魏金明

(蒙西華中鐵路股份有限公司，北京 100161)

在鐵路橋梁施工過程中，由于受特定的水文、地質(zhì)及航運要求限制，橋梁基礎(chǔ)必須采用超長超大直徑樁基，以滿足橋梁上部結(jié)構(gòu)承載力的要求。由于施工技術(shù)及條件的限制，存在很多影響成孔工藝的因素。泥漿是諸多影響因素中最重要的一個，其他因素都依賴于泥漿體系[1]，而成孔工藝是樁基質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，泥漿質(zhì)量的優(yōu)劣和泥漿體系是否合理直接影響著大直徑深水樁基的施工質(zhì)量。

1 工程概況

新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道工程起于內(nèi)蒙古自治區(qū)浩勒報吉站，經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)，陜西、山西、河南、湖北、湖南省，止于江西省吉安站。線路全長 1 837 km，規(guī)劃設(shè)計輸送能力為2億t /年,是繼大秦鐵路之后，又一條超長距離重載鐵路煤運通道。蒙華鐵路是“十二五”建設(shè)規(guī)劃重點示范項目，基本功能定位是，連接蒙陜甘寧能源“金三角”地區(qū)與鄂湘贛等華中地區(qū)，是“北煤南運”新的國家戰(zhàn)略運輸通道。

漢江特大橋位于襄陽漢江四橋上游約40 m，與襄陽漢江四橋并行設(shè)置，是全標段乃至全線重難點控制性工程，全長5 242 m。漢江特大橋采用(42+75+46)m連續(xù)梁+(72+116+248+116+72)m部分斜拉橋跨越漢江。主橋59#，60#墩基礎(chǔ)分別由24根直徑2.5 m的樁組成，成孔深度分別為96 m和95 m，是典型的大直徑深水樁基。

2 鉆孔樁質(zhì)量風險點

采用專家調(diào)查法和經(jīng)驗分析法，統(tǒng)計分析得到引起樁基施工質(zhì)量風險的主要原因及控制措施，如表1所示。

表1 樁基施工質(zhì)量風險的主要原因及控制措施

大直徑深水樁基施工質(zhì)量影響因素很多，其中塌孔、斷樁、沉渣超標、強度不足等缺陷屬于不可接受的重大質(zhì)量風險，必須嚴格控制，杜絕其發(fā)生。運用優(yōu)質(zhì)的泥漿成孔是控制上述質(zhì)量缺陷的關(guān)鍵。

3 泥漿配合比設(shè)計與應(yīng)用

3.1 PHP泥漿技術(shù)發(fā)展及優(yōu)點

PHP泥漿最早應(yīng)用于油田鉆井中，20世紀末開始在橋梁鉆孔樁施工中使用，但多應(yīng)用于端承樁基，在大直徑深水摩擦樁施工中尚未廣泛推廣應(yīng)用[2]。

PHP泥漿是通過采用優(yōu)質(zhì)膨潤土作為原料的基漿中加入PHP膠體制成的。該泥漿具有諸多優(yōu)點[3]，其顯著的優(yōu)點包括：①具有較低的密度，原漿密度在1.02～1.04 g/cm3,能攜帶較多鉆棄物，且在施工中對鉆頭的阻力小從而提高鉆進速度；②具有高黏度，形成化學膜使孔壁保持穩(wěn)定，避免塌孔;③可觸變性，流動時黏度減小，靜止狀態(tài)時呈凝膠狀，阻止鉆屑下沉;④鉆孔后泥漿發(fā)生絮凝作用，使泥漿小顆粒變成大顆粒，便于泥漿循環(huán)和凈化;⑤成孔后泥皮薄，能有效降低泥皮對樁側(cè)承載力的影響，這在摩擦樁中體現(xiàn)得尤為明顯;⑥環(huán)保，泥漿廢料無毒害作用，降低環(huán)境污染。

