富水粉細(xì)砂地層中護(hù)壁泥漿材料配比的優(yōu)化

胡新貴

(中鐵十局集團(tuán)有限公司， 濟(jì)南 250101)

地下連續(xù)墻(地連墻)是基坑圍護(hù)工程中普遍使用的圍護(hù)形式。在地連墻施工中，泥漿護(hù)壁成槽施工已經(jīng)成為最主要的成槽方式，泥漿質(zhì)量的優(yōu)劣是保證地連墻能否順利施工及成墻質(zhì)量的關(guān)鍵。地連墻護(hù)壁泥漿由膨潤土(或黏土)、增黏劑、純堿和水按一定比例混合而成。江浙滬等的地層具有砂含量多、地下水豐富等特點(diǎn)，施工單位通常采取在泥漿中添加大量膨潤土和增黏劑等技術(shù)措施提高泥漿黏度，實(shí)現(xiàn)提升攜砂能力和阻止土層水交換的目標(biāo)。但是以上措施也會帶來不利影響，比如泥漿循環(huán)使用過程中廢漿率大、沉渣厚和循環(huán)泥漿性能衰減快，從而會嚴(yán)重影響地連墻的施工質(zhì)量。

很多學(xué)者針對護(hù)壁泥漿的材料配比開展了系列研究。羅云峰[1]研究了護(hù)壁泥漿的功能與機(jī)理，結(jié)合上海中心大廈工程，分析了護(hù)壁泥漿的配比對性能指標(biāo)的影響。申毅[2]提出了水下旋挖鉆孔灌注樁化學(xué)泥漿護(hù)壁材料配比情況，結(jié)合現(xiàn)場使用情況，解決了清孔時間長的問題。孟仁帆等[3]通過試驗(yàn)探究鉆孔灌注樁沉渣厚度，優(yōu)化了泥漿護(hù)壁配比。還有一些學(xué)者依托實(shí)際工程，分析護(hù)壁泥漿配比情況。例如，龔振宇等[4]依托滇中引水龍泉倒虹吸盾構(gòu)接收井超深基坑工程；姜厚停等[5]依托北京地鐵16號線國家圖書館站明挖基坑工程；資曉魚等[6]依托昆明地鐵4號線火車北站基坑工程，分別研究了護(hù)壁泥漿不同材料配比下的性能，并給出配比建議。

地下連續(xù)墻護(hù)壁泥漿的效果更多的是從成墻質(zhì)量角度去評價。因此很多學(xué)者聚焦地下連續(xù)墻成墻質(zhì)量與穩(wěn)定性的研究，黃茂松等[7]、夏元友等[8]、程習(xí)剛[9]結(jié)合工程實(shí)例提出了地下連續(xù)墻成墻質(zhì)量評價方法。王啟云等[10]考慮地層分層特性，提出了考慮復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度的土體加固槽壁穩(wěn)定性計算方法。劉海卿等[11]根據(jù)深層地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性，給出了護(hù)壁泥漿的性能指標(biāo)。蔡兵華等[12]基于土拱效應(yīng)，從地下連續(xù)墻穩(wěn)定性角度考慮，給出泥漿最小重度計算方法。孫聰?shù)萚13]提出了一種地下連續(xù)墻質(zhì)量的檢測方法。

通過以上研究可知，很多學(xué)者聚焦在地下連續(xù)墻穩(wěn)定性評價方法與鉆孔灌注樁的護(hù)壁泥漿的研究。地下連續(xù)墻的護(hù)壁泥漿應(yīng)用比較廣泛，但是常規(guī)的地下連續(xù)墻護(hù)壁在富水粉細(xì)砂地層中存在攜砂能力弱、濾失率高、護(hù)壁泥漿使用次數(shù)偏低的情況，關(guān)于以上這方面的研究較少。現(xiàn)針對富水粉細(xì)砂地層中護(hù)壁泥漿材料，考慮護(hù)壁泥漿的濾失量、泥膜致密程度、攜砂能力，綜合評價護(hù)壁泥漿的循環(huán)次數(shù)，進(jìn)而優(yōu)化現(xiàn)有護(hù)壁泥漿增黏組分、成膜粉體助劑和膨潤土等護(hù)壁泥漿原材料配比。通過以上研究，制備低固相情況下致密泥膜的護(hù)壁泥漿。旨在配制新護(hù)壁泥漿勻質(zhì)性好、濾失量低、泥膜致密和攜砂能力適中的工程用地下連續(xù)墻護(hù)壁泥漿，形成低固相地連墻護(hù)壁泥漿配制方法，為在富水粉細(xì)砂地層建造地下連續(xù)墻的高質(zhì)量、低風(fēng)險和文明施工提供有力技術(shù)保障。

