超深地下連續墻泥漿材料特性及配比試驗研究

龔振宇，徐前衛，孫梓栗，賀 翔

(1.中鐵五局電務城通公司， 湖南 長沙 410205；2.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 201804)

地下連續墻作為基坑圍護的一種重要形式，具有剛度大、整體性強以及可進行逆作法施工等優點。但是在實際施工過程中常常發生槽壁坍塌現象。因此，地下連續墻成槽過程中常采用泥漿護壁，通過泥漿對槽壁產生的靜壓力，并在槽壁上形成泥皮，從而有效地防止基槽、孔壁坍塌[1]。曹豪榮等[2]研究發現槽壁失穩表現為表層土體的整體失穩以及軟弱夾層的局部失穩 2 類破壞模式。地下連續墻成槽施工全過程中泥漿始終充滿槽段，作為保證槽壁穩定的常用手段，對泥漿材料及配比的研究有著重要意義。

針對護壁泥漿的材料及性能，目前已有一些學者進行了相關的研究。其中，在泥漿配比方面，董宏波等[3]、張山等[4]分別分析了膨潤土以及各種添加劑對泥漿性能的影響，根據正交試驗測定泥漿性能優化配比。在槽壁穩定性力學分析方面，歐明喜等[5]提出槽壁開挖將導致地下連續墻黏性土夾砂層土體單元產生負孔隙水壓力，局部穩定性系數將會隨負孔隙水壓力的消散逐漸降低。王世君等[6]研究發現，增大泥漿重度、泥漿面超高以及土體的抗剪強度指標，可有效的提高槽壁穩定性；而地面超載的增大，會降低槽壁穩定性。在泥漿重度理論計算方面，崔根友等[7]和易岸峰[8]通過建立了地下連續墻成槽施工槽壁土體整體穩定性和局部穩定性力學模型，推導得到保證地下連續墻槽壁穩定的成槽施工泥漿臨界值公式，并在相應工程應用中加以論證。

由于泥漿材料種類繁多、性質各異，目前對泥漿配制及各組分性能的研究一般缺少系統的試驗分析，而現場施工更多的則是依據施工人員的經驗對泥漿配比進行調整。另外，雖然部分學者針對圓形基坑或超深基坑地下連續墻施工進行了相關研究[9-12]， 但本文研究的工程背景為超深圓形基坑，其槽壁穩定性研究建立在試驗分析及實際施工效果兩方面，其結果更為典型。

綜上所述，本文采用取自施工現場的泥漿材料進行室內配比實驗，分別研究鈉基膨潤土、CMC、Na2CO3等制漿材料對泥漿性質的影響，為成槽施工過程中的槽壁穩定性控制服務，并為今后類似工程提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

滇中引水工程龍泉倒虹吸接收井位于昆曲高速與灃源路交叉口西側綠化帶內，基坑屬于超深基坑類型，周邊環境平面圖如圖1所示。

接收井基坑為R=10.0 m圓形圍護結構，采用1.5 m厚地下連續墻，成槽深度96.6 m，共計14幅，分兩期施工。地墻接頭型式為銑接頭，墻頂設鎖口圈梁，連續墻嵌入基巖。基坑開挖深度77.3 m，內襯墻厚度1.0 m。如圖2所示。

圖1 接收井基坑平面示意圖

圖2 接收井立面圖(顯示內外墻)

2 泥漿配比試驗材料

2.1 膨潤土

膨潤土性能評價指標包括可交換陽離子容量和膨脹性。其主要化學組分為蒙脫石，少量成分由伊利石、高嶺石等黏土礦物組成。其中蒙脫石含量約占整個膨潤土礦物的80%，決定了膨潤土主要的物理化學性質。

2.2 CMC(羧甲基纖維素)

CMC(羧甲基纖維素)屬于纖維素醚類，廣泛應用于石油、食品、醫藥、紡織和造紙等行業。CMC最大的特點是溶于水之后會迅速水解為透明的膠體溶液，具有增稠、成膜、黏接、水分保持、膠體保護、乳化及懸浮等作用，酸堿程度顯中性。其性狀為白色固體顆粒狀，在干燥環境中性質穩定，可以長時間保存。在本次泥漿配制試驗中采用CMC來快速提高泥漿的黏度，如圖3所示。

