通過(guò)控制泥漿質(zhì)量保證地連墻施工中的槽壁穩(wěn)定性探討

李 新 陳興輝 上海鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部

1950年意大利開(kāi)始在水庫(kù)大壩工程中使用地下連續(xù)墻技術(shù)，1958年我國(guó)引進(jìn)了此項(xiàng)技術(shù)并應(yīng)用于北京密云水庫(kù)的施工中。經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，地下連續(xù)墻施工工藝日趨成熟，但在地質(zhì)條件差的情況下，施工難度還是很大。為了降低惡劣地質(zhì)條件下地連墻槽壁坍塌程度，施工單位一般采取在槽壁兩側(cè)施做深層攪拌樁的方法，這樣做雖然保證了地連墻施工質(zhì)量，卻延長(zhǎng)了工期又提高了造價(jià)。

1 新建客運(yùn)專線上海調(diào)度所工程概況

新建上海調(diào)度所位于上海鐵路局大院北側(cè)，北臨輕軌寶山路站，南臨路局公安辦公樓，東臨寶山路，西臨鐵路客車整備場(chǎng)。本工程基坑總面積約5935m2，基坑周長(zhǎng)約318.4m，開(kāi)挖深度為16.7m?；硬捎玫叵逻B續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，墻厚1m，深32.9m，共56幅；W1-1至W1-10及W1-50共11幅段采取"夾心餅干"加固方法，即內(nèi)外兩側(cè)各施做一排直徑為700mm的雙軸攪拌樁，施工樁長(zhǎng)為17m。

本工程場(chǎng)地條件極為不利，基坑外圍與周邊建筑物距離非常?。罕眰?cè)距離輕軌寶山路站15.11m，南側(cè)距離上海路局公安樓6.13m，東側(cè)距離寶山路邊沿8m，西側(cè)距離客技站線路8.3m（以上均為最小距離）。在距離周邊建筑物如此近的條件下，進(jìn)行地連墻施工，保證槽壁穩(wěn)定減少土層坍塌尤為重要，需要認(rèn)真研究。

2 工程地質(zhì)條件

地質(zhì)勘察報(bào)告顯示，該地區(qū)地面下50.30m深度范圍內(nèi)的地基土屬第四紀(jì)上更新世Q3至全新世Q4沉積物，主要由飽和粘性土、粉性土和砂土組成，具水平層理。擬建場(chǎng)地位于正常地層分布區(qū)，分布有第⑥層暗綠色粘性土硬土層，地層分布穩(wěn)定。根據(jù)土的成因、結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性指標(biāo)綜合分析，共可劃分成7個(gè)主要層次（第①、②、④、⑤、⑥、⑦、⑧層）。其中，第②層可分為2個(gè)亞層（第②1層、第②3層），第⑦層可分為2個(gè)亞層（第⑦1層、第⑦2層），擬建場(chǎng)地第⑤層及以上土層以軟弱粘性土及松散～稍密狀的粉性土為主，第①層為填土，密實(shí)度為松散，層厚2.18，②1層為粉質(zhì)粘土，狀態(tài)為軟塑，層厚0.77，②3層為砂質(zhì)粉土，密實(shí)度為松散、稍密，層厚11.94，④層為淤泥質(zhì)粘土，狀態(tài)為流塑，層厚2.70。

地下連續(xù)墻槽壁穿過(guò)②3層土，極易造成此范圍內(nèi)土體塌方，對(duì)周圍環(huán)境和建筑物產(chǎn)生惡劣影響。如何在施工中保證槽壁穩(wěn)定，盡量減少土體塌方，從而降低對(duì)周圍環(huán)境和建筑物的影響，是筆者關(guān)注的焦點(diǎn)。

3 泥漿的護(hù)壁作用及技術(shù)參數(shù)要求

泥漿由于其觸變性（觸變性是指膠體物質(zhì)受到攪動(dòng)后強(qiáng)度減小而成為流體，當(dāng)擾動(dòng)停止后，又會(huì)恢復(fù)原有強(qiáng)度而呈凝膠的狀態(tài)的特性），在槽孔開(kāi)挖過(guò)程中，能起到液體支撐的作用，使深槽保持穩(wěn)定而不坍塌。泥漿的這種護(hù)壁作用主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：

(1)泥漿滲入槽壁地基土的內(nèi)部孔隙之后，由于不再受到擾動(dòng)而形成凝膠，并將槽壁表層一定范圍內(nèi)的土的孔隙填滿，粘附在土顆粒上，改變了土的原有結(jié)構(gòu)狀態(tài)，提高了粘土的抗剪強(qiáng)度，加大了土體的穩(wěn)定性。通常，泥漿滲透區(qū)的抗剪強(qiáng)度可提高1倍左右。

