海水泥浆循环利用技术在青岛海湾大桥中的应用

摘要:结合青岛海湾大桥海中桩基础施工，阐述了海水泥浆制作技术和循环利用方法。该方法可以节省建设成本，并有利于保护海洋环境。

关键词:青岛海湾大桥;海水泥浆;泥浆配制;循环利用

1 工程简介

1.1 工程概况和工程环境

青岛海湾大桥位于胶州湾北部，是我国北方冰冻海域一座大型海上桥梁集群工程，大桥全长28.880km，其中跨海大桥长27.089km。本项目包括沧口航道桥（主跨260m斜拉桥）、红岛航道桥（主跨120m斜拉桥）和大沽河航道桥（主跨260m自锚式悬索桥）、海上非通航孔桥、陆上引桥和互通立交桥。桥梁基础全部为钻孔灌注桩，其中海上桩基5090棵，桩长40.0～88.0m不等。

胶州湾海底地势总体上自北向南倾斜，腹大口小。其西北部有7～8km宽的潮间滩地和宽阔的浅水区。路线经过区位于海湾中北部，因沉积物淤积，地势较平坦，在水深小于5～10m的区域，形成大片浅水滩，地形坡度小于13°。胶州湾施工区属规则半日潮类型，朝汐水位差为4.0m左右，潮水每天两次涨落,流速1.1m/s，平均水深6.0m左右。胶州湾海水盐度分布较为均匀，海水盐度范围为29.4～32.9%，水质类型为ClNa型水，青岛站海域表层的海水中溶解氧数量（年平均值）为5.53ml/L，海水pH值为8.2～8.5。海水对混凝土结构中钢筋（长期浸水）具弱腐蚀性，对钢结构具中等腐蚀性。海床以下为淤泥层、粘土、亚粘土，岩层基本为硬度较高的强风化角砾岩、弱风化角砾岩、强风化安山岩、弱风化安山岩，局部地层中夹杂厚度不等的粉砂、粗砂层。

胶州湾内属季风气候区，气候季节变化较明显，呈现海洋性气候特征。湾内水产资源丰富，大桥穿过海域均为养殖区，海洋环境保护要求高。如施工保护不当，易造成海域污染，给区域内海水养殖造成很大损失。

1.2 桩基施工方案

桩基总体施工方案采用搭设海上钻孔平台进行钻孔灌注桩施工。钻孔平台基础由临时钢管桩和钢护筒组成，相互间采用平联连接，其中上层平联钢管兼做钻孔施工的泥浆循环连通管。临时钢管桩采用浮吊插打，主塔基础钢护筒采用打桩船插打。

根据施工海域地质情况，大桥桩基多采用回旋钻气举反循环施工钻孔桩，海上钻孔灌注桩距岸线较远，淡水供应非常困难。针对这种情况，海上钻孔灌注桩施工中采用海水泥浆钻孔工艺。在钻孔桩施工过程别注重海域环保，设置围堵、导流设施防止钻孔泥浆流入海中，所有弃浆、弃渣均利用泥浆船运输到指定地点排放。

2海水泥浆技术要求、配合比及材料选择

2.1技术要求

相对密度：1.06～1.10，黏度（Pa.s）：18～28，含砂率(%)≤4，胶体率(%)≥95，失水率(ml/30min)≤20，泥皮厚度（mm/30min）≤3，PH值：9～11。

2.2配合比

由于海水中Cl－、Mg2+、Ca2+含量高，泥浆悬浮功能差，出渣困难，钻进效率受到制约，甚至不能很好地起到护壁作用。如果仅采用普通膨润土等造浆材料，仍难以使泥浆达到使用要求。针对这个问题，根据本工程的实际情况，结合以往海上施工经验，拟定出海水泥浆的基本配合比如表1，其施工配合比在钻孔过程中根据实际情况和需要再行调整。

