非开挖膨润土的作用

引言

在非开挖工程领域，非开挖膨润土扮演着举足轻重的角色。随着城市建设的快速发展，地下空间开发需求日益增长，非开挖技术因其对环境影响小、施工效率高等优势，被广泛应用。非开挖膨润土是非开挖施工时制备泥浆的重要材料，其作用贯穿整个施工过程，深刻影响着工程的质量、进度与成本。

一、润滑与冷却钻具

降低摩擦系数：在非开挖施工中，钻具与周围土体之间存在强烈摩擦。非开挖膨润土配制的泥浆具有良好的润滑性能，能够在钻具表面形成一层润滑膜，有效降低钻具与土体之间的摩擦系数。从微观角度来看，膨润土颗粒的片状结构能够在钻具和土体之间起到隔离和缓冲作用，减少两者直接接触产生的摩擦力。研究数据表明，使用膨润土泥浆后，钻具的扭矩可降低20% - 30%，这意味着钻具在钻进过程中所需的动力大幅减少，从而降低了能源消耗和设备磨损。

带走热量：持续的摩擦会使钻具产生大量热量，过高的温度会影响钻具的机械性能，缩短其使用寿命。膨润土泥浆具有良好的热传导性能，能够迅速将钻具产生的热量带走，使钻具保持在适宜的工作温度范围内。通过热交换原理，泥浆在循环过程中吸收钻具的热量，并将其传递到周围环境中，有效避免了钻具因过热而损坏，确保了施工的连续性和稳定性。

二、稳定钻孔孔壁

形成泥皮：当膨润土泥浆注入钻孔后，在孔壁处会形成一层致密的泥皮。这一过程是由于膨润土颗粒在孔壁的吸附和堆积。泥浆中的膨润土颗粒在压力作用下，填充到孔壁的孔隙中，逐渐形成一层厚度均匀的泥皮。泥皮的存在不仅能够阻止孔壁周围土体的坍塌，还能有效防止地下水渗入钻孔，保持钻孔内部的稳定环境。泥皮的厚度一般在0.5 - 2毫米之间，其渗透率远低于周围土体，能够有效阻挡地下水的渗透。

提供支撑压力：膨润土泥浆在钻孔内具有一定的静水压力，这一压力能够平衡孔壁周围土体的侧向压力，为孔壁提供额外的支撑。在软土地层或富水地层中，这种支撑作用尤为重要。通过合理调整泥浆的密度和黏度，可以精确控制泥浆的静水压力，使其与周围土体压力相匹配，从而有效防止孔壁坍塌。在实际施工中，根据不同的地质条件，泥浆的密度通常控制在1.05 - 1.3克/立方厘米之间，以确保提供足够的支撑压力。

三、携带和悬浮钻屑

悬浮钻屑：非开挖膨润土具有良好的悬浮性能，能够使钻屑均匀地悬浮在泥浆中。这是因为膨润土颗粒在水中形成的胶体体系具有较高的稳定性，能够通过静电斥力和空间位阻作用，阻止钻屑的沉降。从流变学角度来看，膨润土泥浆具有较高的黏度和屈服值，能够为钻屑提供足够的悬浮力。在实际施工中，即使在停止循环泥浆的短时间内，钻屑也能保持悬浮状态，避免了钻屑在钻孔底部的堆积。

带出钻屑：在泥浆循环过程中，悬浮在其中的钻屑被顺利带出钻孔。泥浆的流速和流量对携带钻屑的效果起着关键作用。通过合理设计泥浆循环系统，确保泥浆具有足够的流速，一般在0.5 - 1.5米/秒之间，能够将钻屑有效地带出钻孔，保持钻孔内部的清洁。这不仅有利于提高钻进效率，还能减少因钻屑堆积导致的钻孔堵塞和事故发生的概率。

四、防止泥浆漏失

封堵孔隙：在一些渗透性较强的地层中，泥浆容易发生漏失。非开挖膨润土遇水膨胀的特性使其能够有效地封堵地层中的孔隙。当膨润土颗粒进入地层孔隙后，吸收水分发生膨胀，从而填充孔隙，降低地层的渗透率，阻止泥浆的进一步漏失。在石灰岩地层或砂层中，这种封堵作用能够显著减少泥浆的漏失量，保证施工的正常进行。

形成封堵层：在泥浆漏失较为严重的区域，膨润土泥浆能够在漏失通道周围形成一层封堵层。这一层封堵层由膨润土颗粒、岩屑和其他添加剂组成，具有较高的强度和低渗透性。通过调整泥浆的配方，添加适量的纤维材料或堵漏剂，能够增强封堵层的性能，提高其抗冲刷能力，从而有效地防止泥浆漏失。

五、辅助管道铺设与回拖

减小回拖阻力：在非开挖管道铺设过程中，将管道回拖入钻孔是关键环节。膨润土泥浆在钻孔内能够为管道提供良好的润滑条件，大大减小管道回拖时的阻力。通过在泥浆中添加特殊的润滑剂，进一步降低管道与孔壁之间的摩擦系数，使回拖过程更加顺畅。研究表明，使用优质的膨润土泥浆和润滑剂，可使管道回拖阻力降低30% - 50%，这对于长距离、大口径管道的铺设具有重要意义。

保证管道位置：泥浆的支撑作用能够确保管道在回拖过程中保持在设计位置，避免管道发生偏移或下沉。在回拖过程中，泥浆均匀地包裹在管道周围，为管道提供了稳定的支撑力，使管道能够按照预定的轨迹顺利铺设到位。这对于保证管道的安装质量和后续使用安全至关重要。

六、环境保护与可持续性

减少地面扰动：非开挖施工使用膨润土泥浆，避免了大规模的地面开挖，从而减少了对周围环境的破坏。与传统开挖施工相比，非开挖施工对地面植被、建筑物和地下管线的影响较小，有利于保护生态环境和城市基础设施。在城市中心区域或生态敏感区域，这种环保优势尤为突出。

可重复利用与环保处理：非开挖膨润土泥浆在施工结束后，经过适当的处理，可以实现部分或全部的重复利用。通过物理和化学方法分离泥浆中的钻屑和杂质，调整泥浆的性能参数，使其能够再次应用于后续的施工项目。对于无法重复利用的废弃泥浆，也可以采用环保的处理方式，如固化处理后用于填埋或作为建筑材料的添加剂，减少对环境的污染。

七、结论

非开挖膨润土在非开挖工程中具有多方面的重要作用，从润滑钻具、稳定孔壁到携带钻屑、辅助管道铺设，每一个作用都紧密关联着工程的成败。施工人员在实际操作中，应充分了解非开挖膨润土的性能特点，根据不同的地质条件和施工要求，合理选择和使用膨润土泥浆，充分发挥其优势，确保非开挖工程高效、安全、环保地进行。随着技术的不断进步，非开挖膨润土的性能和应用范围有望进一步拓展，为地下空间开发和城市建设做出更大的贡献。