(2)泥漿在槽壁表面上形成泥皮，牢固地貼附在槽壁上，既能防止泥漿大量漏失，又能防止地下水滲入到槽孔內(nèi)。有人曾用三軸模型試驗(yàn)來(lái)確定泥皮抵抗變形的能力。實(shí)驗(yàn)的目的是要確定一個(gè)直徑72mm，高130mm的砂樣表面泥皮的強(qiáng)度。試樣僅靠著少量孔隙水壓力維持平衡。在沒(méi)有壓力條件下，在膨潤(rùn)土泥漿中浸泡半天后，表面形成了泥皮。試樣在三軸試驗(yàn)中雖然發(fā)生變形，但仍與泥皮結(jié)合著。這說(shuō)明，槽孔上有泥皮時(shí)，它的穩(wěn)定性大大提高了。

(3)泥漿液面一般高出地下水位，比重也大于地下水，泥漿的側(cè)壓力通過(guò)泥皮很好地作用在槽壁上以平衡主動(dòng)土壓力，所以能產(chǎn)生支護(hù)作用。理論上來(lái)說(shuō)，泥漿比重越大，側(cè)壓力越大，對(duì)槽壁的支護(hù)作用也越大。但考慮到對(duì)后期澆筑混凝土的影響和施工成本，應(yīng)該把泥漿比重控制在滿足支護(hù)要求的最小值。況且，如果泥漿質(zhì)量下降，一味增加泥漿比重反而會(huì)帶來(lái)反面效果。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)及本工程地質(zhì)情況，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工采用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土泥漿。新泥漿各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)確定為：比重為1.09，粘度為25s，PH值為9，泥皮厚度1.03，泥漿的穩(wěn)定性24h失水不得大于5%；循環(huán)泥漿比重不得大于1.19，理想控制狀態(tài)為1.15左右，粘度在24s--28s，PH值為8-9，泥漿的穩(wěn)定性24h失水不得大于10%。理論數(shù)值用于指導(dǎo)施工，具體施工過(guò)程中的泥漿質(zhì)量控制，要根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)情況及施工中的效果，反復(fù)調(diào)試泥漿相關(guān)參數(shù)，直至適合本工程地質(zhì)條件。

4 上海調(diào)度所工程地連墻施工泥漿參數(shù)

本工程成槽施工使用的機(jī)械設(shè)備為旋挖機(jī)EXL-1300，地連墻幅長(zhǎng)約6m，共有三抓。由于槽壁連續(xù)施工，泥漿需要循環(huán)使用。成槽機(jī)完成每一抓作業(yè)，挖斗有進(jìn)入槽壁和完成挖土向上提起兩個(gè)過(guò)程，泥漿隨挖斗擾動(dòng)在槽壁內(nèi)有沖擊、抽吸兩個(gè)動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)攜帶部分泥沙。大量的泥沙摻入泥漿內(nèi)增加了泥漿的比重。雖然其側(cè)壓力有所提高，但泥漿的粘度降低了，形成的泥皮厚而疏松，甚至無(wú)法形成泥皮，從而使泥漿的護(hù)壁性能有所降低，勢(shì)必會(huì)加重槽壁的坍塌程度；同時(shí)，泥漿的比重過(guò)大，會(huì)降低澆注過(guò)程中混凝土的流動(dòng)性，容易造成墻體夾泥現(xiàn)象，極大影響墻體質(zhì)量。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泥漿比重控制在1.15--1.19的范圍內(nèi)，對(duì)槽壁的保護(hù)效果最好，槽壁的穩(wěn)定性也最好。本工程具體控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

第一抓：泥漿比重控制在1.19以內(nèi)，粘度控制在30s左右。

第二抓：泥漿比重控制在1.18以內(nèi)，粘度控制在27s左右。

第三抓：泥漿比重控制在1.16左右，粘度控制在26s左右。

成槽結(jié)束后：泥漿比重控制在1.15左右，粘度控制在24s-25s左右。

施工過(guò)程中嚴(yán)格控制循環(huán)泥漿質(zhì)量是很重要的，一旦發(fā)現(xiàn)泥漿質(zhì)量下降，技術(shù)參數(shù)超出控制范圍，應(yīng)立即采取措施進(jìn)行調(diào)整，保證循環(huán)泥漿質(zhì)量，從而保證槽壁穩(wěn)定。本工程泥漿質(zhì)量控制措施：

(1)泥漿測(cè)試頻率。新拌制漿，拌制時(shí)和存放24h后各測(cè)定一次。成槽過(guò)程中，放漿前測(cè)定一次，成槽結(jié)束清底掃孔前測(cè)定一次，清底掃孔后再測(cè)定一次。測(cè)試部位在槽段的上、中、下三部位?；厥諠{未調(diào)整前測(cè)定一次，根據(jù)泥漿的指標(biāo)添加相關(guān)外加劑，調(diào)整后測(cè)定一次，直到符合調(diào)整漿的性能指標(biāo)。