圖3 試驗用CMC顆粒

考慮到CMC具有高度親水性及高度增黏性，攪拌不充分會導致外部成膠體阻礙內部溶解，不利于其性能發揮，同時也會導致試驗結果失準。因此將CMC配制成0.2%的溶液后再添加，可以有效避免該問題。

2.3 Na2CO3(純堿)

在地下連續墻施工時，護壁泥漿的pH值要求處于7～10之間，總體偏堿性。因此，配制漿液過程中加入Na2CO3(純堿)可以滿足護壁泥漿的堿性要求，另外，Na2CO3(純堿)還可以提高漿液的穩定性，使得泥漿內部各組分分布均勻。

2.4 現場<2-2>粉質黏土及試驗用砂

地下連續墻成槽過程中，周圍土體會一定程度溶解并懸浮于泥漿中，黏土層可能導致泥漿重度升高，砂土層可能導致泥漿含砂率增加。因此，試驗時配置一些碾碎的黏土粉末及砂礫，以研究其對泥漿性質的影響，現場主要分布的<2-2>粉質黏土如圖4所示，試驗用細砂如圖5所示。

圖4 現場<2-2>粉質黏土

3 泥漿試驗流程及測定參數指標

3.1 試驗流程

泥漿配比試驗是按照一定的材料配合比，將膨潤土、CMC、Na2CO3等制漿添加劑混合，然后利用JJ-1型電動攪拌器，以750 r/min的轉速將泥漿原料攪拌混合，如圖6所示。接下來，在室溫條件下水化膨脹一定的時間，而后參考相關規范給出的測量指標及測量方法，主要測量的泥漿指標有比重、黏度和pH值等，對比定量分析各種添加劑對泥漿自身主要特性的影響程度，最終使得各項指標都滿足施工規范后，記錄試驗泥漿的具體配比。

圖5 試驗用細砂

圖6 泥漿攪拌過程

3.2 泥漿比重

泥漿比重代表漿液中固體顆粒含量的多少，是衡量泥漿與地層之間適應性的一個主要指標，也是泥漿最重要性能指標之一。當泥漿比重偏小，固體顆粒含量不足，不利于建立泥膜。當泥漿比重偏大，會造成泥漿泵超負荷運轉，泥漿的攜渣能力減弱，固體顆粒會發生沉積。因此，在地下連續墻施工時，不僅要考慮槽壁的穩定性，還要考慮相關輸送設備的承受能力。試驗采用NB-1002型泥漿比重計，所測泥漿的比重為泥漿的重量與4℃時同體積的純水重量之比。

3.3 泥漿黏度

泥漿黏度，一般指塑性黏度，用來反應流動的液體抵抗剪切變形能力的大小。過大或過小的泥漿黏度都不利于實際施工。黏度越大，則懸浮攜帶土顆粒的能力越大，泥沙不容易沉淀，沉渣厚度越小且泥皮越厚，可能會出現縮徑或者泥皮脫落的情況；反之，黏度過小會導致泥漿發生離析分離，成膜失效，泥漿攜渣能力大大降低。所以，漿液黏度是槽壁成膜與否的關鍵指標，同時在施工過程中，黏度合理的漿液可以及時帶走泥沙，避免懸浮顆粒沉積，不會影響到后期混凝土澆筑和墻底質量。本試驗采用漏斗黏度計測定。

3.4 pH值

泥漿的酸堿性對泥漿特性、水敏地層的穩定、泥漿處理劑的應用都有很大影響。本試驗采用pH計測定。

3.5 含砂率

泥漿含砂率是指泥漿中大于74 μm的非黏性土占泥漿總體積的百分含量。在地下連續墻成槽過程中，若泥漿中含砂率高，會對鉆桿和鉆頭的磨損嚴重，且會影響泥漿泵的正常工作。因此泥漿制備時需要控制含砂率指標。試驗采用ANY-1型泥漿3件套測試儀中的含砂率測試儀進行測定。

