摘要: 在非開挖工程施工中，鉆孔泥漿有著非常重要的作用。就非開挖工程施工對泥漿的要求、泥漿材料、泥漿設(shè)計(jì)、泥漿配備設(shè)備、廢棄泥漿的處理等問題進(jìn)行了討論。
引言
非開挖工程施工技術(shù)是近幾年在市政排水、通信電纜、燃?xì)夤艿酪约半娏﹄娎|等地下管線施工中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。非開挖技術(shù)主要分為新管道鋪設(shè)技術(shù)以及管道修復(fù)和更新技術(shù)。目前國內(nèi)施工的市政、通信、燃?xì)庖约半娏Φ裙芫W(wǎng)主要還是在進(jìn)行新管道鋪設(shè)，隨著近幾年國內(nèi)非開挖技術(shù)的高速發(fā)展，非開挖鉆機(jī)已向大型及超大型發(fā)展，進(jìn)而帶動(dòng)了非開挖施工向長距離及大口徑的快速發(fā)展。非開挖施工多在距離地面15 m 以內(nèi)的淺地層施工，其成孔直徑一般在幾十毫米到上千毫米不等。非開挖施工中遇到的地層一般是粘土層、砂礫層或者是它們的混合層，中間也會(huì)遇到淤泥層、鵝卵石或者建筑回填等石塊區(qū)。在非開挖施工鉆孔回?cái)U(kuò)過程中，由于孔壁及周邊區(qū)域的受力，極易發(fā)生孔壁的分散、垮塌、流失、變形等，即非開挖水平孔的成孔破壞，這必將影響非開挖的正常施工，甚至造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失以及安全事故( 如路面開裂、沉降、冒漿等)。因此，非開挖施工中正確的使用鉆孔泥漿護(hù)壁就顯得尤為重要。
1 非開挖施工對泥漿的要求
由于非開挖工程施工的特殊性，所以需要鉆孔泥漿具有以下特性。
( 1) 良好的流變性，具有較強(qiáng)的攜帶鉆屑能力。在非開挖工程施工中，由于施工鉆孔過程中除了入孔和出孔外其余多為水平孔，因此要求鉆孔泥漿最主要的作用就是將鉆進(jìn)過程中的鉆屑攜帶出鉆孔，防止鉆孔過程中鉆屑沉積，以免在回?cái)U(kuò)及拖管過程中造成卡鉆以及回拖困難等孔內(nèi)事故。
( 2) 泥漿有較低的摩擦系數(shù)，良好的潤滑性能性能。非開挖施工中鉆孔泥漿的潤滑性能也是至關(guān)重要的，潤滑性能的提高可以有效地增加施工效率、縮短施工時(shí)間、降低回拖力、增加回拖距離，從而降低成本，降低風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而提高非開挖工程施工的安全系數(shù)。
( 3) 能夠很好的將孔壁護(hù)好，在孔壁形成一定厚度的保護(hù)層，穩(wěn)定孔壁，減少泥漿漏失。目前，非開挖工程施工鉆孔泥漿的使用有2 種，一種是在粘土地層中，只使用清水鉆進(jìn)，通過粘土自造泥漿; 另一種是在沙土、砂層等地層中使用水基泥漿，主要是在清水中加入3% ～ 6% 的鈉基膨潤土。自造漿雖然在經(jīng)濟(jì)上來說比較節(jié)約，但對于非開挖施工的特殊性來說顯然不合理，清水鉆進(jìn)時(shí)泥漿性能的不確定性比較大，孔壁周圍的粘土很容易混入泥漿，增加了孔壁的不穩(wěn)定性，而且粘度不一，也容易引起粘附卡鉆。
因此，在非開挖工程施工中，一定要根據(jù)地層的不同選用一種適合的有良好流變性能的泥漿體系。一般來說，在粘土、粉土地層施工時(shí)，泥漿馬氏漏斗粘度應(yīng)控制在60 ～ 65 s，在沙土、砂層施工時(shí)，由于砂礫顆粒較大、密度較重，因此泥漿粘度應(yīng)適當(dāng)加大一些，提高懸浮性能。而且，在具體施工過程中泥漿也應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，比如說在擴(kuò)孔和回拖的時(shí)候泥漿粘度就應(yīng)比導(dǎo)向時(shí)適當(dāng)提高。
