[发明专利]淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料及制备方法

说明书

本发明公开用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料及制备方法，泥浆材料由基础组分和外掺组分组成，泥浆材料的控制指标为：泥浆的失水量＜15mL，泥浆比重＜1.05，泥浆粘度20s～50s。制备方法包括如下步骤：(1)确定控制指标，(2)基础配方筛选，(3)试验检测，(4)正交试验，(5)试验检验，(6)确定基础组分和外掺组分的配比。本发明的护壁泥浆材料在软硬地层界面，形成的泥饼很好地支撑了钻孔孔壁的稳定性，控制了软硬地层界面的偏移量，使之保持在3‰以内。钻杆拔出后，钻孔内泥浆、泥饼、空气与钻孔形成欠压平衡系统，该平衡系统能长时间保持稳定，维持钻孔稳定性长达9h以上，实现了冻结管顺利下放。

技术领域

本发明涉及土木建筑技术领域。具体地说是一种用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料及制备方法。

背景技术

城市地下空间的开发是解决城市资源与环境危机的重要措施。随着我国城市化进程的加速，特别是近10年以来，城市交通拥堵问题越来越突出，地铁的建设成为解决城市交通堵塞问题的最有效途径之一。因此，伴随着城市化进程的发展，轨道交通建设在过去的20年其建设规模和速度世界罕见。截至2017年底，我国大陆轨道交通运营总里程已达4712公里，运营城市33座。目前，全国在建轨道交通城市48座，在建里程5636km，预计2020年，全国拥有轨道交通的城市将超过50座，运营里程将超过9000公里，我国迎来了轨道交通建设的高峰期。

由于某些地下工程存在复杂的淤泥质粘土和流砂软弱地层条件，繁忙的交通、密集的建筑及复杂的管线，给城市地下工程建设提出了种种挑战。人工地层冻结技术以加固土体强度高、封水效果佳、环境影响小等独特优势，在这场挑战中赢得了发展历史机遇，拓展了新的应用空间。

随着北上广地铁建设率先步入网络化发展，地铁建设立体交叉，大体量、长距离穿越工程不断涌现。以上海为例，国权路冻结穿越工程水平冻结钻孔长度超过40m，钻孔地层处于富水软弱的淤泥质粘土中。由于穿越既有车站，钻孔过程中要穿透复杂的障碍物(桩、格构柱、地连墙)。钻孔要频繁穿过软硬地层，对淤泥质粘土与障碍物界面护壁效果提出了更高的要求。在钻进过程中发现采用常规的泥浆配方难以满足界面钻孔稳定性需要，长时间的冲刷会带走大量粘土，界面处钻头极易失稳，导致偏斜过大，甚至钻孔失效；钻杆拔出后塌孔现象时有发生，从而导致冻结管下放困难。分析常规的垂直孔钻进，例如垂直冻结孔，注浆法钻孔，钻井法钻孔，钻孔过程中孔壁的稳定性主要靠调节泥浆的比重来实现，泥浆比重通常超过1.1，对泥浆的粘度参数要求更高，以解决钻进过程中的抱钻、排渣需要。再如顶管推进过程中，由于推进与支护一次完成，泥浆主要起润滑减阻作用，对泥浆的润滑系数要求高；泥水平衡盾构推进过程中，由于推进与支护同时进行，泥浆起着维持开挖面稳定、循环携渣和润滑冷却刀具等作用，掌子面的稳定主要通过泥水的加压平衡地压来实现，对泥浆的粘度指标要求更高。长水平冻结钻孔的特点是不仅要解决钻进过程中软硬地层界面孔壁稳定性问题，而且水平冻结钻孔成孔后需拔出钻具，重新下放冻结管。钻具拔出及冻结管下放需要长达9h以上，钻孔处于欠压平衡状态，需要泥饼这种薄膜支护体与周围小孔径地层一起形成平衡系统，以降低钻具拔出及下放冻结管过程中可能出现的塌孔现象。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于从水平冻结钻孔泥浆护壁的机理出发，考虑形成的泥饼薄而有韧性，提出了一种低比重高性能泥浆护壁材料及制备方法以解决长水平冻结钻孔过程中软硬地层界面钻头跑偏及钻具拔出后冻结孔塌孔的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料，由基础组分和外掺组分组成，泥浆材料的控制指标为：泥浆的失水量＜15mL，泥浆比重＜1.05，泥浆粘度20s～50s。

上述用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料，泥浆材料的优选控制指标为：泥浆的失水量＜10mL，泥浆比重为1.03～1.05，泥浆粘度25s～40s。