CN102226077B

CN102226077B - 一种旋挖桩用施工泥浆

Info

Publication number: CN102226077B
Application number: CN 201110102084
Authority: CN
Inventors: 吴云; 彭正勇; 鞠加元
Original assignee: 吴云
Current assignee: No 2 Engineering Co Ltd of CCCC First Highway Engineering Co Ltd
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2031-04-22
Also published as: CN102226077A

Abstract

本发明公开了一种旋挖桩用施工泥浆，属于一种复合性泥浆，包括，水、膨润土、羟丙基甲基纤维素溶液、粘土和纯碱，本发明具有广泛适用于钻井、旋挖桩、地下连续墙施工泥浆，并且配制过程中能够迅速将浆液配制均匀，具有高效率、少污染、低耗能和低成本的优势。

Description

一种旋挖桩用施工泥浆

技术领域

本发明属于一种旋挖桩用施工泥浆，具体地说属于一种复合性泥浆，尤其适合全卵石层、漂石层、地下水活动旺盛等地质地层旋挖钻施工。

背景技术

非开挖技术(Trenchless Technology Y或No—Dig)是指在不开挖地表的条件下探测、检查、修复、更换和铺设各种地下公用设施(管道和电缆)的任何一种技术和方法。定(导)向钻进技术是目前非开挖技术中应用最广，发展最快的一种施工技术。施工时，按照设计的钻孔轨迹(一般为弧形)，采用定向钻进技术先施工一个近似水平的先导孔，待先导孔钻具在被穿越障碍物的另一侧露出后，卸下导向钻头，换上大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设管线，然后进行反向扩孔，同时将待铺设的管线拉入钻孔。当全部的钻杆被拉回时，铺管的工作同时完成。旋挖钻成孔技术是在一个可闭合开启的钻斗的底部及侧边，镶焊切削刀具，在伸缩钻杆旋转驱动下，旋转切削挖掘土层，同时使切削挖掘下来的土渣进入钻斗。

随后出现了申请号为200610031905.0，发明名称为非开挖钻进护壁泥浆的专利技术方案，其技术方案是：由重量配比的原料制成的泥浆:水100、膨润土3～10、泥浆处理剂0.75～2.5。膨润土为钙土,泥浆处理剂为纯碱、Na-CMC和生物处理剂,其重量配比为:钙土5～10、纯碱0.25～0.5、Na-CMC 0.25～1、生物处理剂0.25～1。一种用于在砂土和流砂等复杂地层中进行非开挖钻进施工中能避免成孔及扩孔困难、垮孔、卡钻等现象发生的非开挖钻进护壁泥浆。

上述技术方案虽然解决了在砂土和流砂等复杂地层中进行非开挖钻进施工中能避免成孔及扩孔困难、垮孔、卡钻等现象的发生，但，该技术方案没有解决全卵石层、漂石层、地下水活动旺盛等地质地层旋挖钻施工问题，并且存在配方复杂，成本高等不足之处。

由于普通粘土和纤维素配制的泥浆性能差，粘度小、含沙量大，因在松散和小颗粒地层中高速钻进，不易很快在孔壁形成致密泥皮，而难以保证槽孔稳定；浆液本身浓度高、比重大、摩阻力高，净化和泵送困难，钻孔困难。

采用旋挖钻机成孔，由于钻进速度的提高，钻具运动排碴方式的变化，加之拉萨河地质的特殊性，对泥浆的固壁、悬浮、输送等功能提出了更高的要求，因此需要配制合适的泥浆。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种配方简单，成本低廉，浆液配制均匀、迅速，并且具有高效率、少污染和低耗能的优点。

发明内容

为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：

一种旋挖桩用施工泥浆，由下述原料混合而成，水、膨润土、羟丙基甲基纤维素溶液、粘土和纯碱溶液，各组分按如下比例配制：水∶ 膨润土∶ 羟丙基甲基纤维素溶液∶粘土∶纯碱溶液= 0.95～1.05 ∶ 0.095～0.105∶0.000405～0.000505∶0.095～0.105∶0.00195～0.00205。

