流沙地層防滲墻抓斗成槽關(guān)鍵技術(shù)探究

□陳敦剛（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司）

1 工程概況

鄭州引黃灌溉龍湖調(diào)蓄工程（龍湖工程）位于河南省鄭州市鄭東新區(qū)，主要分為引水工程、龍湖調(diào)蓄池工程和出口控制閘工程等3 大部分。龍湖調(diào)蓄池水域面積約5.60km2，正常蓄水位為85.50m，平均水深4.50m，最大水深7.00m，總庫(kù)容為2680 萬m3。

龍湖調(diào)蓄池是龍湖水系的主體水域，湖體防滲工程是成湖工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一方面，防滲體要能有效地控制池體滲漏量，以便能夠蓄水成湖；另一方面，防滲體滲透系數(shù)不能太小，以利于湖內(nèi)水體與地下水相互交換，防止出現(xiàn)各種生態(tài)環(huán)境問題。因此要求防滲體的滲透系數(shù)應(yīng)具有可控性，達(dá)到適度防滲的目的。

2 工程地質(zhì)條件

防滲墻軸線地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）和上更新統(tǒng)沖積層（Q3al）。根據(jù)地層成因類型、巖性及工程地質(zhì)特性不同，地層劃分為5 層。①層：以壤土（L）、砂壤土（SL）為主，局部地段上覆人工填土,下部夾有細(xì)砂（Sx）、粉細(xì)砂（Sis）及粘土（CL）薄層或透鏡體。②層：以細(xì)砂（Sx）、粉細(xì)砂（Sis）為主，本層夾有砂壤土（SL）、壤土（L）及中砂（Sz）薄層或透鏡體。③層：以砂壤土（SL）、壤土（L）為主，局部夾有粘土（CL）透鏡體。④層：以中砂（Sz）、細(xì)砂（Sx）為主，局部含鈣質(zhì)結(jié)核和小礫石。本層夾有壤土（L）及粉細(xì)砂（Sis）薄層或透鏡體。⑤層：以壤土（L）為主，局部夾砂壤土（SL）、粉質(zhì)粘土（CL）、細(xì)砂（Sx）薄層或透鏡體。

3 流沙地層成槽開挖存在問題分析

防滲墻成槽開挖試驗(yàn)施工過程中發(fā)現(xiàn)，受地下水影響，采用常規(guī)泥漿固壁施工時(shí)，砂土層開挖擾動(dòng)易形成流沙狀態(tài)，槽內(nèi)泥漿懸浮泥沙含量大，成槽開挖后1h 槽底淤積即可達(dá)2～3m，個(gè)別槽段槽底沉淀的淤積達(dá)到5～6m 以上。因此，對(duì)泥漿制漿采取相應(yīng)措施，使解決槽孔固壁穩(wěn)定、提高槽段清孔換漿工效成為關(guān)鍵點(diǎn)。

第一，從砂土地層固壁效果來看，采用濃度較大的泥漿，便于槽壁泥皮的形成，且泥漿濃度大，形成的槽內(nèi)外水壓差較大，便于砂土地層開挖成槽安全，但與此相對(duì)應(yīng)的是泥砂懸浮不易沉淀，對(duì)清孔換漿造成困難；采用濃度較小的泥漿時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)不易在槽壁形成較厚的泥皮，在成槽開挖過程中增加了塌孔的風(fēng)險(xiǎn)，但槽孔內(nèi)泥砂沉淀時(shí)間短，清孔換漿容易。

第二，流砂地層開挖過程中，槽內(nèi)泥砂相對(duì)較多，槽孔開挖完成后，槽底將形成較厚的泥砂沉淀物，需要進(jìn)行多次打撈，并易造成槽孔超深。

第三，槽底泥砂沉積層密度大，采取泵吸法清除槽底泥砂存在較大難度。

第四，在抓斗斗體上設(shè)置必要的排氣孔，可以提高抓斗一次打撈沉淀量，但要防止抓斗打撈的沉淀砂從排氣孔內(nèi)流出，降低清孔效果。

4 防滲墻泥漿護(hù)壁成槽機(jī)理分析

4.1 泥漿的組成

泥漿是粘土顆粒分散在水中的懸浮液，是軟基地層穩(wěn)定成孔（槽）固壁不可缺少的介質(zhì)材料。固壁泥漿一般由水、粘土、膨潤(rùn)土及化學(xué)處理劑組成。粘土是泥漿中的主要固相成分，其顆粒粒徑大多數(shù)<0.05×10-1mm，它具有帶電、吸附離子、水化膨脹以及分散或絮凝等性能。為了改善泥漿的性能，加入化學(xué)處理劑，以滿足不同工藝的要求。