2.3材料的选择

（1）钠质膨润土

钠质膨润土泥浆具有相对密度低、粘度低、含砂量少、失水量少、泥皮薄、稳定性强、固壁能力高、钻具回旋阻力小、钻进率高、造浆能力大等优点，是一种带有电荷的亲水胶体，通过颗粒静电斥力保持稳定的悬浮状态。钠质膨润土的性能指标如表2。

（2）纯碱（Na2CO3）

纯碱作为一种分散剂主要作用是使进入水中的膨润土分散开来，形成外包水化膜的胶体颗粒，提供钠离子和碳酸根离子，可使pH值增大到10，使粘土颗粒分散、表面负电荷增加，更好地吸收外界的正离子，增加水化膜的厚度，提高了泥浆的交替率和稳定性，降低失水率，并且使钢筋处于弱碱性环境中，对钢筋的锈蚀起到保护作用。

（3）聚阴离子纤维素（PAC）

聚阴离子纤维素（PAC）是一种增粘剂，是羧甲基纤维素（CMC）的衍生物，是一种阴离子型线性高分子物质，能在海水中不降粘，具有增稠性、保水性、抗盐性及较好的薄膜成型性。PAC有高粘度和低粘度两种。粘度越高，增稠效果越好，但粘度过高会影响其在泥浆中的溶解性。

3 海水泥浆的制作和施工控制

3.1 海水泥浆的配制

结合桥位处具体的地质水文条件，根据拟定的泥浆基本配合比进行泥浆配制试验，对海水泥浆的各项技术指标进行检测，根据检测结果，对基本配合比进行修正、调配后，最后确定泥浆施工配合比。

泥浆的配制采取在钢护筒内钻机自行造浆的方法，步骤如下：首先在钻机就位后，将钻头提升至孔底以上10cm左右，连接好气管以及泥浆循环回路，开钻前，用泥浆泵将孔内的海水（包括部分淤泥）抽净，然后在孔内加入一定量的海水，开动钻机；然后根据孔内的水量和泥浆基本配合比计算出膨润土及外加剂的用量，人工逐袋加入膨润土，外加剂逐步投入，通过钻机的转动搅拌孔内混合物制造泥浆；下一步，开动空气压缩机，孔内泥浆通过气举经过钻杆和泥浆管进入泥浆分离器，通过泥浆分离器把直径大于0.074mm以上的颗粒从泥浆中分离出来，钻渣装入储渣筒内，净化后的泥浆进入泥浆池，通过钢护筒与泥浆池之间的连通槽流入正在钻进的孔内，经过气举反循环调配孔内上、下层的泥浆；在泥浆调配过程中，对孔内和泥浆池出口处的泥浆技术指标进行检测，根据检测结果对泥浆进行调整，即调整海水、膨润土及两种外加剂的用量，直到最终满足所设计的基本配合比为止。

3.2 海水泥浆的施工控制

泥浆各项指标须严格控制，由于海水的密度为1.04g/ml，海水泥浆的相对密度较规范值稍大，施工中应加强检测控制，做到定时检测，及时添加PAC和纯碱，改善泥浆的稳定性。每工作班开始时检测泥浆出口处相对密度、粘度，以后钻进过程中每隔2小时测定一次进浆和排浆口的泥浆相对密度、粘度、PH值等指标，并根据地质条件及时进行调整，同时相应调整钻进速度和钻压。

根据孔位的地质柱状图,在不同地层钻进时采用不同的泥浆性能指标，进入地质层前调整泥浆性能指标,符合要求后方能钻进。对钢护筒底部土层，易坍塌、易漏失、易串孔等地层要格外注意，不要为追求速度而盲目进尺。

在对泥浆的取样测试后，方能进行泥浆性能的调整，然后应根据测试结果和孔内泥浆数量确定。钻进过程中需要排掉部分的泥浆，因此添加PAC和纯碱应在排浆之后进行，以免造成浪费。另外，置换的泥浆必须经过沉淀、排渣、检验合格后方可使用。需要注意增粘剂PAC较难溶解，集中投放容易结团而难以生效，应采取多次、少量投放的方式进行。

