地下连续墙成槽施工中的泥浆性能研究和探讨
第32卷 增刊2 岩 土 工 程 学 报 Vol.32 Supp.2 2010年8月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Aug. 2010
地下连续墙成槽施工中的泥浆性能研究和探讨
罗云峰
(上海市基础工程有限公司设计研究所，上海 200433)
摘 要：研究在地下连续墙成槽施工中护壁泥浆的功能和机理、泥浆相关性能的测试控制指标以及泥浆质量调控的方式和方法。并以在建的上海中心大厦为工程实例，给出了在该工程地下连续墙成槽施工时，如何测试调控护壁泥浆性能指标，以确保护壁泥浆性能指标在标准范围之内，保证地下连续墙施工顺利进行。 关键词：地下连续墙；成槽施工；护壁泥浆；质量控制
中图分类号：TU476 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2010)S2–0447–04
作者简介：罗云峰(1981– ) ，男，四川广安人，硕士，助理工程师，主要从事施工用泥浆实验室配比测试及现场调整控制等方面研究。E-mail: [email protected]。
Properties of cement slurry in trenching construction of diaphragm walls
LUO Yun-feng
(Design and Research Institute, Shanghai Foundation Engineering Co., Ltd., Shanghai 200433, China)
Abstract : The function and mechanism of protecting walls of cement slurry in the construction of diaphragm walls are studied. Some results are concluded, as well as the properties and the ways to regulate and control the quality of cement slurry used in the project of Shanghai Tower. These results help to find a way to control the performance of slurry in trenching construction and to ensure the properties of slurry controlled, which turns out to be a success in construction of diaphragm walls. Key words: diaphragm wall; trenching construction; cement slurry; quality control
0 引 言
随着城市规模的不断扩大和和高层建筑的不断增加，超高层建筑的基础施工也日益向更深的层次发展。地下连续墙由于其墙体刚度大、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；可用于密集建筑群中建造深基坑支护及进行逆作法施工；可作为地下结构外墙；可用于多种地质条件下施工等诸多特点，是基坑围护工程中普遍使用的围护型式。在地下连续墙施工中，泥浆护壁成槽施工已经成为最主要的一种成槽方式，在泥浆护壁成槽施工中泥浆质量的优劣是保证地下连续墙顺利施工及其墙体施工质量的关键，因此对地墙成槽施工中的泥浆进行研究具有直接的工程意义。
泥浆的护壁作用。泥浆具有一定的比重，如槽内泥浆液面高出地下水位一定高度，泥浆在槽内就对槽壁产生一定的静水压力，泥浆液柱压力作用在开挖槽段土壁下，除平衡土、水压力外，还给槽壁一个向外的作用力，相当于一种液体支撑，可以防止槽壁倒塌和剥落。同时，泥浆在槽壁内的压差作用，部分水渗入地层，在槽壁表面形成一层透水性很低的固体颗粒胶结物——泥皮（图1），可使泥浆的静水压力有效地作用于槽壁上，能防止槽壁剥落，起到护壁作用。 泥浆的携渣作用。泥浆具有一定的黏性，能在挖槽过程中将土渣悬浮起来并起到运渣介质作用。钻头切削的沉渣、碎屑随着泥浆循环从槽孔底被带出来一同排出槽外，从而保证钻头不断顺利钻进，避免土渣沉积在开挖面上影响挖槽机械的挖槽效率。 泥浆的冷却和润滑作用。在钻进中，钻头与槽孔底、钻具及井壁间都会因摩擦而发热。由于泥浆的循环和滑润作用，才能保证钻头和钻具经常冷却和在槽孔内顺利起落。冲击式或钻头式挖槽机在泥浆中挖槽时，可降低钻具因连续冲击或回转而引起温度剧烈升
