卵石砂岩层中地下连续墙成槽时的泥浆护壁技术*

上海市基础工程集团有限公司 上海 200433

1 工程概况

兰州鸿运金茂项目一期工程是兰州乃至整个西北地区的地标性建筑，主楼高度250 m，为西北地区第一高楼。塔楼区域地下4层区域开挖深度分别为23.6 m和22.4 m，裙楼区域开挖深度为21.6 m，其基坑开挖深度目前来说在整个西北地区也是最深的。本工程基坑开挖阶段围护结构采用地下连续墙，地下连续墙共97 幅，墙厚度均为800 mm，采用液压抓斗进行成槽施工，这是兰州乃至整个西北地区首次施作地下连续墙，相应的也是首次使用地下连续墙成槽护壁泥浆，具有开拓性的意义。

本工程地层和东部沿海地区有显著差异，场地土质较差，土体含砂量大。浅部土层有②层粉砂层（层厚0.30～2.80 m）和③层卵石层（层厚1.80～10.60 m），土层渗透系数大，透水性强。地下连续墙墙趾坐落于④层砂岩层，该层具有“遇水软化、扰动后强度降低，特别是在有水情况下扰动后强度急剧降低”的特征，且该层分布全场地，埋深较深。本工程地下水埋深较浅，上层滞水水位为地表以下0.5～2.5 m，且无统一稳定的水位面；地下孔隙潜水水位在地表以下3.2～4.3 m，且该类含水层渗透性好、水量大。

在高地下水位、高含水量的卵石砂岩层这种地层中进行地下连续墙施工，存在较多不稳定和不确定因素，主要表现在以下几个方面：

（a）在这些地层中施工地下连续墙易导致泥浆漏失，从而导致槽壁失稳坍塌，会造成后续灌注混凝土充盈系数增大，使墙体出现突出，给后期基坑开挖带来困难；

（b）地下水位过高、稳定水位埋深浅易导致地下连续墙成槽阶段泥浆液面与地下水位面的差值偏小，泥浆对槽壁的支撑压力较小，影响泥皮形成，不利于槽壁稳定；

（c）在饱和含水砂层中施工极易发生涌水、涌砂等工程灾害，当地下潜水水量、水流较大时，不仅会稀释泥浆，而且也容易引起槽壁坍塌；

（d）在富水砂层中进行泥浆循环成槽施工，由于地下水、砂粒可能混入泥浆中，会引起泥浆性能恶化，对槽壁的稳定又增加了新的不确定性因素。

2 泥浆的护壁机理

泥浆的护壁机理实际上是静力平衡原理，即槽段内的泥浆压力等于或高于所在地层的地下水压力和土体侧压力[1-3]。泥浆具有一定的相对密度，如槽内泥浆液面高出地下水位一定高度，泥浆在槽内就对槽壁产生一定的静水压力，可抵抗作用在槽壁上的侧土压力和水压力，相当于一种液体支撑，可防止槽壁坍塌和剥落，并防止地下水渗入[4]。同时，泥浆在槽壁内由于压差作用渗入槽壁土体中，其中较细的颗粒进入孔隙中，较粗的附在槽壁表面而形成一层透水性很低的固体颗粒胶结物——泥皮，从而可使泥浆的静水压力有效地作用于槽壁上。此时泥浆与砂砾石层被泥皮隔开，泥浆水不再进入地层，地下水也不进入槽段中稀释泥浆，最终达到平衡，泥浆所产生的侧压力通过泥皮作用在孔壁上，保证了槽壁的稳定。

泥浆的护壁机理虽然简单，但在地下连续墙实际工程过程中由于影响因素错综复杂，在泥浆的使用和管理上普遍存在一定的问题，具体表现为： 泥浆不能合理配制与充分使用， 致使槽壁坍塌缩径、成槽效率低、容易发生质量安全事故、造成环境污染等[5]。在对泥浆的护壁机理有所掌握的基础上，对成槽护壁泥浆的性能及使用过程能有效的掌控才是确保槽壁稳定的关键。一种良好的护壁泥浆应具备物理稳定性、化学稳定性、适当相对密度、良好的触变性和泥皮形成性。

3 泥浆性能指标和材料配比

配制泥浆时应首先根据地质条件确定泥浆的相关性能指标。一般应根据选定的指标，以最容易坍塌的土层为控制对象确定泥浆的配方，本工程第③卵石层和第④砂岩层是泥浆配制需要关注的重点。

对与背景工程相似的地质条件下地下连续墙成槽护壁泥浆进行调研，希望能找到一些可供参考和借鉴的经验。通过调研得知，关于卵石层地下连续墙泥浆都是采用的膨润土泥浆，其指标新浆相对密度控制在1.10之内，黏度控制在24 s以内，含砂率控制在4%以内。

本次泥浆配比试验共有3 种材料：一是山东潍坊出产的泥浆材料，直接加水搅拌即可；二是德国泥浆材料，直接加水搅拌即可；三是使用膨润土、CMC、碱等自己配制泥浆。因德国材料价格比较昂贵，泥浆成本较高，且由于是第一次在卵石层砂岩地层使用泥浆，无经验无先例，泥浆材料厂家配好的泥浆应用于该地层不一定有适用性和针对性，因而倾向于自己配制。

由于兰州以前未做过地下连续墙，甘肃省亦无地下连续墙相关的规范标准，无相应的泥浆指标可参考。在孔隙度大、易漏失的砂卵石层中成槽，泥浆的失水量不必控制得太严，保持一定的失水量，对护壁泥皮的形成是有必要的。但失水量过大，又易导致泥皮疏松、泥皮过厚，对成槽护壁反而不利。在易漏失的卵石地层中时，泥皮厚度比在软土地层中略厚一些即可，因此泥浆的失水量和泥皮厚度等控制指标相对于软土地层有一定的放大。本次试验新配置泥浆的相关指标参照表1所示。