2 非開挖工程施工中常用的泥漿材料
目前非開挖工程施工中主要使用的鉆孔泥漿材料有以下幾種。
( 1) 鈉基膨潤土。鈉基膨潤土可以直接采用石油系統(tǒng)和地礦系統(tǒng)鉆井用的膨潤土，由于不同廠家的鈉基膨潤土的結(jié)構(gòu)、成分和加工工藝不同，造漿率和泥漿性能也有差異，因此在使用之前要根據(jù)具體的地層進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)。
( 2) 鈉羧甲基纖維素( Na － CMC) 。鈉羧甲基纖維素是一種常用的泥漿有機(jī)處理劑，分為高粘、中粘、低粘和速溶4 種。在泥漿中主要起到增加粘度和降低失水的作用。非開挖工程施工中主要使用中粘類型的CMC，添加量一般小于0. 2%，可根據(jù)地層以及水質(zhì)進(jìn)行具體調(diào)配。
( 3) 羥乙基纖維素( HEC) 。HEC 在鉆孔泥漿中主要起增加粘度的作用，同時(shí)也能起保護(hù)孔壁的作用。羥乙基纖維素殘留在鉆孔內(nèi)易被酸、酶或者其它的氧化劑降解為碳?xì)浠衔�，沒有明顯的毒性，較為環(huán)保。
3 非開挖工程施工泥漿設(shè)計(jì)
施工過程中鉆孔泥漿主要的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)包括密度、流變性、降失水性等。
3． 1 泥漿基本設(shè)計(jì)流程
( 1) 確定鉆孔泥漿的膠體率、允許含沙量、固相含量、pH 值、潤滑性、滲透率、泥皮質(zhì)量等重要參數(shù);
( 2) 選擇鉆孔泥漿的基本材料和處理劑;
( 3) 具體的鉆孔泥漿處理劑配方設(shè)計(jì);
( 4) 鉆孔泥漿材料用量計(jì)算;
( 5) 確定鉆孔泥漿的制備方法;
( 6) 制定鉆孔泥漿循環(huán)、凈化、管理措施以及廢棄泥漿的處理。
3． 2 泥漿設(shè)計(jì)原則
由于地層條件、施工工藝方法的差異性很大，因而對鉆孔泥漿的參數(shù)有著不同的要求。巖石鉆進(jìn)主要考慮的是泥漿的潤滑性; 沙土及孔壁松散的地層中主要考慮的是泥漿的粘度和切力等流變性能指標(biāo); 遇水膨脹塌孔的地層則主要考慮泥漿的降失水性來進(jìn)行鉆孔孔壁的保護(hù); 對于壓力敏感地層來說泥漿則著重需要考慮的是泥漿的密度。實(shí)際情況中，根據(jù)具體施工環(huán)境進(jìn)行鉆孔泥漿性能設(shè)計(jì)中可能會(huì)遇到一些相互矛盾的情況，當(dāng)滿足其中一些設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，往往有另一些指標(biāo)則無法得到滿足。對此，應(yīng)當(dāng)抓住施工中主要的設(shè)計(jì)要求，兼顧次要，綜合考慮全面性能。對一些要求不高的場合，可以酌情精簡對鉆孔泥漿性能的設(shè)計(jì)，適當(dāng)放寬設(shè)計(jì)要求，以達(dá)到最終的低成本和高效率。
3． 3 泥漿及材料用量計(jì)算
鉆孔泥漿的用量在非開挖工程施工中也需要科學(xué)計(jì)算。鉆孔泥漿的流量必須要能夠確保鉆孔中的碎屑懸浮和排出; 鉆孔時(shí)泥漿的排出量要大致上等于替換量，以防止引起孔內(nèi)憋壓而造成卡鉆或者冒漿。
3． 3． 1 鉆孔泥漿總體積的計(jì)算
所需鉆孔泥漿總量V 是鉆孔內(nèi)泥漿量V1、地表循環(huán)凈化系統(tǒng)泥漿量V2、漏失及其它損耗量V3的總和:V = V1 + V2 + V3
