山区复杂地形地质桩基施工工法的制作方法

1.本发明涉及复杂地形的桩基施工领域，具体为一种山区复杂地形地质桩基施工工法。


背景技术：

2.桥梁作为道路系统中的关键和控制部位，在现代化交通中占领着重要的地位，发挥着重要的作用，桥梁的施工质量和耐久性最主要决于桩基基础的施工质量和稳定性。由于桥梁的建造主要是为了跨越山谷地区，减少不必要的弯路，所以在桥梁建设中经常会遇到一些地质较差、环境恶劣的地区。
3.旋挖钻机利用可以伸缩的旋式钻杆在钻具重量、油缸压力及动力头扭矩的共同作用下，将地下土、岩屑装入钻头，再用卷扬机提升取土(岩）成孔。旋挖钻机具有适用地层广泛、施工速度快、施工精度高、行走移位方便、施工占地小等优点，非常适合于本标段山区地质的施工。但也有突出缺点是孔壁护壁差，由于旋挖桩机钻进速度快，主要靠切土钻进，孔壁护壁同比钻、冲孔桩要差；特别在软土、砂土、碎砾石地层，塌孔和缩径容易发生。
4.冲击钻机利用冲击式装置或卷扬机提升实心钻锤，上下往复冲击，将土石劈裂、劈碎，部分被挤入井壁之内。通过一定浓度的泥浆将钻渣悬浮出孔外，并起护壁作用。带有钻渣的泥浆经沉淀池沉淀净化后，进入储浆池依次循环使用，形成正循环。优点是设备构造简单，适用范围广，操作方便，所成孔壁较坚实、稳定、坍孔少等。缺点是成孔速度慢，孔底泥渣难以掏尽，桩的承载力不够稳定，冲孔灌注桩成孔工艺较复杂，操作要求较严，易发生质量事故，且间隔时间长，不能立即承受荷载。
5.为了尽可能的减少环境对桥梁施工质量的影响，考虑到施工场地条件和水源不足，针对不同的复杂不稳定地层，需要改进桩基施工工艺，采用其他加固措施、施工工艺和机械设备配合旋挖钻机施工，来充分达到提高工效，加快成孔，缩短工期，节约成本的目的。


技术实现要素：

6.本发明为了解决山区复杂地形中桥梁的桩基施工存在单独采用不同钻机使得施工存在较多缺陷问题，提供了一种山区复杂地形地质桩基施工工法。
7.本发明是通过如下技术方案来实现的：一种山区复杂地形地质桩基施工工法，根据地层状况不同，同时也根据不同钻机钻孔的地层类型，施工方法分为如下情形：一、旋挖钻注浆施工，即旋挖钻机穿越碎砾石夹层：1）前期施工：测量放线，钻孔定位
→
设备就位
→
安放护筒，使施工符合规范要求，开始后续旋挖进尺；2）碎砾石层注浆加固：旋挖钻机施工具有适用地层广泛、施工效率高优点，但当遇到碎砾石地质时，但由于旋挖钻机施工护壁效果差，极易发生塌孔和缩孔现象；为了充分既能利用钻挖施工效率高的优点，又能保证成孔的稳定性，对碎砾石地层进行高压旋喷注浆加固。因此具体步骤为：旋挖进尺
→
钻孔至碎砾石层，注浆孔布置，根据桩径大小，在桩基周
边布置注浆眼，确定注浆深度，设置双排注浆眼，相邻眼净间距保持约在20cm，保证注浆密实稳定；3）钻孔施工：采用全液压多功能工程钻机配合气动冲击器偏心跟管钻进成孔的工艺进行，冲击钻头采用合金球齿偏心钻头，跟进套管采用90mm无缝钢管，丝扣连接，用高风压空压机供风；钻机安放就位后，采取防斜措施，确保孔位垂直度，开始钻进，直至钻过砂砾碎石层至硬质岩层停钻成孔，取出钻具；4）高喷注浆：钻孔结束后，将台车移至孔位；同时将台车孔口摆动装置调整好方向；高喷浆液采用的水泥为p.042.5普通硅酸盐水泥，按照1:1配置水泥浆液；采用高速搅拌槽搅制浆液时，搅拌时间不少于30s；浆液在使用前应充分过滤，自制备到用完的时间应不超过5h；浆液拌制完成后，采用注浆机插孔注浆；将喷头置于孔底，开始旋喷注浆；下喷具前，预先注入膏状泥浆进行喷灌前堵