桩基泥浆循环及废浆处理一体化技术研究

桩基泥浆循环及废浆处理一体化技术研究

安利强 1   陈伟强 2 张基灼 2  

1. 中铁建华南建设有限公司   广东省广州市  511458

2.   广州地铁集团有限公司  广东省广州市    510220

【摘要】: 本文以广州市轨道交通二十二号线陈头岗停车场施工为依托，研究了桩基施工中泥浆的制备与循环方案，解决传统施工方式中，泥浆循环效率低、效果差，废渣直接遗弃，文明及环保施工程度低等问题，达到桩基施工泥浆重复利用，减少废浆排放的施工目标。从而提高桩基施工中文明施工及环境保护水平，提高作业效率，保证工程质量。

【关键词】：泥浆循环 废渣处理 钻孔桩 技术研究

1.工程概况

广州市轨道交通二十二号线工程陈头岗停车场，位于广州市番禺区，占地面积25.2ha，其中包括上盖开发面积12ha。钻孔灌注桩约3800根，主要为端承桩，平均桩长约30m，地质情况为杂填土、淤泥质土、强风化砂岩、中风化砂岩、微风化砂岩，其中淤泥质土厚度2～12m，在场内普遍分布，施工期间需要进行泥浆护壁，并用泥浆置换进行二次清孔，以保证沉渣厚度控制在规范要求范围内；本工程桩基工程规模大、工期紧、安全文明及环境保护要求高，是整个停车场控制性节点工程。

2泥浆循环系统

2.1钻孔桩泥浆循环方式比较

泥浆主要用于桩基钻进过程中或者成孔后的泥浆护壁和二次清孔。二次清孔是在完成旋挖成孔、下入钢筋笼和灌注导管后，利用灌注导管清除孔底沉渣的关键工序。二次清孔技术按泥浆循环方式可分为以下三类：泥浆正循环清孔、反循环清孔和钻具无泥浆循环清孔。根据是否加入泥浆分离设备又可以各自分类为两种类型。

从适用范围、设备配置、清渣效率、泥浆使用量共4个方面进行对比分析各类泥浆循环清孔的特点：

1、适用范围

正循环清渣适用范围较小，反循环清渣适用范围较大，钻具清渣适用范围最广。

2、设备配置

反循环系统所需设备最多，系统结构也较复杂，操作有一定的技术难度另外，钻具清渣无需太多外配设备，但需额外配置专门的清渣钻头，施工过程中需要来回转换钻头，且只能用于下钢筋笼及导管之前。

3、清渣效率

在以上工法中，以钻具清渣效率最高，气举或泵吸反循环次之，而正循环清渣效率最低。实际清渣时间与设备配置、工程地质特征、泥浆质量等因素密切相关，难以一概而论。

4、泥浆使用量

以上清孔工艺中，反循环泥浆使用量最大，正循环次之，钻具清渣最小。

根据以上对比，结合本工程特点，首先选择钻斗无泥浆循环清孔的方式进行首次清孔，若安放完导管后，沉渣厚度不能满足要求，再选择气举反循环的方式进行二次清孔，这样的组合清孔方式操作最为简便实用。气举反循环根据加不加设泥浆分离设备又细分为两种方式，若不加泥浆分离器，清孔过程中的泥沙难以完全沉淀分离，影响清孔效果，同时泥浆循环次数底，现场制浆量大。若使用泥浆净化装置（如黑旋风系列），则能快速分离泥浆中的固相粗颗粒，减小泥浆含砂率，提高泥浆的性能，可加快浆渣分离，提高清孔速度、保证清孔质量、减少泥浆量排放，可以起到事半功倍的效果。所以综合考虑本工程二次清孔选择气举反循环+泥沙分离器的清孔工艺。

2.2泥浆分离器系统组成及工作原理

泥浆分离设备由进浆管、分离筛、储浆箱、渣浆泵、旋流器、中储箱、排浆管等组成，一种综合高效的泥沙分离设备，可以实现泥浆不落地循环泥浆的功能。泥沙分离器的核心为旋流器，旋流器的基本原理是将具有一定密度差的液-液、液-固、液-气等两相或多相混合物在离心力的作用下进行分离。

