1、一、引言近年来，随着国家建设的飞速发展，高速铁路、高速公路和市政道路工程不断兴建。在各项工程中地铁建设发展最为迅速，对桩基质量、成孔速度、环保等要求不断提高。在钻孔灌注桩施工中，旋挖钻以成孔质量好、速度快，噪声小、无污染或小污染等优势迅速占领了桩基市场。由于旋挖成孔施工无循环造浆功能，只能采用静态泥浆稳定液护壁，靠不停地向孔内进行补浆来保证孔内外水压的平衡和护壁效果。目前我国传统上仍采用膨润土矿物泥浆护壁，但是在某些复杂地质条件下，膨润土泥浆存在一定的局限性。随着市场的发展，国外化学聚合物泥浆技术逐渐地引入国内，并取得良好效果。下面通过西安地铁六号线 3 标侧坡站的实例来阐述在复杂地质条件下采
2、用化学聚合物泥浆护壁，大功率旋挖钻机高效成孔技术。二、工程概况2.1 工程概述侧坡站位于高新区，设置在西太路和规划纬三十六路十字路口，车站主体沿西太路路西呈南、北向跨路口布置，是六号线的第二个车站，南接南客站，北接纬三十二站。车站为地下两层岛式站台车站，有效站台宽度 11m，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，有效站台中心里程为 YCK12+215.000，车站总长215.75m，标准段总宽 19.7m，有效站台中心里程轨面埋深 15.35m。2.2 工程地质与水文地质1.2.1 工程地质（1）岩土分层及特征本标段沿线涉及地层自上而下主要为：第四系全新统 Q4.第四系上更新统 Q3、第四系中更
3、新统 Q2 等。主要地层特征自上而下分述如下：1-1 杂填土 Q4ml：主要分布于西太路沿线，杂色，松散，成分杂乱，主要由沥青、碎石和混凝土块组成，含大量砂砾。1-2 素填土 Q4ml：广泛分布于地表，以褐黄色为主，硬塑，主要由黏性土组成，含少量砾石，土质不均。2-1 黄土状土 Q4al+pl：广泛分布于地表，为全新统主要地层，黄褐色为主，局部夹有软弱层，土质较匀，具针状孔隙，虫孔发育，可见姜石和蜗牛壳碎片；以硬塑为主。2-2 粉质黏土 Q4al+pl：主要分布与黄土状土下部，为全新统主要地层，黄褐色，以可塑为主，局部夹有软弱层，土质较均，含黑色斑点，偶见姜石或蜗牛壳。2-4 粉细砂 Q4al
4、+pl：仅局部揭示，褐黄色，潮湿饱和，密实为主，砂质不纯，含零星砾石，局部夹薄层粉土。3-1 新黄土 Q3eol：主要分布于纬三十二站进站段，棕黄色，硬塑为主，土质较均，含白色钙质菌丝，偶见姜石和蜗牛壳碎片。3-2 古土壤 Q3el：主要分布于纬三十二站进站段，棕红色为主，硬塑，距针状孔隙，可见白色菌丝，含钙质结核，几部富集成层。3-3 粉质粘土 Q3al+pl：广泛分布，为上更新统主要地层，颜色较杂，以浅灰色、棕黄色、黄褐色为主，可塑为主，局部软塑，土质较均，含铁锰质斑点及钙质结核，局部钙质结核富集。3-4 粉土 Q3al+pl：局部分布，浅灰色、灰黄色，湿、密实，土质较均，含少量钙质结核，