所述羟丙基甲基纤维素溶液的物质量浓度为1.5%，纯碱溶液的物质量浓度为20%。

制备上述旋挖桩用施工泥浆，采用以下步骤制备：按原料的重量配比于水中依次加膨润土、羟丙基甲基纤维素溶液、粘土、纯碱溶液，充分搅拌40——50分钟，制得浆液，再将浆液于常温下放置24小时得到泥浆产品。

根据本发明配制的泥浆，尤其适用于第四系冲洪积卵石土及含卵石粗砂土，卵石层主要由卵石、圆砾及砂粒组成，呈圆形、亚圆形，磨圆度较好。粒径2~20mm，含量17~20%；粒径20~200mm，含量59%；粒径0.5~2mm含量约占10~14%，粒径0.075~0.5mm含量约5~7%，层厚11.6米范围渗透强，中湿，松散。类似地质适合冲击钻成孔。

本发明制得的泥浆在钻孔中所起的作用如下：

1、固壁

固壁的机理是孔内的泥浆压力高于所在地层的地下水压力，使泥浆渗入槽壁土体中，其中较细的颗粒进入孔隙中，较粗的颗粒附着在孔壁，最终达到了平衡，水不再进入地层，泥浆与土层被泥皮隔开，泥浆所产生的侧压力通过泥皮作用在孔壁上，保证了孔壁的稳定。

2、悬浮和携带钻渣

泥浆具有一定的黏度、屈服值和凝胶强度，可以悬浮一定大小的钻渣而不会沉淀，使钻进得以不断进行，同时钻渣被泥浆携带排出孔外。

3、冷却钻头

在钻进过程中，钻头对孔底岩石或土层的冲击、切削、摩擦，很大部分能量变成了热能，钻头的温度将不断升高，需要泥浆进行冷却。

4、本发明是传统的固相泥浆到新型的低固相泥浆研究发展过程的重要环节和过程，是工程用泥浆结构稳定理论和流体力学理论知识的丰富和完善，在卵石、漂石地质地层旋挖桩成孔法施工中具有典型性、普遍性和适用性。

所选用原材料的性能

原材料有水、膨润土、羟丙基甲基纤维素、粘土以及纯碱。

(1)水——水是泥浆的分散相，在泥浆中水的用量最大，因此对水的质量予以足够的重视。水中的杂质或PH值不同，泥浆的性质也大不相同。在使用含有大量盐类（Ca²⁺、Na+、Mg²⁺）的河水、或性质不明的水时，要先进行化验，最好先进行净化处理。

(2)膨润土——达到石油工业部部级标准《钻井液用膨润土》（SY-5060-85）所规定的二级膨润土的指标，是一种以蒙脱石矿物为主要成分的特殊粘性土，与一般粘土相比，它水化能力强，膨胀性大，分散性高，用它制成的泥浆浓度低（一般为4-8％），固定颗粒含量少，但具有良好的物理力学性能。膨润土泥浆性能指标如表1所示。

(3) 羟丙基甲基纤维素，有增粘作用。可增加泥浆粘性，使土层表面形成薄膜而防护孔壁剥落并有降低失水量的作用，掺入量为膨润土的0.05﹪~0.1﹪。CMC性能指标如表2所示。

(4)粘土——普通粘性土，增加粘度或比重。一般可选用塑性指数大于25，粒径小于0.074mm的粘粒含量大于50﹪的粘质土。

(5) 纯碱——碳酸钠（Na2CO3）的俗称，它的作用可使PH值增大到10，泥浆中PH值过小时，粘土颗粒难于分解，粘度降低，失水量增加，流动性降低；小于7时，还会使钻具受到腐蚀，若PH值过大，则泥浆将渗透到孔壁的粘土中，使孔壁表面软化，粘土颗粒之间凝聚力减弱，造成裂解而使孔壁坍塌。掺入量为膨润土的0.3﹪~0.5﹪。纯碱性能指标如表3所示。

