應(yīng)用TRD工法的截水帷幕質(zhì)量影響因素研究

李文平，張躍宏，楊志斌，苗賀朝

（1.國家能源集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古烏海 016099； 2.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

TRD 工法（Trench cutting Re-mixing Deep wall method）又叫“等厚度水泥土地下連續(xù)墻式帷幕工法”［1］，在工程中主要用作隔水帷幕或內(nèi)插型鋼形成止水擋土結(jié)構(gòu)［2-3］，常應(yīng)用的地層以淤泥質(zhì)黏土、黏土、粉砂、砂等第四系松散層為主，具有較好的隔水防滲效果［4-5］。該工法技術(shù)成熟，目前已經(jīng)成功的應(yīng)用在城市建設(shè)中基坑工程［6-8］，水利防滲工程［9-10］，煤礦防滲工程［11］等。在等厚度水泥土地下連續(xù)墻成墻的過程中，水泥土的性能決定著工程的成敗，而水泥土的結(jié)構(gòu)與性能與其施工過程密切相關(guān)［12］。在施工過程中，水泥摻量、水灰比以及攪拌均勻程度等因素對水泥土性能均有很大的影響［13］。因此開展室內(nèi)試驗(yàn)，探究水泥摻量、水灰比及攪拌時長對水泥土試樣性能的影響對現(xiàn)場施工具有重要的指導(dǎo)意義。

水泥摻量是影響水泥土性能的關(guān)鍵因素之一［14］，也是決定其施工經(jīng)濟(jì)性的重要因素；地下水將改變水泥漿液的水灰比［15-16］，造成實(shí)際水灰比高于設(shè)計(jì)值，影響最終帷幕截水效果，因此水灰比也是影響水泥土性能的關(guān)鍵因素之一；攪拌均勻程度則影響著水泥土成墻后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?；谝陨戏治觯疚拈_展室內(nèi)試驗(yàn)探究水泥摻量、水灰比及攪拌時長對水泥土試樣性能的影響，為確定現(xiàn)場施工參數(shù)提供參考。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥為P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，礦物組成見表1，物理性能見表2。試驗(yàn)所用巖土體為在內(nèi)蒙古駱駝山煤礦緩坡斜井井筒滲漏治理段地層所取的黃土、細(xì)砂。

表1 水泥礦物組成Table 1 Mineral composition of cement %

表2 水泥物理性能Table 2 Physical properties of cement

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 試樣制作

試驗(yàn)時間為2022 年11 月至2023 年3 月，試驗(yàn)地點(diǎn)為陜西省“四主體一聯(lián)合”黃河流域中段礦區(qū)（煤礦）生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)校企聯(lián)合研究中心，測試單位為西安煤科檢測技術(shù)有限公司。

根據(jù)水泥土配比參數(shù)要求，混合攪拌制備水泥土材料，將制備的水泥土材料依次裝入70.7mm×70.7mm×70.7mm 的立方體試模和直徑50mm×高100mm 的圓柱試模中，并用搗棒均勻由外向里螺旋方向插搗15 次，當(dāng)水泥土略高于試模邊緣時，用抹刀以45°角一次性將試模表面多余的水泥土刮去，然后再用抹刀以較平的角度在試模表面反方向?qū)⑺嗤凉纹?，每組應(yīng)成型3 個試樣。制備好的水泥土試樣，在室溫環(huán)境下，靜置24±2h 后再脫模。脫模后放置于溫度為10℃、濕度為95%以上的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

1.2.2 試樣測試

1）抗壓強(qiáng)度。用70.7mm×70.7mm×70.7mm 試樣測試抗壓強(qiáng)度，測試設(shè)備為WDW-300 電子萬能試驗(yàn)機(jī)，加載采用位移控制，加載速率5mm/min。

2）滲透系數(shù)。用直徑50mm×高100mm 試樣測試抗?jié)B性能，依據(jù)GB/T 50123—2009《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試水泥土試樣的滲透系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水泥摻量對水泥土試樣的影響