───────
收稿日期：2010–04–20
1 泥浆的功能与护壁机理
1.1 泥浆在地下连续墙施工中的作用
在地下连续墙成槽施工全过程中泥浆需始终充满槽段，起着液体支撑、保护开挖槽面的稳定、悬浮泥渣、冷却切削机具、刀具切土润滑等作用。故泥浆的正确使用，是地下连续墙成槽成功与否的关键。
[1]
高，又可因泥浆具有润滑作用而减轻钻具的磨损，有利于延长钻具的使用寿命和提高深槽挖掘的效率。
图1 泥皮示意图
Fig. 1 Sketch of a typical slurry layer
1.2 泥浆护壁的基本原理[2]
在土的孔隙中凝胶化。泥浆侵入土的孔隙成为静止的凝胶，泥浆从槽壁表面向地层内渗透，在渗透到的一定范围内就黏附在土颗粒上，这些凝胶化的泥浆固定了土颗粒的相互位置，在槽壁面附近形成沿垂直方向稳定的土层，可减少槽壁坍塌性和透水性。 不透水膜的形成。由于泥浆向槽壁中渗透，槽壁面上的膨润土凝胶层由逐渐固结在一起的膨润土颗粒形成隔水膜，这种不透水膜牢固地密贴在槽壁面土体上，即形成泥皮，泥皮能防止泥浆漏失亦挡住了地下水渗入到槽内，这大大促进了泥浆的护壁作用。 静液压力的作用。槽内的泥浆对垂直槽壁作用着静液压力，它比地下水要大，通过不透水的泥皮对壁面产生支护作用。
其它因素的作用。除泥浆的一般物理作用外，电渗现象的存在有利于不透水膜的形成。
1.3 护壁泥浆应具备的性能[3]
物理稳定性。泥浆即使静置相当一段时间，其性质也没有变化，这叫稳定性高。泥浆长时间处于静置状态，其固体颗粒发生离析沉淀，在特殊情况下，泥浆的上部成为普通的清水，这叫稳定性差。清水或接近于清水的泥浆没有维护槽壁稳定的功能。 化学稳定性。若泥浆被反复使用，水泥、地下水以及地基土中的阳离子等会逐渐使泥浆的性质发生变化，即泥浆要从悬浮分散状态向凝聚状态转化。当泥浆出现凝聚时，呈悬浮胶体状态的颗粒就要增大，失去形成良好泥皮的能力，这要求工程实际使用的泥浆要有足够的抗污染能力。
适当比重。泥浆和地下水之间的压力差可抵抗土压力和水压力，以维护槽壁的稳定。若泥浆的比重较大，就会增大压力差，提高槽壁的稳定性。可如果比重过大，泥浆泵就可能吸不动泥浆或在浇注混凝土时妨碍泥浆与混凝土置换。
良好触变性。所谓触变性是指泥浆搅拌后变稀，静置后变稠的特性，这是衡量泥浆性能的一项重要的指标。即当泥浆在流动时只有很小的阻力，便于泵送泥浆；而当泥浆静止时能迅速转为凝胶状态，避免其中的砂粒迅速沉淀。
良好泥皮形成性。所谓良好的泥皮形成性是在槽壁表面形成一层薄而韧的不透水泥皮。
被泥浆携带到地面上来的地层颗粒应能容易地从沉淀池、振动筛或旋流器中被分离出来。
2 施工过程中泥浆质量调控
[1-4]
泥浆质量控制的目的就是要制备和使用适合地质条件和施工条件的泥浆，通过控制使泥浆在施工过程中保持它的性能。在施工过程中要求在适当的时间、适当的位置对泥浆取样测试，根据测试结果对泥浆采取再生处理、修正配合比或舍弃等措施，以提高施工的精度、经济性和安全性。根据泥浆的使用状态，可将其分为新拌制的泥浆、贮存池中的泥浆、沟槽内的泥浆、混凝土置换出来的泥浆。
新拌制的泥浆。搅拌好的新鲜泥浆性能必须适合于地质条件和施工条件，并定期对其进行质量控制试验，当泥浆不能满足所需的性能时，必须查找其原因，修正配合比、更换材料或采取其它措施。
贮存池中的泥浆。在挖槽过程中要从贮浆池向正在开挖的槽段内供给泥浆，在向沟槽内供浆之前须进行各种性能试验。
沟槽内泥浆。对沟槽内的泥浆，可按挖槽过程中和挖槽完到浇灌混凝土之前的静置期间分别进行质量控制。在挖槽过程中，不仅要控制泥浆的质量，而且还要充分注意影响泥浆质量的周边环境。在静置期间，如果不供给良好的泥浆，使槽内泥浆处于完全的静止状态，悬浮在泥浆中的土渣就会沉淀，而使泥浆比重减小，形成的泥皮防渗性低且薄弱。
混凝土置换出来的泥浆。泥浆与混凝土接触会造成泥浆质量的恶化，如果改变这种状况，可以大幅度地增加泥浆的重复使用次数。根据泥浆质量控制的测试结果，认为“可以使用”的泥浆要直接送到贮浆池中。认为“通过再生处理之后可以使用”的泥浆，要通过化学再生处理或物理再生处理后再行使用。
3 泥浆质量的控制指标
在地下连续墙施工过程中，泥浆需具备物理稳定性、化学稳定性、合适的流动性、良好的泥皮形成能力和适当的比重。既要使泥浆在长时间静置情况下，不致于产生离析沉淀，又要使泥浆有良好的触变性。