本发明采用下述方法制得效果最佳：

1、拌制泥浆应选用高效、低噪音的无搅式泥浆配制器。

2、搅拌时间：每槽（约160方）搅浆时间控制在40~50分钟。

3、按规定的配合比配制泥浆，各种材料的加量误差不得大于5％。

4、原料CMC使用前宜配制成一定水溶液，以提高其效果，CMC水溶液为1.5％。

5、拌制泥浆的加料顺序：

先加水，依次加膨润土、CMC、粘土，由于CMC(M)溶解会妨碍膨润土的溶胀，所以要在膨润土之后投入。

6、新制泥浆需存放24小时，经充分水化溶胀后方能使用。

7、储浆池内的泥浆应经常搅动，保持指标均一并避免沉淀或离析。各种配比的泥浆性能测试结果如表4。从表4可知，按本发明配制的泥浆，可以达到最佳效果。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明泥浆比重小，净化性能好，适用于全卵石层、漂石层、地下水活动旺盛等地质地层旋挖钻施工钻进工艺，并有利于墙体材料浇筑。原因是：膨润土粉末体的表观密度低，在0.83g/cm³～1.13 g/cm³之间，其制作的新型膨润土泥浆比重小，在旋挖钻成孔时不用清孔直接灌注，不会出现由于泥浆比重大的原因而造成灌桩困难。在钻进过程中，由于泥浆被Ca²⁺或水泥作用使泥浆稳定性能下降、稠化、失水量上升，采用廉价的纯碱（Na₂CO₃）使Ca²⁺与CO₃ ^2-形成CaCO₃沉淀，从而增大粘土表面吸附的Na⁺与Ca²⁺之比，使粘土颗粒水化增强，重新分散，恢复良好性能。

2、失水量小，形成的泥皮薄而有韧性，固壁效果好。原因是：膨润土主要成分是蒙脱石，它由Si-Al-Si三层结构重叠而成，在很薄的不定性板状表面上吸附了大量的阳离子，与清水混合时，水很快进入蒙脱石的晶体层中，膨润土迅速膨胀，使膨润土的小板结构充分打开，利用其与高分子聚合物之间的交接作用，可在孔壁形成薄、韧及致密的泥皮，大大降低泥浆的滤失，使泥浆的失水量减小，从而降低了对周边地层的扰动，使孔壁周边的地层尽量保持原状，防塌性能增强。

3、具有良好的流动性能，可泵性好及悬浮携带钻渣能力强，利于提高钻进效率。原因是：膨润土颗粒在清水湿胀后成为一种带负电荷的亲水胶体，它通过颗粒间的静电斥力保持稳定的悬浮状态。旋挖钻真是利用膨润土泥浆的静水压力来平衡孔壁四周的水、土压力，对砂颗粒悬浮作用强。泥浆在静止时结构稳定，可有效悬浮钻屑，支撑孔壁，对其进行充分搅动时，流动性好，易泵送。

4、由于粘土可以就地取材，价格相对便宜。每吨在150～200之间左右，是膨润土的1/8～1/10，因此用膨润土和粘土1：1等于节约了膨润土用量。如果单纯使用膨润土配制，泥浆比重太小，达不到要求；需加入重金属粉等增重剂，使泥浆比重提高，才能使用。但重金属粉价格明显昂贵，因此掺入的膨润土和粘土的比例为1：1，既降低成本，又使泥浆比重达到要求，同时，粘土某些方面的性能也能保证膨润土浆液的相容性。因此，由于膨润土和粘土按一比一比例拌制的泥浆，成本低、造浆率高，不需要人工或机械搅拌，省电、省工和省时，机械磨损小。