4.2 泥漿的功能

泥漿的正確使用和泥漿性能的控制是泥漿護(hù)壁挖槽法成敗的關(guān)鍵。①防止槽壁坍塌：泥漿的漿柱壓力可抵抗槽壁上的土壓力和水壓力，并防止地下水滲入槽內(nèi)；同時(shí)，在槽壁表面形成泥皮，減少槽壁坍塌的可能性。②防止?jié)B漏：防滲墻在施工的過程中，孔內(nèi)泥漿在漿柱壓力的作用下注入地層，堵塞滲漏通道，防止泥漿漏失，使施工能順利進(jìn)行。靜止?fàn)顟B(tài)的泥漿在受壓脫水后，具有較高的抗?jié)B性能，防滲墻與兩側(cè)的泥皮和泥漿滲入帶共同起防滲作用提高了防滲墻的整體防滲效果。③懸浮和攜帶鉆碴，清洗孔底，提高鉆進(jìn)工效，使造孔挖槽施工有效地進(jìn)行。④冷卻鉆具，防止鉆頭過早磨損。

5 流砂地層防滲墻成槽施工主要控制措施

5.1 優(yōu)化泥漿配合比

泥漿護(hù)壁被廣泛利用于地下連續(xù)墻成槽、鉆孔灌注樁成孔及鉆井等施工中，泥漿應(yīng)具有一定的造膜性、理化穩(wěn)定性、流動(dòng)性和適當(dāng)?shù)拿芏?。為加快泥漿中砂?？焖俪恋?，縮小清孔等待沉淀時(shí)間，按照規(guī)范要求，比重控制不小于規(guī)范要求的最低標(biāo)準(zhǔn)1.05。為了彌補(bǔ)泥漿因濃度小而造成泥皮形成時(shí)間過長(zhǎng)的缺陷，采用添加增粘劑促進(jìn)泥漿固壁效果。試驗(yàn)段施工過程中，經(jīng)過對(duì)泥漿配比的多次調(diào)試，泥漿制漿時(shí)，每立方漿材添加增粘劑0.50kg，減少15kg 膨潤(rùn)土，使泥漿達(dá)到了較優(yōu)效果。優(yōu)化后泥漿配比見表1。

表1 優(yōu)化后泥漿配比表

優(yōu)化后的泥漿護(hù)壁效果良好，同時(shí)加快了泥漿中砂的沉淀，槽內(nèi)泥砂沉淀時(shí)間由原來的6-8h 縮小到2-3h，為及時(shí)清孔爭(zhēng)取了時(shí)間，提高了施工工效。

5.2 采取綜合清孔換漿方式，提高工效

流砂地層成槽開挖過程中，槽孔內(nèi)泥砂含量相對(duì)較大，沉淀打撈、槽孔內(nèi)泥漿換漿難度較大。為此，結(jié)合鄭州龍湖防滲墻成槽特點(diǎn)。制定了抓斗打撈沉淀為主，槽孔內(nèi)漿液置換為輔的綜合清孔換漿方式。

一是對(duì)槽底沉淀物進(jìn)行分析判別，使用抓斗進(jìn)行槽孔開挖時(shí)，槽孔內(nèi)沉淀形成上部為比重較小的粉砂層，下部為比重較大的粗細(xì)砂層，為此需要根據(jù)槽孔內(nèi)的沉淀情況據(jù)實(shí)采取打撈、泵吸工序組合方式清孔換漿，或泵吸清孔（懸浮粉砂清除）、打撈、再泵吸清孔換漿的組合方式。

二是采用液壓抓斗對(duì)槽內(nèi)沉淀進(jìn)行打撈時(shí)，采取在槽底預(yù)留30～50cm 壤土保護(hù)層，在撈取沉淀清孔時(shí)，作為兜底物將沉淀砂托底全部帶出。