將水泥按照黃土（細(xì)砂）用量的15%、20%、25%、30%摻入水灰比為1.2 的水泥土漿液中成型制樣。

圖1 為水灰比在1.2 時不同水泥摻量下水泥土試樣不同齡期的抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，隨著水泥摻量的提升水泥土試樣的3、7、28d強(qiáng)度均在提高。其中，黃土試樣28d 強(qiáng)度隨著水泥摻量的提升依次提高23.3%、9.5%、6.2%，細(xì)砂試樣28d 強(qiáng)度隨著水泥摻量的提升依次提高53.3%、3.2%、17.9%，由此可知，水泥土試樣強(qiáng)度明顯提升主要是在水泥摻量由15%提升到20%的過程，當(dāng)水泥摻量達(dá)到20%之后，黃土試樣的28d抗壓強(qiáng)度提升幅度較小，細(xì)砂試樣的28d抗壓強(qiáng)度在水泥摻量由20%提升到25%時增加幅度較小，在30%摻量時有較大幅度提升，這是因?yàn)辄S土的顆粒較細(xì)砂更細(xì)，其顆粒級配較為單一，堆積空隙較小，相較于細(xì)砂的堆積空隙，水泥漿液更容易進(jìn)入細(xì)砂顆粒的空隙使得細(xì)砂組試樣密度更大孔隙率更低，故表現(xiàn)為細(xì)砂組28d 抗壓強(qiáng)度更高，另一方面，黃土過細(xì)的顆粒影響水泥早期水化，水泥試樣的3d、7d 強(qiáng)度主要來自于水泥的水化固結(jié)與試樣的顆粒堆積，在早期水泥強(qiáng)度尚未發(fā)育時，顆粒堆積占比權(quán)重較高，黃土妨礙了水泥的水化，故導(dǎo)致黃土試樣3d、7d 強(qiáng)度不如細(xì)砂試樣強(qiáng)度。

圖1 水泥摻量對試樣抗壓強(qiáng)度的影響Figure 1 Influence of cement content on the compressive strength of sample

圖2 為水灰比在1.2 時不同水泥摻量下水泥土試樣不同齡期的滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，隨著水泥摻量的增加，黃土試樣與細(xì)砂試樣的滲透系數(shù)都是持續(xù)降低，這是因?yàn)殡S著水泥摻量的提升，水泥水化產(chǎn)生的C-S-H 凝膠、AFt 與Ca（OH）2等水化產(chǎn)物的量也增多，這些產(chǎn)物填充了黃土和細(xì)砂試樣的孔隙，進(jìn)而使得兩者的抗?jié)B性能得到提升。還可以看出，黃土試樣的抗?jié)B性能不如細(xì)砂試樣，這可能是因?yàn)辄S土顆粒較細(xì)，遇水后團(tuán)聚將水泥顆粒包裹起來導(dǎo)致水泥顆粒無法進(jìn)一步水化，進(jìn)而導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物較少，孔隙率較高，使得其抗?jié)B性能不如細(xì)砂試樣。

圖2 水泥摻量對試樣抗?jié)B性能的影響Figure 2 Influence of cement content on the impermeability of sample

綜上所述，當(dāng)水泥摻量超過20%時，黃土試樣和細(xì)砂試樣的28d 強(qiáng)度均大于2MPa，當(dāng)水泥摻量超過25%時，黃土試樣和細(xì)砂試樣的28d 滲透系數(shù)均小于1.0×10-7cm/s，即滿足JGJ/T303—2013《渠式切割水泥土連續(xù)墻技術(shù)規(guī)程》試樣滲透系數(shù)小于1×10-7cm/s，抗壓強(qiáng)度不低于0.8 的規(guī)定?？紤]到現(xiàn)場施工的成本因素，選取水泥最佳摻量為25%。

2.2 水灰比對水泥土試樣的影響

圖3為水泥摻量在25%時不同水灰比水泥土試樣不同齡期的抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，隨著水灰比的增大黃土試樣和細(xì)砂試樣的抗壓強(qiáng)度都在降低，其中黃土試樣28d 強(qiáng)度隨著水灰比增大依次降低51.9%、12.5%，細(xì)砂試樣28d 強(qiáng)度隨著水灰比增大依次降低3.2%、18.8%，這說明黃土試樣的28d 強(qiáng)度較大降低是在水灰比從1.0 升到1.2 時，細(xì)砂試樣的28d 強(qiáng)度較大降低是在水灰比從1.2 升到1.5時。理想條件下，水泥完全水化固化需要的水灰比約為0.42，當(dāng)水灰比大于0.42時，水泥固化后多余的水分會慢慢揮發(fā)，進(jìn)而在試樣內(nèi)部留下多余的孔隙，當(dāng)這些孔隙尺寸超過50nm 時將作為一種“缺陷”存在，會使水泥土試樣的抗壓強(qiáng)度一定程度下降，所以才會出現(xiàn)如圖3 所示的無論是黃土試樣還是細(xì)砂試樣隨著水灰比的增大抗壓強(qiáng)度都在降低。