其中鉆孔內(nèi)泥漿量為:V1 = ( 1 /4) πD2H
地表循環(huán)凈化系統(tǒng)泥漿量為泥漿池、沉淀池、循環(huán)槽和地面管匯的體積之和。漏失及其它損耗量，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定。
3． 3． 2 粘土粉用量計(jì)算
配制1 m3 體積的鉆孔泥漿所需粘土質(zhì)量q 按以下方程推導(dǎo)計(jì)算:
q = γ1( γ2 － γ3)γ1 － γ3× 1000
式中: γ1———粘土的密度，2. 6 ～ 2. 8 g /cm3 ;
γ2———泥漿的密度，g /cm3 ;
γ3———水的密度，g /cm3。
3． 3． 3 配漿用水量計(jì)算配制1 m3 體積的鉆孔泥漿所需水量Vw為:
Vw = 1000 － ( q /γ1)
3． 3． 4 增加密度加土( 或重晶石) 量的計(jì)算配制加重鉆孔泥漿時(shí)，加重1 m3 鉆孔泥漿所需加重劑的質(zhì)量W( kg) 為:
W = γB( γ2 － γ0)γB － γ2× 1000
式中: γB———加重劑的密度;
γ2———加重泥漿的密度;
γ0———原漿的密度。
3． 3． 5 降低鉆孔泥漿密度所需加水量x( m3 )
x = V( γ1 － γ2
)
γ2 － γ3
式中: V———原漿體積，m3 ; γ1———原漿密度; γ2———
加水稀釋后的泥漿密度; γ3———水的密度。
4 鉆孔泥漿的制備設(shè)備
鉆孔泥漿的制備設(shè)備主要有機(jī)械攪拌機(jī)和水力攪拌機(jī)( 泥漿攪拌系統(tǒng)) 2 種類型( 圖1) 。目前非開挖施工主要使用的是水力攪拌機(jī)( 泥漿攪拌系統(tǒng)) ，膨潤土通過漏斗與液體進(jìn)行混合，然后通過水泵帶動(dòng)液體反復(fù)循環(huán)流動(dòng)從而達(dá)到較好的泥漿制備效果，滿足非開挖工程施工中的需要。
5 廢漿的處理
非開挖施工后會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄泥漿。廢泥漿是鉆進(jìn)過程中從孔內(nèi)排出的含有大量雜質(zhì)并且難以恢復(fù)和處理的泥漿，由于廢泥漿主要包括粘土、鉆屑、加重材料、化學(xué)添加劑和無機(jī)鹽等，具有較高的pH 值。破壞環(huán)境的有害成分主要包括: 鹽類、殺菌劑、化學(xué)添加劑、重金屬物質(zhì)、高分子有機(jī)化合物、生物降解產(chǎn)生的低分子有機(jī)化合物和堿性物質(zhì)等。所以在進(jìn)行排放時(shí)要根據(jù)不同的廢泥漿進(jìn)行不同的處理后再進(jìn)行排放。
5． 1 廢棄泥漿對環(huán)境的影響
廢棄泥漿對環(huán)境造成的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
( 1) 對地表水和地下水資源的污染;
( 2) 引起土壤板結(jié)( 鹽、堿成分) ，對土壤上的植物生長有很大影響;
( 3) 有害成分的殘留，對植物的生長以及微生物的繁殖的長期影響，同時(shí)容易進(jìn)入食物鏈，危害到動(dòng)物及人類的健康;
( 4) 某些化學(xué)添加劑和生物降解后對水生動(dòng)物和飛禽有一定的影響。
5． 2 處理廢棄泥漿的一般方法和技術(shù)
5． 2． 1 直接排放法
直接排放法主要是指低毒、無毒和易生物降解的廢棄泥漿可以不經(jīng)過處理，直接排放。
5． 2． 2 分散處理法
污染物含量超標(biāo)的廢棄泥漿是無法直接排放的，可采用分散法處理。與泥土混合，降低污染物的相對含量; 或者用水稀釋，少量多次以達(dá)到環(huán)保要求再進(jìn)行排放。