5、因为粘土的加入，相当于多加入一倍的膨润土剂量，造浆率当然提高。

6、使用1：1膨润土和粘土，使膨润土充分和粘土搅拌，粘土有一定的湿度，在搅拌过程中，不扬尘，少污染，利于环保。

实施例1

一种旋挖桩用施工泥浆，由下述原料混合而成，水、膨润土、羟丙基甲基纤维素溶液、粘土和纯碱溶液，各组分按如下比例配制：水∶膨润土∶羟丙基甲基纤维素溶液∶粘土∶纯碱溶液=0.95∶ 0.095∶ 0.000405∶ 0.095∶ 0.00195。所述羟丙基甲基纤维素溶液的浓度为1.5%，纯碱溶液的浓度为20%。制备上述浆液采用以下步骤制备：制备上述旋挖桩用施工泥浆，采用以下步骤制备：按原料的重量配比于水中依次加膨润土、羟丙基甲基纤维素溶液、粘土、纯碱溶液，充分搅拌40——50分钟，制得浆液，再将浆液于常温下放置24小时得到泥浆产品。

具体实施方式

膨润土泥浆性能指标见表1。

羟丙基甲基纤维素溶液性能指标见表2。

纯碱性能指标见表3

实施例2

一种旋挖桩用施工泥浆，由下述原料混合而成，水、膨润土、羟丙基甲基纤维素溶液、粘土和纯碱溶液，各组分按如下比例配制：水∶膨润土∶羟丙基甲基纤维素溶液∶粘土∶纯碱溶液=1 ∶0.1 ∶0.0005∶0.1∶0.002。所述CMC(纤维素) 溶液的浓度为1.5%，纯碱溶液的浓度为20%。制备制备上述旋挖桩用施工泥浆，采用以下步骤制备：按原料的重量配比于水中依次加膨润土、羟丙基甲基纤维素溶液、粘土、纯碱溶液，充分搅拌40——50分钟，制得浆液，再将浆液于常温下放置24小时得到泥浆产品。

实施例3

一种旋挖桩用施工泥浆，由下述原料混合而成，水、膨润土、羟丙基甲基纤维素溶液、粘土和纯碱溶液，各组分按如下比例配制：水∶膨润土∶羟丙基甲基纤维素溶液∶粘土∶纯碱溶液=1.05∶0.105∶0.000505∶0.105∶0.00205。所述CMC(纤维素) 溶液的浓度为1.5%，纯碱溶液的浓度为20%。制备制备上述旋挖桩用施工泥浆，采用以下步骤制备：按原料的重量配比于水中依次加膨润土、羟丙基甲基纤维素溶液、粘土、纯碱溶液，充分搅拌40——50分钟，制得浆液，再将浆液于常温下放置24小时得到泥浆产品。

表1 膨润土泥浆性能指标

表2 羟丙基甲基纤维素溶液性能指标

表3 纯碱性能指标

表4 试配记录如下：

Claims

1.一种旋挖桩用施工泥浆，其特征在于：由下述原料混合而成，水、膨润土、羟丙基甲基纤维素溶液、粘土和纯碱溶液，各组分按如下比例配制：水∶ 膨润土∶ 羟丙基甲基纤维素溶液∶粘土∶纯碱溶液= 0.95～1.05 ∶ 0.095～0.105∶0.000405～0.000505∶0.095～0.105∶0.00195～0.00205。

2.根据权利要求1所述的一种旋挖桩用施工泥浆，其特征在于：所述羟丙基甲基纤维素溶液的物质量浓度为1.5%，纯碱溶液的物质量浓度为20%。

3.制备权利要求1所述一种旋挖桩用施工泥浆的方法，其特征在于：采用以下步骤制备：按原料的重量配比于水中依次加膨润土、羟丙基甲基纤维素溶液、粘土、纯碱溶液，充分搅拌40——50分钟，制得浆液，再将浆液于常温下放置24小时得到泥浆产品。