软土百米级地下连续墙套铣工艺护壁泥浆技术研究及应用

罗云峰

1. 上海市基础工程集团有限公司 上海 200002；2. 上海市地下工程施工泥浆专业技术服务平台 上海 200433

城市建设的高速发展导致土地资源及可供开发建设的地上空间严重不足，大型城市中浅层地下空间的建设开发已趋于饱和，50 m及以上深度的深层地下空间开发成为上海等大型城市建设的必然选择。在上海等软土地区实施深度超50 m地下空间开发，地下连续墙等围护结构的深度将超过百米，将不得不面对地质条件、深部砂层水土压力分布复杂和施工难度大等一系列技术问题，对施工工艺提出了巨大的挑战。对于深度超百米的地下连续墙，传统的地下连续墙工艺存在诸多局限性，地下连续墙套铣工艺因其具备土层适应性高、成槽深度大、垂直精度高、接缝抗渗性能强等优点应运而生[1-6]。地下连续墙套铣工艺施工不可避免地会应用到泥浆，其主要起着护壁、携渣和冷却铣轮三大作用，从某种意义上来说，泥浆质量将决定着套铣工艺地下连续墙墙体施工质量。本文背景工程苏州河深层排水调蓄管道系统工程试验段SS1.2标（以下简称苏州河深隧）是软土地区首次规模化实施百米级地下连续墙，无工程化应用先例可供参考，本文进行百米级地下连续墙套铣工艺护壁泥浆技术研究具有直接的工程意义，为百米级超深地下连续墙顺利安全实施提供了必要的技术支撑，也为后续类似工程泥浆质量管控提供参考。

1 背景工程概况

苏州河深隧1.2标基坑分为4个区域。1区（竖井）：开挖深度约59.6 m，围护结构采用1.5 m厚、105 m深地下连续墙；2区（综合设施深坑）：开挖深度33.8 m，围护结构采用1.2 m厚、80 m深地下连续墙；3区（进水渠道）：开挖深度33.3 m，围护结构采用1.2 m厚、80 m深地下连续墙；4区（综合设施浅坑）：开挖深度8.80～16.65 m，围护结构采用1 m厚、105 m深地下连续墙（图1、图2）。

岩土工程勘察报告显示土层分布情况如图3所示，成槽过程中穿越十多种不同的土层，浅层淤泥质黏土流塑性较高，易发生颈缩和塌方，深层砂质沉积土层中存在含量极高的细粉砂，不易在泥浆循环过程中被除砂机分离，更有十余米穿越了⑨1层粉细砂和⑨2层中砂，墙底位于⑩层黏土，成槽施工难度大，成槽精度要求高。因此，确定合理的泥浆材料配比和性能指标，对槽壁稳定性及循环泥浆性能指标调控起到至关重要的作用。

图3 竖井土层分布剖面示意

2 泥浆配比试验研究

根据多年地下连续墙施工泥浆应用经验和以往不同泥浆材料试验及应用情况总结，同时结合背景工程地质和环境条件，确定本次泥浆配比试验采用复合钠基膨润土泥浆。这种泥浆性能稳定，悬渣携渣能力强，可以减少地下连续墙槽段底部的沉渣，和套铣泵吸反循环工艺有较好的适应性，且其聚合物分子作用还能较好吸附细微土砂形成大颗粒，从而加速沉淀，有利于泥浆循环处理。

泥浆配比试验选取优质钠基膨润土结合CMC（羧甲基纤维素）、纯碱等材料来进行。根据本工程施工工艺及施工质量要求，再结合上海地方标准中泥浆指标控制标准，进而确定本文背景工程地下连续墙成槽泥浆性能控制标准（表1）。

表1 泥浆性能指标控制标准

使用所选定的泥浆材料，在泥浆实验室内进行配比小样试验，将膨润土、CMC、纯碱按既定的比例加入清水中，使用专用的泥浆分散搅拌机充分搅拌5 min制成泥浆，对刚制备好的新浆静置24 h后分别进行黏度、相对密度、含砂率、失水量、泥皮厚度、pH值、动切力、静切力、塑性黏度、表观黏度等一系列泥浆性能指标测试分析研究。通过大量小样配比试验结果数据优选，初步确定背景工程泥浆配比：水∶膨润土∶CMC∶纯碱＝1 000∶60∶0.3∶3。

把泥浆实验室小样试验所确定的泥浆配比在项目现场制备并再次进行测试分析，发现虽然配比一致，但测试结果与实验室小样数据是存在差异的。通过深入的观测、对比分析查找到导致性能指标存在差异的可能原因有：现场拌制时间不足，部分搅拌不均匀，导致泥浆材料未能充分水化；CMC和纯碱等外加剂掺量仪器较为简单，不够精确；CMC较难溶于水，在短时间搅拌制备泥浆过程中溶解不充分；此外，现场泥浆搅拌桶内长期残留20 cm深余浆未能抽尽，也会导致泥浆性能受影响。

