流沙地層防滲墻抓斗成槽關鍵技術探究

□陳敦剛（中國水利水電第十一工程局有限公司）

1 工程概況

鄭州引黃灌溉龍湖調蓄工程（龍湖工程）位于河南省鄭州市鄭東新區，主要分為引水工程、龍湖調蓄池工程和出口控制閘工程等3 大部分。龍湖調蓄池水域面積約5.60km2，正常蓄水位為85.50m，平均水深4.50m，最大水深7.00m，總庫容為2680 萬m3。

龍湖調蓄池是龍湖水系的主體水域，湖體防滲工程是成湖工程的關鍵環節。一方面，防滲體要能有效地控制池體滲漏量，以便能夠蓄水成湖；另一方面，防滲體滲透系數不能太小，以利于湖內水體與地下水相互交換，防止出現各種生態環境問題。因此要求防滲體的滲透系數應具有可控性，達到適度防滲的目的。

2 工程地質條件

防滲墻軸線地層主要為第四系全新統沖積層（Q4al）和上更新統沖積層（Q3al）。根據地層成因類型、巖性及工程地質特性不同，地層劃分為5 層。①層：以壤土（L）、砂壤土（SL）為主，局部地段上覆人工填土,下部夾有細砂（Sx）、粉細砂（Sis）及粘土（CL）薄層或透鏡體。②層：以細砂（Sx）、粉細砂（Sis）為主，本層夾有砂壤土（SL）、壤土（L）及中砂（Sz）薄層或透鏡體。③層：以砂壤土（SL）、壤土（L）為主，局部夾有粘土（CL）透鏡體。④層：以中砂（Sz）、細砂（Sx）為主，局部含鈣質結核和小礫石。本層夾有壤土（L）及粉細砂（Sis）薄層或透鏡體。⑤層：以壤土（L）為主，局部夾砂壤土（SL）、粉質粘土（CL）、細砂（Sx）薄層或透鏡體。

3 流沙地層成槽開挖存在問題分析

防滲墻成槽開挖試驗施工過程中發現，受地下水影響，采用常規泥漿固壁施工時，砂土層開挖擾動易形成流沙狀態，槽內泥漿懸浮泥沙含量大，成槽開挖后1h 槽底淤積即可達2～3m，個別槽段槽底沉淀的淤積達到5～6m 以上。因此，對泥漿制漿采取相應措施，使解決槽孔固壁穩定、提高槽段清孔換漿工效成為關鍵點。

第一，從砂土地層固壁效果來看，采用濃度較大的泥漿，便于槽壁泥皮的形成，且泥漿濃度大，形成的槽內外水壓差較大，便于砂土地層開挖成槽安全，但與此相對應的是泥砂懸浮不易沉淀，對清孔換漿造成困難；采用濃度較小的泥漿時，在短時間內不易在槽壁形成較厚的泥皮，在成槽開挖過程中增加了塌孔的風險，但槽孔內泥砂沉淀時間短，清孔換漿容易。

第二，流砂地層開挖過程中，槽內泥砂相對較多，槽孔開挖完成后，槽底將形成較厚的泥砂沉淀物，需要進行多次打撈，并易造成槽孔超深。

第三，槽底泥砂沉積層密度大，采取泵吸法清除槽底泥砂存在較大難度。

第四，在抓斗斗體上設置必要的排氣孔，可以提高抓斗一次打撈沉淀量，但要防止抓斗打撈的沉淀砂從排氣孔內流出，降低清孔效果。

4 防滲墻泥漿護壁成槽機理分析

4.1 泥漿的組成

泥漿是粘土顆粒分散在水中的懸浮液，是軟基地層穩定成孔（槽）固壁不可缺少的介質材料。固壁泥漿一般由水、粘土、膨潤土及化學處理劑組成。粘土是泥漿中的主要固相成分，其顆粒粒徑大多數<0.05×10-1mm，它具有帶電、吸附離子、水化膨脹以及分散或絮凝等性能。為了改善泥漿的性能，加入化學處理劑，以滿足不同工藝的要求。

4.2 泥漿的功能

泥漿的正確使用和泥漿性能的控制是泥漿護壁挖槽法成敗的關鍵。①防止槽壁坍塌：泥漿的漿柱壓力可抵抗槽壁上的土壓力和水壓力，并防止地下水滲入槽內；同時，在槽壁表面形成泥皮，減少槽壁坍塌的可能性。②防止滲漏：防滲墻在施工的過程中，孔內泥漿在漿柱壓力的作用下注入地層，堵塞滲漏通道，防止泥漿漏失，使施工能順利進行。靜止狀態的泥漿在受壓脫水后，具有較高的抗滲性能，防滲墻與兩側的泥皮和泥漿滲入帶共同起防滲作用提高了防滲墻的整體防滲效果。③懸浮和攜帶鉆碴，清洗孔底，提高鉆進工效，使造孔挖槽施工有效地進行。④冷卻鉆具，防止鉆頭過早磨損。