漏；至孔底后，由下向上开始逐步注浆，注浆至碎砾石层处增加注浆时间，保证该处地层结构的稳定性，加强板结效果；高喷灌浆应全孔连续作业；高喷灌浆过程中，出现压力突降或骤增、孔口回浆浓度或回浆量异常的情况时，查明原因，及时处理；5）塌孔处理：若在注浆管下孔过程中，在中间孔径出现微塌现象时，在该处进行注浆，拔出管道后再次进行钻孔，之后下放管道开始注浆；6）注浆完成24小时后，碎砾石层板结完成，旋挖钻机继续开始施工，在旋挖板结的碎砾石层时，适当降低旋挖桩桩头施工速率，穿越该层厚度继续正常施工；二、旋挖钻扩孔施工，旋挖钻机在硬质硅质岩层施工：1）前期施工：测量放线
→
设备就位
→
安放护筒，使施工符合规范要求，开始后续旋挖进尺；在桩基旋挖施工中，前面10~15米为强风化岩层，使用旋挖钻机正常施工，一天内基本可以施工完成强风化层；2）旋挖至中、弱风化层时由于岩质过硬，桩径过大，进尺过慢，采用冲击钻施工（在中、弱硅质等硬质岩石桩基施工）；但由于冲击钻在岩层施工中操作要求较严，易发生质量事故，工序较为繁琐，施工效率慢。且在本工程中由于山区中水源不足，场地有限，使用旋挖钻机用水较多，在水源不足的环境下，采用取芯扩孔施工，先用小钻径钻头进行进尺，然后逐渐增加孔径扩孔，直至设计孔径，根据不同强度的岩层来确定扩孔的次数和直径，具体为：首先一般采用φ0.8米钻头进行取芯施工，在钻径过程中向孔内淋水，降低钻齿的温度，较少磨损；当取芯钻孔日进尺低于5米时开始换大直径钻头进行扩孔，一般直径扩大20~40cm，扩孔过程基本为削石，并且根据现场实际的岩质情况进行确定扩孔的直径，如果岩质过硬扩孔直径小一些，扩孔的效率会比较高；在此直径钻头扩孔至取芯高度时，开始再进一步换大直径钻头扩孔施工，直至达到设计孔径。
8.上述采用旋挖钻机施工的工艺，旋挖钻机钻进中风化岩层有一定的难度，真正的问题是如何提升入岩效率，同时还要降低钻具、钻齿的损耗，以及及时检测维护钻杆，并预防偏孔，因此需要注意以下要点：
①
中风化岩强度较高，钻进时阻力较大，在进尺缓慢或不进尺时，通过单一施加更大的轴压取得进尺，钻具在承受巨大轴压的同时，坚硬的地质阻挡进尺，这样一来导致钻斗径向摇摆画弧，并寻找薄弱点，此时容易造成偏孔；所以在施工中需要控制加压力度，使用双底钻斗时，注意中心导向齿类型选配及其高度，使用筒钻时注意外侧导向条尺寸，并可在钻筒中心加装牙轮导向齿，也可加长筒钻起到强制导向作用；
②
中
风化岩不但强度高，其不同成因的岩石所含的成分及结晶颗粒不同，因此有的中风化岩对钻具，钻齿磨损较为严重；针对此问题，首先需要正确选配钻具钻齿类型，选择高品质钻齿，正确排列分布钻齿，发现钻齿磨损及时更换，以免影响钻进负载，间接影响其它钻齿磨损，加注清水给钻齿降温，防上因高温退火加剧钻齿磨损，同时发觉钻体磨损及时修复。
9.旋挖桩施工还有突出优点是可以较为突出明显的能看到岩层的地质情况，并且根据施工效率来反应岩层地质情况，若在钻进过程中岩层过硬无法钻进，可进行地质钻探勘测地质情况，寻求设计变更。
