上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200433

1 工程概況

蘭州鴻運(yùn)金茂項(xiàng)目一期工程是蘭州乃至整個(gè)西北地區(qū)的地標(biāo)性建筑，主樓高度250 m，為西北地區(qū)第一高樓。塔樓區(qū)域地下4層區(qū)域開(kāi)挖深度分別為23.6 m和22.4 m，裙樓區(qū)域開(kāi)挖深度為21.6 m，其基坑開(kāi)挖深度目前來(lái)說(shuō)在整個(gè)西北地區(qū)也是最深的。本工程基坑開(kāi)挖階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻共97 幅，墻厚度均為800 mm，采用液壓抓斗進(jìn)行成槽施工，這是蘭州乃至整個(gè)西北地區(qū)首次施作地下連續(xù)墻，相應(yīng)的也是首次使用地下連續(xù)墻成槽護(hù)壁泥漿，具有開(kāi)拓性的意義。

本工程地層和東部沿海地區(qū)有顯著差異，場(chǎng)地土質(zhì)較差，土體含砂量大。淺部土層有②層粉砂層（層厚0.30～2.80 m）和③層卵石層（層厚1.80～10.60 m），土層滲透系數(shù)大，透水性強(qiáng)。地下連續(xù)墻墻趾坐落于④層砂巖層，該層具有“遇水軟化、擾動(dòng)后強(qiáng)度降低，特別是在有水情況下擾動(dòng)后強(qiáng)度急劇降低”的特征，且該層分布全場(chǎng)地，埋深較深。本工程地下水埋深較淺，上層滯水水位為地表以下0.5～2.5 m，且無(wú)統(tǒng)一穩(wěn)定的水位面；地下孔隙潛水水位在地表以下3.2～4.3 m，且該類(lèi)含水層滲透性好、水量大。

在高地下水位、高含水量的卵石砂巖層這種地層中進(jìn)行地下連續(xù)墻施工，存在較多不穩(wěn)定和不確定因素，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（a）在這些地層中施工地下連續(xù)墻易導(dǎo)致泥漿漏失，從而導(dǎo)致槽壁失穩(wěn)坍塌，會(huì)造成后續(xù)灌注混凝土充盈系數(shù)增大，使墻體出現(xiàn)突出，給后期基坑開(kāi)挖帶來(lái)困難；

（b）地下水位過(guò)高、穩(wěn)定水位埋深淺易導(dǎo)致地下連續(xù)墻成槽階段泥漿液面與地下水位面的差值偏小，泥漿對(duì)槽壁的支撐壓力較小，影響泥皮形成，不利于槽壁穩(wěn)定；

（c）在飽和含水砂層中施工極易發(fā)生涌水、涌砂等工程災(zāi)害，當(dāng)?shù)叵聺撍?、水流較大時(shí)，不僅會(huì)稀釋泥漿，而且也容易引起槽壁坍塌；

（d）在富水砂層中進(jìn)行泥漿循環(huán)成槽施工，由于地下水、砂?？赡芑烊肽酀{中，會(huì)引起泥漿性能惡化，對(duì)槽壁的穩(wěn)定又增加了新的不確定性因素。

2 泥漿的護(hù)壁機(jī)理

泥漿的護(hù)壁機(jī)理實(shí)際上是靜力平衡原理，即槽段內(nèi)的泥漿壓力等于或高于所在地層的地下水壓力和土體側(cè)壓力[1-3]。泥漿具有一定的相對(duì)密度，如槽內(nèi)泥漿液面高出地下水位一定高度，泥漿在槽內(nèi)就對(duì)槽壁產(chǎn)生一定的靜水壓力，可抵抗作用在槽壁上的側(cè)土壓力和水壓力，相當(dāng)于一種液體支撐，可防止槽壁坍塌和剝落，并防止地下水滲入[4]。同時(shí)，泥漿在槽壁內(nèi)由于壓差作用滲入槽壁土體中，其中較細(xì)的顆粒進(jìn)入孔隙中，較粗的附在槽壁表面而形成一層透水性很低的固體顆粒膠結(jié)物——泥皮，從而可使泥漿的靜水壓力有效地作用于槽壁上。此時(shí)泥漿與砂礫石層被泥皮隔開(kāi)，泥漿水不再進(jìn)入地層，地下水也不進(jìn)入槽段中稀釋泥漿，最終達(dá)到平衡，泥漿所產(chǎn)生的側(cè)壓力通過(guò)泥皮作用在孔壁上，保證了槽壁的穩(wěn)定。

泥漿的護(hù)壁機(jī)理雖然簡(jiǎn)單，但在地下連續(xù)墻實(shí)際工程過(guò)程中由于影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜，在泥漿的使用和管理上普遍存在一定的問(wèn)題，具體表現(xiàn)為： 泥漿不能合理配制與充分使用， 致使槽壁坍塌縮徑、成槽效率低、容易發(fā)生質(zhì)量安全事故、造成環(huán)境污染等[5]。在對(duì)泥漿的護(hù)壁機(jī)理有所掌握的基礎(chǔ)上，對(duì)成槽護(hù)壁泥漿的性能及使用過(guò)程能有效的掌控才是確保槽壁穩(wěn)定的關(guān)鍵。一種良好的護(hù)壁泥漿應(yīng)具備物理穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、適當(dāng)相對(duì)密度、良好的觸變性和泥皮形成性。