5 流砂地層防滲墻成槽施工主要控制措施

5.1 優化泥漿配合比

泥漿護壁被廣泛利用于地下連續墻成槽、鉆孔灌注樁成孔及鉆井等施工中，泥漿應具有一定的造膜性、理化穩定性、流動性和適當的密度。為加快泥漿中砂?？焖俪恋?，縮小清孔等待沉淀時間，按照規范要求，比重控制不小于規范要求的最低標準1.05。為了彌補泥漿因濃度小而造成泥皮形成時間過長的缺陷，采用添加增粘劑促進泥漿固壁效果。試驗段施工過程中，經過對泥漿配比的多次調試，泥漿制漿時，每立方漿材添加增粘劑0.50kg，減少15kg 膨潤土，使泥漿達到了較優效果。優化后泥漿配比見表1。

表1 優化后泥漿配比表

優化后的泥漿護壁效果良好，同時加快了泥漿中砂的沉淀，槽內泥砂沉淀時間由原來的6-8h 縮小到2-3h，為及時清孔爭取了時間，提高了施工工效。

5.2 采取綜合清孔換漿方式，提高工效

流砂地層成槽開挖過程中，槽孔內泥砂含量相對較大，沉淀打撈、槽孔內泥漿換漿難度較大。為此，結合鄭州龍湖防滲墻成槽特點。制定了抓斗打撈沉淀為主，槽孔內漿液置換為輔的綜合清孔換漿方式。

一是對槽底沉淀物進行分析判別，使用抓斗進行槽孔開挖時，槽孔內沉淀形成上部為比重較小的粉砂層，下部為比重較大的粗細砂層，為此需要根據槽孔內的沉淀情況據實采取打撈、泵吸工序組合方式清孔換漿，或泵吸清孔（懸浮粉砂清除）、打撈、再泵吸清孔換漿的組合方式。

二是采用液壓抓斗對槽內沉淀進行打撈時，采取在槽底預留30～50cm 壤土保護層，在撈取沉淀清孔時，作為兜底物將沉淀砂托底全部帶出。

三是槽底沉淀深度超過3m 時，先采取砂吸法清除槽底懸浮的粉砂層，然后采取抓斗抓取槽底較致密的粗細砂沉積層。槽底沉淀深度<3m 時，直接采取選抓斗打撈的方式清孔，然后將砂石泵下入孔底，進行兩次清孔并完成槽孔內換漿。

5.3 撈取沉淀時，一次輕放到抓取位置、一次抓取成功

抓斗斗體在槽內開斗閉斗活動次數多，會使沉淀的泥沙因擾動再次混入泥漿中，造成抓取困難，增加換漿時間。撈取沉淀時，采取輕放慢抓的方式進行。即一次慢放到抓取位置，慢開慢閉斗體，再慢慢往上提斗，避免抓斗在槽內擾動沉淀，從而提高清孔工效。

5.4 對液壓抓斗排氣孔改進

液壓抓斗斗體設計時，因考慮常規狀態施工，設置排氣孔多、且直徑相對較大。在本工程清孔時大量細沙從排氣孔隨斗內泥漿一起流入槽內，導致清孔不徹底。通過在斗體排氣孔設置濾網，有效防止了斗體內細砂流入槽中，從而提高了清孔工效。通過監測，清孔結束后槽內無明顯淤積厚度，槽底懸浮的粉細砂可通過泵吸換漿方式達到換漿漿液標準。

5.5 在連通槽內設置沉淀坎，防止相鄰槽段開挖過程中泥砂進入

在清孔槽段兩側設置沉淀坎，防止其相鄰正在抓槽的槽段循環泥漿內的細砂進入清孔槽段內，從而減少清孔時間。通過對清孔槽段實施相對封閉，清孔槽段內淤積約減少50～100cm，減少了清孔工作量，從而提高了清孔工效。

6 泥漿護壁成槽效果分析

成槽固壁和清孔采用高粘度、低比重泥漿，便于成槽時槽壁泥皮的形成，同時，因漿液比重小，便于槽孔內泥砂在較短的時間內沉淀；清孔采取兩次清孔方式，一次清孔時，槽底預留30～50cm 壤土層作為清孔兜底，避免了抓斗咬合不到位時斗體內泥砂大量外泄、延長清孔作用時間；采用液壓抓斗由槽段一側向另一側順序進行，采用“三抓五清”方式，便于槽孔清底徹底；抓斗清孔結束后，采取泵吸反循環方式進行2 次清孔，實現槽孔內換漿達標，提高了工效，且成槽清孔效果較好。

7 結語

鄭州龍湖防滲墻成槽施工中采用低比重、高粘度的泥漿，確保了成槽安全，提高了槽孔清孔速度，低比重泥漿也保證了塑性混凝土澆筑速度的提高。本工程通過添加外加劑改善泥漿性能，提高施工工效，在流沙地層防滲墻成槽施工中值得推廣應用。

[1]陶士先，李曉冬，吳召民，等.強成膜性護壁沖洗液體系的研究與應用[J].地質與勘探，2014（6）.

[2]李曉芬.水基防塌鉆井液在大慶松科1 井的應用研究[D].中國地質大學，2008.