增刊2 罗云峰. 地下连续墙成槽施工中的泥浆性能研究和探讨 449
对新制备的泥浆或循环泥浆都应利用专用仪器进行质量控制，一般的控制指标如下：
（1）泥浆比重。泥浆比重要严加控制，宜每两小时测定一次。泥浆比重过大，不但影响混凝土的浇筑，且由于其流动性差而泥浆循环设备的功率消耗亦大。
（2）泥浆黏度和切力。泥浆黏度是液体内部阻碍其相对流动的一种特性。破坏泥浆中网状结构单位面
积上所需的力，称为泥浆极限静切力，简称泥浆切力。
表1 新配制泥浆质量的控制指标 Table 1 Indices for newly prepared slurry
泥浆性能
黏性土
砂性土
检验方法
比重/g·cm-3 1.04~1.05 1.06~1.08 比重计 黏度/s 20~24 25~30 漏斗黏度计含砂量/% ＜3
＜4
含砂量杯
pH 值 8~9
8~9 PH 试纸 失水量
泥皮厚度
20~30/1 min
静切力仪/mg·cm-2
50~100/10 min 50~100/10 min 或旋转黏度计
表2 循环泥浆泥浆质量的控制指标 Table 2 Indices for circulating slurry
泥浆性能 黏性土 砂性土 检验方法 比重/g·cm-3 ＜1.15 ＜1.25 比重计 黏度/s ＜25 ＜35 漏斗黏度计含砂量/% ＜4
＜7
含砂量杯
pH 值 8~11 8~11 pH 试纸
失水量
20~30/1 min
静切力仪/mg·cm-2
50~100/10 min 50~100/10 min
或旋转黏度计
（3）泥浆失水量和泥皮厚度。泥浆在沟槽内受压力差的作用，其部分水会渗入土层，叫泥浆失水，渗失水的数量叫失水量。在泥浆失水时，于槽壁上形成一层固体颗粒的胶结物叫泥皮。泥浆失水量小，泥皮薄而致密，有利于稳定槽壁。
（4）泥浆pH 值。泥浆pH 值表示泥浆酸碱性的程度。膨润土泥浆呈弱碱性，pH 值越大，碱性越强，pH 值>11，泥浆会产生分层现象，失去护壁作用。地墙施工中，水泥或碱性的地下水混入泥浆，就会增大泥浆的碱性；在酸性土中挖槽或者酸性地下水混入泥
浆，泥浆就呈酸性。
pH 值的变化能反映泥浆性质的变化。
（5）泥浆稳定性。泥浆稳定性，是衡量在重力作
用下，泥浆是否容易下沉的性质。进行稳定性试验时，对静置1 h以上的泥浆，从其容器的上部1/3和下部1/3处各取出泥浆试样，分别测定其比重，如两者没有差别则泥浆质量合格。
对于一般的软土地基，泥浆质量的控制指标可按
表1、表2所示标准进行控制[4]
。
4 工程实例
4.1 工程概况析
上海中心大厦建筑高度632 m，为国内的第一高
楼，主楼基坑面积11500 m2
，开挖深度31 m，围护形式采用环形地下连续墙，地墙内边直径121 m，地墙厚1200 mm，成槽深度50 m，共65幅。地墙接头形式为“V ”型钢板柔性接头，地墙设计强度等级C45，水下混凝土按C55配制。
4.2 连续墙泥浆工艺分析
在地墙施工时，泥浆性能的优劣直接影响到地墙成槽施工时槽壁的稳定性，是一个很重要的因素。根据本工程的地质情况及以往地墙施工经验，本工程采用200目钙基膨润土制备泥浆，分散剂选用工业碳酸钠，并适当添加入CMC ，其配合比按表3选定。地墙施工护壁泥浆性能按表4所示进行控制。施工过程中如果泥浆性能指标不能满足槽壁土体稳定，须对泥浆指标进行及时调整控制。
表3 新制泥浆配合比（质量比）
Table 3 Mix proportion (mass ratio) of newly prepared slurry 水
膨润土
CMC NaHCO3
其它外加剂
1000 80 0.3 3
适量
表4 泥浆性能指标控制标准 Table 4 Indices for property of slurry
性 能 新制泥浆循环泥浆 砼浇筑前槽内泥浆
密度/(g·m-
3)
1.05~1.10
≤1.25
≤1.25 漏斗黏度/s20~25 20~30 20~30 pH 值 8~10 8~12
8~12 含砂量/%
不要求
不要求
≤8
4.3 泥浆性能指标现场测试
对该工程地墙成槽时的不同工况进行了泥浆性能测试，一共测试了8副槽段，每副槽段进行了成槽、铣槽、清基在不同深度下共7个工况的测试，主要测试比重、黏度、含砂量、失水量、泥皮厚度及pH 值这6项指标。通过测试的指标与质量控制要求的指标进行对比，发现超出范围及时对泥浆性能进行调控。由于失水量和泥皮厚度2个指标部分测试数据不是很齐全，故本文以比重、黏度、含砂量3个主要指标作