10.三、旋挖钻机、冲击钻机联合施工，冲击钻机穿越软砂土层施工：一根钻孔桩基础根据不同地层采用两种不同工作原理的钻机设备进行联合施工，充分利用各种设备针对不同地层的优势来达到提高工效，加快成孔，缩短工期，节约成本的目的。在旋挖钻机施工过程中遇到软土砂土层时，极易发生塌孔现象。一般全部采用旋挖钻机施工，但是在软土砂土层注浆加固效果较差，遂采用旋挖钻机联合冲击钻机进行桩基施工；在开始钻机的软土砂层层使用冲击钻机，充分利用冲击钻护壁效果好的作用，进行施工；软砂土层施工完成后，进而专用冲击钻机联合施工，充分加快桩基成孔的施工效率。具体如下：1）桩位放样：根据设计桩位坐标，在现场放样出桩基位置；并在护筒外约1米左右的稳固位置埋设四个护桩，用素砼进行保护，交角大于60度，供随时进行孔位中心的检查；2）钢护筒埋设：由于复杂地形地质复杂，耕种土层厚，桩四周所受荷载（钢筋笼自重、吊车、钻机、水泥罐车等）相比浅桩大的多，因此要求护筒埋设稳固，四周压实，钢板的厚度不少于6mm，具有较强的钢度，能承受桩基施工过程中各种荷载对土的挤压而变形；3）设备检查：对各种钻孔设备及配套附件（如钻锤、钻杆、钻头、钻筒、导管、钢丝绳等）进行仔细的检查，要求性能良好，各项检查指标均需达到相应规范要求；4）地层变化时对施工方法进行调整：前期在软土砂土层时，使用冲击钻；当穿越易塌孔地层时，改为旋挖钻机进行下一步施工，具体如下：
①
泥浆制备：泥浆的比重相对密度不超过1.4，控制清孔后的泥浆指标，用水必须使用不纯物含量少的水，没有饮用水时，进行水质检查；在护筒底下的复杂覆盖层施工大直径钻孔桩时，选用泥浆，根据地质情况、钻机性能、施工经验确定，参照钻井采用的泥浆或添加剂；
②
冲击钻进：在软砂土层冲击时，钻头采用中冲程1.0～2.0m冲击，冲击钻进时，钻机手要随进尺快慢及时放主钢丝绳，使钢丝绳在每次冲击过程中始终处于拉紧状态，既不能少放，也不能多放，放少了，钻头落不到孔底，打空锤，不仅无法获得进尺反而可能造成钢丝绳中断、掉锤；放多了，钻头在落到孔底后会向孔壁倾斜，撞击孔壁造成扩孔。在任何情况下，最大冲程不宜超过6.0m，为正确提升钻锥的冲程，在钢丝绳上作长度标志；针对饱和性粘土、淤泥质粘土，由于此类地层含水高、塑性大，钻头经过后钻孔壁回缩，从而导致钻孔的直径小于设计的桩直径。针对这种情况，在成孔时，加大泵量，加快成孔速度，快速通过，在成孔一段时间后，孔壁形成泥皮而不会渗水，亦不会引起膨胀；如出现缩径，采用上下反复扫孔的办法，以扩大孔径；钻机在成孔过程中，在塌孔、偏孔、缩孔的质量隐患上采取措施，保证钻孔垂直度；且保证连续作业；钻孔垂直度是桩基础施工过程中质量控制的关键环节，是关系到成孔后钢筋笼、导管下放和混凝土灌注等工作能否顺利进行
的关键所在。
11.操作人员除必须认真填写钻孔施工记录，交接班时应详细交代本班组钻进情况及下一班组需要注意的事项，必须连续作业，中途不得停止，如不可避免情况需暂停钻进时应不间断进行孔内泥浆循环。泥浆是超长钻孔灌注桩施工质量好坏的重要环节。性能良好的泥浆失水量小，泥皮薄而密，具有较高的粘结力，对维护孔壁稳定、防止塌孔起很大作用。
12.③
更换旋挖钻机：在软砂土层施工完成后，更换旋挖钻机进行后续地质的施工；在钻进过程中慢放慢提钻杆，轻加压，低速钻进，减少钻进过程中的振动，减少塌孔；钻机在成孔过程中，应在塌孔、偏孔、缩孔等质量隐患上采取一些措施。钻孔垂直度是桩基础施工过程中质量控制的关键环节，是关系到成孔后钢筋笼、导管下放和混凝土灌注等工作能否顺利进行的关键所在。操作人员除必须认真填写钻孔施工记录，交接班时应详细交代本班组钻进情况及下一班组需要注意的事项，必须连续作业，中途不得停止，如不可避免情况需暂停钻进时应不间断进行孔内泥浆循环。泥浆是超长钻孔灌注桩施工质量好坏的重要环节。性能良好的泥浆失水量小，泥皮薄而密，具有较高的粘结力，对维护孔壁稳定、防止塌孔起很大作用。
