富水粉细砂地层中护壁泥浆材料配比的优化

胡新贵

(中铁十局集团有限公司， 济南 250101)

地下连续墙(地连墙)是基坑围护工程中普遍使用的围护形式。在地连墙施工中，泥浆护壁成槽施工已经成为最主要的成槽方式，泥浆质量的优劣是保证地连墙能否顺利施工及成墙质量的关键。地连墙护壁泥浆由膨润土(或黏土)、增黏剂、纯碱和水按一定比例混合而成。江浙沪等的地层具有砂含量多、地下水丰富等特点，施工单位通常采取在泥浆中添加大量膨润土和增黏剂等技术措施提高泥浆黏度，实现提升携砂能力和阻止土层水交换的目标。但是以上措施也会带来不利影响，比如泥浆循环使用过程中废浆率大、沉渣厚和循环泥浆性能衰减快，从而会严重影响地连墙的施工质量。

很多学者针对护壁泥浆的材料配比开展了系列研究。罗云峰[1]研究了护壁泥浆的功能与机理，结合上海中心大厦工程，分析了护壁泥浆的配比对性能指标的影响。申毅[2]提出了水下旋挖钻孔灌注桩化学泥浆护壁材料配比情况，结合现场使用情况，解决了清孔时间长的问题。孟仁帆等[3]通过试验探究钻孔灌注桩沉渣厚度，优化了泥浆护壁配比。还有一些学者依托实际工程，分析护壁泥浆配比情况。例如，龚振宇等[4]依托滇中引水龙泉倒虹吸盾构接收井超深基坑工程；姜厚停等[5]依托北京地铁16号线国家图书馆站明挖基坑工程；资晓鱼等[6]依托昆明地铁4号线火车北站基坑工程，分别研究了护壁泥浆不同材料配比下的性能，并给出配比建议。

地下连续墙护壁泥浆的效果更多的是从成墙质量角度去评价。因此很多学者聚焦地下连续墙成墙质量与稳定性的研究，黄茂松等[7]、夏元友等[8]、程习刚[9]结合工程实例提出了地下连续墙成墙质量评价方法。王启云等[10]考虑地层分层特性，提出了考虑复合土体抗剪强度的土体加固槽壁稳定性计算方法。刘海卿等[11]根据深层地下连续墙槽壁稳定性，给出了护壁泥浆的性能指标。蔡兵华等[12]基于土拱效应，从地下连续墙稳定性角度考虑，给出泥浆最小重度计算方法。孙聪等[13]提出了一种地下连续墙质量的检测方法。

通过以上研究可知，很多学者聚焦在地下连续墙稳定性评价方法与钻孔灌注桩的护壁泥浆的研究。地下连续墙的护壁泥浆应用比较广泛，但是常规的地下连续墙护壁在富水粉细砂地层中存在携砂能力弱、滤失率高、护壁泥浆使用次数偏低的情况，关于以上这方面的研究较少。现针对富水粉细砂地层中护壁泥浆材料，考虑护壁泥浆的滤失量、泥膜致密程度、携砂能力，综合评价护壁泥浆的循环次数，进而优化现有护壁泥浆增黏组分、成膜粉体助剂和膨润土等护壁泥浆原材料配比。通过以上研究，制备低固相情况下致密泥膜的护壁泥浆。旨在配制新护壁泥浆匀质性好、滤失量低、泥膜致密和携砂能力适中的工程用地下连续墙护壁泥浆，形成低固相地连墙护壁泥浆配制方法，为在富水粉细砂地层建造地下连续墙的高质量、低风险和文明施工提供有力技术保障。

1 制浆料组分优化研究

地连墙护壁泥浆主要由水、成膜助剂、纯碱、增黏组分和其他功能化组分组成。其中，增黏组分和功能化组分相对成膜助剂掺量较小(约为成膜助剂的1/40)，但对泥浆的匀质性、稳定性、泥膜致密性和携砂能力影响显著，故将增黏组分和功能化组分作为优化泥浆配比研究的主要对象。

泥浆的成膜助剂采用钠化且每吨添加5 kg膨化剂的膨润土，增黏组分采用中黏型植物胶，泥膜致密组分采用聚磺酸酯(主要起桥联作用)和PN-K颗粒(主要起填充泥膜空隙作用，80～100目和150～200目两种粒径按3∶4混合使用)。为分析植物胶、聚磺酸酯和PN-K颗粒对于泥浆性能的影响，设计了15组配比试验；另外，严格按照建筑桩基技术规范[14]要求对泥浆的各项评价指标进行了测试，所得试验结果及试验基本配比如表1所示。