2.3设备工效

以本工程使用的ZX-250型泥浆净化装置为例，其主要技术参数如下：

1、最大泥浆处理量达到250m³/h；

2、净化除砂的分离粒度d50=0.060㎜；

3、碴料筛分能力25-80t/h。可根据造孔机具进尺的不同而调整；

4、筛分出的碴料最大含水率小于30%；

5、达到最大净化除砂效率时污浆的最大比重小于1.2g/cm3，马氏漏斗粘度40s以下（苏氏漏斗30s以下），固相含量小于30%；

6、能处理污浆的最大比重小于1.4g/㎝3；

7、装机总功率：58kW；

8、设备外形尺寸(长×宽×高)：3.54m×2.25m×2.83m；

9、整机重量：4900㎏。

2.4单个作业区设备配置

3、工艺流程

3.1各施工过程泥浆处理

1、成孔状态

通过孔旁的浆坑或泥浆箱，对孔内容积的变化进行泥浆补充,泥浆由泥浆净化装置下的泥浆箱或泥浆储存罐提供

2、正循环清孔

干净泥浆送到孔底置换原有泥浆进入泥浆池，被置换的泥浆用PN泵送到泥浆净化装置进行处理

3、（大口径孔的）气举反循环清孔

压缩空气在孔底采用负压原理带着泥浆进入泥浆净化装置进行处理，处理后的泥浆自流或泵送回孔

4、 浇筑状态

混凝土在孔底逐渐置换出泥浆，被置换的泥浆被泵送到其它孔位或泥浆储存罐，浇筑后期泥浆进入废弃泥浆储存罐

3.2泥浆循环和处理一体化系统的运行

泥浆循环和废浆处理一体化系统的基本运行流程是造浆、泥浆护壁、泥浆循环清孔、废浆经过管道输送至压滤系统泥浆池、压滤固结、泥饼外运或者二次利用。其中，在压滤系统环节，泥浆经管道输送至泥浆池后，粗颗粒自行沉淀，将较大颗粒粒径碎石用格栅机拦截清除。调节池内泥浆用液下浮筒泵泵送至泥浆净化装置，使泥浆中的砂砾、砂、细砂等0.74mm以上的固体物料快速分离出。系统设定处理量为100m³/h,砂性颗粒通过脱水筛自行脱水，含水率低于30%。在此环节大部分料渣被分离出来。分离出来的泥浆待压泥浆罐，在箱内添加改良药剂，使得泥浆易于压滤。改良浆液经高压泵入压滤机，分离后料渣的即时含水率≤30%，可以直接外运或者二次利用，尾水作为中水回用，供清洗设备使用，也可以通过水沟外排。

除此之外，一体化系统的运行的重点是保证场区废浆都能通过本系统进行处理，并减少对现场施工的干扰。重点是做好以下几个方面的工作：

（1）合理规划施工场区，各系统的布置，尤其是场区管道、泥沙分离设备、泥浆箱能可移动设备的布设，尽量延伸辐射范围，避免反复拆除安装。

（2）泥浆不能靠管道输送的区域，配置专门的运浆车，收集废浆至泥浆池，等待处理。

（3）泥浆分离器可以独立运行，对清孔泥浆进行处理；同样压滤设备也可以独立运行，由运浆车运输，对不具备一体化处理条件的区域进行处理。

（4）一体化的核心是管道，合理的管道布设把各个系统有机的联系在一起，管道的布设需考虑现场施工对管道的影响，同时避免管道阻碍现场车辆运输。

（5）各组设备的运行需要专人操作，厂家定期对设备进行维护；压滤设备的滤板和滤布等易损部件需要定期更换。

3.3泥浆循环和处理一体化系统优缺点分析

目前，单一泥沙分离设备已经在工程施工领域有广泛的利用，本系统的优点显而易见，但是目前也存在着不足，具体如下：

优点：（1）对泥浆进行充分净化，有效控制泥浆的各项性能指标，减少卡钻事故发生，提高造孔质量；

（2）实现泥浆循环使用，大幅减少废浆处置费用和降低造浆成本，达到降低施工成本的目的；

（3）对土渣进行有效分离，提高造孔效率；

（4）泥浆的闭路循环净化方式及较低的渣料含水率杜绝二次污染，减少对环境的影响，实现环保施工的目的；

缺点：（1）泥沙分离设备属于大型设备，工程体量大、工期紧，需一次性投入数十台设备，投入成本高。

（2）泥沙分离设备、循环系统的安装、布设随着桩位的改变需要作出调整，但本系统大多设备较为笨重，管道安装较为复杂，影响工序施工时间。

4.效益分析

4.1经济效益

以本工程库房区的桩基施工为例，泥浆循环系统在工期时间段内主要产生设备投入费用、人力、材料、电费、维护等费用，但与传统处理方式相比采用本处理技术将节省钻孔桩泥浆投入、泥浆处理、安全文明施工费用支出，但由于各项设备一次性投入大，规模较小，经济效益短期内难以显现，规模较大时效益方能显现。采用泥浆循环和废渣处理一体化技术可以提高桩基工程二次清孔施工质量，减小或因为沉渣过厚造成的质量缺陷概率，创造无形的经济效益。根据本工程工程规模，桩基按照10万方砼考虑，按照理想状态下每桩都采用泥浆护壁和循环清孔，采用泥沙分离装置净化后，造浆量约为2万方，通过相关调查研究本系统的经济效益分析具体如下表：

泥浆循环及废浆处理一体化系统效益分析表

4.2环境效益

采用本技术对泥浆进行处理后最明显的效益是环境效益，通过对废浆进行处理，减少了废浆乱排的问题，保护了土壤及水环境，有利于提高城市空气质量。

5.应用前景

综上所述采用泥浆循环技术对泥浆进行处理，对工程效益提升明显，尤其是规模较大、环保要求较高的建筑工程施工。本技术方案符合当下绿色环保施工新理念，并且可以和压滤等废浆处理设备相结合，完全解决废浆的排放问题。

参考文献：

［1］唐文钢.水力旋流器的基础理论及其应用研究[D].重庆大学,2006. 中国知网

［2］雷斌.旋挖钻孔沉渣产生的原因及清孔工艺优化选择[J]，施工技术，2014（19）：46-53.

［3］《建筑地基基础工程施工规范》GB 51004-2015

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