13.与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种山区复杂地形地质桩基施工工法，其优势主要体现在桩基施工工期和机械设备投入的节约，针对山区施工场地和水源条件的不足，可以充分发挥旋挖钻机干钻的施工优势；针对施工困难易出问题地层，采用合适的加固措施，保证施工进展和质量；针对不同地质，极大的提高了施工效率，为后续桩基施工提供丰富经验，减少人、材、机的投入，提高了成孔率，减少桩基施工返工现象造成较大的浪费，节约成本。
附图说明
14.图1为注浆眼的布置示意图。
具体实施方式
15.以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
16.本实施例是中铁六局承建的勐绿高速公路11标，位于绿春县大黑山镇，桥梁共计8座，单线总长4905米，桩基共计480根，规格尺寸共计9种，最大桩径φ2.5m，最大桩长70m。由于该标段山势险峻，地形高差较大，地质复杂，出现有软土砂土层、砂砾碎石层、强硅质岩等，因此采用了本发明所述的方法进行了施工。
17.一种山区复杂地形地质桩基施工工法，根据地层状况不同，同时也根据不同钻机钻孔的地层类型，施工方法分为如下情形：一、旋挖钻注浆施工，即旋挖钻机穿越碎砾石夹层：在本标段撮落1号大桥施工中，部分桩基地址存在碎砾石层，针对碎砾石层，施工步骤如下：1）前期施工：测量放线，钻孔定位
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设备就位
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安放护筒，使施工符合规范要求，开始后续旋挖进尺；2）碎砾石层注浆加固：旋挖钻机施工具有适用地层广泛、施工效率高优点，但当遇到碎砾石地质时，但由于旋挖钻机施工护壁效果差，极易发生塌孔和缩孔现象；为了充分既
能利用钻挖施工效率高的优点，又能保证成孔的稳定性，对碎砾石地层进行高压旋喷注浆加固。因此具体步骤为：旋挖进尺
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钻孔至碎砾石层，注浆孔布置，根据桩径大小，在桩基周边布置注浆眼，确定注浆深度，设置双排注浆眼，相邻眼净间距保持约在20cm，保证注浆密实稳定；3）钻孔施工：采用全液压多功能工程钻机配合气动冲击器偏心跟管钻进成孔的工艺进行，冲击钻头采用合金球齿偏心钻头，跟进套管采用90mm无缝钢管，丝扣连接，用高风压空压机供风；钻机安放就位后，采取防斜措施，确保孔位垂直度，开始钻进，直至钻过砂砾碎石层至硬质岩层停钻成孔，取出钻具；4）高喷注浆：钻孔结束后，将台车移至孔位；同时将台车孔口摆动装置调整好方向；高喷浆液采用的水泥为p.042.5普通硅酸盐水泥，按照1:1配置水泥浆液；采用高速搅拌槽搅制浆液时，搅拌时间不少于30s；浆液在使用前应充分过滤，自制备到用完的时间应不超过5h；浆液拌制完成后，采用注浆机插孔注浆；将喷头置于孔底，开始旋喷注浆；下喷具前，预先注入膏状泥浆进行喷灌前堵漏；至孔底后，由下向上开始逐步注浆，注浆至碎砾石层处增加注浆时间，保证该处地层结构的稳定性，加强板结效果；高喷灌浆应全孔连续作业；高喷灌浆过程中，出现压力突降或骤增、孔口回浆浓度或回浆量异常的情况时，查明原因，及时处理；5）塌孔处理：若在注浆管下孔过程中，在中间孔径出现微塌现象时，在该处进行注浆，拔出管道后再次进行钻孔，之后下放管道开始注浆；6）注浆完成24小时后，碎砾石层板结完成，旋挖钻机继续开始施工，在旋挖板结的碎砾石层时，适当降低旋挖桩桩头施工速率，穿越该层厚度继续正常施工；二、旋挖钻扩孔施工，旋挖钻机在硬质硅质岩层施工：撮洛3号大桥（k171+590/z1k171+523）桥梁全长326.0m,基础采用直径2.5米的钻孔灌注群桩基础，为端承桩，共计36根，最大桩长70m；1）前期施工：测量放线
