軟土百米級地下連續墻套銑工藝護壁泥漿技術研究及應用

羅云峰

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002；2. 上海市地下工程施工泥漿專業技術服務平臺 上海 200433

城市建設的高速發展導致土地資源及可供開發建設的地上空間嚴重不足，大型城市中淺層地下空間的建設開發已趨于飽和，50 m及以上深度的深層地下空間開發成為上海等大型城市建設的必然選擇。在上海等軟土地區實施深度超50 m地下空間開發，地下連續墻等圍護結構的深度將超過百米，將不得不面對地質條件、深部砂層水土壓力分布復雜和施工難度大等一系列技術問題，對施工工藝提出了巨大的挑戰。對于深度超百米的地下連續墻，傳統的地下連續墻工藝存在諸多局限性，地下連續墻套銑工藝因其具備土層適應性高、成槽深度大、垂直精度高、接縫抗滲性能強等優點應運而生[1-6]。地下連續墻套銑工藝施工不可避免地會應用到泥漿，其主要起著護壁、攜渣和冷卻銑輪三大作用，從某種意義上來說，泥漿質量將決定著套銑工藝地下連續墻墻體施工質量。本文背景工程蘇州河深層排水調蓄管道系統工程試驗段SS1.2標（以下簡稱蘇州河深隧）是軟土地區首次規模化實施百米級地下連續墻，無工程化應用先例可供參考，本文進行百米級地下連續墻套銑工藝護壁泥漿技術研究具有直接的工程意義，為百米級超深地下連續墻順利安全實施提供了必要的技術支撐，也為后續類似工程泥漿質量管控提供參考。

1 背景工程概況

蘇州河深隧1.2標基坑分為4個區域。1區（豎井）：開挖深度約59.6 m，圍護結構采用1.5 m厚、105 m深地下連續墻；2區（綜合設施深坑）：開挖深度33.8 m，圍護結構采用1.2 m厚、80 m深地下連續墻；3區（進水渠道）：開挖深度33.3 m，圍護結構采用1.2 m厚、80 m深地下連續墻；4區（綜合設施淺坑）：開挖深度8.80～16.65 m，圍護結構采用1 m厚、105 m深地下連續墻（圖1、圖2）。

巖土工程勘察報告顯示土層分布情況如圖3所示，成槽過程中穿越十多種不同的土層，淺層淤泥質黏土流塑性較高，易發生頸縮和塌方，深層砂質沉積土層中存在含量極高的細粉砂，不易在泥漿循環過程中被除砂機分離，更有十余米穿越了⑨1層粉細砂和⑨2層中砂，墻底位于⑩層黏土，成槽施工難度大，成槽精度要求高。因此，確定合理的泥漿材料配比和性能指標，對槽壁穩定性及循環泥漿性能指標調控起到至關重要的作用。

圖3 豎井土層分布剖面示意

2 泥漿配比試驗研究

根據多年地下連續墻施工泥漿應用經驗和以往不同泥漿材料試驗及應用情況總結，同時結合背景工程地質和環境條件，確定本次泥漿配比試驗采用復合鈉基膨潤土泥漿。這種泥漿性能穩定，懸渣攜渣能力強，可以減少地下連續墻槽段底部的沉渣，和套銑泵吸反循環工藝有較好的適應性，且其聚合物分子作用還能較好吸附細微土砂形成大顆粒，從而加速沉淀，有利于泥漿循環處理。

泥漿配比試驗選取優質鈉基膨潤土結合CMC（羧甲基纖維素）、純堿等材料來進行。根據本工程施工工藝及施工質量要求，再結合上海地方標準中泥漿指標控制標準，進而確定本文背景工程地下連續墻成槽泥漿性能控制標準（表1）。

表1 泥漿性能指標控制標準

使用所選定的泥漿材料，在泥漿實驗室內進行配比小樣試驗，將膨潤土、CMC、純堿按既定的比例加入清水中，使用專用的泥漿分散攪拌機充分攪拌5 min制成泥漿，對剛制備好的新漿靜置24 h后分別進行黏度、相對密度、含砂率、失水量、泥皮厚度、pH值、動切力、靜切力、塑性黏度、表觀黏度等一系列泥漿性能指標測試分析研究。通過大量小樣配比試驗結果數據優選，初步確定背景工程泥漿配比：水∶膨潤土∶CMC∶純堿＝1 000∶60∶0.3∶3。

把泥漿實驗室小樣試驗所確定的泥漿配比在項目現場制備并再次進行測試分析，發現雖然配比一致，但測試結果與實驗室小樣數據是存在差異的。通過深入的觀測、對比分析查找到導致性能指標存在差異的可能原因有：現場拌制時間不足，部分攪拌不均勻，導致泥漿材料未能充分水化；CMC和純堿等外加劑摻量儀器較為簡單，不夠精確；CMC較難溶于水，在短時間攪拌制備泥漿過程中溶解不充分；此外，現場泥漿攪拌桶內長期殘留20 cm深余漿未能抽盡，也會導致泥漿性能受影響。