3.6 泥漿參數控制指標

結合地下連續墻施工經驗，擬定的泥漿參數控制指標如表1所示。比較可知，循環泥漿的比重和含砂率高于新制泥漿，但兩者的黏度相差不大。

表1 泥漿參數控制指標表

4 單因素泥漿配比試驗結果

4.1 攪拌時間對泥漿性質的影響

泥漿的攪拌時間對泥漿性質有影響，攪拌時間過短會導致泥漿分散性較差，性質不穩定。因此，配置“膨潤土∶水=1∶20(即膨潤土50 g、水1 000 g)”的純膨潤土泥漿為基漿。攪拌速度為750 r/min，以攪拌時間0～90 min為變量進行試驗。泥漿性能結果變化如圖7所示。其中，考慮到實際施工中新漿配置時間不能與成槽施工脫節，即新漿靜置時間不應過長。故試驗設定靜置時間為1 h。

可以看出，攪拌時間對泥漿比重影響很小，基本處于1.028～1.030范圍內，而對泥漿黏度影響較大，在攪拌時間由15 min增至45 min過程中，泥漿黏度由17.5 s快速增至19.8 s，而后保持穩定。在攪拌時間為15 min、30 min、45 min時，泥漿黏度測試時濾網濾得泥漿顆粒如圖8所示，當攪拌時間為15 min時，泥漿分散效果差，殘余顆粒多；攪拌時間為30 min時，僅剩余少量殘余顆粒；當攪拌時間為45 min時，可認為已完全溶解。因此，綜合考慮泥漿黏度與分散性，后續實驗中攪拌時間為45 min。

圖7 攪拌時間對泥漿參數影響

圖8 不同攪拌時間下泥漿攪拌效果

4.2 靜置時間對泥漿性質的影響

膨潤土作為泥漿最主要的組分之一，其膨脹水化的時間對泥漿性能存在影響。因此，設計試驗研究不同靜置時間下的泥漿性能。配置“膨潤土∶水=1∶20(即膨潤土50 g、水1 000 g)”的純膨潤土泥漿為基漿，以靜置時間0～24 h為變量進行試驗，泥漿性能結果變化如圖9所示。其中，根據前文試驗結果可知，攪拌時間為45 min時，膨潤土顆粒完全溶解。故試驗設定攪拌時間為45 min。

可以看出，靜置時間對泥漿比重影響很小，比重基本處于1.030附近波動，但靜置時間對泥漿黏度影響較大，靜置時間由0 h增至1 h時，泥漿黏度由17.5 s增至18.5 s，增長速度較快，而后緩慢增加，直至靜置12 h時，泥漿黏度增至19.5 s，靜置24 h時，泥漿黏度為19.9 s。綜合考慮試驗便捷性以及泥漿膨化特性，說明前節攪拌時間對泥漿性質的影響試驗中，泥漿靜置時間定為1 h是可行的。

圖9 靜置時間對泥漿參數影響

4.3 膨潤土含量對泥漿性質的影響

膨潤土造漿率高且易調節泥漿性能，因此膨潤土含量對泥漿性質也有著重要影響。配置1 000 ml泥漿，設定攪拌速度為750 r/min、攪拌時間為45 min、靜置時間為1 h，以膨潤土含量為變量進行試驗，泥漿性能結果變化如圖10所示。

圖10 膨潤土含量對泥漿參數影響

可以看出，膨潤土量對泥漿的比重、黏度均有一定程度的影響。隨著膨潤土質量分數由4.7%增至9.9%，泥漿比重由1.03均勻增至1.07，膨潤土含量每增加1%，泥漿比重約增加0.008。隨著膨潤土含量增加，泥漿黏度呈現指數型增加，當膨潤土含量超過9%時，泥漿黏度增至100 s以上。

4.4 CMC含量對泥漿性質的影響

分別配置“膨潤土∶水=1.0∶20.0、1.0∶12.5和1.0∶10.0(即膨潤土50/80/100 g、水1 000 g)”三種“膨水比”的純膨潤土泥漿為基漿，設定攪拌速度為750 r/min、攪拌時間為45 min、靜置時間為1 h，以CMC含量為變量進行試驗，泥漿性能結果變化如圖11所示。

可以看出，CMC含量對泥漿比重、pH值影響不大，比重基本處于1.028～1.033范圍內，pH值基本處于10.45左右。而CMC含量對泥漿黏度有明顯的提升效果，隨著CMC質量分數由0‰增至0.95‰，1.0∶20.0基漿黏度由19.8 s增至72.2 s，亦即平均0.1‰的CMC即可使1.0∶20.0基漿黏度增加5.5 s。

