■張明田

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司地路院　天津　300251）

水玻璃無固相泥漿在松散地層中的應(yīng)用

■張明田

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司地路院天津300251）

我們?cè)阼F路地質(zhì)勘察鉆探施工中，經(jīng)常會(huì)遇到卵石、圓礫、角礫等碎石類土松散地層，這類地層自穩(wěn)能力差，容易出現(xiàn)鉆孔坍塌、掉塊、埋鉆、卡鉆等現(xiàn)象，施工難度大。通過采用水玻璃無固相泥漿進(jìn)行護(hù)壁處理，能較好地解決碎石類土、基巖破碎帶等松散地層帶來的鉆孔坍塌、掉塊等鉆探施工難度大的問題，取出的巖芯呈柱狀，能較好地反映出地層的真實(shí)性。

鐵路勘察碎石類土松散地層無固相泥漿地層代表性

0　前言

在鐵路地質(zhì)勘察鉆探施工中，我們經(jīng)常會(huì)遇到卵石、圓礫、角礫等碎石類土松散地層，這類地層松散無膠結(jié)或膠結(jié)程度很差，具有易被沖蝕、水化膨脹等特征，自穩(wěn)能力差。特別是在外界條件（孔壁巖石受力的變化、沖洗液的性能、沖洗液的浸泡與沖刷、鉆具震動(dòng)與敲擊、升降鉆具時(shí)的壓力激動(dòng)等）的作用下更易發(fā)生孔壁坍塌、掉塊、縮徑等現(xiàn)象，造成埋鉆、卡鉆、套管斷脫、套管無法取出，甚至鉆孔報(bào)廢等事故，施工難度很大。

筆者針對(duì)碎石類土松散地層的特點(diǎn)，通過室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并結(jié)合工程實(shí)例，旨在探討松散地層采用水玻璃無固相泥漿的主要技術(shù)參數(shù)及施工工藝，供廣大同行參考。

1　水玻璃無固相泥漿

1.1無固相沖洗液的護(hù)壁機(jī)理：

吸附到巖石表面的聚合物，每一個(gè)參與吸附的鏈節(jié)都可能有多種作用力使之與巖石結(jié)合（共價(jià)鍵、氫鍵、靜電力、分子間作用力等），每一個(gè)分子都有許多鏈節(jié)與巖石表面吸附，所以這種吸附很牢固，不易被沖刷下來。

無固相沖洗液膠配方的確定是通過室內(nèi)泥漿試驗(yàn)來確定的，評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法有三種：巖樣在沖洗液中的浸泡試驗(yàn)、失水試驗(yàn)和巖樣滾動(dòng)試驗(yàn)的回收率。

1.2水玻璃性能

水玻璃(Na2SiO3·9H2O)，俗名泡花堿。它是一種無機(jī)聚合物，其聚合物為片狀體或稱為SiO2膠團(tuán)。水玻璃中SiO2膠團(tuán)的尺寸隨著水玻璃中SiO2的含量的增加而增大。SiO2膠團(tuán)表面帶負(fù)電荷。水玻璃常態(tài)為粘稠液體，有膠粘性，它可以與水以任意比例混溶，水玻璃呈強(qiáng)堿性。

1.3水玻璃無固相沖洗液的特點(diǎn)

1.3.1護(hù)壁性能

能使松散的(如流砂)和松軟的(如粘土)巖石表面層硬化，形成厚約1～1.5mm的固結(jié)層，使原來很軟的粘土表面明顯地變硬。巖石表層硬化是因?yàn)樗Ａе蠸iO2膠團(tuán)凝聚物本身是硬質(zhì)的，SiO2膠團(tuán)在巖石表面吸附形成的SiO2薄膜和SiO2膠團(tuán)進(jìn)入巖石表層孔隙內(nèi)聚集硬化，使整個(gè)巖石表層被硬化和固結(jié)。如果把表面被硬化固結(jié)的巖樣放入清水中浸泡，結(jié)果會(huì)久泡不散，說明巖石表面被膠結(jié)得很牢固。

