流沙地层防渗墙抓斗成槽关键技术探究

□陈敦刚（中国水利水电第十一工程局有限公司）

1 工程概况

郑州引黄灌溉龙湖调蓄工程（龙湖工程）位于河南省郑州市郑东新区，主要分为引水工程、龙湖调蓄池工程和出口控制闸工程等3 大部分。龙湖调蓄池水域面积约5.60km2，正常蓄水位为85.50m，平均水深4.50m，最大水深7.00m，总库容为2680 万m3。

龙湖调蓄池是龙湖水系的主体水域，湖体防渗工程是成湖工程的关键环节。一方面，防渗体要能有效地控制池体渗漏量，以便能够蓄水成湖；另一方面，防渗体渗透系数不能太小，以利于湖内水体与地下水相互交换，防止出现各种生态环境问题。因此要求防渗体的渗透系数应具有可控性，达到适度防渗的目的。

2 工程地质条件

防渗墙轴线地层主要为第四系全新统冲积层（Q4al）和上更新统冲积层（Q3al）。根据地层成因类型、岩性及工程地质特性不同，地层划分为5 层。①层：以壤土（L）、砂壤土（SL）为主，局部地段上覆人工填土,下部夹有细砂（Sx）、粉细砂（Sis）及粘土（CL）薄层或透镜体。②层：以细砂（Sx）、粉细砂（Sis）为主，本层夹有砂壤土（SL）、壤土（L）及中砂（Sz）薄层或透镜体。③层：以砂壤土（SL）、壤土（L）为主，局部夹有粘土（CL）透镜体。④层：以中砂（Sz）、细砂（Sx）为主，局部含钙质结核和小砾石。本层夹有壤土（L）及粉细砂（Sis）薄层或透镜体。⑤层：以壤土（L）为主，局部夹砂壤土（SL）、粉质粘土（CL）、细砂（Sx）薄层或透镜体。

3 流沙地层成槽开挖存在问题分析

防渗墙成槽开挖试验施工过程中发现，受地下水影响，采用常规泥浆固壁施工时，砂土层开挖扰动易形成流沙状态，槽内泥浆悬浮泥沙含量大，成槽开挖后1h 槽底淤积即可达2～3m，个别槽段槽底沉淀的淤积达到5～6m 以上。因此，对泥浆制浆采取相应措施，使解决槽孔固壁稳定、提高槽段清孔换浆工效成为关键点。

第一，从砂土地层固壁效果来看，采用浓度较大的泥浆，便于槽壁泥皮的形成，且泥浆浓度大，形成的槽内外水压差较大，便于砂土地层开挖成槽安全，但与此相对应的是泥砂悬浮不易沉淀，对清孔换浆造成困难；采用浓度较小的泥浆时，在短时间内不易在槽壁形成较厚的泥皮，在成槽开挖过程中增加了塌孔的风险，但槽孔内泥砂沉淀时间短，清孔换浆容易。

第二，流砂地层开挖过程中，槽内泥砂相对较多，槽孔开挖完成后，槽底将形成较厚的泥砂沉淀物，需要进行多次打捞，并易造成槽孔超深。

第三，槽底泥砂沉积层密度大，采取泵吸法清除槽底泥砂存在较大难度。

第四，在抓斗斗体上设置必要的排气孔，可以提高抓斗一次打捞沉淀量，但要防止抓斗打捞的沉淀砂从排气孔内流出，降低清孔效果。

4 防渗墙泥浆护壁成槽机理分析

4.1 泥浆的组成

泥浆是粘土颗粒分散在水中的悬浮液，是软基地层稳定成孔（槽）固壁不可缺少的介质材料。固壁泥浆一般由水、粘土、膨润土及化学处理剂组成。粘土是泥浆中的主要固相成分，其颗粒粒径大多数<0.05×10-1mm，它具有带电、吸附离子、水化膨胀以及分散或絮凝等性能。为了改善泥浆的性能，加入化学处理剂，以满足不同工艺的要求。

4.2 泥浆的功能

泥浆的正确使用和泥浆性能的控制是泥浆护壁挖槽法成败的关键。①防止槽壁坍塌：泥浆的浆柱压力可抵抗槽壁上的土压力和水压力，并防止地下水渗入槽内；同时，在槽壁表面形成泥皮，减少槽壁坍塌的可能性。②防止渗漏：防渗墙在施工的过程中，孔内泥浆在浆柱压力的作用下注入地层，堵塞渗漏通道，防止泥浆漏失，使施工能顺利进行。静止状态的泥浆在受压脱水后，具有较高的抗渗性能，防渗墙与两侧的泥皮和泥浆渗入带共同起防渗作用提高了防渗墙的整体防渗效果。③悬浮和携带钻碴，清洗孔底，提高钻进工效，使造孔挖槽施工有效地进行。④冷却钻具，防止钻头过早磨损。