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设备就位
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安放护筒，使施工符合规范要求，开始后续旋挖进尺；在桩基旋挖施工中，前面10~15米为强风化岩层，使用旋挖钻机正常施工，一天内基本可以施工完成强风化层；2）旋挖至中、弱风化层时由于岩质过硬，桩径过大，进尺过慢，采用冲击钻施工（在中、弱硅质等硬质岩石桩基施工）；但由于冲击钻在岩层施工中操作要求较严，易发生质量事故，工序较为繁琐，施工效率慢。且在本工程中由于山区中水源不足，场地有限，使用旋挖钻机用水较多，在水源不足的环境下，采用取芯扩孔施工，先用小钻径钻头进行进尺，然后逐渐增加孔径扩孔，直至设计孔径，根据不同强度的岩层来确定扩孔的次数和直径，具体为：首先一般采用φ0.8米钻头进行取芯施工，在钻径过程中向孔内淋水，降低钻齿的温度，较少磨损；当取芯钻孔日进尺低于5米时开始换大直径钻头进行扩孔，一般直径扩大20~40cm，扩孔过程基本为削石，并且根据现场实际的岩质情况进行确定扩孔的直径，如果岩质过硬扩孔直径小一些，扩孔的效率会比较高；在此直径钻头扩孔至取芯高度时，开始再进一步换大直径钻头扩孔施工，直至达到设计孔径。
18.上述采用旋挖钻机施工的工艺，旋挖钻机钻进中风化岩层有一定的难度，真正的问题是如何提升入岩效率，同时还要降低钻具、钻齿的损耗，以及及时检测维护钻杆，并预防偏孔，因此需要注意以下要点：
①
中风化岩强度较高，钻进时阻力较大，在进尺缓慢或不
进尺时，通过单一施加更大的轴压取得进尺，钻具在承受巨大轴压的同时，坚硬的地质阻挡进尺，这样一来导致钻斗径向摇摆画弧，并寻找薄弱点，此时容易造成偏孔；所以在施工中需要控制加压力度，使用双底钻斗时，注意中心导向齿类型选配及其高度，使用筒钻时注意外侧导向条尺寸，并可在钻筒中心加装牙轮导向齿，也可加长筒钻起到强制导向作用；
②
中风化岩不但强度高，其不同成因的岩石所含的成分及结晶颗粒不同，因此有的中风化岩对钻具，钻齿磨损较为严重；针对此问题，首先需要正确选配钻具钻齿类型，选择高品质钻齿，正确排列分布钻齿，发现钻齿磨损及时更换，以免影响钻进负载，间接影响其它钻齿磨损，加注清水给钻齿降温，防上因高温退火加剧钻齿磨损，同时发觉钻体磨损及时修复。
19.旋挖桩施工还有突出优点是可以较为突出明显的能看到岩层的地质情况，并且根据施工效率来反应岩层地质情况，若在钻进过程中岩层过硬无法钻进，可进行地质钻探勘测地质情况，寻求设计变更。
20.三、旋挖钻机、冲击钻机联合施工，冲击钻机穿越软砂土层施工：一根钻孔桩基础根据不同地层采用两种不同工作原理的钻机设备进行联合施工，充分利用各种设备针对不同地层的优势来达到提高工效，加快成孔，缩短工期，节约成本的目的。在旋挖钻机施工过程中遇到软土砂土层时，极易发生塌孔现象。一般全部采用旋挖钻机施工，但是在软土砂土层注浆加固效果较差，遂采用旋挖钻机联合冲击钻机进行桩基施工；在开始钻机的软土砂层层使用冲击钻机，充分利用冲击钻护壁效果好的作用，进行施工；软砂土层施工完成后，进而专用冲击钻机联合施工，充分加快桩基成孔的施工效率。