工程施工的速度，节省了施工费用，提高了工程的施工效率。
1.聚合物泥浆性能特点
1.1桥联与包被作用
当聚合物泥浆注入钻孔后，一定数量聚合物分子吸附在钻孔孔壁的土粒表面和两个土粒的间隙上，就会形成网络结构，称为桥联作用。当高分子链吸附在一个土粒上，并将其覆盖包裹时，称为包被作用。聚合物泥浆的桥联与包被作用使钻孔孔壁表面形成吸附网并不断加密，逐渐形成连续覆盖孔壁表面和孔隙内表面的膜，在胶结作用下使孔壁保持稳定。
1.2絮凝作用
当聚合物在泥浆中主要发生桥联吸附时，会将一些细颗粒聚结在一起形成粒子团，这种作用称为絮凝作用，在絮凝作用下形成大颗粒从而快速沉淀到孔底，很好的保持泥浆性能，最大化泥浆的可重复利用率。
2.工程实例
江苏LNG接收站T1204储罐桩基采用三岔双向挤扩灌注桩，桩侧、桩端采用后压浆处理，桩侧注浆阀设置两道；桩径1.40m，桩长58.600、58.900和64.000m。工程地质均为粉砂层，以第⑤ 、⑦ 层粉砂为桩端持力层，地下水稳定水位埋深为4.5～5.1m，总桩数为401 根，现已完成钻孔桩试桩工程。
3.人工淡水造浆
3.1泥浆池及配套设备
T1204储罐区北侧新建泥浆池：长40 米，宽5 米，高2 米，容积400m³，保证钻孔灌注桩泥浆护壁用量。其泥浆循环系统由制浆池、供浆池、泥浆沉淀池、废浆池、空压机供气系统、供浆泵、回浆泵、供浆管和回浆管构成。制浆池和供浆池中配备空压机供气系统，以保证池中的泥浆持续搅动。泥浆沉淀池中不能配备供气系统，以便混凝土灌注后回浆中悬浮的钻屑能够沉淀到池底。旋挖钻孔施工时，泥浆在制浆池中制备完成后排人供浆池中，通过供浆泵和供浆管输入到钻孔中。混凝土灌注时，泥浆通过回浆泵和回浆管排入泥浆沉淀池，回浆中悬浮的泥沙沉淀到池底后，将沉淀池上部的好浆排入供浆池中进行循环利用。
3.2聚合物泥浆制备
聚合物泥浆的主要成分为水、高分子聚合物泥浆材料和水处理剂(Na2CO3)，按照表1配合比制浆；将清水注入泥浆池后，用20%纯碱溶液调节水的PH值在8～10之间，以沉淀水中的钙离子使聚合物泥浆达到最佳的性能。并用空压机搅拌均匀10～20分钟，纯碱具体加量视现场PH试纸测试结果确定。
将循环泵打开，进行自循环后，通过泵出水管口加入聚合物，要求慢慢均匀加入，后用空压机搅拌60～90分钟，用马氏漏斗测定溶液的黏度到35秒左右。
表 1
4.钻进过程中注意事项及泥浆性能变化
4.1钻进过程控制
4.2.1开钻时要马上注入聚合物泥浆，应垂直向桩孔中间进行入浆，避免泥浆沿着护筒壁冲刷其底部，致使护筒底部土质松散，且保证孔内泥浆的液面高于护筒高度一半以上。钻进过程中，每一钻程进尺应控制在0.5～1m左右。每次提钻时，及时向孔内注入合格的泥浆至孔口，以保证孔壁的稳定性。
4.2.2钻机施工时要注意控制钻具的提起和下放速度，尤其是在初提钻和出入孔口时，以便加快泥浆中钻屑的沉降，减少对孔壁的扰动，保证孔壁稳定。钻头提出后应直接转离孔口弃土，不要在孔口停留，避免泥沙泄流到钻孔内。