5 流砂地层防渗墙成槽施工主要控制措施

5.1 优化泥浆配合比

泥浆护壁被广泛利用于地下连续墙成槽、钻孔灌注桩成孔及钻井等施工中，泥浆应具有一定的造膜性、理化稳定性、流动性和适当的密度。为加快泥浆中砂粒快速沉淀，缩小清孔等待沉淀时间，按照规范要求，比重控制不小于规范要求的最低标准1.05。为了弥补泥浆因浓度小而造成泥皮形成时间过长的缺陷，采用添加增粘剂促进泥浆固壁效果。试验段施工过程中，经过对泥浆配比的多次调试，泥浆制浆时，每立方浆材添加增粘剂0.50kg，减少15kg 膨润土，使泥浆达到了较优效果。优化后泥浆配比见表1。

表1 优化后泥浆配比表

优化后的泥浆护壁效果良好，同时加快了泥浆中砂的沉淀，槽内泥砂沉淀时间由原来的6-8h 缩小到2-3h，为及时清孔争取了时间，提高了施工工效。

5.2 采取综合清孔换浆方式，提高工效

流砂地层成槽开挖过程中，槽孔内泥砂含量相对较大，沉淀打捞、槽孔内泥浆换浆难度较大。为此，结合郑州龙湖防渗墙成槽特点。制定了抓斗打捞沉淀为主，槽孔内浆液置换为辅的综合清孔换浆方式。

一是对槽底沉淀物进行分析判别，使用抓斗进行槽孔开挖时，槽孔内沉淀形成上部为比重较小的粉砂层，下部为比重较大的粗细砂层，为此需要根据槽孔内的沉淀情况据实采取打捞、泵吸工序组合方式清孔换浆，或泵吸清孔（悬浮粉砂清除）、打捞、再泵吸清孔换浆的组合方式。

二是采用液压抓斗对槽内沉淀进行打捞时，采取在槽底预留30～50cm 壤土保护层，在捞取沉淀清孔时，作为兜底物将沉淀砂托底全部带出。

三是槽底沉淀深度超过3m 时，先采取砂吸法清除槽底悬浮的粉砂层，然后采取抓斗抓取槽底较致密的粗细砂沉积层。槽底沉淀深度<3m 时，直接采取选抓斗打捞的方式清孔，然后将砂石泵下入孔底，进行两次清孔并完成槽孔内换浆。

5.3 捞取沉淀时，一次轻放到抓取位置、一次抓取成功

抓斗斗体在槽内开斗闭斗活动次数多，会使沉淀的泥沙因扰动再次混入泥浆中，造成抓取困难，增加换浆时间。捞取沉淀时，采取轻放慢抓的方式进行。即一次慢放到抓取位置，慢开慢闭斗体，再慢慢往上提斗，避免抓斗在槽内扰动沉淀，从而提高清孔工效。

5.4 对液压抓斗排气孔改进

液压抓斗斗体设计时，因考虑常规状态施工，设置排气孔多、且直径相对较大。在本工程清孔时大量细沙从排气孔随斗内泥浆一起流入槽内，导致清孔不彻底。通过在斗体排气孔设置滤网，有效防止了斗体内细砂流入槽中，从而提高了清孔工效。通过监测，清孔结束后槽内无明显淤积厚度，槽底悬浮的粉细砂可通过泵吸换浆方式达到换浆浆液标准。

5.5 在连通槽内设置沉淀坎，防止相邻槽段开挖过程中泥砂进入

在清孔槽段两侧设置沉淀坎，防止其相邻正在抓槽的槽段循环泥浆内的细砂进入清孔槽段内，从而减少清孔时间。通过对清孔槽段实施相对封闭，清孔槽段内淤积约减少50～100cm，减少了清孔工作量，从而提高了清孔工效。

6 泥浆护壁成槽效果分析

成槽固壁和清孔采用高粘度、低比重泥浆，便于成槽时槽壁泥皮的形成，同时，因浆液比重小，便于槽孔内泥砂在较短的时间内沉淀；清孔采取两次清孔方式，一次清孔时，槽底预留30～50cm 壤土层作为清孔兜底，避免了抓斗咬合不到位时斗体内泥砂大量外泄、延长清孔作用时间；采用液压抓斗由槽段一侧向另一侧顺序进行，采用“三抓五清”方式，便于槽孔清底彻底；抓斗清孔结束后，采取泵吸反循环方式进行2 次清孔，实现槽孔内换浆达标，提高了工效，且成槽清孔效果较好。

7 结语

郑州龙湖防渗墙成槽施工中采用低比重、高粘度的泥浆，确保了成槽安全，提高了槽孔清孔速度，低比重泥浆也保证了塑性混凝土浇筑速度的提高。本工程通过添加外加剂改善泥浆性能，提高施工工效，在流沙地层防渗墙成槽施工中值得推广应用。

[1]陶士先，李晓冬，吴召民，等.强成膜性护壁冲洗液体系的研究与应用[J].地质与勘探，2014（6）.

[2]李晓芬.水基防塌钻井液在大庆松科1 井的应用研究[D].中国地质大学，2008.