高黏復(fù)合地層地下連續(xù)墻快速成槽施工技術(shù)

張錕 ZHANG Kun；李偉 LI Wei；桂詩(shī)軍 GUI Shi-jun；羅彬 LUO Bin；李樹忱 LI Shu-chen；劉祥坤 LIU Xiang-kun

（①濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250014；②中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，濟(jì)南 250022；③山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院，濟(jì)南 250003）

0 引言

城市地下空間在明挖法施工建設(shè)中，地下連續(xù)墻工藝被廣泛應(yīng)用于基坑支護(hù)體系中[1]，同時(shí)對(duì)地下連續(xù)墻工藝要求也越來(lái)越高。在高黏土巖復(fù)合地層等特殊地層地質(zhì)下通過(guò)雙輪銑槽機(jī)施工地下連續(xù)墻[2]，施工中不可避免出現(xiàn)粘銑刀、糊輪等問(wèn)題，導(dǎo)致施工功效低、延誤工期；同時(shí)普通振動(dòng)濾砂機(jī)對(duì)泥漿含砂率降低不明顯，泥水分離難，保證不了循環(huán)漿液的質(zhì)量，降低成槽效率。目前入巖成槽施工技術(shù)研究主要集中在針對(duì)地層進(jìn)行不同工藝選取上面，對(duì)于入巖成槽施工配套施工材料和裝備研究較少。

濟(jì)南地區(qū)軌道交通R2線施工過(guò)程中會(huì)遇到高黏復(fù)合地層，底部閃長(zhǎng)巖強(qiáng)度高，上部黏土含量較高，存在易糊刀，泥水分離效果差等難題。本文以濟(jì)南軌道交通R2線為例，研發(fā)適用于高黏地層地連墻施工適用的粘土分散劑，并研發(fā)配套工藝，通過(guò)泥漿循環(huán)過(guò)程中增加新型粘土分散劑，降低開挖土體粘附性，減少糊輪等現(xiàn)象的發(fā)生；同時(shí)改良泥漿凈化循環(huán)系統(tǒng)，提升循環(huán)泥漿質(zhì)量，提高成槽效率和質(zhì)量，形成一套快速高效入巖成槽施工技術(shù)。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

濟(jì)南地鐵R2線六標(biāo)全長(zhǎng)約1.2公里，包含2站1區(qū)間，即歷黃路站、歷黃路站~歷山北路站區(qū)間（明挖區(qū)間）、歷山北路站。標(biāo)段北側(cè)緊靠北園高架、南側(cè)緊鄰沃家莊、梁府莊、張家村等（均為老城區(qū)，房屋年久失修、基礎(chǔ)形式簡(jiǎn)單），基坑周邊管線眾多。標(biāo)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用地下連續(xù)墻，墻身均有入巖要求，且標(biāo)段內(nèi)的巖面淺且強(qiáng)度高，標(biāo)段全長(zhǎng)均采用明挖法施工，距離長(zhǎng)且深度大。

歷黃路站-歷山北路站區(qū)間長(zhǎng)度217.6m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬度23.4m，基坑深度19.985m，地勢(shì)高差不大，覆土厚度4.175m。區(qū)間主體為地下二層，主體結(jié)構(gòu)為二層三跨框架結(jié)構(gòu)，主體采用明挖法施工，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系。

1.2 工程地質(zhì)

地連墻施工所處地層情況為：雜填土、粉質(zhì)黏土、黏土、碎石及強(qiáng)中風(fēng)華閃長(zhǎng)巖地層。黏土層以可塑狀態(tài)為主，局部軟塑，可見鐵錳質(zhì)氧化物，黏粒含量高，無(wú)搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度和韌性高，切面光滑，如圖1所示。

圖1 黏土

閃長(zhǎng)巖層為中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，可見方解石巖脈，巖芯多呈柱狀，柱長(zhǎng)10～25cm，錘擊聲悶，巖芯采取率80%-90%，RQD=50～65，如圖2所示。（圖3、圖4）

圖2 風(fēng)化閃長(zhǎng)巖

圖3 地質(zhì)剖面示意圖

圖4 糊輪嚴(yán)重

2 施工重難點(diǎn)分析

穿越地層下部閃長(zhǎng)巖強(qiáng)度高，使用普通成槽機(jī)開挖比較困難[3]，成槽設(shè)備難以快速貫入和切削，因此針對(duì)強(qiáng)度較高巖層，我們選擇雙輪銑槽機(jī)進(jìn)行溝槽開挖[4]；地層上部黏土（多為淤泥質(zhì)粘土和粉質(zhì)黏土），地層含泥量高，且受下部泉水的影響，泥水難以分離，攜渣能力差，雙輪銑齒輪易被糊住[5]；循環(huán)泥漿溫度高，不能對(duì)刀盤有效降溫，為刀盤結(jié)泥餅糊刀盤提供了條件。