具体如下：1）桩位放样：根据设计桩位坐标，在现场放样出桩基位置；并在护筒外约1米左右的稳固位置埋设四个护桩，用素砼进行保护，交角大于60度，供随时进行孔位中心的检查；2）钢护筒埋设：由于复杂地形地质复杂，耕种土层厚，桩四周所受荷载（钢筋笼自重、吊车、钻机、水泥罐车等）相比浅桩大的多，因此要求护筒埋设稳固，四周压实，钢板的厚度不少于6mm，具有较强的钢度，能承受桩基施工过程中各种荷载对土的挤压而变形；3）设备检查：对各种钻孔设备及配套附件（如钻锤、钻杆、钻头、钻筒、导管、钢丝绳等）进行仔细的检查，要求性能良好，各项检查指标均需达到相应规范要求；4）地层变化时对施工方法进行调整：前期在软土砂土层时，使用冲击钻；当穿越易塌孔地层时，改为旋挖钻机进行下一步施工，具体如下：
①
泥浆制备：泥浆的比重相对密度不超过1.4，控制清孔后的泥浆指标，用水必须使用不纯物含量少的水，没有饮用水时，进行水质检查；在护筒底下的复杂覆盖层施工大直径钻孔桩时，选用泥浆，根据地质情况、钻机性能、施工经验确定，参照钻井采用的泥浆或添加剂；
②
冲击钻进：在软砂土层冲击时，钻头采用中冲程1.0～2.0m冲击，冲击钻进时，钻机手要随进尺快慢及时放主钢丝绳，使钢丝绳在每次冲击过程中始终处于拉紧状态，既不能少放，也不能多放，放少了，钻头落不到孔底，打空锤，不仅无法获得进尺反而可能造成钢丝绳中断、掉锤；放多了，钻头在落到孔底后会向孔壁倾斜，撞击孔壁造成扩孔。在任何情况下，最大冲程不宜超过6.0m，为正确提升钻锥的冲程，在钢丝绳上作长度标志；针对饱和性粘土、淤泥质粘土，由于此类地层含水高、塑性大，钻头经过后钻孔壁回缩，从而导致钻孔的直径小于设计的桩直径。针对这种情况，在成孔时，加大泵量，加快成
孔速度，快速通过，在成孔一段时间后，孔壁形成泥皮而不会渗水，亦不会引起膨胀；如出现缩径，采用上下反复扫孔的办法，以扩大孔径；钻机在成孔过程中，在塌孔、偏孔、缩孔的质量隐患上采取措施，保证钻孔垂直度；且保证连续作业；钻孔垂直度是桩基础施工过程中质量控制的关键环节，是关系到成孔后钢筋笼、导管下放和混凝土灌注等工作能否顺利进行的关键所在。
21.操作人员除必须认真填写钻孔施工记录，交接班时应详细交代本班组钻进情况及下一班组需要注意的事项，必须连续作业，中途不得停止，如不可避免情况需暂停钻进时应不间断进行孔内泥浆循环。泥浆是超长钻孔灌注桩施工质量好坏的重要环节。性能良好的泥浆失水量小，泥皮薄而密，具有较高的粘结力，对维护孔壁稳定、防止塌孔起很大作用。
22.③
更换旋挖钻机：在软砂土层施工完成后，更换旋挖钻机进行后续地质的施工；在钻进过程中慢放慢提钻杆，轻加压，低速钻进，减少钻进过程中的振动，减少塌孔；钻机在成孔过程中，应在塌孔、偏孔、缩孔等质量隐患上采取一些措施。钻孔垂直度是桩基础施工过程中质量控制的关键环节，是关系到成孔后钢筋笼、导管下放和混凝土灌注等工作能否顺利进行的关键所在。操作人员除必须认真填写钻孔施工记录，交接班时应详细交代本班组钻进情况及下一班组需要注意的事项，必须连续作业，中途不得停止，如不可避免情况需暂停钻进时应不间断进行孔内泥浆循环。泥浆是超长钻孔灌注桩施工质量好坏的重要环节。性能良好的泥浆失水量小，泥皮薄而密，具有较高的粘结力，对维护孔壁稳定、防止塌孔起很大作用。
23.本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。