卵石砂巖層中地下連續(xù)墻成槽時的泥漿護壁技術*

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200433

1 工程概況

蘭州鴻運金茂項目一期工程是蘭州乃至整個西北地區(qū)的地標性建筑，主樓高度250 m，為西北地區(qū)第一高樓。塔樓區(qū)域地下4層區(qū)域開挖深度分別為23.6 m和22.4 m，裙樓區(qū)域開挖深度為21.6 m，其基坑開挖深度目前來說在整個西北地區(qū)也是最深的。本工程基坑開挖階段圍護結構采用地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻共97 幅，墻厚度均為800 mm，采用液壓抓斗進行成槽施工，這是蘭州乃至整個西北地區(qū)首次施作地下連續(xù)墻，相應的也是首次使用地下連續(xù)墻成槽護壁泥漿，具有開拓性的意義。

本工程地層和東部沿海地區(qū)有顯著差異，場地土質(zhì)較差，土體含砂量大。淺部土層有②層粉砂層（層厚0.30～2.80 m）和③層卵石層（層厚1.80～10.60 m），土層滲透系數(shù)大，透水性強。地下連續(xù)墻墻趾坐落于④層砂巖層，該層具有“遇水軟化、擾動后強度降低，特別是在有水情況下擾動后強度急劇降低”的特征，且該層分布全場地，埋深較深。本工程地下水埋深較淺，上層滯水水位為地表以下0.5～2.5 m，且無統(tǒng)一穩(wěn)定的水位面；地下孔隙潛水水位在地表以下3.2～4.3 m，且該類含水層滲透性好、水量大。

在高地下水位、高含水量的卵石砂巖層這種地層中進行地下連續(xù)墻施工，存在較多不穩(wěn)定和不確定因素，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（a）在這些地層中施工地下連續(xù)墻易導致泥漿漏失，從而導致槽壁失穩(wěn)坍塌，會造成后續(xù)灌注混凝土充盈系數(shù)增大，使墻體出現(xiàn)突出，給后期基坑開挖帶來困難；

（b）地下水位過高、穩(wěn)定水位埋深淺易導致地下連續(xù)墻成槽階段泥漿液面與地下水位面的差值偏小，泥漿對槽壁的支撐壓力較小，影響泥皮形成，不利于槽壁穩(wěn)定；

（c）在飽和含水砂層中施工極易發(fā)生涌水、涌砂等工程災害，當?shù)叵聺撍?、水流較大時，不僅會稀釋泥漿，而且也容易引起槽壁坍塌；

（d）在富水砂層中進行泥漿循環(huán)成槽施工，由于地下水、砂粒可能混入泥漿中，會引起泥漿性能惡化，對槽壁的穩(wěn)定又增加了新的不確定性因素。

2 泥漿的護壁機理

泥漿的護壁機理實際上是靜力平衡原理，即槽段內(nèi)的泥漿壓力等于或高于所在地層的地下水壓力和土體側壓力[1-3]。泥漿具有一定的相對密度，如槽內(nèi)泥漿液面高出地下水位一定高度，泥漿在槽內(nèi)就對槽壁產(chǎn)生一定的靜水壓力，可抵抗作用在槽壁上的側土壓力和水壓力，相當于一種液體支撐，可防止槽壁坍塌和剝落，并防止地下水滲入[4]。同時，泥漿在槽壁內(nèi)由于壓差作用滲入槽壁土體中，其中較細的顆粒進入孔隙中，較粗的附在槽壁表面而形成一層透水性很低的固體顆粒膠結物——泥皮，從而可使泥漿的靜水壓力有效地作用于槽壁上。此時泥漿與砂礫石層被泥皮隔開，泥漿水不再進入地層，地下水也不進入槽段中稀釋泥漿，最終達到平衡，泥漿所產(chǎn)生的側壓力通過泥皮作用在孔壁上，保證了槽壁的穩(wěn)定。

泥漿的護壁機理雖然簡單，但在地下連續(xù)墻實際工程過程中由于影響因素錯綜復雜，在泥漿的使用和管理上普遍存在一定的問題，具體表現(xiàn)為： 泥漿不能合理配制與充分使用， 致使槽壁坍塌縮徑、成槽效率低、容易發(fā)生質(zhì)量安全事故、造成環(huán)境污染等[5]。在對泥漿的護壁機理有所掌握的基礎上，對成槽護壁泥漿的性能及使用過程能有效的掌控才是確保槽壁穩(wěn)定的關鍵。一種良好的護壁泥漿應具備物理穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、適當相對密度、良好的觸變性和泥皮形成性。