(2)每一批新制的泥漿要進(jìn)行泥漿主要性能（粘度、比重）的測(cè)試，符合技術(shù)要求的泥漿才允許使用。新制泥漿須在拌制后應(yīng)靜置24h后使用。

(3)對(duì)于槽段中回收的泥漿，經(jīng)過(guò)凈化設(shè)備處理后，對(duì)其各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，并重新調(diào)整，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后才能使用。

(4)根據(jù)成槽施工中的實(shí)際情況，對(duì)泥漿配合比進(jìn)行調(diào)整，以選擇最合適的泥漿配合比。

5 成槽效果

地連墻澆灌混凝土的充盈系數(shù)（實(shí)際方量與理論方量的比值）是檢驗(yàn)成槽質(zhì)量最好的標(biāo)準(zhǔn)。考慮到混凝土對(duì)槽壁的側(cè)壓力會(huì)使槽壁稍有擴(kuò)寬，結(jié)合其他成槽施工實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，充盈系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值取1.05比較科學(xué)。本工程成槽施工前做了充分實(shí)驗(yàn)，施工過(guò)程中高度重視泥漿質(zhì)量的控制，地連墻槽壁穩(wěn)定情況較好，充盈系數(shù)比較接近標(biāo)準(zhǔn)值。各幅段混凝土澆筑理論方量、實(shí)際方量及充盈系數(shù)如表1所示（因數(shù)據(jù)較多，此處僅列出前20幅）：

表1 各幅段混凝土澆筑理論方量、實(shí)際方量及充盈系數(shù)

由表1中數(shù)據(jù)可以看出：

(1)在總共56幅地墻中，充盈系數(shù)集中在1.05--1.2之間，占總數(shù)的68%。其具體分布情況如表2所示：

表2 總共56幅地墻中充盈系數(shù)具體分布情況表

(2)采取雙軸攪拌樁加固的11幅段（W1-1至W1-10及W1-50）內(nèi)，充盈系數(shù)分布情況大致相同。具體如表3所示：

表3 采取雙軸攪拌樁加固的11幅段充盈系數(shù)分布情況表

整體來(lái)看，通過(guò)控制循環(huán)泥漿質(zhì)量，槽壁兩側(cè)都很穩(wěn)定，混凝土充盈系數(shù)始終保持在1.10左右。就本工程所處地段地質(zhì)條件來(lái)說(shuō)，地連墻成槽質(zhì)量較好，充盈系數(shù)分布比較理想。而且，由雙軸攪拌樁加固區(qū)域與沒(méi)有加固的區(qū)域相比，沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

本工程前20幅槽壁施工中混凝土理論方量與實(shí)際方量對(duì)比圖如下(見(jiàn)圖1)：

圖1 理論方量與實(shí)際方量對(duì)比圖

由圖1可以看出：前四幅槽段施工充盈系數(shù)較大，最大的W1-22幅達(dá)到1.35；從第五幅開(kāi)始，接近理論值，都在1.10左右。施工記錄顯示，充盈系數(shù)最大的W1-22槽段施工時(shí)循環(huán)泥漿比重達(dá)到1.24，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.19；而從W1-17幅開(kāi)始，循環(huán)泥漿比重控制在1.19以下，充盈系數(shù)反而接近理論值。正常情況下，泥漿比重越大，對(duì)槽壁的側(cè)壓力越大，坍塌程度應(yīng)該減小才對(duì)，本工程中為什么會(huì)出現(xiàn)反常情況呢？筆者經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為，這是由于泥漿質(zhì)量決定的。W1-22槽段施工時(shí)，雖然泥漿比重達(dá)到1.24，但那是因?yàn)槟酀{中摻雜了大量泥沙的原因，泥漿的粘度大大下降，形成泥皮的能力隨之下降，因而護(hù)壁功能下降；而之后施工人員及時(shí)調(diào)整了泥漿配比，嚴(yán)格控制循環(huán)泥漿的質(zhì)量，使其粘度等技術(shù)參數(shù)保持在科學(xué)范圍內(nèi)，盡管此時(shí)的比重只有1.19，但泥漿的護(hù)壁能力沒(méi)有減弱，因而槽壁的穩(wěn)定性能較好。所以，成槽施工中，控制泥漿質(zhì)量是最重要的，而不應(yīng)該盲目追求泥漿比重大小。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本工程地下連續(xù)墻成槽過(guò)程實(shí)踐得出，即便在上海市閘北區(qū)這種極其復(fù)雜的地質(zhì)條件下，進(jìn)行地連墻成槽施工，就是不采用"夾心餅干"（即槽壁墻兩邊施工深層攪拌樁）加固，只要能很好的控制泥漿質(zhì)量，同樣可以保證成槽質(zhì)量。與"夾心餅干"加固的方法相比，在保證了成槽質(zhì)量的前提下，達(dá)到了既降低施工成本又節(jié)約工期的目的。