1 制漿料組分優(yōu)化研究

地連墻護(hù)壁泥漿主要由水、成膜助劑、純堿、增黏組分和其他功能化組分組成。其中，增黏組分和功能化組分相對成膜助劑摻量較小(約為成膜助劑的1/40)，但對泥漿的勻質(zhì)性、穩(wěn)定性、泥膜致密性和攜砂能力影響顯著，故將增黏組分和功能化組分作為優(yōu)化泥漿配比研究的主要對象。

泥漿的成膜助劑采用鈉化且每噸添加5 kg膨化劑的膨潤土，增黏組分采用中黏型植物膠，泥膜致密組分采用聚磺酸酯(主要起橋聯(lián)作用)和PN-K顆粒(主要起填充泥膜空隙作用，80～100目和150～200目兩種粒徑按3∶4混合使用)。為分析植物膠、聚磺酸酯和PN-K顆粒對于泥漿性能的影響，設(shè)計了15組配比試驗(yàn)；另外，嚴(yán)格按照建筑樁基技術(shù)規(guī)范[14]要求對泥漿的各項評價指標(biāo)進(jìn)行了測試，所得試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)基本配比如表1所示。

由表1可知：當(dāng)膨潤土摻量為4 000 kg時，植物膠、聚磺酸酯和PN-K顆粒的摻量分別為10 kg、50 kg和2.5 kg，制備出的地連墻泥漿1d黏度為38.7 s、濾失量為13.0 mL、泥膜厚度為2.0 mm，泥漿的各方面性能均滿足研發(fā)設(shè)計要求。泥膜的致密性均優(yōu)于單摻PN-K和聚磺酸酯，說明PN-K和聚磺酸酯復(fù)合使用時，在降濾失量和減小泥膜厚度方面起到了協(xié)同作用，橋聯(lián)高分子聚合物聚磺酸酯有效的阻礙了相鄰區(qū)域內(nèi)膨潤土顆粒的移動，促使各膨潤土顆粒聯(lián)系及聯(lián)結(jié)更為緊密，同時有效地減小了顆粒間的空隙，從而需要較少的水溶性高分子PN-K顆粒即可密實(shí)填充泥膜內(nèi)部空隙。表1顯示出低摻量PN-K顆粒和聚磺酸酯即可發(fā)揮出較好的降濾失量特性。

表1 制漿料組分配方優(yōu)選方案及試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證護(hù)壁泥漿在淤泥質(zhì)和細(xì)粉砂層復(fù)雜地質(zhì)條件下的循環(huán)利用情況，以循環(huán)利用后泥漿黏度、相對密度、含砂量和濾失量為評價指標(biāo)，對比分析了試驗(yàn)編號分別為PF-4、PF-14和PF-15的護(hù)壁泥漿，以便觀察1、2和3倍制漿料摻量情況下泥漿的循環(huán)利用次數(shù)。試驗(yàn)過程如圖1所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，以循環(huán)利用次數(shù)為主要評價標(biāo)準(zhǔn)時，試驗(yàn)組PF-4在淤泥質(zhì)和細(xì)粉砂層地質(zhì)條件下，體現(xiàn)出較明顯的循環(huán)利用優(yōu)勢，其循環(huán)利用5次后泥漿才因黏度超過50 s而判為廢漿，相同工況下PF-14和PF-15的循環(huán)利用次數(shù)分別為4次和3次，上述3種漿液配比均優(yōu)于市場常見地連墻泥漿(市場常見地連墻泥漿的循環(huán)利用次數(shù)為2～3次)。另外，圖2(b)和圖2(c)顯示，PF-4的泥漿相對密度和含砂量隨循環(huán)利用次數(shù)增多均緩慢上升，說明此時泥漿攜渣能力適中，特別是攜砂能力適中，對粉細(xì)砂中的極小顆粒吸附作用明顯，此特性保證了循環(huán)利用率的同時，可有效減少沉渣量。

利用驗(yàn)證試驗(yàn)確定了低固相地連墻護(hù)壁泥漿制漿料基礎(chǔ)配方為植物膠10 kg、聚磺酸酯50 kg、PN-K顆粒2.5 kg，即植物膠∶聚磺酸酯∶PN-K顆?！昧蛩徜^粉=4∶20∶1(質(zhì)量比)。