由表1可知：当膨润土掺量为4 000 kg时，植物胶、聚磺酸酯和PN-K颗粒的掺量分别为10 kg、50 kg和2.5 kg，制备出的地连墙泥浆1d黏度为38.7 s、滤失量为13.0 mL、泥膜厚度为2.0 mm，泥浆的各方面性能均满足研发设计要求。泥膜的致密性均优于单掺PN-K和聚磺酸酯，说明PN-K和聚磺酸酯复合使用时，在降滤失量和减小泥膜厚度方面起到了协同作用，桥联高分子聚合物聚磺酸酯有效的阻碍了相邻区域内膨润土颗粒的移动，促使各膨润土颗粒联系及联结更为紧密，同时有效地减小了颗粒间的空隙，从而需要较少的水溶性高分子PN-K颗粒即可密实填充泥膜内部空隙。表1显示出低掺量PN-K颗粒和聚磺酸酯即可发挥出较好的降滤失量特性。

表1 制浆料组分配方优选方案及试验结果

为验证护壁泥浆在淤泥质和细粉砂层复杂地质条件下的循环利用情况，以循环利用后泥浆黏度、相对密度、含砂量和滤失量为评价指标，对比分析了试验编号分别为PF-4、PF-14和PF-15的护壁泥浆，以便观察1、2和3倍制浆料掺量情况下泥浆的循环利用次数。试验过程如图1所示，试验结果如图2所示。

由图2可知，以循环利用次数为主要评价标准时，试验组PF-4在淤泥质和细粉砂层地质条件下，体现出较明显的循环利用优势，其循环利用5次后泥浆才因黏度超过50 s而判为废浆，相同工况下PF-14和PF-15的循环利用次数分别为4次和3次，上述3种浆液配比均优于市场常见地连墙泥浆(市场常见地连墙泥浆的循环利用次数为2～3次)。另外，图2(b)和图2(c)显示，PF-4的泥浆相对密度和含砂量随循环利用次数增多均缓慢上升，说明此时泥浆携渣能力适中，特别是携砂能力适中，对粉细砂中的极小颗粒吸附作用明显，此特性保证了循环利用率的同时，可有效减少沉渣量。

利用验证试验确定了低固相地连墙护壁泥浆制浆料基础配方为植物胶10 kg、聚磺酸酯50 kg、PN-K颗粒2.5 kg，即植物胶∶聚磺酸酯∶PN-K颗粒∶硫酸钡粉=4∶20∶1(质量比)。

2 泥浆配比优化研究

以上研究确定了地连墙护壁泥浆制浆料的基础配方，考虑到地连墙护壁泥浆主要由成膜助剂和制浆料两大组分组成，基于现场的工程应用实际情况，膨润土和制浆料应具备适宜的掺量区间。针对该问题开展相关试验研究，依据实际工程中地连墙新拌泥浆相对密度通常要求为1.02～1.10的经验，试验中设计膨润土掺量的质量在100 m3的泥浆中分别为2 000、4 000和8 000 kg，试验结果如表2所示。另外，考虑到泥浆在实际应用中将承受不同的压力，在室内同时开展了泥浆在不同压力情况下所形成泥膜的致密性对比试验，试验结果如图3所示。

图1 试验测试过程Fig.1 Experimental process

图2 试验结果Fig.2 Experimental results

表2 膨润土和制浆料掺量变化对泥浆性能的影响Table 2 The influence of bentonite and slurry content change on slurry performance

图3 不同压强下泥浆泥膜情况Fig.3 Slurry film conditions under different pressures

针对粉细砂及淤泥层地质，通常要求泥浆性能指标为：相对密度1.03左右，黏度25～50 s，滤失量≤20.0 mL，泥膜厚度≤3 mm。根据表2试验结果，为保证地连墙泥浆在粉细砂层具有较大的循环使用次数，配制参数最终确定为：膨润土4 000 kg，制浆料130 kg，纯碱120 kg。

由于研制的低固相地连墙护壁泥浆制备料形态及分散特性同传统护壁泥浆相似，故制备工艺借鉴常用工艺。具体工艺为：水中加入膨润土高速搅拌1～2 min，再加入纯碱及制浆料持续搅拌5 min，将泥浆抽入泥浆储备池静置发酵(期间可间隔3～6 h利用空压机鼓气匀搅拌1次)24 h，使用前再次利用空压机鼓气搅拌10 min，保证发酵后的泥浆体系均匀一致。

3 工程应用

低固相地连墙护壁泥浆主要适用于淤泥及粉细砂地质，为了验证研制的护壁泥浆在实际工程中的使用效果，该泥浆在苏州地铁地连墙的施工中进行了应用验证。

3.1 工程概况

苏州地铁8号线八标段右岸站为地下两层岛式车站。车站外包长度305 m，标准段宽度20.7 m，站台宽度12 m，采用两层双跨框架结构。右岸街站围护结构采用800 mm厚地下连续墙，地连墙深度为30.9～34.3 m，插入比为0.8。地下连续墙采用工字钢接头，采用C35P6水下混凝土浇筑，钢筋保护层厚度70 mm。