5、局部夹薄层砂。3-5 粉细砂 Q3al+pl：断续分布，浅灰色、灰黄色，饱和、密实为主，砂质较纯，矿物成分以长石石英为主，含少量云母。3-6 中砂 Q3al+pl：浅灰色、灰黄色，饱和、密实为主，砂质不纯，含少量黏性土。3-7 粗砂 Q3al+pl：浅灰色、灰黄色，饱和、密实为主，砂质不纯，含少量黏性土和砾石。4-3 粉质黏土 Q2al+l：广泛分布，为中更新统主要地层，色杂，以深灰色、青灰色、灰黑色为主，以可塑为主，土质较均，含铁锰质斑点及零星钙质结核，局部钙质结核富集。4-4 粉土 Q2al+l：局部分布，颜色较杂，以深灰色为主，属稍湿、密实状态，土质不均，含砂和姜石。4-5 粉细砂 Q2
6、al+l：断续分布，灰色，饱和，密实为主，砂质不纯，含少量砾石和黏性土，局部为团状块。4-6 中砂 Q2al+l：断续分布，灰色，饱和，密实为主，砂质不纯，含少量砾石和黏性土，局部为团状块。4-7 粗砂 Q2al+l：局部分布，灰色，饱和，密实，砂质不纯，含少量砾石和黏性土，局部为团状快。（2）工程地质条件评价标段区域穿越地质相关评价如表 2-2：表 2-2 岩土层工程地质评价地层编号地层名称 特征及对工程的影响1-2 素填土 工程性质差，基坑开挖易坍塌，桩基施工易塌孔。3-1 黄土具有轻微湿陷性，局部具有中等湿陷性，中等压缩，工程性质一般3-2 古土壤 膨胀潜势为弱，中等压缩，工程性质一般3
7、-3粉质黏土 中等压缩，工程性质较好3-5 粉砂 作为基础持力层，工程性质较好；但基坑开挖后易坍塌，3-6 中砂3-7 粗砂3-8 砾砂易造成边坡失稳，在水头压力作用下易产生涌砂现象；施工明挖基坑时，降水管井成井及围护桩的施工中易流砂、塌孔，处理不当易诱发工程地质灾害；桩基易发生塌孔。4-3粉质黏土 中等压缩性，工程性质较好4-5 粉砂4-6 中砂4-7 粗砂4-8 砾砂作为基础持力层，工程性质较好；但基坑开挖后易坍塌，已造成边坡失稳，在水头压力作用下易产生涌砂现象；施工明挖基坑时，降水管井成井及围护桩的施工中易流砂、塌孔，处理不当易诱发工程地质灾害；桩基易发生塌孔。3.2.2 水文地质（1）
8、地下水位及动态特征根据勘察报告，地下水位高程 411.18413.53m，地下水位埋深 6.99.2m 之间。地下水位与季节、气候、地下水赋存、补给及排泄有密切的关系，每年的 710 月为雨季，大气降水丰沛，水位会明显抬升，冬季因降水减少，地下水位随之下降。根据多年动态资料分析，地下水年变幅在 1.02.0m，水位呈下降趋势。（2）地下水赋存及类型本段地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水。场地潜水赋存于第四系全新统、上更新统及中更新统洪积的粉质黏土、砂类土中。主要含水层为上更新统及中更新统的粉质黏土及砂层。（3）地下水的补给、径流、排泄本区地下水补给主要通过大气降水入渗、农业灌溉及侧向径流补给
9、，其径流方向与地形坡度一致，地下水总体由东南流向西北沣河，垂直向上第四系松散层孔隙水与浅层承压水通过越流相互作用联通补给。排泄方式主要为蒸发、侧向径流排泄、人工开采、潜水越流排泄等。三、化学泥浆的制备与使用3.1 泥浆制备泥浆在钻孔过程中极为重要，起着保护孔壁，防止坍塌的作用，特别是在本工程的素填土层和砂层，泥浆性能将直接影响钻孔的成败。我们通过试桩认真研究仔细比对，结果采用高分子聚合物化学泥浆护壁的防塌孔、防渗漏性能最好。3.2 钻孔泥浆质量差将造成的后果（1 ）无法形成护壁泥膜或形成泥皮粘附力差，易于脱落，导致孔壁稳定性差，易塌孔和缩径。（2 ）泥浆的稠度大，比重大，含砂率高，形成的泥皮质