3 高黏土巖復(fù)合地層成槽施工技術(shù)

3.1 新型粘土分散劑研發(fā)與試驗(yàn)

3.1.1 粘土分散劑研發(fā)

由于地層黏土粘附性較大，當(dāng)使用普通分散劑將粒子分散開后，構(gòu)成的體系不夠穩(wěn)定，一段時(shí)間后黏土粒子有可能再次吸附，需要提高表面活性劑的分子量。所以自主研發(fā)的粘土分散劑采用高分子型的陽(yáng)離子＋非離子復(fù)合而成，高分子型能夠提高吸附層的厚度，有效阻止粒子的再次吸附，提高分散效果。為此自主研發(fā)了分散效果更佳的分散劑，并開展了性能試驗(yàn)。

該粘土分散劑是一類液態(tài)聚合物粘土分散劑，如圖5，主要成分：表面活性劑2wt%、分散劑8wt%，穩(wěn)定劑0.5wt%，耐磨防腐劑0.5wt%，余量為水。（圖6）

圖5 粘土分散劑

圖6 粘土分散劑作用機(jī)理

表面活性劑為兩性表面活性劑，優(yōu)選為甜菜堿型兩性表面活性劑，比如可以為α-烷基甜菜堿、N-烷基甜菜堿的一種或其組合。本發(fā)明的表面活性劑在酸性溶液中呈陽(yáng)離子性質(zhì)，在中性浴中呈非電離子型性質(zhì)，相對(duì)于陰離子型表面活性劑或陽(yáng)離子型表面活性劑，其能在酸性、中性、堿性等溶液中溶解，不易產(chǎn)生沉淀，能夠潤(rùn)滑黏土團(tuán)塊體表面，降低表面張力，且具有較強(qiáng)的滲透能力。

分散劑為脂肪酸鹽類分散劑，比如，所述分散劑可以為硬脂酸鈣、硬脂酸鎂、硬脂酸鋇的一種或其組合。

穩(wěn)定劑為無(wú)毒亞磷酸酯，其作用主要是提高溶液的穩(wěn)定性，防止暴露空氣中表面活性劑和分散劑的氧化失效，提高溶液有效成分的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

耐磨防腐劑為二油酸亞磷酸酯和雙乙酸鈉的組合，其作用是降低改良過(guò)程中水和化學(xué)改良劑對(duì)刀具的腐蝕，提高刀具的耐磨性和耐久性。

專門用于有糊輪和粘附刀盤危險(xiǎn)的含粘土地層，能夠有效降低粘性土對(duì)刀盤的粘附作用，提高成槽效率，同時(shí)還能降低改良過(guò)程中水和化學(xué)改良劑對(duì)刀具的腐蝕，提高刀具的耐磨性和耐久性。粘土分散劑所有組成成分綠色安全，對(duì)環(huán)境無(wú)不良影響，粘土分散劑基本物理參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 粘土分散劑基本物理參數(shù)

3.1.2 粘土分散劑性能試驗(yàn)

黏土對(duì)金屬的黏附程度一般可通過(guò)簡(jiǎn)單的粘附性試驗(yàn)測(cè)定，采用霍巴特砂漿攪拌器攪拌改良土，通過(guò)黏附留在葉片上的土與試驗(yàn)用土的質(zhì)量比λ評(píng)價(jià)土的粘附性。

在實(shí)驗(yàn)室采用類似的試驗(yàn)方法測(cè)定不同程度改良黏土對(duì)金屬鉸刀的粘附性（見圖7）。隨著粘土分散劑摻量提高，土體在金屬鉸刀上的留存率降低，黏土和泥巖的黏附程度明顯減弱，8%粘土分散劑摻量留存率＜5%，具有明顯的效果。

圖7 試驗(yàn)裝置及不同摻量粘土分散劑對(duì)粘附性作用效果

通過(guò)動(dòng)態(tài)粘聚力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定混合土體的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩和滑動(dòng)角，試驗(yàn)時(shí)取粘土分散劑摻入比為10%。如圖9所示，其中相同濃度下的普通粘土分散劑作用時(shí)刀盤扭矩和滑動(dòng)角要高于自主研發(fā)的高效粘土分散劑，通過(guò)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比可以看出自主研發(fā)的粘土分散劑分散效果更好，更利于黏性地層開挖。（圖8）

圖8 動(dòng)態(tài)粘聚力測(cè)試系統(tǒng)