结合现场制备泥浆和实验室制备的泥浆的性能指标差异情况，在满足既定的泥浆性能指标的前提下，并结合现场搅拌设备容积、工效和膨润土加料便携性等因素，最终确定背景工程泥浆配合比：水∶膨润土∶CMC∶纯碱＝1 500∶100∶0.5∶3。

3 泥浆过程控制技术研究

过程控制主要是对施工现场泥浆制备、应用、调节再利用等关键技术环节进行必要的检测控制。通过对槽段内不同深度泥浆和循环池泥浆进行取样分析，以便及时采取相应技术措施进行动态调控，以实现百米内不同深度泥浆性能的快速精准检测和控制。

3.1 泥浆制备控制

为使泥浆材料充分水化，最大程度地发挥好材料效能，并提高项目现场泥浆制备工效，对现场泥浆制备提出下列控制要求。

1）准备好较大存储容器，提前24 h对难溶于水的CMC进行水化，拌制5 min以上进行静置，静置过程中每8 h搅拌一次，以使得CMC能充分水解。

2）泥浆的加料搅拌顺序为：搅拌桶加一半水，添加膨润土材料，开始搅拌的同时继续往搅拌桶里加水到既定刻度，随后掺加既定量的提前水化好的CMC水溶液，再掺加既定量的纯碱，搅拌5 min，打入新浆池存贮备用。

3）每次搅拌桶搅拌完成后，保证桶内泥浆尽可能抽净，减少桶底残留和淤积。

4）在静置过程中要不定时用空压机对泥浆池进行翻滚搅拌，搅拌时间每池不少于5 min，搅拌频率每次每天不少于1次，预防长期静置而产生离析。

5）在输入槽段或是掺兑进循环池前，再次使用空压机对泥浆池（箱、罐）进行翻滚搅拌，搅拌时间不少于5 min。

3.2 槽段泥浆取样检测控制

地下连续墙成槽施工过程中，各种特性的复杂土层会对槽段内泥浆性能产生不确定影响，因此需对槽段内不同深度泥浆进行取样检测测试，通过得到的测试数据进行相应的调控，使成槽施工过程中所用泥浆质量满足要求的性能指标，保证地下连续墙安全高效施工。

传统的地下连续墙泥浆取浆器具为人工手提式简易取浆器，这种方式全程依靠人工提上提下进行取浆，相当费时费力，取浆位置还不准确，并存在一定的危险性，在深度不大的地下连续墙中应用居多。百米级地下连续墙施工进行快速、高效泥浆检测与动态调控的基础是具有相适应的取浆装置，显然传统简易取浆器具无法满足要求。本文对取浆检测装置及方法进行了革新，创新研制了地下连续墙槽段内系列原位泥浆检测取浆器具，能够满足超深地下连续墙施工需求。

首先研发了第一代地下连续墙施工槽段内泥浆取样器具，改变传统的人工操作方式，采用将取浆器稳定固定于槽段上的形式，通过手摇缠绕有测绳的定滑轮，下放、提升测绳上连接的分段式取浆桶，对槽段内泥浆进行取样检测。在应用过程中改良第一代取浆器具，研制了第二代取浆装置，整体稳定性增加，取浆位置更加准确、更省力，且便于在大型场地移动，灵活机动。

这2种地下连续墙槽段内泥浆取浆器具虽然相对于传统简易取浆器具有较大的创新，但也存在一定的缺陷，比如刻度易磨损，导致取浆深度不精确、深度大取浆效率低下等，无法满足背景工程百米级地下连续墙不同深度的泥浆取浆检测要求。

基于规模化百米级超深地下连续墙取浆工作量大、人工手摇定滑轮方式进行百米地下连续墙取浆费时费力且不够安全等问题，创新研发了一种地下连续墙槽段泥浆电动取浆装置，槽段取浆效率得到极大提高，取浆过程快速且平稳，安全高效。根据设置深度显示器，直观、准确地达到取浆深度，实现了深度超百米、最深达150 m的地下连续墙施工槽段内不同深度泥浆性能的精准检测和控制。

3.3 循环泥浆指标调节控制

在粉细砂含量高地层进行套铣工艺施工，会遇到除砂机无法分离极小颗粒粉细砂（颗粒直径0.026 mm以下）的难题，虽经过除砂、沉淀等泥浆处理，循环泥浆含砂率仍超过25%，此时循环浆将当成废浆被遗弃处理。这种情况下，成槽泥浆将变成一次性携渣的载体，将在较大程度上提升施工成本和增大液废排放处理量，既不经济，也不环保。亟待寻找一种既能降低废浆率，又能不影响泥浆性能的方法来有效加快细砂沉淀和调节泥浆指标至可用范围。基于此，开展了循环泥浆调节控制技术研究。