10、量差，厚度大，降低桩的侧摩阻力。（3 ）稠浆在钢筋笼上沉积粘附，导致钢筋与混凝土的握裹力降低。泥浆比重过大，使得混凝土水下灌筑的阻力增大，降低混凝土流动半径，使混凝土骨料大部分堆积在桩芯部位，而钢筋笼外几乎无骨料，不仅桩身质量不好，桩的侧摩阻力也难以发挥。3.3 黏土造浆钻孔桩开始施工时，出于对成本的考虑，使用黏土进行造浆。配比为：水黏土纯碱=100400 2（加入纯碱是为了使泥浆 pH 值增大，使黏土颗粒分散，使粘粒表面负荷增加，增加水化膜厚度，提高泥浆的胶体率和稳定性）。施工过程中对泥浆进行了抽检，3 项指标分别为比重 103 11 ，粘度 1820Pa s，含砂率 2%4%。采用该泥浆护
11、壁钻孔过程中发生了漏浆、孔壁坍塌现象，主要塌孔地层素填土层和砂层。经分析认为塌孔原因为：泥浆比重偏小，粘度偏低，使孔壁未形成坚实泥皮，对素填土层和砂层空隙不能进行有效封堵，护壁效果差。3.4 膨润土造浆根据地勘报告，素填土层、砂层较厚且砂层重复出现，松散稍密状，土杂，孔隙率大，容易发生流砂，黏土泥浆已经无法有效护壁，漏浆及塌孔现象严重，影响成桩质量，故决定改用膨润土造浆。（1 ）泥浆原材料钻孔泥浆选用不分散、低固相、高粘度的钠质膨润土造浆，另外适量加入纯碱（Na 2CO3）。膨润土：采用钠质膨润土，用量为水的 8%，即 8kg 膨润土可掺 100kg 的水。碳酸钠：又称纯碱，提高泥浆的胶体率和
12、稳定性，降低失水率。掺入量为泥浆的 0.2%。（2 ）泥浆拌制泥浆调制采用机械搅拌，搅拌时将定量的清水加入搅拌机，然后慢慢地加进与水量相应的膨润土，并开动机器搅拌，最后加入纯碱，成浆后打开出浆门出浆。（3 ）膨润土性能指标检测泥浆搅拌完成检测泥浆各项性能，3 项指标分别为比重 104 106，粘度 120Pa s，含砂率1% 。检测完成再次钻孔，护壁效果在素填土层明显提高，但在砂层处没明显效果，仍然出现泥浆渗漏和塌孔现象。说明在复杂地质条件下，按常规性能指标要求，泥浆护壁效果不明显。3.5 化学泥浆应用在本工程复杂地质条件下，需要较大粘度、堵漏、护壁效果更好的泥浆达到稳定的护壁效果，彻底解决钻
13、孔过程中的漏浆、塌孔问题，确保施工进度和桩身质量。经过反复对比研究，决定采用化学聚合物泥浆。（1 ）泥浆配制旋挖取土成孔中，静态泥浆作为成孔过程的稳定液，主要作用是护壁。采用高分子化学聚合物泥浆能在孔壁周围形成强韧的保护膜，有效封堵孔壁周围的空隙，防止泥浆渗漏，同时对孔壁提供压力，防止在不稳定地层中钻孔的坍塌、流砂现象的发生。又能充分发挥旋挖钻工作效能，提高掘进速度。化学泥浆采用原材料及掺加比例见表 1。表 1 化学泥浆主要材料及配比首批泥浆在搅拌机中搅拌，搅拌时，先将定量的清水加入搅拌机，然后按比例慢慢地加进膨润土，再加各化学添加剂。由于增粘剂可能会影响膨润土的溶胀，所以要在膨润土之后放入，