1.3.2水玻璃對(duì)巖石

（尤其是硅酸鹽類巖石，大部分卵石的成分以SiO2為主）的膠結(jié)作用：除有SiO2凝膠與巖石表面的物理吸附作用之外，還具有化學(xué)吸附作用存在。硅酸鈉溶液能夠抽提出硅酸鹽類物質(zhì)表面上的硅進(jìn)入溶液中，當(dāng)水玻璃溶液充滿硅酸鹽巖石顆粒之間的空隙時(shí)，巖石表面被抽提下來的氧化硅，使溶液的SiO2含量增加，并逐漸形成新的硬化的玻璃質(zhì)，該玻璃質(zhì)所產(chǎn)生的化學(xué)鍵作用力能使兩個(gè)松散巖石的表面形成膠結(jié)。

2　工程實(shí)例

2.1工程概況

長昆客運(yùn)專線《球溪河特大橋》位于湖南省泠水江市禾青鎮(zhèn)，橫跨球溪河，共布置鉆孔282孔。上部地層以卵石、圓礫為主，局部含有漂石，卵、礫石厚度一般15～25m，最厚達(dá)45m。前期施工中，套管斷脫、卡鉆、埋鉆等事故頻出。從2010年1月15日進(jìn)場(chǎng)至2010年2月3日，18臺(tái)鉆機(jī)20天時(shí)間共完成鉆孔44孔，鉆探進(jìn)尺緩慢（平均1～2米/臺(tái)·天），施工難度極大。

2.2使用水玻璃無固相泥漿效果

針對(duì)《球溪河特大橋》的地層和施工情況，春節(jié)過后我們及時(shí)采取了相應(yīng)措施，選用水玻璃無固相泥漿作鉆孔護(hù)壁材料，通過在室內(nèi)做泥漿調(diào)試、巖樣浸泡等試驗(yàn)，確定水玻璃無固相泥漿配方。

水解聚丙烯酰胺(PHP)-水玻璃沖洗液配方：

PHP0.04%～0.1%；

水玻璃6%～8%；

銨鹽（硫酸銨或硝酸銨）1%～2.2%（地層漏失嚴(yán)重時(shí)加量應(yīng)多）

沖洗液性能：密度：1.02Kg/L；失水量：全失水；粘度：26s；PH值12。

在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中，由于水玻璃中SiO2凝膠與巖石表面的物理吸附和化學(xué)吸附作用，使松散地層中的卵、礫石由散體狀膠結(jié)成整體狀，鉆孔孔壁穩(wěn)定，卡鉆、埋鉆事故率大幅下降。遇到漏失地層，加入銨鹽，使水玻璃無固相沖洗液即刻轉(zhuǎn)換成堵漏漿液，封堵漏失層。

使用水玻璃無固相泥漿后，每臺(tái)鉆機(jī)的施工周期由原來的8.18天完成1個(gè)孔提高到3.07天完成1個(gè)孔，巖芯采取率由原來的20%左右提高到90～95%，并且鉆出的巖芯呈柱狀，較好地反映了地層的真實(shí)性。

通過使用水玻璃無固相泥漿，《球溪河特大橋》的施工進(jìn)度和工程質(zhì)量都得到大幅提高，在長昆客運(yùn)專線籌備組和鐵三院現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)組的巡回檢查中，獲得的較高的好評(píng)。

圖1　卵、礫石巖芯照片

3　結(jié)語

由于水玻璃無固相泥漿在鉆桿和孔壁表面形成的SiO2硬質(zhì)薄膜清除了原有的潤滑膜，而且SiO2薄膜表面呈負(fù)電性，加之沖洗液的pH值高，所以常用的含陰離子乳化劑的乳狀液，都無力改善鉆具的潤滑條件，因此水玻璃無固相泥漿不適于高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。

P62[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-9-480-1