3 泥漿性能指標(biāo)和材料配比

配制泥漿時(shí)應(yīng)首先根據(jù)地質(zhì)條件確定泥漿的相關(guān)性能指標(biāo)。一般應(yīng)根據(jù)選定的指標(biāo)，以最容易坍塌的土層為控制對(duì)象確定泥漿的配方，本工程第③卵石層和第④砂巖層是泥漿配制需要關(guān)注的重點(diǎn)。

對(duì)與背景工程相似的地質(zhì)條件下地下連續(xù)墻成槽護(hù)壁泥漿進(jìn)行調(diào)研，希望能找到一些可供參考和借鑒的經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)調(diào)研得知，關(guān)于卵石層地下連續(xù)墻泥漿都是采用的膨潤(rùn)土泥漿，其指標(biāo)新漿相對(duì)密度控制在1.10之內(nèi)，黏度控制在24 s以內(nèi)，含砂率控制在4%以內(nèi)。

本次泥漿配比試驗(yàn)共有3 種材料：一是山東濰坊出產(chǎn)的泥漿材料，直接加水?dāng)嚢杓纯?；二是德?guó)泥漿材料，直接加水?dāng)嚢杓纯桑蝗鞘褂门驖?rùn)土、CMC、堿等自己配制泥漿。因德國(guó)材料價(jià)格比較昂貴，泥漿成本較高，且由于是第一次在卵石層砂巖地層使用泥漿，無(wú)經(jīng)驗(yàn)無(wú)先例，泥漿材料廠家配好的泥漿應(yīng)用于該地層不一定有適用性和針對(duì)性，因而傾向于自己配制。

由于蘭州以前未做過(guò)地下連續(xù)墻，甘肅省亦無(wú)地下連續(xù)墻相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)相應(yīng)的泥漿指標(biāo)可參考。在孔隙度大、易漏失的砂卵石層中成槽，泥漿的失水量不必控制得太嚴(yán)，保持一定的失水量，對(duì)護(hù)壁泥皮的形成是有必要的。但失水量過(guò)大，又易導(dǎo)致泥皮疏松、泥皮過(guò)厚，對(duì)成槽護(hù)壁反而不利。在易漏失的卵石地層中時(shí)，泥皮厚度比在軟土地層中略厚一些即可，因此泥漿的失水量和泥皮厚度等控制指標(biāo)相對(duì)于軟土地層有一定的放大。本次試驗(yàn)新配置泥漿的相關(guān)指標(biāo)參照表1所示。

表1 試驗(yàn)新配泥漿控制指標(biāo)

經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)比選，推薦表2所示的2 種材料配比供工程項(xiàng)目上比選使用。項(xiàng)目上正式施工的配比還可根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試用情況進(jìn)行調(diào)整。

表2 試驗(yàn)推薦配比

4 護(hù)壁泥漿的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 試成槽階段護(hù)壁泥漿應(yīng)用

地下連續(xù)墻正式施工前須進(jìn)行槽段的非原位試驗(yàn)成槽施工。試成槽過(guò)程中須對(duì)槽壁穩(wěn)定性、成渣厚度、泥漿各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)試成槽試驗(yàn)確定一套地下連續(xù)墻的施工參數(shù)，以指導(dǎo)后期地下連續(xù)墻的施工。本工程試成槽位置選在基坑內(nèi)遠(yuǎn)離主體地下連續(xù)墻位置，試驗(yàn)槽段寬度為4.0 m，厚度取800 mm，槽段深度由現(xiàn)場(chǎng)成槽實(shí)際情況確定。

本文主要是對(duì)試成槽階段的泥漿性能等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試研究，一共進(jìn)行了2 次試成槽，第1次試成槽時(shí)的泥漿配比采用配比試驗(yàn)確定的水∶膨潤(rùn)土∶CMC∶堿=1 000∶80∶1∶3。第1次試成槽深度31 m，成槽過(guò)程中泥漿性能指標(biāo)控制較好，從槽段成槽完畢至回填混凝土之前，槽段靜置約24 h，據(jù)超聲波測(cè)壁儀檢測(cè)出的圖像反映，靜置過(guò)程中槽壁幾乎無(wú)塌方情況。最終槽底沉渣挖出后觀察，也并無(wú)卵石，說(shuō)明在泥漿護(hù)壁作用下卵石層并未坍塌到槽段之中。