結合現場制備泥漿和實驗室制備的泥漿的性能指標差異情況，在滿足既定的泥漿性能指標的前提下，并結合現場攪拌設備容積、工效和膨潤土加料便攜性等因素，最終確定背景工程泥漿配合比：水∶膨潤土∶CMC∶純堿＝1 500∶100∶0.5∶3。

3 泥漿過程控制技術研究

過程控制主要是對施工現場泥漿制備、應用、調節再利用等關鍵技術環節進行必要的檢測控制。通過對槽段內不同深度泥漿和循環池泥漿進行取樣分析，以便及時采取相應技術措施進行動態調控，以實現百米內不同深度泥漿性能的快速精準檢測和控制。

3.1 泥漿制備控制

為使泥漿材料充分水化，最大程度地發揮好材料效能，并提高項目現場泥漿制備工效，對現場泥漿制備提出下列控制要求。

1）準備好較大存儲容器，提前24 h對難溶于水的CMC進行水化，拌制5 min以上進行靜置，靜置過程中每8 h攪拌一次，以使得CMC能充分水解。

2）泥漿的加料攪拌順序為：攪拌桶加一半水，添加膨潤土材料，開始攪拌的同時繼續往攪拌桶里加水到既定刻度，隨后摻加既定量的提前水化好的CMC水溶液，再摻加既定量的純堿，攪拌5 min，打入新漿池存貯備用。

3）每次攪拌桶攪拌完成后，保證桶內泥漿盡可能抽凈，減少桶底殘留和淤積。

4）在靜置過程中要不定時用空壓機對泥漿池進行翻滾攪拌，攪拌時間每池不少于5 min，攪拌頻率每次每天不少于1次，預防長期靜置而產生離析。

5）在輸入槽段或是摻兌進循環池前，再次使用空壓機對泥漿池（箱、罐）進行翻滾攪拌，攪拌時間不少于5 min。

3.2 槽段泥漿取樣檢測控制

地下連續墻成槽施工過程中，各種特性的復雜土層會對槽段內泥漿性能產生不確定影響，因此需對槽段內不同深度泥漿進行取樣檢測測試，通過得到的測試數據進行相應的調控，使成槽施工過程中所用泥漿質量滿足要求的性能指標，保證地下連續墻安全高效施工。

傳統的地下連續墻泥漿取漿器具為人工手提式簡易取漿器，這種方式全程依靠人工提上提下進行取漿，相當費時費力，取漿位置還不準確，并存在一定的危險性，在深度不大的地下連續墻中應用居多。百米級地下連續墻施工進行快速、高效泥漿檢測與動態調控的基礎是具有相適應的取漿裝置，顯然傳統簡易取漿器具無法滿足要求。本文對取漿檢測裝置及方法進行了革新，創新研制了地下連續墻槽段內系列原位泥漿檢測取漿器具，能夠滿足超深地下連續墻施工需求。

首先研發了第一代地下連續墻施工槽段內泥漿取樣器具，改變傳統的人工操作方式，采用將取漿器穩定固定于槽段上的形式，通過手搖纏繞有測繩的定滑輪，下放、提升測繩上連接的分段式取漿桶，對槽段內泥漿進行取樣檢測。在應用過程中改良第一代取漿器具，研制了第二代取漿裝置，整體穩定性增加，取漿位置更加準確、更省力，且便于在大型場地移動，靈活機動。

這2種地下連續墻槽段內泥漿取漿器具雖然相對于傳統簡易取漿器具有較大的創新，但也存在一定的缺陷，比如刻度易磨損，導致取漿深度不精確、深度大取漿效率低下等，無法滿足背景工程百米級地下連續墻不同深度的泥漿取漿檢測要求。

基于規模化百米級超深地下連續墻取漿工作量大、人工手搖定滑輪方式進行百米地下連續墻取漿費時費力且不夠安全等問題，創新研發了一種地下連續墻槽段泥漿電動取漿裝置，槽段取漿效率得到極大提高，取漿過程快速且平穩，安全高效。根據設置深度顯示器，直觀、準確地達到取漿深度，實現了深度超百米、最深達150 m的地下連續墻施工槽段內不同深度泥漿性能的精準檢測和控制。

3.3 循環泥漿指標調節控制

在粉細砂含量高地層進行套銑工藝施工，會遇到除砂機無法分離極小顆粒粉細砂（顆粒直徑0.026 mm以下）的難題，雖經過除砂、沉淀等泥漿處理，循環泥漿含砂率仍超過25%，此時循環漿將當成廢漿被遺棄處理。這種情況下，成槽泥漿將變成一次性攜渣的載體，將在較大程度上提升施工成本和增大液廢排放處理量，既不經濟，也不環保。亟待尋找一種既能降低廢漿率，又能不影響泥漿性能的方法來有效加快細砂沉淀和調節泥漿指標至可用范圍。基于此，開展了循環泥漿調節控制技術研究。