圖11 CMC含量對泥漿參數影響

CMC對不同基漿的泥漿的增黏效果有所不同，當基漿中膨潤土含量為1.0∶20.0時，加入0.2‰的CMC可使基漿黏度由19.8 s提升至24.8 s，當基漿中膨潤土含量為1.0∶12.5時，加入0.2‰的CMC可使基漿黏度由30.1 s提升至48.9 s，基漿中膨潤土含量為1.0∶10.0時，加入0.2‰CMC可使基漿黏度由52.8 s提升至213.4 s。CMC對不同基漿的黏度影響差異與泥漿中的固體顆粒含量有關，因為泥漿中的黏土顆粒一般呈不規則狀，泥漿顆粒的表面性質也非常不均勻，泥漿顆粒之間通過分子間作用力互相連接，構成網狀絮凝結構。當泥漿中的黏土顆粒濃度增大，形成連續空間網狀結構的效果也越明顯，會導致泥漿黏度變得更大。所以，在添加CMC添加量應有效控制，當需要泥漿黏度快速提高到一個較高的施工水平時，可以考慮添加CMC。

4.5 Na2CO3含量對泥漿性質的影響

分別配置“膨潤土∶水=1.00∶6.25、1.00∶7.70、1.00∶9.10、1.00∶10.00、1.00∶12.50(即膨潤土160/130/110/100/80 g、水1 000 g)”的純膨潤土泥漿，設定攪拌速度為750 r/min、攪拌時間為45 min、靜置時間為1 h，以Na2CO3含量為變量進行試驗，泥漿性能結果變化如圖12所示。

圖12 純堿含量對泥漿參數影響

可以看出，純堿含量對泥漿比重影響不大，其中1.00∶10.00的基漿比重基本處于1.06～1.07范圍內，但是純堿含量對泥漿的黏度有明顯的降低效果，對泥漿pH值有一定的提升效果。隨著純堿質量百分比由0增至1%，各組泥漿黏度均大幅度下降，基漿“膨水比”越大，黏度降低越明顯。例如，1.00∶10.00的基漿黏度由52.8 s降至23.57 s，降低達29.2 s；1.0∶7.7的基漿黏度由122.02 s降至27.33 s，降低達94.7 s；當純堿含量達到1%后，泥漿黏度均處于30 s左右的較低水平。因此，在施工應加入適量的純堿，從而避免泥漿黏度過高影響流動性，同時提高泥漿的穩定性。

此外，pH值隨著純堿含量增加亦有所提高，如對于1.00∶10.00的基漿，加入0.7%的純堿可使得其pH值從10.5升至10.8。需要注意的是，在水中加入膨潤土之前就應加入純堿，使之形成Na2CO3溶液，這對膨潤土的分散效果影響更為明顯。

4.6 細砂含量對泥漿性質的影響

由于施工中地下連續墻成槽不可避免地會穿越砂層或夾砂層，因此泥漿中可能會夾雜細砂，為研究這些細砂對泥漿性能影響，配置“膨潤土∶水=1.0∶20.0、1.0∶12.5和1.0∶10.0(即膨潤土50/80/100 g、水1 000 g)”的三種純膨潤土泥漿為基漿，設定攪拌速度為750 r/min、攪拌時間為45 min、靜置時間為1 h，以細砂含量為變量進行試驗，泥漿性能結果變化如圖13所示。

圖13 細砂含量對泥漿參數影響

可以看出，砂含量主要對泥漿的含砂率影響較大，但對其比重、黏度、pH值影響很小。隨著細砂添加量由0增至2‰，各組泥漿含砂率均明顯增加，但細砂添加量由2‰增至6‰時，各組泥漿含砂率并未有明顯提高，而是處于波動狀態，即存在上限值。根據上文分析可知，不同配比的泥漿，其黏度與重度差距較大，其中黏度越大，泥漿懸浮顆粒能力越強，因此含砂率上限也越高。因此，在施工中可通過控制黏度來一定程度上控制含砂率。

4.7 黏土含量對泥漿性質的影響

由于施工中地連墻成槽不可避免經過黏土層，因此泥漿中不可避免會夾雜些許黏土，為研究這些黏土顆粒對泥漿性能影響，配置膨潤土∶水為1∶20(即膨潤土50 g、水1 000 g)的純膨潤土泥漿為基漿，設定攪拌速度為750 r/min、攪拌時間為45 min、靜置時間為1 h，以黏土含量為變量進行試驗，其中黏土取施工現場<2-2>粉質黏土，碾至成粉方可為實驗所用，實驗所得泥漿性能結果變化如圖14所示。