2 泥漿配比優(yōu)化研究

以上研究確定了地連墻護(hù)壁泥漿制漿料的基礎(chǔ)配方，考慮到地連墻護(hù)壁泥漿主要由成膜助劑和制漿料兩大組分組成，基于現(xiàn)場的工程應(yīng)用實(shí)際情況，膨潤土和制漿料應(yīng)具備適宜的摻量區(qū)間。針對該問題開展相關(guān)試驗(yàn)研究，依據(jù)實(shí)際工程中地連墻新拌泥漿相對密度通常要求為1.02～1.10的經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)中設(shè)計膨潤土摻量的質(zhì)量在100 m3的泥漿中分別為2 000、4 000和8 000 kg，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。另外，考慮到泥漿在實(shí)際應(yīng)用中將承受不同的壓力，在室內(nèi)同時開展了泥漿在不同壓力情況下所形成泥膜的致密性對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖1 試驗(yàn)測試過程Fig.1 Experimental process

圖2 試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Experimental results

表2 膨潤土和制漿料摻量變化對泥漿性能的影響Table 2 The influence of bentonite and slurry content change on slurry performance

圖3 不同壓強(qiáng)下泥漿泥膜情況Fig.3 Slurry film conditions under different pressures

針對粉細(xì)砂及淤泥層地質(zhì)，通常要求泥漿性能指標(biāo)為：相對密度1.03左右，黏度25～50 s，濾失量≤20.0 mL，泥膜厚度≤3 mm。根據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果，為保證地連墻泥漿在粉細(xì)砂層具有較大的循環(huán)使用次數(shù)，配制參數(shù)最終確定為：膨潤土4 000 kg，制漿料130 kg，純堿120 kg。

由于研制的低固相地連墻護(hù)壁泥漿制備料形態(tài)及分散特性同傳統(tǒng)護(hù)壁泥漿相似，故制備工藝借鑒常用工藝。具體工藝為：水中加入膨潤土高速攪拌1～2 min，再加入純堿及制漿料持續(xù)攪拌5 min，將泥漿抽入泥漿儲備池靜置發(fā)酵(期間可間隔3～6 h利用空壓機(jī)鼓氣勻攪拌1次)24 h，使用前再次利用空壓機(jī)鼓氣攪拌10 min，保證發(fā)酵后的泥漿體系均勻一致。

3 工程應(yīng)用

低固相地連墻護(hù)壁泥漿主要適用于淤泥及粉細(xì)砂地質(zhì)，為了驗(yàn)證研制的護(hù)壁泥漿在實(shí)際工程中的使用效果，該泥漿在蘇州地鐵地連墻的施工中進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。

3.1 工程概況

蘇州地鐵8號線八標(biāo)段右岸站為地下兩層島式車站。車站外包長度305 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度20.7 m，站臺寬度12 m，采用兩層雙跨框架結(jié)構(gòu)。右岸街站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻，地連墻深度為30.9～34.3 m，插入比為0.8。地下連續(xù)墻采用工字鋼接頭，采用C35P6水下混凝土澆筑，鋼筋保護(hù)層厚度70 mm。

右岸街站地連墻自上而下地層為雜填土、素填土、黏土、黏質(zhì)粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土夾淤泥、粉質(zhì)黏土，主要穿越地層為粉砂層。

3.2 現(xiàn)場試拌試驗(yàn)

2020年8月中下旬在右岸街站施工現(xiàn)場進(jìn)行了3次低固相護(hù)壁泥漿試配制試驗(yàn)，每次試配100 m3，并于1 d后進(jìn)行性能測試，制備泥漿配比和性能如表3所示。

表3數(shù)據(jù)顯示，配比SP1、SP2和SP3泥漿靜置1 d后未分層，勻質(zhì)性較好。SP2和SP3泥漿性能滿足淤泥層及粉細(xì)砂層用地連墻護(hù)壁泥漿的性能要求，從經(jīng)濟(jì)性角度選擇SP3配比用于現(xiàn)場地連墻施工，制得護(hù)壁泥漿的泥膜和靜置穩(wěn)定性如圖4所示。

表3 試配制試驗(yàn)的泥漿配比及對應(yīng)的性能

圖4 試配制試驗(yàn)?zāi)酀{靜置情況Fig.4 Static state of test slurry

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

右岸街站采用SP3配比進(jìn)行地連墻護(hù)壁施工，在完成的62幅地連墻中涵蓋首開、閉合和異形幅，連續(xù)對其中5幅地連墻的施工和應(yīng)用效果進(jìn)行跟蹤，各項指標(biāo)數(shù)據(jù)如表4和表5所示。