圖4為水泥摻量在25%時不同水灰比水泥土試樣不同齡期的滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，黃土試樣隨著水灰比的增大滲透系數(shù)持續(xù)增大，細(xì)砂試樣隨著水灰比的增大滲透系數(shù)先降低再增大，在水灰比為1.2 時取得最低滲透系數(shù)。通常認(rèn)為，在充分水化的低水灰比漿體中，試樣固化后毛細(xì)孔在10～50nm，在高水灰比漿體里試樣固化后早期的毛細(xì)孔可大至3～5μm，大于50nm 的毛細(xì)孔被認(rèn)為是宏觀孔，對強(qiáng)度和滲透性有更大的影響，試樣滲透系數(shù)往往取決于試樣孔隙的尺寸、數(shù)量和連通性，當(dāng)孔隙尺寸增大、數(shù)量增多、連通性增強(qiáng)將會大大降低試樣的滲透性，所以當(dāng)水灰比增大時，相當(dāng)于宏觀孔隙尺寸增大、數(shù)量增多、連通性增強(qiáng)，故導(dǎo)致試樣抗?jié)B性變差。

圖4 水灰比對試樣抗?jié)B性能的影響Figure 4 Influence of water-cement ratio on the impermeability of sample

綜上所述，當(dāng)水灰比為1.2 時黃土試樣與細(xì)砂試樣的28d 抗壓強(qiáng)度均大于2.5MPa，滲透系數(shù)均小于1.0×10-7cm/s，且細(xì)砂試樣的滲透系數(shù)在水灰比為1.2 時最小，即在此配比下的試樣抗?jié)B性能最佳，且考慮到現(xiàn)場施工成本因素，1.2 的水灰比相比1.0的水灰比能制備更多的水泥漿，更節(jié)省水泥，且能達(dá)到不錯的效果，故水灰比確定為1.2較為合理。

2.3 攪拌時長對水泥土試樣的影響

圖5為攪拌時長對水泥土試樣抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果圖，在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了黃土與細(xì)砂的混合組，用以探究攪拌時長對黃土、細(xì)砂、水泥混合程度的影響?？梢钥闯觯S著攪拌時長的增加，水泥土試樣的抗壓強(qiáng)度也在增加，其中，黃土試樣5、10、20min 攪拌時長下28d 抗壓強(qiáng)度增長率依次為12.5%、14.8%，細(xì)砂試樣5、10、20min 攪拌時長下28d抗壓強(qiáng)度增長率依次為10.5%、18.9%，混合試樣5、10、20min攪拌時長下28d抗壓強(qiáng)度增長率依次為19.4%、24.3%。這說明增加攪拌時長可以使水泥土內(nèi)部組分混合的更加均勻，使得漿液固化后內(nèi)部的孔隙率降低，從而使抗壓強(qiáng)度升高，這一點(diǎn)在混合組試樣中體現(xiàn)的更加明顯。5min 的攪拌時長攪拌不充分，使?jié){體內(nèi)組分將發(fā)生離析現(xiàn)象，導(dǎo)致水泥漿分布不均，從而降低強(qiáng)度，在現(xiàn)場施工中攪拌不夠充分，會使?jié){體不夠致密而產(chǎn)生氣泡孔、微裂縫，對強(qiáng)度與滲透性影響較大。充分的攪拌，可以使硬化漿體的孔隙率降低，還可使尺寸超過100μm 的大孔不多于總體積的2%，甚至可使15μm 以上的總孔隙率控制在0.5%以內(nèi)，減少微裂縫的數(shù)量和尺寸，增大水泥石的致密程度，從而使強(qiáng)度與抗?jié)B性能提高（圖6）。

圖5 攪拌時長對試樣抗壓強(qiáng)度的影響Figure 5 Influence of stirring time on the compressive strength of sample

圖6 攪拌時長對試樣滲透系數(shù)的影響Figure 6 Influence of stirring time on the impermeability of sample