5． 2． 3 脫水法
脫水法主要是利用化學(xué)絮凝劑沉降和機(jī)械分離等措施使廢棄泥漿中的固體和液體分離。其基本流程包括化學(xué)處理和機(jī)械處理2 部分。化學(xué)處理一般采用無機(jī)鹽〔CaCl2，F(xiàn)e2( SO4)等〕和有機(jī)高分子絮凝劑的聯(lián)合作用將固體泥漿顆
粒和高分子與水分離。機(jī)械處理主要是通過機(jī)械分離設(shè)備將固液加速分離。主要方法包括: 真空過濾、壓力過濾、離心分離等。機(jī)械分離主要有以下方式:
( 1) 壓力過濾器方式:
廢棄泥漿→振動(dòng)篩化學(xué)處理
壓力過濾器→棄渣→排液↓ 棄渣
( 2) 重力泥水分離－ 真空泥水分離方式:
廢棄泥漿→振動(dòng)篩化學(xué)處理過濾泥水分離 → 土渣真空泥水分離↓ | |棄渣排液→棄渣
( 3) 滾筒篩－ 壓力滾筒篩方式:
廢棄泥漿→化學(xué)處理滾動(dòng)篩 → 土渣壓力滾動(dòng)篩→棄渣| |排液
( 4) 旋轉(zhuǎn)分離－ 壓力過濾方式:
廢棄泥漿→化學(xué)處理旋轉(zhuǎn)分離裝置 →土渣壓力過濾裝置→棄渣| |排液
5． 2． 4 回填法
回填法僅適用無毒或者毒性較小的廢棄泥漿。對于無毒或者毒性較小的廢棄泥漿可以將泥漿排入儲漿池內(nèi)通過放置沉淀分離出上部清液，經(jīng)過處理達(dá)到環(huán)保要求后可以直接排放; 剩余部分經(jīng)風(fēng)干后，在儲漿池內(nèi)就地掩埋。掩埋后一般至少要覆蓋1 ～1. 5 m 的土層，然后再將地表進(jìn)行恢復(fù)。
5． 2． 5 固化法
轉(zhuǎn)化為土壤或膠結(jié)強(qiáng)度很大的固體，固化法比較可靠，能夠有效地消除廢棄泥漿中的金屬離子和有機(jī)物等對水體、土壤等生態(tài)環(huán)境的影響和危害。固化處理主要是利用水硬材料結(jié)合廢棄泥漿中的水形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將廢棄物固定后再進(jìn)行處理。目前采用的固化技術(shù)主要有以下幾種:
( 1) 水泥、水玻璃固化技術(shù)。首先將工業(yè)硫酸鋁加入廢棄泥漿中，完全溶解后加入水玻璃，攪拌均勻后快速地將水泥加入，固化2 ～ 7 天后即可。
( 2) 磷石膏固化技術(shù)。將廢棄泥漿攪拌的同時(shí)向泥漿內(nèi)不斷加入磷石膏，靜置7 天后地貌即可恢復(fù)。
( 3) 水泥窯粉固化技術(shù)。將廢棄泥漿沉淀1 ～ 2天后，將上層清液進(jìn)行處理排放后，按比例將固化劑混合物與廢棄泥漿進(jìn)行混合，然后將挖坑留下的泥土加入均勻混合后，可固化成大塊埋入地下。固化處理可采用機(jī)械混合和專業(yè)砂漿泵循環(huán)混合。
5． 2． 6 坑內(nèi)密封法
此方法即是在坑底和坑壁鋪一層有機(jī)土，然后鋪一層塑料墊層，再鋪一層有機(jī)土; 或者在坑底和四周加固化層。隨后將基本干燥的廢棄泥漿填入坑中后進(jìn)行覆蓋密封。
6 結(jié)語
非開挖施工人員應(yīng)根據(jù)施工中地層以及工程設(shè)計(jì)的具體情況進(jìn)行泥漿的設(shè)計(jì)，在滿足工程施工技術(shù)需求的前提下降低成本，施工結(jié)束后應(yīng)進(jìn)行地表的恢復(fù)并對泥漿進(jìn)行及時(shí)、科學(xué)的處理，避免對環(huán)境的污染。
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