圖14 黏土含量對泥漿參數影響

可以看出，黏土含量對泥漿比重、含砂率影響較大，對其黏度、pH值影響較小。隨著黏土含量增多，比重得到明顯上升，當黏土含量由0%增至15%時，泥漿比重由1.04增至1.14，平均每1%的黏土，可使泥漿比重增加0.006 7。同時，由于現場所取黏土中含有少量細砂，因此隨著黏土添加量增加，含砂率亦有所上升，但當黏土含量達到11%之后，含砂率穩定在3.2%～3.5%，并未繼續上升，與前文研究規律相符。同時由于黏土中存在黏性顆粒，因此泥漿黏度有少量上升，pH有少量下降，但幅度均很小，可忽略不計。

5 施工泥漿優選配比與實測變形情況

根據單因素泥漿配比試驗研究結果，施工新制泥漿按表2進行配置。經計算，滿足擬定的泥漿參數控制指標，研究泥漿配比是否滿足施工變形控制要求。

表2 施工新制泥漿配比表

接收井地下連續墻施工前，在其周邊布設相應監測點，如圖15所示。

以第一幅槽壁施工為起點，直至全部槽壁施工完成，共81 d。根據實測變形數據繪制地表沉降曲線，分析槽壁施工質量，如圖16所示。可以發現，槽壁外部(JC3、JC6—JC10)地表沉降一直很小，槽壁內部(JC11、JC12)地表沉降在前期(0～56 d)也得到了良好的控制。但在后期(56 d～81 d)，由于使用旋挖機對復銑混凝土進行引孔時偏孔情況嚴重，修孔花費較長時間且效果不明顯，旋挖機偏孔后銑槽機因糾偏板受限等原因，導致槽壁內部(JC11、JC12)地表沉降產生了比較明顯的變形，最大累計沉降達到-13.81 mm?？紤]到本身施工機械受限的緣故，在該不利因素下槽壁穩定性雖然受到一定影響，但其施工質量總體可控，說明根據試驗結果調整各組分用量配置的泥漿滿足工程需要，其配比選用較為合理。

圖15 地下連續墻周邊地表沉降監測點布置圖

圖16 地下連續墻施工全過程周邊地表沉降變化曲線

6 結 論

本文以滇中引水龍泉倒虹吸盾構接收井超深地下連續墻施工為工程背景，首先介紹了泥漿的配制材料和主要參數，而后通過泥漿配比試驗，分別研究了鈉基膨潤土、CMC、Na2CO3等制漿材料對泥漿性質的影響，并得到以下結論：

(1) 泥漿配比試驗的攪拌時間與靜置時間對泥漿性質的影響不容忽視。隨著靜置時間增加，泥漿黏度先增加后穩定，隨著攪拌時間的增加，泥漿比重先增大后穩定，因此在施工中應重視制漿過程，保證泥漿參數處于合理范圍。

(2) 增加膨潤土含量可以一定程度上提高泥漿的比重、黏度。膨潤土含量每增加1%，泥漿比重約增加0.008。隨著膨潤土含量增加，泥漿黏度呈現指數型增加，當膨潤土含量超過9%時，泥漿黏度增至100 s以上。

(3) CMC含量對泥漿黏度有明顯的提升效果，平均0.1‰ CMC即可使1.0∶20.0基漿黏度增加5.5 s。且隨著泥漿膨水比的增大，CMC對泥漿的增黏效果逐漸增強。

(4) 純堿含量對泥漿的黏度有明顯的降低效果，對泥漿pH值有一定的提升效果，基漿膨水比越大黏度降低越明顯。

(5) 隨著細砂含量的增加，泥漿含砂率先增加后穩定，存在上限值，其上限值取決于泥漿懸浮顆粒能力越強，根據試驗結果泥漿懸浮能力可能與黏度有關。

(6) 黏土含量對泥漿比重、含砂率影響較大，對其黏度、pH值影響較小。平均每1%的黏土可使泥漿比重增加0.006 7。且由于現場所取黏土難免夾雜細砂，因此隨著黏土添加量增加，含砂率亦會有所上升。