圖9 兩種粘土分散劑的改良效果對(duì)比

3.2 粘土分散劑注入工藝

為使得雙輪銑施工時(shí)更好的使粘土分散劑作用于銑刀齒輪，減少泥餅糊刀，研究配套粘土分散劑注入工藝。銑槽時(shí)，滾輪相對(duì)勻速旋轉(zhuǎn)，滾輪周圍分布有銑刀，對(duì)圍巖進(jìn)行破碎，中間液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)泥漿泵，通過(guò)銑輪旁的吸砂口將鉆掘出的巖渣與泥漿排到地面泥漿凈化循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行離心式泥水分離，同時(shí)增設(shè)管路向泥漿循環(huán)系統(tǒng)添加粘土分散劑，改善泥漿性質(zhì)，同時(shí)將改善后的泥漿返回槽內(nèi)，通過(guò)增壓泵分出管路分別向兩銑輪噴淋循環(huán)泥漿，沖洗刀齒，防止粘銑刀、糊齒等現(xiàn)象發(fā)生。銑槽過(guò)程及分散劑注入工藝如圖10所示。

圖10 銑槽過(guò)程中粘土分散劑注入工藝

粘土分散劑通常制成3%水溶液通過(guò)管路泥漿循環(huán)系統(tǒng)即可，溶液可根據(jù)不同地質(zhì)條件和實(shí)際施工情況進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)管路的流量控制閥來(lái)調(diào)整粘土分散劑用量。

3.3 泥漿凈化循環(huán)系統(tǒng)研究

地下連續(xù)墻施工時(shí)，泥漿能夠起到比較重要的作用，一定重度和黏度的泥漿能夠使槽壁保持相對(duì)穩(wěn)定，并具有很好的攜渣能力，將土渣運(yùn)輸?shù)讲弁?。所以泥漿循環(huán)系統(tǒng)處理能力對(duì)成槽效率和質(zhì)量的影響至關(guān)重要。對(duì)此研發(fā)一種泥漿除砂率高、處理能力強(qiáng)且封閉環(huán)保的泥漿凈化循環(huán)再生系統(tǒng)。采用寬篩面疊層篩網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)多層篩箱結(jié)構(gòu)、增加大激振力電機(jī)形成多電機(jī)混列組合（見圖11），形成一種新型振動(dòng)篩，提高篩選能力。采用多錐旋流器提高分離精度和處理能力，處理效果見圖12。改進(jìn)渣漿泵，提高構(gòu)件的耐磨性和硬度，使其可長(zhǎng)期輸送強(qiáng)磨蝕高濃度的渣漿，泥漿凈化循環(huán)系統(tǒng)整體如圖13所示。

圖11 振動(dòng)電機(jī)

圖12 脫水篩分效果

圖13 泥漿凈化循環(huán)系統(tǒng)整體示意圖

這種系統(tǒng)具有除砂率高、處理能力強(qiáng)且封閉環(huán)保的特點(diǎn)，減少現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地占用和泥漿外泄。從而達(dá)到提高施工功效，降低環(huán)境污染，提升經(jīng)濟(jì)效益的目的。

4 應(yīng)用效果及效益分析

通過(guò)對(duì)比新舊泥漿循環(huán)系統(tǒng)分別處理后的泥漿性能，如表2可以看出泥漿高效凈化循環(huán)再生系統(tǒng)對(duì)泥漿質(zhì)量的有效提升。

表2 新舊泥漿循環(huán)泥漿處理前后對(duì)比

采用本工法施工高黏土巖復(fù)合地層的地下連續(xù)墻與沖樁機(jī)+成槽機(jī)施工的傳統(tǒng)工法相比，節(jié)約大量工期，形成了較好的經(jīng)濟(jì)效益。不同施工方法，工期、成本對(duì)比詳見表3。

表3 效益分析表

由效益分析表可以看出，雙輪銑槽機(jī)施工工法施工成本相較于沖樁機(jī)+成槽機(jī)施工工法施工成本節(jié)約了約20%，且縮短工期，優(yōu)勢(shì)比較明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

在濟(jì)南地鐵R2線歷歷區(qū)間地下連續(xù)墻施工過(guò)程中，面對(duì)高黏土巖復(fù)合地層，采用雙輪銑槽機(jī)進(jìn)行成槽施工，在施工過(guò)程使用新型粘土分散劑，并改進(jìn)泥漿凈化循環(huán)系統(tǒng)，有效解決粘銑刀、糊輪等問(wèn)題，明顯改善循環(huán)泥漿質(zhì)量。在保障成槽質(zhì)量的情況下明顯提高效率，并有較好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)類似地層基坑地下連續(xù)墻施工具有很高的應(yīng)用推廣價(jià)值。