3.2 PHP泥漿配合比設(shè)計及性能測試

蒙西華中鐵路漢江特大橋主墩鉆孔樁全部采用優(yōu)質(zhì)的PHP泥漿，由優(yōu)質(zhì)膨潤土、羥基纖維素(CMC)、純堿(Na2CO3)、聚丙烯酰胺絮狀劑(PAM)等原料組成[4]。

蒙西華中鐵路湖北指揮部利用施工單位中心試驗室通過大量試配、比對，配制了優(yōu)質(zhì)的PHP泥漿。其配制比例是水∶膨潤土∶羥基纖維素∶聚丙烯酰胺絮狀劑∶碳酸鈉=100∶8∶0.1∶0.002∶0.24。

在鉆孔過程中，為了有效檢測泥漿的性能指標，每2 h檢測1次，當土層變化時應(yīng)增加檢測次數(shù)。泥漿指標應(yīng)根據(jù)鉆孔機具、地質(zhì)條件確定。對制備的泥漿應(yīng)試驗全部性能指標，鉆進時應(yīng)隨時檢查泥漿密度和含砂率[5]。泥漿制備完成后應(yīng)使用泥漿專用檢測儀器進行泥漿性能檢測[6]。通過大量試驗積累，經(jīng)檢測得到鉆孔階段、泥漿循環(huán)凈化再生階段及清孔階段各泥漿的指標，見表2。

表2 各階段鉆孔中泥漿性能指標

經(jīng)試驗檢測，通過試驗配制出的PHP泥漿，各項指標均滿足規(guī)范要求。其表現(xiàn)出來的低密度、低含砂率、薄泥皮厚度、高黏度、高膠體率在成孔中發(fā)揮了作用，保障了順利鉆進及孔體穩(wěn)定，有效防止了塌孔、沉渣過厚等問題。

3.3 泥漿循環(huán)系統(tǒng)運用及效果

蒙華鐵路跨越的漢江河段屬漢江流域漢江干流水系。淺層地下水不發(fā)育，多為第四系黏性土層內(nèi)的孔隙潛水，水位埋深0.2～27.0 m，水量不大，受大氣降雨補給，隨季節(jié)變化明顯。深層地下水較發(fā)育，黏性土層下部的砂、卵礫石土層為主要的含水層，為本地區(qū)的上部主要采水水源，水量較豐富。局部地段巖溶水較發(fā)育，局部地段環(huán)境水具化學侵蝕性。59#,60#墩所處位置覆蓋層上部主要為細砂、細圓礫土，覆蓋層中部為灰白色泥灰?guī)r，覆蓋層下部為黏土巖。

由于漢江特大橋主墩地處漢江中央，水文地質(zhì)條件較差，施工難度相對較大，施工中根據(jù)經(jīng)驗及技術(shù)方案比選確定了泥漿循環(huán)系統(tǒng)。鉆機采用大型旋挖鉆機。

漢江特大橋泥漿循環(huán)系統(tǒng)主要包括平臺上泥漿分離器、鋼制泥漿沉淀池，岸上的制漿池、儲漿池，相鄰鋼護筒間的泥漿導(dǎo)流槽及在棧橋邊的儲漿船到鉆孔樁位的泥漿輸送管。水上鉆孔樁施工泥漿制備及循環(huán)宜采用泥漿船，也可以利用深護筒作泥漿池。泥漿不得污染河流[7]。實際施工中，由于59#樁基離岸上的儲漿池距離較遠，考慮到經(jīng)濟性，實行孔內(nèi)以及泥漿船共同存儲漿液，循環(huán)利用。由于施工場地受限，本工程制漿直接采用護筒內(nèi)拌漿。

3.3.1 現(xiàn)場造漿

造漿在漢江特大橋主墩現(xiàn)場進行。在沒有鉆機的鋼護筒內(nèi)插入風管鼓風，將膨潤土和純堿徐徐投入孔內(nèi)，拌好后存放24 h以上，以便泥漿充分膨化。膨化好的泥漿隨時供鉆孔使用。