4.2.3在距离终孔深度1～2米时，暂时停止钻进，将孔内泥浆沉淀一段时间，待沉渣不再增加后再行捞渣。
4.2 聚合物泥浆粘度变化
由于该地质层为连续粉砂层，有渗透性好，内聚力小，对外力反应灵敏，在微弱动水或外力作用下易产生移动，丧失稳定的特性；因此，在钻孔过程中，对泥浆的护壁性能要求很高。
聚合物泥浆主要靠泥浆粘度粘结钻渣，便于钻进，同时将孔底内悬浮的细小颗粒沉淀于孔底，因此，粘度是聚合物泥浆的主要性能指标。
现场钻孔泥浆性能检测（经实测多个钻孔取平均值）：孔深20米时测得泥浆粘度32，比重1.04,；孔深40米时，测得泥浆粘度29，比重1.03；终孔时泥浆粘度27，比重1.03。每次取样均取孔底500mm内泥浆进行比重、粘度检测。发现，随着钻孔深度的增加，其粘度逐渐下降，而比重基本不变。
结论：泥浆中聚合物的含量随絮凝量的增加而减少当泥浆有效成分(聚合物)严重损失到失去护壁效果后，就会发生钻孔坍塌事故。因此，施工过程中应每隔1～2 h监测一次泥浆性能。泥浆性能劣化时要适时添加纯碱和聚合物材料，以保证施工需要的泥浆粘度。
4.3终孔后捞渣及二次清孔
聚合物泥浆的自身性能决定成孔后泥浆中悬浮的钻屑在较短时间内能否沉淀至孔底，故需要在成孔后及时回钻捞渣。一般在成孔后20—30 min用捞砂钻头进行捞渣。如果孔壁长时间在水头压力的作用下还是会出现失稳的情况，在捞渣完毕应及时进行灌注，否则易引起塌孔事故。
虽然我项目部已选用较高密封型的捞渣钻头，但是自终孔捞渣结束，吊装钢筋笼，安装导管完成，其中间间隔时间约5小时，孔壁及泥浆中的土粒在絮凝作用下逐渐沉积在孔底，经测绳重新测量孔底沉渣达40～80cm；因泥浆比重为1.03～1.05，导管正循环清孔时，虽然因泥浆比重过小无法有效排除孔底沉渣，但是孔底沉渣均为细小颗粒物，正循环过程中，其循环水流已将该沉渣带离孔底，正循环结束后，立即进行砼初灌，在初灌完成后，其悬浮在泥浆中沉渣逐渐沉积在砼表面，有效的保证了桩身砼质量。经检测：6根试验钻孔桩小应变，超声波，单桩水平荷载，单桩静载检测，均达到设计要求。
4.4 聚合物泥浆的排放
聚合物泥浆无毒、易于降解，可直接抛弃而不会造成环境污染。排放前，可用5％的次氯酸钠溶液或3％的过氧化氢溶液处理，破坏聚合物的化学链接，使其完全降解，泥浆的粘度可逐渐降低至清水状态。使用空压机系统确保聚合物泥浆充分氧化后，可直接排放于附近的排水沟中。
5. 聚合物泥浆的经济效益
聚合物泥浆和膨润土泥浆成本对比(以100m3泥浆配制为例，即直径1.4m，长64m桩单桩泥浆量)。
聚合物泥浆与膨润土泥浆成本对比表 表 2
聚合物泥浆与膨润土泥浆效率对比表表 3
综上：聚合物泥浆与膨润土泥浆相比，施工成本低，配制所需时间少，泥浆重复利用率高。
6.结术语
聚合物泥浆作为一种新材料被引入国内泥浆护壁旋挖式灌注桩工程，具有着与膨润土泥浆不同的性能，其快速沉淀鉆屑的能力比较显著，特别适用于膨润土泥浆较难对付的、容易产生较多沉渣的粉砂地层。且作为一种环保产品，其今后在旋挖钻孔桩施工领域有着广阔的应用前景。