3 泥漿性能指標和材料配比

配制泥漿時應首先根據(jù)地質(zhì)條件確定泥漿的相關性能指標。一般應根據(jù)選定的指標，以最容易坍塌的土層為控制對象確定泥漿的配方，本工程第③卵石層和第④砂巖層是泥漿配制需要關注的重點。

對與背景工程相似的地質(zhì)條件下地下連續(xù)墻成槽護壁泥漿進行調(diào)研，希望能找到一些可供參考和借鑒的經(jīng)驗。通過調(diào)研得知，關于卵石層地下連續(xù)墻泥漿都是采用的膨潤土泥漿，其指標新漿相對密度控制在1.10之內(nèi)，黏度控制在24 s以內(nèi)，含砂率控制在4%以內(nèi)。

本次泥漿配比試驗共有3 種材料：一是山東濰坊出產(chǎn)的泥漿材料，直接加水攪拌即可；二是德國泥漿材料，直接加水攪拌即可；三是使用膨潤土、CMC、堿等自己配制泥漿。因德國材料價格比較昂貴，泥漿成本較高，且由于是第一次在卵石層砂巖地層使用泥漿，無經(jīng)驗無先例，泥漿材料廠家配好的泥漿應用于該地層不一定有適用性和針對性，因而傾向于自己配制。

由于蘭州以前未做過地下連續(xù)墻，甘肅省亦無地下連續(xù)墻相關的規(guī)范標準，無相應的泥漿指標可參考。在孔隙度大、易漏失的砂卵石層中成槽，泥漿的失水量不必控制得太嚴，保持一定的失水量，對護壁泥皮的形成是有必要的。但失水量過大，又易導致泥皮疏松、泥皮過厚，對成槽護壁反而不利。在易漏失的卵石地層中時，泥皮厚度比在軟土地層中略厚一些即可，因此泥漿的失水量和泥皮厚度等控制指標相對于軟土地層有一定的放大。本次試驗新配置泥漿的相關指標參照表1所示。

表1 試驗新配泥漿控制指標

經(jīng)過大量的試驗比選，推薦表2所示的2 種材料配比供工程項目上比選使用。項目上正式施工的配比還可根據(jù)項目現(xiàn)場實際試用情況進行調(diào)整。

表2 試驗推薦配比

4 護壁泥漿的現(xiàn)場應用

4.1 試成槽階段護壁泥漿應用

地下連續(xù)墻正式施工前須進行槽段的非原位試驗成槽施工。試成槽過程中須對槽壁穩(wěn)定性、成渣厚度、泥漿各項指標進行檢測，通過試成槽試驗確定一套地下連續(xù)墻的施工參數(shù)，以指導后期地下連續(xù)墻的施工。本工程試成槽位置選在基坑內(nèi)遠離主體地下連續(xù)墻位置，試驗槽段寬度為4.0 m，厚度取800 mm，槽段深度由現(xiàn)場成槽實際情況確定。

本文主要是對試成槽階段的泥漿性能等指標進行測試研究，一共進行了2 次試成槽，第1次試成槽時的泥漿配比采用配比試驗確定的水∶膨潤土∶CMC∶堿=1 000∶80∶1∶3。第1次試成槽深度31 m，成槽過程中泥漿性能指標控制較好，從槽段成槽完畢至回填混凝土之前，槽段靜置約24 h，據(jù)超聲波測壁儀檢測出的圖像反映，靜置過程中槽壁幾乎無塌方情況。最終槽底沉渣挖出后觀察，也并無卵石，說明在泥漿護壁作用下卵石層并未坍塌到槽段之中。