表4數(shù)據(jù)表明，低固相泥漿在循環(huán)利用過程中在循環(huán)利用和護(hù)壁方面優(yōu)勢明顯，主要表現(xiàn)為：泥漿相對密度和含砂量上升緩慢，泥漿攜砂能力適中。經(jīng)過5次循環(huán)(每次入槽前添加15%新漿)泥漿的相對密度和含砂量僅為1.15%和3.5%，5次循環(huán)后泥漿的濾失量仍未超過15.0 mL，泥漿攜砂能力適合粉細(xì)砂地層地連墻護(hù)壁施工。由表5可知，二次清孔后槽深25 m處的泥漿相對密度和含砂量均滿足泥漿性能設(shè)計要求。

圖5為連續(xù)施工的地連墻成槽后超聲檢測結(jié)果，圖6為施工后基坑開挖暴露出的地連墻墻面，其中，鋼管內(nèi)支撐直徑為609 mm。由圖5可知，地連墻基槽在施工過程中無明顯塌孔和縮孔現(xiàn)象，說明配制的低固相地連墻護(hù)壁泥漿適用于粉細(xì)砂地質(zhì)，有助于提升粉細(xì)砂地質(zhì)地連墻成槽質(zhì)量。

在右岸街站所有地下連續(xù)墻的施工中，采用傳統(tǒng)護(hù)壁泥漿和低固相護(hù)壁泥漿施工地連墻數(shù)分別為36幅和62幅，應(yīng)用效果對比情況列于表6。

由表6可知，在粉細(xì)砂地質(zhì)應(yīng)用低固相護(hù)壁泥漿，相較于傳統(tǒng)泥漿，呈現(xiàn)出以下技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和質(zhì)量優(yōu)勢：

(1)廢漿率由33%降低至16%，增加了地連墻泥漿循環(huán)使用次數(shù)，極大地降低了廢棄泥漿產(chǎn)生量，展現(xiàn)出極好的環(huán)保性。

(2)二次清孔時間大大縮短，有助于提升地連墻施工效率。

(3)沉渣厚度由110 mm縮小為40 mm，平均超灌率由負(fù)值-1.1%提升為正值1.4%，避免了地連墻基槽縮孔和坍塌等質(zhì)量問題，明顯提升了地連墻施工質(zhì)量。

表5 二次清孔后槽深25 m處泥漿性能Table 5 Slurry performance at 25 m depth after secondary hole cleaning

表6 應(yīng)用效果對比Table 6 Application effect comparison

表4 右岸街5幅連續(xù)施工地連墻情況統(tǒng)計Table 4 Statistics of 5 continuous construction diaphragm walls in right bank street

圖5 連續(xù)成槽地連墻的成孔質(zhì)量超聲檢測結(jié)果Fig.5 Ultrasonic testing results of pore-forming quality of continuous slotted diaphragm wall

圖6 開挖后地連墻墻面情況Fig.6 Surface condition of diaphragm wall after excavation

4 結(jié)論

江浙滬地區(qū)為典型的淤泥、粉細(xì)砂層地質(zhì)，地下水豐富。地連墻施工時，傳統(tǒng)護(hù)壁泥漿因攜砂能力過剩，給實(shí)際工程的施工帶來廢漿率大、沉渣厚和成墻質(zhì)量差等問題。針對以上問題，在傳統(tǒng)護(hù)壁泥漿配比的情況下，開展室內(nèi)優(yōu)化試驗(yàn)研究了護(hù)壁泥漿材料配比，研究結(jié)果在蘇州地鐵8號線八標(biāo)段右岸站地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中得到驗(yàn)證。研究結(jié)論具體如下。

(1)針對地下水豐富的粉細(xì)砂層地質(zhì)，得到最優(yōu)護(hù)壁泥漿制漿料組分配比，植物膠、聚磺酸酯、PN-K顆粒質(zhì)量比為4∶20∶1，以該配比制備的護(hù)壁泥漿可循環(huán)使用5次。

(2)確定了地連墻護(hù)壁泥漿的配制參數(shù)為：100 m3的泥漿中，膨潤土4 000 kg，制漿料130 kg，純堿120 kg，該護(hù)壁泥漿力學(xué)性能良好，在壓強(qiáng)0.21 MPa與0.69 MPa情況下，形成的泥膜致密。

(3)現(xiàn)場應(yīng)用效果好，優(yōu)化后的護(hù)壁泥漿相對密度和含砂量均滿足施工設(shè)計要求。廢漿率由33%降低至16%，提高了循環(huán)使用次數(shù)，縮短二次清孔時間；沉渣厚度由110 mm縮小為40 mm，平均超灌率由-1.1%提升為1.4%，地連墻基槽未見明顯塌孔和縮孔現(xiàn)象。