表1 试验新配泥浆控制指标

经过大量的试验比选，推荐表2所示的2 种材料配比供工程项目上比选使用。项目上正式施工的配比还可根据项目现场实际试用情况进行调整。

表2 试验推荐配比

4 护壁泥浆的现场应用

4.1 试成槽阶段护壁泥浆应用

地下连续墙正式施工前须进行槽段的非原位试验成槽施工。试成槽过程中须对槽壁稳定性、成渣厚度、泥浆各项指标进行检测，通过试成槽试验确定一套地下连续墙的施工参数，以指导后期地下连续墙的施工。本工程试成槽位置选在基坑内远离主体地下连续墙位置，试验槽段宽度为4.0 m，厚度取800 mm，槽段深度由现场成槽实际情况确定。

本文主要是对试成槽阶段的泥浆性能等指标进行测试研究，一共进行了2 次试成槽，第1次试成槽时的泥浆配比采用配比试验确定的水∶膨润土∶CMC∶碱=1 000∶80∶1∶3。第1次试成槽深度31 m，成槽过程中泥浆性能指标控制较好，从槽段成槽完毕至回填混凝土之前，槽段静置约24 h，据超声波测壁仪检测出的图像反映，静置过程中槽壁几乎无塌方情况。最终槽底沉渣挖出后观察，也并无卵石，说明在泥浆护壁作用下卵石层并未坍塌到槽段之中。

在槽段静置24 h后，进行槽段内水下混凝土浇筑施工。发现在第1车混凝土（8 m3）浇筑下去后，再浇筑第2车混凝土时，混凝土浇筑速度明显变缓，出现混凝土置换泥浆困难的现象，测试槽段内泥浆，其黏度超过40 s，出现了显著增大的迹象。经过分析，认为泥浆恶化的可能原因是：水泥浆中的Ca2+离子、地下水或土壤中的K+离子或Mg2+离子混入泥浆，使泥浆相对密度增大，黏度和凝胶化倾向增大，使膨润土凝聚而泥水分离，使泥浆由分散转为聚结，泥皮的形成能力也会降低。

在这种情况下，决定进行第2次试成槽，第2次试成槽在第1次的基础上略为调整配比，减少CMC用量，把泥浆黏度降低一些，同时多加一定量的碱能更好地起到分散作用，使泥浆的分散性能更好。第2次试成槽时的泥浆配比采用水：膨润土∶CMC∶碱=1 000∶80∶0.8∶4。在成槽开始前，对泥浆池的泥浆性能指标进行了测试，测试结果如表3所示。

表3 泥浆池泥浆测试结果

图1 泥浆池泥浆形成的泥皮

开始进行第2次试成槽，成槽深度25 m，成槽的每个阶段都进行了泥浆性能指标的测试，成槽至不同深度（10 m、15 m、20 m、25 m）分别测试槽段内槽底以上2 m处的泥浆性能指标，成槽结束静置24 h再浇筑混凝土。在静置阶段每间隔4 h取槽底以上2 m处的泥浆性能指标测试，浇筑完2 车（16 m3）混凝土取混凝土面以上2 m处泥浆，以及浇筑完混凝土取表层泥浆分别进行测试。测试结果看出，泥浆黏度、相对密度、含砂率会随着成槽深度的增加逐渐增加，但总体趋势趋于平稳。在浇筑混凝土时，也未出现突然增加的迹象，反而略有下降。试成槽阶段槽段中泥浆的黏度、相对密度、含砂率都存在偏大的现象，这和试成槽未进行清基有关，在正式成槽施工时是要进行清基后再行浇筑混凝土的，且正式成槽施工的循环泥浆是要配备除砂机进行除砂的，故正式成槽施工时清基后槽段中泥浆的黏度、相对密度、含砂率等值和试成槽相比会有一定的下降。正式成槽时泥浆配比按此次试成槽时的泥浆配比取定。

4.2 正式成槽阶段护壁泥浆应用

在正式成槽施工时，根据本工程地质情况及试验成槽的经验积累，泥浆性能控制指标见表4所示。

表4 泥浆控制指标

在该工程97 幅地下连续墙施工过程中，对新拌制泥浆不定期的抽检，根据抽检情况，新浆相对密度控制在1.1～1.15，黏度控制在20 s左右。在每幅地下连续墙撩抓法清基后取槽底以上2 m处泥浆进行性能指标的测试，以便对泥浆使用情况有所掌控，测试结果如图2 ～图4所示。

从上述图中可看出，在土体含砂量大的情况下，所有槽段的泥浆相对密度都位于1.10～1.20之间，除极个别槽段泥浆黏度和含砂率偏大外，其余槽段泥浆黏度都位于20～30 s之间，泥浆含砂率绝大部分位于7%以下，这说明在施工的过程中的泥浆性能指标都在可控范围之内。

图2 各槽段泥浆黏度曲线

图3 各槽段泥浆相对密度曲线

图4 各槽段泥浆含砂率曲线

5 结语

该工程97 幅地下连续墙已全部顺利完工，地下连续墙施工充盈系数在1.03左右，从侧面印证了在成槽施工的过程中基本没有出现坍塌现象，这对于在卵石砂岩地层中进行施工是极其难得的。从开挖的情况来看，地下连续墙成槽质量良好，前面平整，几乎无墙面大肚皮现象。在工程地下水埋深较浅，且该类含水层渗透性好、水量大的情况下，本工程在未做外围高压旋喷止水的情况下，渗水点及渗水量都极其微小。此次在西北地区卵石砂岩地层中的成功应用具有示范意义，对在后续该种地质情况下成槽时泥浆护壁使用将起到借鉴作用。