在槽段靜置24 h后，進(jìn)行槽段內(nèi)水下混凝土澆筑施工。發(fā)現(xiàn)在第1車(chē)混凝土（8 m3）澆筑下去后，再澆筑第2車(chē)混凝土?xí)r，混凝土澆筑速度明顯變緩，出現(xiàn)混凝土置換泥漿困難的現(xiàn)象，測(cè)試槽段內(nèi)泥漿，其黏度超過(guò)40 s，出現(xiàn)了顯著增大的跡象。經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為泥漿惡化的可能原因是：水泥漿中的Ca2+離子、地下水或土壤中的K+離子或Mg2+離子混入泥漿，使泥漿相對(duì)密度增大，黏度和凝膠化傾向增大，使膨潤(rùn)土凝聚而泥水分離，使泥漿由分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)，泥皮的形成能力也會(huì)降低。

在這種情況下，決定進(jìn)行第2次試成槽，第2次試成槽在第1次的基礎(chǔ)上略為調(diào)整配比，減少CMC用量，把泥漿黏度降低一些，同時(shí)多加一定量的堿能更好地起到分散作用，使泥漿的分散性能更好。第2次試成槽時(shí)的泥漿配比采用水：膨潤(rùn)土∶CMC∶堿=1 000∶80∶0.8∶4。在成槽開(kāi)始前，對(duì)泥漿池的泥漿性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 泥漿池泥漿測(cè)試結(jié)果

圖1 泥漿池泥漿形成的泥皮

開(kāi)始進(jìn)行第2次試成槽，成槽深度25 m，成槽的每個(gè)階段都進(jìn)行了泥漿性能指標(biāo)的測(cè)試，成槽至不同深度（10 m、15 m、20 m、25 m）分別測(cè)試槽段內(nèi)槽底以上2 m處的泥漿性能指標(biāo)，成槽結(jié)束靜置24 h再澆筑混凝土。在靜置階段每間隔4 h取槽底以上2 m處的泥漿性能指標(biāo)測(cè)試，澆筑完2 車(chē)（16 m3）混凝土取混凝土面以上2 m處泥漿，以及澆筑完混凝土取表層泥漿分別進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果看出，泥漿黏度、相對(duì)密度、含砂率會(huì)隨著成槽深度的增加逐漸增加，但總體趨勢(shì)趨于平穩(wěn)。在澆筑混凝土?xí)r，也未出現(xiàn)突然增加的跡象，反而略有下降。試成槽階段槽段中泥漿的黏度、相對(duì)密度、含砂率都存在偏大的現(xiàn)象，這和試成槽未進(jìn)行清基有關(guān)，在正式成槽施工時(shí)是要進(jìn)行清基后再行澆筑混凝土的，且正式成槽施工的循環(huán)泥漿是要配備除砂機(jī)進(jìn)行除砂的，故正式成槽施工時(shí)清基后槽段中泥漿的黏度、相對(duì)密度、含砂率等值和試成槽相比會(huì)有一定的下降。正式成槽時(shí)泥漿配比按此次試成槽時(shí)的泥漿配比取定。

4.2 正式成槽階段護(hù)壁泥漿應(yīng)用

在正式成槽施工時(shí)，根據(jù)本工程地質(zhì)情況及試驗(yàn)成槽的經(jīng)驗(yàn)積累，泥漿性能控制指標(biāo)見(jiàn)表4所示。

表4 泥漿控制指標(biāo)

在該工程97 幅地下連續(xù)墻施工過(guò)程中，對(duì)新拌制泥漿不定期的抽檢，根據(jù)抽檢情況，新漿相對(duì)密度控制在1.1～1.15，黏度控制在20 s左右。在每幅地下連續(xù)墻撩抓法清基后取槽底以上2 m處泥漿進(jìn)行性能指標(biāo)的測(cè)試，以便對(duì)泥漿使用情況有所掌控，測(cè)試結(jié)果如圖2 ～圖4所示。

從上述圖中可看出，在土體含砂量大的情況下，所有槽段的泥漿相對(duì)密度都位于1.10～1.20之間，除極個(gè)別槽段泥漿黏度和含砂率偏大外，其余槽段泥漿黏度都位于20～30 s之間，泥漿含砂率絕大部分位于7%以下，這說(shuō)明在施工的過(guò)程中的泥漿性能指標(biāo)都在可控范圍之內(nèi)。

圖2 各槽段泥漿黏度曲線

圖3 各槽段泥漿相對(duì)密度曲線

圖4 各槽段泥漿含砂率曲線

5 結(jié)語(yǔ)

該工程97 幅地下連續(xù)墻已全部順利完工，地下連續(xù)墻施工充盈系數(shù)在1.03左右，從側(cè)面印證了在成槽施工的過(guò)程中基本沒(méi)有出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，這對(duì)于在卵石砂巖地層中進(jìn)行施工是極其難得的。從開(kāi)挖的情況來(lái)看，地下連續(xù)墻成槽質(zhì)量良好，前面平整，幾乎無(wú)墻面大肚皮現(xiàn)象。在工程地下水埋深較淺，且該類(lèi)含水層滲透性好、水量大的情況下，本工程在未做外圍高壓旋噴止水的情況下，滲水點(diǎn)及滲水量都極其微小。此次在西北地區(qū)卵石砂巖地層中的成功應(yīng)用具有示范意義，對(duì)在后續(xù)該種地質(zhì)情況下成槽時(shí)泥漿護(hù)壁使用將起到借鑒作用。