綜上所述，當(dāng)攪拌時長為5min 時黃土試樣、細(xì)砂試樣與混合試樣的28d 抗壓強(qiáng)度均大于2.5MPa，滲透系數(shù)均小于1.0×10-7cm/s。但隨著攪拌時長的進(jìn)一步增長，試樣的抗壓強(qiáng)度與抗?jié)B性能都在持續(xù)提升，最佳攪拌時長為20min。

3 工程示范

3.1 施工參數(shù)控制

基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析，為保障施工效果，確定水泥摻量不低于25%，水灰比控制在1～1.2，由于攪拌時長越長，水泥土性能越好，故采用三步施工法。施工地點(diǎn)為駱駝山煤礦緩坡斜井地段，共施工帷幕墻長度497.46m，墻體寬度0.6m，墻體深度（高度）17m，對施工過程中各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行如下嚴(yán)格控制：

1）保證墻體厚度不低于0.6m，墻體深度以TRD工法機(jī)最大切割能力（5MPa）盡量往深部切割，切割深度穿過基巖風(fēng)氧化帶直至切割至新鮮基巖界面切割不動為準(zhǔn)，控制墻體垂直度偏差小于1/250，墻頂與墻底偏差為±100mm，墻中心偏差線為±20mm。

2）采用強(qiáng)度等級不低于P.O42.5 級的普通硅酸鹽水泥，單位土體中水泥摻量不少于25%，水灰比控制在1～1.2。

3）采用三步施工法，先行挖掘推進(jìn)速度控制在1～2m/h，回撤挖掘推進(jìn)速度控制在6～12m/h，成墻攪拌推進(jìn)速度控制在3～5m/h。

4）新成型墻體與已成型墻體搭接不應(yīng)小于50cm；切割箱的拔出方式選擇外拔，沿墻體向外延伸挖掘，切割箱拔出位置距離已成墻體不宜小于1m，切割箱應(yīng)分段、勻速、緩慢拔出，并應(yīng)連續(xù)注入固化液進(jìn)行填充。

3.2 施工效果檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)等厚度水泥土原位截水帷幕施工后的整體截水效果，通過對等厚度水泥土原位截水帷幕施工前后井筒滲水量進(jìn)行實(shí)際測驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)出井筒滲漏水量變化情況，繪制井筒滲漏水量歷時曲線Q-t（圖7），進(jìn)而分析帷幕截水效果。

圖7 井筒滲漏水量實(shí)際測驗(yàn)歷時曲線Figure 7 Actual test duration curve of wellbore leakage

由井筒滲漏水量實(shí)際測驗(yàn)歷時曲線可以看出，等厚度水泥土原位截水帷幕的實(shí)施對井筒滲水治理具有明顯作用，井筒滲水量大幅減少，井筒滲水量由施工前（2022 年9 月9 日）的16.86m3/h 降至1.6m3/h（2023 年3 月20 日），涌水量減少15.26m3/h，堵水率達(dá)到90.51%。

4 結(jié)論

1）通過室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場施工成本因素，確定了最佳水泥摻量為25%，最佳水灰比為1.2，攪拌時長試驗(yàn)表明攪拌時長為20min 時試樣性能最好。在該配比下水泥土性能滿足JGJ/T303—2013《渠式切割水泥土連續(xù)墻技術(shù)規(guī)程》試樣滲透系數(shù)小于1×10-7cm/s，抗壓強(qiáng)度不低于0.8MPa的規(guī)定。

2）在相同的配比及攪拌工藝下，細(xì)砂試樣的性能要優(yōu)于黃土試樣，黃土堆積空隙較小，相較于細(xì)砂的堆積空隙，水泥漿液更容易進(jìn)入細(xì)砂顆粒的空隙使得細(xì)砂組試樣密度更大孔隙率更低進(jìn)而性能更好。

3）緩坡斜井TRD 工法截水帷幕示范工程實(shí)踐證明，等厚度水泥土地下連續(xù)墻具隔水性能可靠的特點(diǎn)。緩坡斜井涌水治理段治理前松散層潛水位最高為1 266.19m，治理后松散層潛水位最高為1 264.61m，水位降幅1.58m，治理前治理段井筒涌水16.86m3/h，治理后降至1.6m3/h，治理段涌水量降幅15.26m3/h，堵水率達(dá)到90.51%。