在槽段靜置24 h后，進行槽段內(nèi)水下混凝土澆筑施工。發(fā)現(xiàn)在第1車混凝土（8 m3）澆筑下去后，再澆筑第2車混凝土時，混凝土澆筑速度明顯變緩，出現(xiàn)混凝土置換泥漿困難的現(xiàn)象，測試槽段內(nèi)泥漿，其黏度超過40 s，出現(xiàn)了顯著增大的跡象。經(jīng)過分析，認為泥漿惡化的可能原因是：水泥漿中的Ca2+離子、地下水或土壤中的K+離子或Mg2+離子混入泥漿，使泥漿相對密度增大，黏度和凝膠化傾向增大，使膨潤土凝聚而泥水分離，使泥漿由分散轉為聚結，泥皮的形成能力也會降低。

在這種情況下，決定進行第2次試成槽，第2次試成槽在第1次的基礎上略為調(diào)整配比，減少CMC用量，把泥漿黏度降低一些，同時多加一定量的堿能更好地起到分散作用，使泥漿的分散性能更好。第2次試成槽時的泥漿配比采用水：膨潤土∶CMC∶堿=1 000∶80∶0.8∶4。在成槽開始前，對泥漿池的泥漿性能指標進行了測試，測試結果如表3所示。

表3 泥漿池泥漿測試結果

圖1 泥漿池泥漿形成的泥皮

開始進行第2次試成槽，成槽深度25 m，成槽的每個階段都進行了泥漿性能指標的測試，成槽至不同深度（10 m、15 m、20 m、25 m）分別測試槽段內(nèi)槽底以上2 m處的泥漿性能指標，成槽結束靜置24 h再澆筑混凝土。在靜置階段每間隔4 h取槽底以上2 m處的泥漿性能指標測試，澆筑完2 車（16 m3）混凝土取混凝土面以上2 m處泥漿，以及澆筑完混凝土取表層泥漿分別進行測試。測試結果看出，泥漿黏度、相對密度、含砂率會隨著成槽深度的增加逐漸增加，但總體趨勢趨于平穩(wěn)。在澆筑混凝土時，也未出現(xiàn)突然增加的跡象，反而略有下降。試成槽階段槽段中泥漿的黏度、相對密度、含砂率都存在偏大的現(xiàn)象，這和試成槽未進行清基有關，在正式成槽施工時是要進行清基后再行澆筑混凝土的，且正式成槽施工的循環(huán)泥漿是要配備除砂機進行除砂的，故正式成槽施工時清基后槽段中泥漿的黏度、相對密度、含砂率等值和試成槽相比會有一定的下降。正式成槽時泥漿配比按此次試成槽時的泥漿配比取定。

4.2 正式成槽階段護壁泥漿應用

在正式成槽施工時，根據(jù)本工程地質(zhì)情況及試驗成槽的經(jīng)驗積累，泥漿性能控制指標見表4所示。

表4 泥漿控制指標

在該工程97 幅地下連續(xù)墻施工過程中，對新拌制泥漿不定期的抽檢，根據(jù)抽檢情況，新漿相對密度控制在1.1～1.15，黏度控制在20 s左右。在每幅地下連續(xù)墻撩抓法清基后取槽底以上2 m處泥漿進行性能指標的測試，以便對泥漿使用情況有所掌控，測試結果如圖2 ～圖4所示。

從上述圖中可看出，在土體含砂量大的情況下，所有槽段的泥漿相對密度都位于1.10～1.20之間，除極個別槽段泥漿黏度和含砂率偏大外，其余槽段泥漿黏度都位于20～30 s之間，泥漿含砂率絕大部分位于7%以下，這說明在施工的過程中的泥漿性能指標都在可控范圍之內(nèi)。

圖2 各槽段泥漿黏度曲線

圖3 各槽段泥漿相對密度曲線

圖4 各槽段泥漿含砂率曲線

5 結語

該工程97 幅地下連續(xù)墻已全部順利完工，地下連續(xù)墻施工充盈系數(shù)在1.03左右，從側面印證了在成槽施工的過程中基本沒有出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，這對于在卵石砂巖地層中進行施工是極其難得的。從開挖的情況來看，地下連續(xù)墻成槽質(zhì)量良好，前面平整，幾乎無墻面大肚皮現(xiàn)象。在工程地下水埋深較淺，且該類含水層滲透性好、水量大的情況下，本工程在未做外圍高壓旋噴止水的情況下，滲水點及滲水量都極其微小。此次在西北地區(qū)卵石砂巖地層中的成功應用具有示范意義，對在后續(xù)該種地質(zhì)情況下成槽時泥漿護壁使用將起到借鑒作用。