大断面砂层中地下连续墙泥浆使用及质量控制

赵民,刘卫卫,付艳青

(济南市勘察测绘研究院,山东 济南 250000)

0 引 言

地下连续墙具有墙体刚度大、整体性好,基坑开挖过程安全性高,支护结构变形较小;墙身具有良好的抗渗能力等优点,因此成为大型深基坑工程维护的首选工艺[1]。地下连续墙在施工过程中,优质的泥浆性能是保证地下连续墙成槽稳定的关键,在泥浆性能指标中,比重、漏斗黏度、失水量、泥皮厚度等指标对地下连续墙槽壁稳定起着最关键的作用。因此,科学控制泥浆质量是保证成槽的关键。

某盾构工作井基坑开挖深度约 40 m,采用地下连续墙作围护结构。地下连续墙厚 1.5 m,最大墙深 59 m,场地工程地质及水文地质条件极为复杂,基坑穿越粉土、黏性土、粉砂层、粉细砂层及中粗砂层,其中粉细砂层最大厚度达 42 m,土体稳定性差;场地地下水位高,基坑开挖需穿越两层承压水,承压水与长江、汉江水力联系密切,呈互补关系,地下水位季节性变化规律明显,水量较为丰富。

穿越如此大厚度砂层的超深地下连续墙施工在国内比较罕见,大断面的砂层极易产生槽体塌方,因此非常有必要对地下连续墙施工中泥浆质量控制进行专门研究。

1 泥浆制备

1.1 泥浆系统设置

该工程泥浆系统由泥浆处理系统、泥浆分离系统、泥浆箱、泥浆筒以及泥浆搅拌机组成。在黏性土、砂性土等非入岩地层成槽时,使用的是金泰SG60成槽机,非入岩地层成槽时,成槽后的泥浆经过黑旋风泥浆处理系统即可进入循环泥浆箱作为循环浆继续应用。入岩地层采用德国宝峨BC40液压铣槽机进行成槽,泥浆要经过泥浆分离系统才能作为循环浆继续使用。该工程方量最大的地下连续墙为 500 m3,配置12个泥浆储存筒和30个钢制泥浆箱。泥浆存储量为12×70+30×25=1 590 m3,满足单幅地下连续墙3倍泥浆存储量。泥浆系统平面布置如图1所示。

图1 泥浆系统平面布置示意图

1.2 配浆材料及配比

根据技术规范[2]、本工程的地质情况及以往地下连续墙的施工经验,确定成槽过程中易发生坍塌的砂层泥浆性能指标如表1[3]。

表1 砂层泥浆性能指标

本项目地下连续墙现场泥浆配方为:4%优钻100土+0.8‰纯碱,能够满足以上指标。

1.3 现场泥浆配备

现场配浆流程如图2所示,膨润土等材料测试合格后,按照已经确定的配合比进行称量;在泥浆搅拌桶中加入水后,开启搅拌机,边搅拌边加入膨润土和其他材料;现场用的搅拌机为喷射型混合射流式,搅拌能力较差,充分搅拌的时间为15～20 min;泥浆搅拌完成后,进行性能测试,达到预期指标后,在泥浆池中贮存3小时以上;排入泥浆箱或者泥浆筒仓以备成槽施工。

图2 现场配浆流程

尤其要重视的是现场制备泥浆时,投放顺序一般为水、膨润土、CMC、分散剂等其他外加剂,由于CMC溶液可能会妨碍膨润土溶胀,所以应在膨润土溶解之后加入CMC时,先将其用清水溶解成1%～4%的溶液,然后再加入泥浆中效果最佳。

现场配浆流程如图2所示。

2 泥浆使用性能

2.1 泥浆循环

现场泥浆循环如图3所示,利用泥浆泵、消防水带、球阀开关等,将搅拌桶配好的泥浆分别输送到供浆箱、储浆箱、回浆箱以及正在施工的槽段。施工中置换出来的泥浆经过除砂设备,根据性能再生使用或废弃。