三是槽底沉淀深度超過3m 時(shí)，先采取砂吸法清除槽底懸浮的粉砂層，然后采取抓斗抓取槽底較致密的粗細(xì)砂沉積層。槽底沉淀深度<3m 時(shí)，直接采取選抓斗打撈的方式清孔，然后將砂石泵下入孔底，進(jìn)行兩次清孔并完成槽孔內(nèi)換漿。

5.3 撈取沉淀時(shí)，一次輕放到抓取位置、一次抓取成功

抓斗斗體在槽內(nèi)開斗閉斗活動(dòng)次數(shù)多，會(huì)使沉淀的泥沙因擾動(dòng)再次混入泥漿中，造成抓取困難，增加換漿時(shí)間。撈取沉淀時(shí)，采取輕放慢抓的方式進(jìn)行。即一次慢放到抓取位置，慢開慢閉斗體，再慢慢往上提斗，避免抓斗在槽內(nèi)擾動(dòng)沉淀，從而提高清孔工效。

5.4 對(duì)液壓抓斗排氣孔改進(jìn)

液壓抓斗斗體設(shè)計(jì)時(shí)，因考慮常規(guī)狀態(tài)施工，設(shè)置排氣孔多、且直徑相對(duì)較大。在本工程清孔時(shí)大量細(xì)沙從排氣孔隨斗內(nèi)泥漿一起流入槽內(nèi)，導(dǎo)致清孔不徹底。通過在斗體排氣孔設(shè)置濾網(wǎng)，有效防止了斗體內(nèi)細(xì)砂流入槽中，從而提高了清孔工效。通過監(jiān)測(cè)，清孔結(jié)束后槽內(nèi)無明顯淤積厚度，槽底懸浮的粉細(xì)砂可通過泵吸換漿方式達(dá)到換漿漿液標(biāo)準(zhǔn)。

5.5 在連通槽內(nèi)設(shè)置沉淀坎，防止相鄰槽段開挖過程中泥砂進(jìn)入

在清孔槽段兩側(cè)設(shè)置沉淀坎，防止其相鄰正在抓槽的槽段循環(huán)泥漿內(nèi)的細(xì)砂進(jìn)入清孔槽段內(nèi)，從而減少清孔時(shí)間。通過對(duì)清孔槽段實(shí)施相對(duì)封閉，清孔槽段內(nèi)淤積約減少50～100cm，減少了清孔工作量，從而提高了清孔工效。

6 泥漿護(hù)壁成槽效果分析

成槽固壁和清孔采用高粘度、低比重泥漿，便于成槽時(shí)槽壁泥皮的形成，同時(shí)，因漿液比重小，便于槽孔內(nèi)泥砂在較短的時(shí)間內(nèi)沉淀；清孔采取兩次清孔方式，一次清孔時(shí)，槽底預(yù)留30～50cm 壤土層作為清孔兜底，避免了抓斗咬合不到位時(shí)斗體內(nèi)泥砂大量外泄、延長(zhǎng)清孔作用時(shí)間；采用液壓抓斗由槽段一側(cè)向另一側(cè)順序進(jìn)行，采用“三抓五清”方式，便于槽孔清底徹底；抓斗清孔結(jié)束后，采取泵吸反循環(huán)方式進(jìn)行2 次清孔，實(shí)現(xiàn)槽孔內(nèi)換漿達(dá)標(biāo)，提高了工效，且成槽清孔效果較好。

7 結(jié)語

鄭州龍湖防滲墻成槽施工中采用低比重、高粘度的泥漿，確保了成槽安全，提高了槽孔清孔速度，低比重泥漿也保證了塑性混凝土澆筑速度的提高。本工程通過添加外加劑改善泥漿性能，提高施工工效，在流沙地層防滲墻成槽施工中值得推廣應(yīng)用。

[1]陶士先，李曉冬，吳召民，等.強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系的研究與應(yīng)用[J].地質(zhì)與勘探，2014（6）.

[2]李曉芬.水基防塌鉆井液在大慶松科1 井的應(yīng)用研究[D].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2008.