4 海水泥浆的循环利用

4.1 海水泥浆的循环系统

海水泥浆循环系统由钻杆系统、泥浆泵、泥浆分离器、储渣箱、泥浆连通管、钢护筒、空压机等组成。沉渣和泥浆通过钻机钻杆吸出，进入泥浆净化机，产生的沉渣放入储渣箱，由泥浆船转运送至储渣地点，滤出的泥浆输入到泥浆池，经过沉淀，由泥浆池内通过泥浆连通管流入相邻钢护筒内，通过周围相连钢护筒循环回到原护筒内，完成一个循环周期。开钻初期每1小时检测一次，泥浆性能稳定后每4小时检测一次，并根据钻进过程中地层变化情况增加检测频率。

4.2 海水泥浆的循环利用及排放

桩基施工在整个钻进过程中只需要不断的补充泥浆，根据不同的地质情况，适当调整泥浆配合比，使其达到设计及钻孔要求。在桩基浇注过程中通过泥浆泵或者联通管转入沉淀池，进行循环利用及其排渣。钻进施工中，钻孔泥浆采用气举反循环抽出泥浆经过土渣分离筛，再通过泥浆净化器过滤，合格的泥浆排设到泥浆循环池重复使用。钻孔桩浇孔过程中基桩上部15m范围内的泥浆作废浆处理，直接排往泥浆船中。

浇注混凝土过程中溢出的可回收使用的泥浆，用引流槽引流至正在钻孔作业的护筒内循环使用或未开钻的护筒内储备，且进行及时的调整，对性能指标不能满足要求的添加新拌制的泥浆、增粘剂、分散剂等材料，使其能够达到使用性能指标，投放到下一钻孔桩施工中。溢出的质量较差的不能回收利用的泥浆引流至运渣船上，然后运输到指定填埋点排放。

根据钻机施工特点，制作沉渣箱。挖机直接从沉渣箱中抓起泥渣放进泥浆船，再用运渣车将沉渣运至指定地点，严禁将钻渣和泥浆直接排入海中。

5 结语

青岛海湾大桥海中桩基施工采用的海水泥浆及循环利用系统，在钻孔过程中未发生严重漏浆和坍孔现象，桩基终孔后均通过桩孔径检测系统检测，所有成孔质量（垂直度、桩径等）均满足规范及设计要求，声波透射法检测结果全部为Ⅰ类桩。而且减少了淡水资源的消耗，节约了施工成本，加快了施工进度，对海洋及周边环境的保护起到积极的作用。这些都表明海水泥浆及其循环利用系统应用在海中深桩基础施工中的效果是明显的，其技术性、适用性和经济性较好。

综上所述，海中桩基施工采用海水泥浆及循环利用系统有如下优点：

（1）海水泥浆的相对密度可降到1.06～1.10，对钻头所产生的阻力小，提高钻速。

（2）使用海水泥浆钻孔固相含量低，泥浆渗漏小，有利孔壁稳定，使孔壁顺直，扩孔率小。

（3）海水泥浆低失水、高矿化、强泥浆触性，钻孔过程中遇渗漏性地层能发挥防堵的作用。

（4）采用海水泥浆，可以降低海上施工区灾害性天气给运输淡水等造成的困难和风险，并大大减少淡水资源的消耗，节约了建设成本。

（5）提高了泥浆的重复利用率，减少了泥浆的排放量，有效降低对周边环境的影响。

参考文献：

1.徐维钧.桩基施工手册.人民交通出版社，北京,2006

2.陈惠欣.水下工程.中国电力出版社，北京,2006

3.公路桥涵施工技术规范.人民交通出版社,北京,2005

4.刘自明.桥梁深水基础.人民交通出版社，北京,2003

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