为测试控制指标。测试结果如图2～4所示。
图2 泥浆比重对比图
Fig. 2 Comparison of gravity of slurry
图3 泥浆黏度对比图
Fig. 3 Comparison of viscosity of slurry
图4 泥浆含砂量对比图
Fig. 4 Comparison of sand ratio in slurry
从图2～4可看出，除去第一个槽段W57泥浆比重、黏度和含砂量都严重偏大外，其余槽段泥浆比重大部分都位于1.1～1.25之间，泥浆黏度大部分位于17～28 s之间，泥浆含砂量大部分位于8%以下，只有极小部分数据略微超出控制指标。由于W57槽段是最先成槽的槽段，该槽段也是第一个测试的槽段，无相关测试数据去对该槽段泥浆性能指标进行对比和校正，故该槽段指标明显偏大。以该槽段测试出的泥浆数据为基准，及时的对后续槽段用泥浆性能指标进行了调控，保证后续槽段护壁泥浆指标在可控范围之内，目前该工程地下连续墙已全部顺利完工。
5 结 语
护壁泥浆的合理使用是地下连续墙成槽施工中的
关键，应根据实际地质条件和具体的施工条件，研究护壁泥浆应具备的性能，根据需要的性能指标选择出符合实际施工要求的泥浆。在地下连续墙成槽施工过程中，要制定相应的泥浆检验标准并及时的对各工况泥浆进行详尽的性能指标测试，如检测出泥浆性能不满足要求时要及时进行调整，保证其性能指标始终能够满足要求，从而可保证地下连续墙施工顺利的进行，本文最后列举的上海中心大厦地下连续墙工程实例正好说明了这一点，可对今后类似工程泥浆测试控制有参考作用。 参考文献：
[1] 建筑施工手册(第四版) 编写组. 建筑施工手册[M]. 第四版.
北京: 中国建筑工业出版社, 2003: 842–850 (Drafting Group of Format for Construction (Fourth Edition). Format
for Construction[M]. 4th ed. Beijing: China Architecture and Building Press, 2003: 842–850. (in Chinese))
[2] 张瑞云, 张志民. 地下连续墙施工中泥浆质量控制探讨[J].
石家庄铁道学院学报. 2003, 16(4): 42–46. (ZHANG Rui-yun, ZHANG Zhi-min. The research and discussion of quality control of slurry in construction of underground continuous wall[J]. Journal of Shijiazhuang Railway Institute, 2003, 16(4): 42–46. (in Chinese))
[3] 陆震铨, 祝国荣. 地下连续墙的理论与实践[M]. 北京: 中
国铁道出版社. 1987: 78–81. (LU Zhen-quan, ZHU Guo-rong. Theory and practice of diaphragm wall[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 1987: 78–81. (in Chinese))
[4] 刘国彬, 王卫东. 基坑工程手册[M]. 北京: 中国建筑工业
出版社. 2009. (LIU Guo-bin, WANG Wei-dong. Excavation engineering handbook[M]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2009. (in Chinese))
[5] 李小刚, 易智宏, 李莉萍. 地下连续墙施工中泥浆的合理
使用[J]. 探矿工程. 2005, 32(2): 15–17. (LI Xiao-gang, YI Zhi-hong, LI Li-ping. Proper use of mud in diaphragm wall construction[J]. Exploration Engineering: Rock & Soil Drilling and Tunneling, 2005, 32(2): 15–17. (in Chinese))