图3 现场泥浆循环示意图

2.2 清孔和换浆

本工程地下连续墙在完成铣槽后用铣槽机及配套的宝峨泥浆分离系统进行清孔换浆。槽孔终孔并验收合格后,即采用液压铣槽机进行泵吸法清孔换浆。将铣削头置入孔底并保持铣轮旋转,铣头中的泥浆泵将孔底的泥浆输送至地面上的泥浆分离器,由振动筛除去大颗粒钻渣后,进入旋流器分离泥浆中的粉细砂。经净化后的泥浆流回到槽孔内,如此循环往复,尽可能地将泥浆中的泥沙分离干净后开始置换槽内泥浆。

在清孔完成后,利用铣槽机强大的吸浆能力,将槽段内的成槽用的循环泥浆全部置换成新鲜泥浆,以确保混凝土浇灌质量和接头防渗漏要求,清孔、换浆工艺如图4所示。换浆回收泥浆过程中,必须用泥浆分离系统对回收泥浆进行分离,分离后泥浆应经过检测,合格的泥浆继续循环使用,不合格的作废弃处理[4]。

图4 清孔换浆示意图

2.3 泥浆使用性能

在整套地下连续墙施工过程中,选取N1-01、N2-03、N3-04、P-15、P-26等五幅地下连续墙,对在成槽深度为 10 m、20 m、30 m、40 m、50 m位置时,进行泥浆性能参数的检测,检测的性能指标包括:泥浆比重、含砂率、黏度、中压滤失量等。泥浆性能指标随成槽深度的变化曲线如图5～图8所示。

图5 泥浆比重随成槽深度变化曲线

图6 滤失量随成槽深度变化曲线

图7 漏斗黏度随成槽深度变化曲线

图8 含砂率随成槽深度变化曲线

通过以上曲线可知,成槽过程中,比重、滤失量、漏斗黏度、含砂率会随着深度增加而增大,但性能基本在控制范围内,滤失量和漏斗黏度稍低于性能要求。此外还可以看出,成槽至砂层时(深度约15～20 m),泥浆的比重和含砂率会明显增大。

2.4 泥浆质量保证措施

该盾构工作井地下连续墙地质情况复杂、工期紧,泥浆使用量大,泥浆各项指标极易变化,因此施工过程中在制备泥浆的同时,应该配备重晶石粉、CMC以及纯碱[5]。当泥浆池泥浆比重低于1.05不满足规范要求时,应在每方新浆加 1 kg左右的重晶石粉并搅拌均匀,泥浆池的泥浆比重会在2～4 h内增加约0.02～0.04 g/cm3;当泥浆池内泥浆黏度不足 18 s时,在制备新浆的混浆漏斗中,每方新浆加 3 kg左右的CMC,泥浆池内的泥浆黏度会在2～4 h内增加2～4 s。

该盾构工作经地下连续墙需穿越粉砂层和粉细砂层,成槽至砂层时,泥浆中含砂量会迅速增加,需采取必要措施进行处理[6]。为此,在循环使用泥浆时,对含砂率大于5%的泥浆,在制备新浆的混浆漏斗中,每方新浆加 l kg纯碱,泥浆中的砂会逐渐沉淀。此外,要对泥浆池进行定期7天左右的清理,含砂量较大的泥浆经过处理后方可循环使用[7]。

3 结 语

根据有关技术规范和同类工程经验,确定了本工程地下连续墙成槽过程中易发生坍塌的砂层泥浆性能指标,对泥浆比重、含砂率、黏度、中压滤失量等性能指标进行监测,采取措施对泥浆质量进行严格控制,有效地保证了地下连续墙施工工艺的进行,有关结论如下:

(1)严格控制新配置泥浆质量,能够有效保持槽壁稳定。

(2)使用重晶石粉、CMC以及纯碱可短期内改善泥浆性能。

(3)本工程地下连续墙成槽至砂层时(深度约15～20 m),泥浆的比重和含砂率会明显增大。

(4)现场制备泥浆加入CMC时,先将其用清水溶解成1%～4%的溶液,然后再加入泥浆中效果更佳。