通過取等量的經多級沉淀含砂率仍超25%的一期槽段、二期槽段循環泥漿，分別利用清水、添加劑及新漿進行勾兌試驗，觀察勾兌后泥漿性能指標變化規律，圖4、圖5分別顯示了一期槽段、二期槽段循環泥漿不同樣品組進行調節試驗的含砂率變化情況。從圖4可知，在樣品泥漿中兌入新漿能夠有效地改善含砂率，泥漿中粉細砂的沉淀加快，而且在短時間內作用明顯。其中采用1∶1的比例摻入新漿調節泥漿指標，勾兌后粉細砂在短時間內迅速聚合沉淀，靜置2 h后泥漿含砂率下降到8%，隨后沉淀過程減緩，最終經6～24 h后含砂率下降到5%，達到穩定狀態。從圖5可知，采用與一期槽段同樣的勾兌比例或略微提高勾兌比例均可以在較長時間（6 h）的沉淀后，使泥漿指標達到循環利用標準。二期槽段循環泥漿按照新漿與原漿6∶4的勾兌比例，在短時間（2 h）內泥漿性能指標已基本恢復到循環漿指標要求。

圖4 一期槽段循環泥漿調節試驗含砂率變化

圖5 二期槽段循環泥漿調節試驗含砂率變化

基于循環泥漿調節試驗，提出了一種粉細砂層地下連續墻施工循環泥漿再生調節方法。該方法通過提高單位體積泥漿中聚合物與粉細砂顆粒的比例，加快粉細砂顆粒的集聚沉淀，且不影響泥漿的相對密度、黏度和酸堿度等其他指標。以此調節方法開發了循環泥漿性能快速調節技術，通過循環高效檢測、調整，有效改善了循環泥漿性能，實現了粉細砂含量超25%的高含砂率循環泥漿性能快速調節。

對循環池中采用循環泥漿性能快速調節技術處理的循環漿進行取樣檢測，檢測結果如圖6所示。圖6顯示經循環處理后的泥漿其性能指標均在規范和工程要求的上下限可控范圍之內，達到了再利用要求。

圖6 循環處理后泥漿各項性能指標

4 實施效果

背景工程百米超深地下連續墻在成槽過程中對每幅槽段不同深度泥漿性能進行了取漿跟蹤測試，主要測試了相對密度、黏度、含砂率、失水量這4項泥漿重要指標，并及時將測試指標與規范和工程要求的質量控制指標進行對比，當發現超出控制指標時及時進行動態調控或作廢棄處理。

測試數據顯示，取樣分析的近50幅槽段泥漿性能都較為穩定且無較大差異，結合成槽過程泥漿實時有效的動態調節，近50幅槽段內不同深度泥漿相對密度、黏度、含砂率及失水量這4項主控指標絕大部分都在允許的控制范圍內，僅有極個別槽段泥漿指標略微超標，但經過及時的調控調節后均在可控范圍之內。

背景工程歷時一年半有余，共計完成地下連續墻施工119幅，為了更好地展示背景工程百米級超深地下連續墻實施效果，對其中105 m深共計84幅地下連續墻的成槽垂直度進行統計分析。統計數據顯示，84幅105 m深的地下連續墻成槽垂直度均滿足1/1 000設計要求，其中4幅地下連續墻垂直度更是達到1/4 000以上，9幅地下連續墻垂直度達到1/3 000以上，30余幅地下連續墻垂直度達1/2 000以上。這也從側面印證了本工程地下連續墻施工成槽護壁技術的應用是成功的，效果是顯著的。

5 結語

本文針對軟土地區百米級地下連續墻規模化實施工程無先例、泥漿在百米地層的適用性未知等問題，結合百米級超深地下連續墻的施工特點和地層特性，通過小樣配比試驗結合項目現場實際地質和環境條件，優選配制出復合鈉基泥漿配合比，同時結合項目現場泥漿制備、應用、調節再利用等關鍵環節，提出針對性的技術管控措施。針對規模化百米級超深地下連續墻取漿工作量大、人工取漿存在的局限性，創新研發了地下連續墻槽段泥漿電動取漿裝置對百米深槽段內任意位置泥漿進行跟蹤取樣檢測，進而為泥漿性能調控提供依據，實現了百米深度地下連續墻施工槽段內不同深度泥漿性能的精準檢測和控制。同時，針對粉細砂含量較高土層中循環漿經處理后含砂率仍過高的問題，開發了循環泥漿性能快速調節技術，能夠較好地處理粉細砂問題，有效改善了循環泥漿性能，實現了粉細砂含量超25%的高含砂率循環泥漿再生利用。最后，對背景工程地下連續墻成槽泥漿相關重要性能指標和成槽質量進行了直觀的展示，印證了背景工程成槽護壁技術的應用是成功的，效果也是顯著的。

本文所進行的護壁泥漿技術研究為百米級超深地下連續墻順利安全實施提供了必要的技術支撐，對后續類似工程泥漿質量管控亦具有參考意義。