14、并开动机械搅拌，成浆后，打开浆门让泥浆流入泥浆池内的储浆池中。以后调制泥浆时根据现场实际情况，利用既有钻孔桩的钢护筒作搅拌池进行泥浆拌制，按以上顺序加入泥浆原材料，开机搅拌均匀后取样进行泥浆检测，检测合格后，将拌制完成的成品泥浆注入泥浆池中贮存。（2 ） 性能指标泥浆性能指标见表 2。表 2 化学泥浆性能指标因本工程地质特殊，素填土层和砂层松散，孔隙率大，所以适当提高了泥浆的粘度和比重。施工时泥浆中高分子聚合物充分填充孔壁缝隙，形成强韧保护膜；同时大比重泥浆可以给孔壁更大的侧压力，从而保证孔壁稳定，有效防止渗浆、流砂、塌孔发生。四、钻孔材料名称 比例/%水 100膨润土 6羟甲基纤维素 0.2
15、纯碱 0.2803 大裂缝堵漏剂 1.5重晶粉 按需量掺入项目 指标 检测方法泥浆比重/（gcm 3）1.1 比重计测量粘度/（Pa s） 33 标准漏斗粘度计测定PH 值 80 110 PH 试纸含砂量/% 0 5 含砂计测定4.1 成孔本工程采用履带式旋挖钻机钻进，柴油机自带动力装置，行走方便，能满足现场复杂的场地状。钻进系统用液压动力头带动钻杆，钻头切削土体。钻杆采用伸缩式，无须安装拆卸，自带仪表随时监控孔深及钻孔倾斜度。（1 ）开钻前找准桩位并拉好“十”字线，对准桩位后，经现场技术人员检查合格后方可开钻。（2 ）开钻时（地表下 8m 以内），应轻压慢进，适当延长钻进时间，并及时将泥浆注
16、入孔内，平衡地层压力，并在孔壁四周形成泥皮，保护孔壁。钻头旋挖切削土体，提出孔外，打开钻头底盖倒土至铲车斗内运至指定地点。（3 ）因本工程上层为回填土，地层松散，正常钻进时应控制进尺速度，做到轻提慢放，要求每回次不超过0 5m。在不同的地质层中换用相应的钻头，并随进尺注入泥浆到孔内保护孔壁（4 ）严格控制孔内液面高度，采取储浆池通过泥浆沟与钻孔相连，及时补充泥浆到孔内，施工中应始终保持孔内液面在护筒底部 100cm 以上。（5 ）接近终孔时，应采用封底捞砂钻头钻进，减少回次进尺量（达到 30cm 左右），逐渐把孔底的稠泥浆掏出。达至终孔深度时，停滞 2030min ，使泥浆中的悬浮物沉淀，用钻
17、头捞出，确保沉渣厚度不大于10cm。（6 ）钻进过程中应认真填写钻进记录，详细记录地层变化情况，并根据土层变化情况在不同土层处取出土样，当发现地层异常时，应及时通知现场技术人员。封底捞砂钻头切削土体后直接将钻碴全部提出孔外，故在成孔时孔内已基本无悬浮钻屑，所以在吊装钢筋笼后测量沉渣厚度均不超过 5cm，根据实际情况可不进行二次清孔，有效提高了成孔效率和成桩质量，体现了化学泥浆的优越性。五、化学泥浆护壁旋挖高效成孔应用效果（1 ）采用化学泥浆护壁后，很少出现过渗漏、流砂、塌孔现象，有效保证了成孔质量。（2 ）使用传统泥浆护壁法成孔速度较慢且在下钢筋笼前需多次清孔，化学泥浆护壁法则大大提高了成孔速度，减少了清孔次数。（3 ）化学泥浆护壁旋挖高效成孔钻孔时不产生大量的液体泥浆，钻碴为固态，且数量少，易清理、外运处理，节约泥浆处理费用，降低成本，并可减少环境污染，有利于环境保护。六、结束语高分子聚合物化学泥浆作为一种新型材料已被引入中国市场，特别是针对复杂的松散、孔隙率大、不稳定的粉细砂及砂砾石较厚的易坍塌地层，其优良的护壁性能在现场施工中取得了良好的实际效果。我国日益占据市场主导地位的大功率旋挖钻机可高效成孔，配以化学泥浆护壁，既提高了成孔效率，又能确保钻孔灌注桩施工质量，为飞速发展的国家基础设施建设提供有利保障。