通过取等量的经多级沉淀含砂率仍超25%的一期槽段、二期槽段循环泥浆，分别利用清水、添加剂及新浆进行勾兑试验，观察勾兑后泥浆性能指标变化规律，图4、图5分别显示了一期槽段、二期槽段循环泥浆不同样品组进行调节试验的含砂率变化情况。从图4可知，在样品泥浆中兑入新浆能够有效地改善含砂率，泥浆中粉细砂的沉淀加快，而且在短时间内作用明显。其中采用1∶1的比例掺入新浆调节泥浆指标，勾兑后粉细砂在短时间内迅速聚合沉淀，静置2 h后泥浆含砂率下降到8%，随后沉淀过程减缓，最终经6～24 h后含砂率下降到5%，达到稳定状态。从图5可知，采用与一期槽段同样的勾兑比例或略微提高勾兑比例均可以在较长时间（6 h）的沉淀后，使泥浆指标达到循环利用标准。二期槽段循环泥浆按照新浆与原浆6∶4的勾兑比例，在短时间（2 h）内泥浆性能指标已基本恢复到循环浆指标要求。

图4 一期槽段循环泥浆调节试验含砂率变化

图5 二期槽段循环泥浆调节试验含砂率变化

基于循环泥浆调节试验，提出了一种粉细砂层地下连续墙施工循环泥浆再生调节方法。该方法通过提高单位体积泥浆中聚合物与粉细砂颗粒的比例，加快粉细砂颗粒的集聚沉淀，且不影响泥浆的相对密度、黏度和酸碱度等其他指标。以此调节方法开发了循环泥浆性能快速调节技术，通过循环高效检测、调整，有效改善了循环泥浆性能，实现了粉细砂含量超25%的高含砂率循环泥浆性能快速调节。

对循环池中采用循环泥浆性能快速调节技术处理的循环浆进行取样检测，检测结果如图6所示。图6显示经循环处理后的泥浆其性能指标均在规范和工程要求的上下限可控范围之内，达到了再利用要求。

图6 循环处理后泥浆各项性能指标

4 实施效果

背景工程百米超深地下连续墙在成槽过程中对每幅槽段不同深度泥浆性能进行了取浆跟踪测试，主要测试了相对密度、黏度、含砂率、失水量这4项泥浆重要指标，并及时将测试指标与规范和工程要求的质量控制指标进行对比，当发现超出控制指标时及时进行动态调控或作废弃处理。

测试数据显示，取样分析的近50幅槽段泥浆性能都较为稳定且无较大差异，结合成槽过程泥浆实时有效的动态调节，近50幅槽段内不同深度泥浆相对密度、黏度、含砂率及失水量这4项主控指标绝大部分都在允许的控制范围内，仅有极个别槽段泥浆指标略微超标，但经过及时的调控调节后均在可控范围之内。

背景工程历时一年半有余，共计完成地下连续墙施工119幅，为了更好地展示背景工程百米级超深地下连续墙实施效果，对其中105 m深共计84幅地下连续墙的成槽垂直度进行统计分析。统计数据显示，84幅105 m深的地下连续墙成槽垂直度均满足1/1 000设计要求，其中4幅地下连续墙垂直度更是达到1/4 000以上，9幅地下连续墙垂直度达到1/3 000以上，30余幅地下连续墙垂直度达1/2 000以上。这也从侧面印证了本工程地下连续墙施工成槽护壁技术的应用是成功的，效果是显著的。

5 结语

本文针对软土地区百米级地下连续墙规模化实施工程无先例、泥浆在百米地层的适用性未知等问题，结合百米级超深地下连续墙的施工特点和地层特性，通过小样配比试验结合项目现场实际地质和环境条件，优选配制出复合钠基泥浆配合比，同时结合项目现场泥浆制备、应用、调节再利用等关键环节，提出针对性的技术管控措施。针对规模化百米级超深地下连续墙取浆工作量大、人工取浆存在的局限性，创新研发了地下连续墙槽段泥浆电动取浆装置对百米深槽段内任意位置泥浆进行跟踪取样检测，进而为泥浆性能调控提供依据，实现了百米深度地下连续墙施工槽段内不同深度泥浆性能的精准检测和控制。同时，针对粉细砂含量较高土层中循环浆经处理后含砂率仍过高的问题，开发了循环泥浆性能快速调节技术，能够较好地处理粉细砂问题，有效改善了循环泥浆性能，实现了粉细砂含量超25%的高含砂率循环泥浆再生利用。最后，对背景工程地下连续墙成槽泥浆相关重要性能指标和成槽质量进行了直观的展示，印证了背景工程成槽护壁技术的应用是成功的，效果也是显著的。

本文所进行的护壁泥浆技术研究为百米级超深地下连续墙顺利安全实施提供了必要的技术支撑，对后续类似工程泥浆质量管控亦具有参考意义。