右岸街站地连墙自上而下地层为杂填土、素填土、黏土、黏质粉土、粉砂、粉质黏土、黏质粉土夹淤泥、粉质黏土，主要穿越地层为粉砂层。

3.2 现场试拌试验

2020年8月中下旬在右岸街站施工现场进行了3次低固相护壁泥浆试配制试验，每次试配100 m3，并于1 d后进行性能测试，制备泥浆配比和性能如表3所示。

表3数据显示，配比SP1、SP2和SP3泥浆静置1 d后未分层，匀质性较好。SP2和SP3泥浆性能满足淤泥层及粉细砂层用地连墙护壁泥浆的性能要求，从经济性角度选择SP3配比用于现场地连墙施工，制得护壁泥浆的泥膜和静置稳定性如图4所示。

表3 试配制试验的泥浆配比及对应的性能

图4 试配制试验泥浆静置情况Fig.4 Static state of test slurry

3.3 现场应用效果

右岸街站采用SP3配比进行地连墙护壁施工，在完成的62幅地连墙中涵盖首开、闭合和异形幅，连续对其中5幅地连墙的施工和应用效果进行跟踪，各项指标数据如表4和表5所示。

表4数据表明，低固相泥浆在循环利用过程中在循环利用和护壁方面优势明显，主要表现为：泥浆相对密度和含砂量上升缓慢，泥浆携砂能力适中。经过5次循环(每次入槽前添加15%新浆)泥浆的相对密度和含砂量仅为1.15%和3.5%，5次循环后泥浆的滤失量仍未超过15.0 mL，泥浆携砂能力适合粉细砂地层地连墙护壁施工。由表5可知，二次清孔后槽深25 m处的泥浆相对密度和含砂量均满足泥浆性能设计要求。

图5为连续施工的地连墙成槽后超声检测结果，图6为施工后基坑开挖暴露出的地连墙墙面，其中，钢管内支撑直径为609 mm。由图5可知，地连墙基槽在施工过程中无明显塌孔和缩孔现象，说明配制的低固相地连墙护壁泥浆适用于粉细砂地质，有助于提升粉细砂地质地连墙成槽质量。

在右岸街站所有地下连续墙的施工中，采用传统护壁泥浆和低固相护壁泥浆施工地连墙数分别为36幅和62幅，应用效果对比情况列于表6。

由表6可知，在粉细砂地质应用低固相护壁泥浆，相较于传统泥浆，呈现出以下技术、经济、环保和质量优势：

(1)废浆率由33%降低至16%，增加了地连墙泥浆循环使用次数，极大地降低了废弃泥浆产生量，展现出极好的环保性。

(2)二次清孔时间大大缩短，有助于提升地连墙施工效率。

(3)沉渣厚度由110 mm缩小为40 mm，平均超灌率由负值-1.1%提升为正值1.4%，避免了地连墙基槽缩孔和坍塌等质量问题，明显提升了地连墙施工质量。

表5 二次清孔后槽深25 m处泥浆性能Table 5 Slurry performance at 25 m depth after secondary hole cleaning

表6 应用效果对比Table 6 Application effect comparison

表4 右岸街5幅连续施工地连墙情况统计Table 4 Statistics of 5 continuous construction diaphragm walls in right bank street

图5 连续成槽地连墙的成孔质量超声检测结果Fig.5 Ultrasonic testing results of pore-forming quality of continuous slotted diaphragm wall

图6 开挖后地连墙墙面情况Fig.6 Surface condition of diaphragm wall after excavation

4 结论

江浙沪地区为典型的淤泥、粉细砂层地质，地下水丰富。地连墙施工时，传统护壁泥浆因携砂能力过剩，给实际工程的施工带来废浆率大、沉渣厚和成墙质量差等问题。针对以上问题，在传统护壁泥浆配比的情况下，开展室内优化试验研究了护壁泥浆材料配比，研究结果在苏州地铁8号线八标段右岸站地连墙围护结构施工中得到验证。研究结论具体如下。

(1)针对地下水丰富的粉细砂层地质，得到最优护壁泥浆制浆料组分配比，植物胶、聚磺酸酯、PN-K颗粒质量比为4∶20∶1，以该配比制备的护壁泥浆可循环使用5次。

(2)确定了地连墙护壁泥浆的配制参数为：100 m3的泥浆中，膨润土4 000 kg，制浆料130 kg，纯碱120 kg，该护壁泥浆力学性能良好，在压强0.21 MPa与0.69 MPa情况下，形成的泥膜致密。

(3)现场应用效果好，优化后的护壁泥浆相对密度和含砂量均满足施工设计要求。废浆率由33%降低至16%，提高了循环使用次数，缩短二次清孔时间；沉渣厚度由110 mm缩小为40 mm，平均超灌率由-1.1%提升为1.4%，地连墙基槽未见明显塌孔和缩孔现象。