配漿過程為：將聚丙烯酰胺絮狀劑置于清水中浸泡1 d，同時在攪拌筒中加入燒堿(NaOH)攪拌以促溶，停置2～3 d，使聚丙烯酰胺絮狀劑分子有效地分散于水中，形成PHP濃漿，將濃度為60%～70%的PHP濃液加入到基漿中，經(jīng)高壓反復(fù)噴射混合，最終形成PHP新鮮濃泥漿。加入PHP的量應(yīng)根據(jù)黏度及失水率的需要確定[8]。

3.3.2 鉆進過程中泥漿質(zhì)量控制

泥漿在鉆孔過程中的主要作用有平衡地層壓力、防止孔壁坍塌、堵漏、傳遞動力、提高鉆進速度、降低鉆孔成本等[9]。

鉆孔施工過程中，將泥漿管直接連接到泥漿船和鋼護筒內(nèi)，利用鋼護筒儲存部分泥漿。施工中采用泥漿泵補充新鮮泥漿，鉆機就位后，用泥漿泵向孔內(nèi)注入拌制好的泥漿即可開鉆，邊鉆進邊補漿。

旋挖鉆鉆進過程中泥漿面保持護筒外水位以上2～3 m，防止塌孔。不同地層中鉆進時控制指標見表3。

表3 旋挖鉆鉆進控制指標

鉆孔施工過程中泥漿的凈化采用半機械強制凈化的方法。鉆孔平臺上每臺鉆機分別設(shè)置排渣管、回漿管和供風管。其中排渣管和回漿管分別與各自配套的沉渣箱及泥漿分離器連接，供風管分別與各自配套的空壓機連接。相鄰兩鋼護筒之間設(shè)置連通管，用于混凝土灌注時回收泥漿，回收后的泥漿通過泥漿管道輸送回棧橋上游的儲漿池。通過泥漿循環(huán)系統(tǒng)不斷循環(huán)流動孔內(nèi)泥漿，以保證孔底沉渣和孔壁泥皮厚度滿足要求[10-12]。

3.3.3 成孔效果檢驗及樁基質(zhì)量驗收

采取PHP泥漿并嚴格控制鉆進過程中的泥漿參數(shù)，由于PHP泥漿的高黏度特性，施工過程中未發(fā)生過塌孔現(xiàn)象。經(jīng)成孔成槽檢測儀檢測，樁基成孔效果優(yōu)良。

終孔驗收后即可進行下鋼筋籠作業(yè)。下入鋼筋籠后再進行第2次清孔。經(jīng)2次清孔后再次進行泥漿性能檢測，以滿足灌注前泥漿性能要求，清孔后泥漿密度不大于1.1 g/cm3，黏度控制在17～20 s，含砂率<2%。

正是由于泥漿循環(huán)系統(tǒng)的合理運用，加之保證了泥漿性能指標，主墩59#,60#墩48根樁基灌注順利，灌注中未發(fā)生塌孔及其他異常，樁基經(jīng)山東鐵正工程檢測中心檢測全部為Ⅰ類樁。

4 結(jié)語

蒙華鐵路通過試驗配制了優(yōu)質(zhì)的PHP泥漿，其良好性能保障了樁基成孔過程中的穩(wěn)定，有效避免了塌孔、沉渣過厚等質(zhì)量風險。

根據(jù)地質(zhì)、水文及現(xiàn)場施工條件確定的泥漿循環(huán)系統(tǒng)使得鉆孔施工運行順暢，采用筒內(nèi)造漿及儲漿在滿足現(xiàn)場施工需求的情況下降低了成本。漢江為重點水資源保護區(qū)，通過泥漿循環(huán)系統(tǒng)的合理布設(shè)，廢棄泥漿得到有效回收，加之PHP泥漿本身無毒無害的特性，有效避免了環(huán)境、水資源污染，滿足了環(huán)保水保方面的要求。

蒙華鐵路漢江特大橋主墩48根大直徑深水樁基，鉆孔及灌注過程中未發(fā)生塌孔及其他異常，經(jīng)檢測全部為Ⅰ類樁。這在樁基施工中不多見，證明了PHP泥漿及其循環(huán)系統(tǒng)在大直徑深水樁基施工中的應(yīng)用是成功的，對類似工程具有借鑒價值。