膨胀岩地层地下连续墙泥浆处理技术
童耀，罗会东
(葛洲坝集团基础工程有限公司)
1 立项背景和意义
拟建的湖南省临湘（湘鄂界）至岳阳高速公路是《国家高速公路网规划》中的第12条横线——杭州至瑞丽国家高速公路在湖南省内的重要组成部分，也是构成湖南省五纵七横高速公路网络主骨架组成部分，它的建设将促进环洞庭湖经济圈和岳阳市社会经济的发展，促进区域旅游资源的开发利用，是洞庭湖区防洪减灾的需要，是交通量增长的需要。
大岳高速洞庭湖大桥锚区工程所在地地质环境复杂，覆盖层为淤泥和淤泥质黏土，下伏基岩为砂质板岩，夹泥质板岩，岩层陡立。大直径桩基钻孔面临倾角70°陡立且破碎的岩层，极易发生斜孔与塌孔问题。这大大提高了在地连墙施工过程中泥浆护壁的性能要求。
2 国内外研究现状
地下连续墙技术起源于欧洲，并于20世纪50年代，地下连续墙技术取得了惊人的发展，包括挖槽机械、施工工艺和膨润土泥浆在基础工程中的应用。20世纪90年代地下连续墙开始应用于中国桥梁深基础工程中，并先后成功实施了润扬长江公路大桥、武汉阳逻大桥、珠江黄埔大桥、南京第四长江大桥等锚碇深基础施工。
在地连墙施工中，双轮液压铣槽机及其配套的泥浆处理系统是现在世界上最先进的成槽设备，可用于铣削人工填筑层、粉细砂层、砂层和强风化基岩层，自带纠偏系统，具有铣削效率高，成槽精度高、成槽孔形规则等明显的优点。但在本工程中，由于地层多属于粉质黏土层，其泥浆处理系统无法满足泥浆处理的要求。通过不断试验和改进，总结出了一套适合粉质黏土层防渗墙施工的泥浆处理技术。
3 地质条件
岳阳锚碇地连墙区域内覆盖土层主要为第四纪晚更新世残积黏土，下伏基岩为元古界冷家溪群板岩，以砂质板岩为主，夹泥质板岩。岩性以粉质黏土、淤泥质粉质黏土以及粉细砂层、卵砾石层为主，上部的粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉细砂层工程地质条件较差、卵砾石层工程地质条件虽然较好，但其厚度较小，一般1m左右，第四纪松散沉积均不适宜作为锚碇基础持力层；下伏的基岩风化层中，全、强风化泥质板岩承载力较高，工程地质条件较好；下伏中风化、微风化泥质板岩、砂质板岩承载力高，工程地质条件较好，基岩强风化层、中-微风化层均可以作为锚碇基础持力层，见图1。
图1 开挖土层
4 工程设计概况
洞庭湖大桥岳阳侧地连墙平面布置采用与锚体相匹配的葫芦形，由两个半径不相等的圆弧组成，小圆半径为28m，大圆半径为32m，墙厚1.2m，中间设置一道隔墙，由隔墙将基础分割成前、后仓两大部分。
地下连续墙基础顶标高为+26.000m，墙底标高0.000～-9.000m，墙高26～35m，设计要求地连墙嵌入中风化岩层3m。地连墙共67幅槽，混凝土总方量约11031m3，墙底要求进行注浆加固，成槽设备主要采用铣槽机，接头采用铣接法施工工艺，墙体采用水下C35混凝土浇筑。其锚碇地连墙平面布置见图2。
图2 锚碇地连墙平面图（单位：cm）
5 粉质黏土层防渗墙施工泥浆处理技术
与液压铣配套设备BE500型泥浆净化系统，由2台BE250型细筛除砂装置和1台GS500型粗筛及分流机组成，只能分离大于0.06mm的黏土颗粒，这套除沙器无法满足粉质黏土层防渗墙施工的泥浆处理要求。根据施工地层条件，仔细研究护壁泥浆应具备的性能，根据施工工艺流程和规范要求的检验指标，通过不断试验和改进泥浆处理设备，在原有的BE500型泥浆净化系统中加入卧式螺旋卸料沉降离心机及由3层大小逐层递减的钢箱组成的泥浆存储池，不仅有效地减少施工用地，且能随时可控调节泥浆的性能。
5.1 技术特点
（1）整个泥浆处理过程实现了泥浆封闭式管理，标准化和文明施工程度高。
（2）在铣削钻孔成槽过程中，直接通过铣头中的泥浆泵将混合岩体和土体的泥浆输送到泥浆存储池，有效地简化了泥浆处理系统的循环管道。
（3）减少了成本投入和能源消耗，还加速了泥浆处理过程，有效的缩短了处理时间。
（4）采用的卧式螺旋卸料沉降离心机可分离大于0.03mm固相颗粒（最小颗粒可达5μm），不仅有效的降低浆液比重、黏度、含砂量等指标，还有效降低铣头和净化设备的工作负荷、减少磨损和能源消耗；泥浆通过净化，更容易控制浆液质量，针对不同的地层，可选择性筛除造孔泥浆中多余有害的固相颗粒，保留泥浆中有用护壁成份，在实现废浆回收利用的同时，保证回收泥浆质量和护壁效果。
（5）泥浆存储池由3层大小逐层递减的钢箱组成，内设有泥浆循环管道，可避免泥浆静置沉淀；泥浆箱之间由管道和闸阀连接，可实现单独或分组使用，将3者堆叠放置，大大减少了对施工场地的要求，不仅把对周围居民和环境的影响降到最低，而且泥浆箱拆卸和组装方便，拆卸后可将上层小箱逐个套入底层大箱中，运输极其方便。
5.1.1 施工工艺流程
泥浆处理技术过程为：槽孔内造孔泥浆由铣头中的泥浆泵输送至GS500除沙机，通过振动粗网筛将泥浆中大于5mm的钻屑颗粒筛除；处理后的泥浆输送至BE250除砂器，分离泥浆中大于0.06mm的粉细砂；处理后的泥浆根据不同地层回收泥浆的性能指标，可控性选择泥浆进行卧式螺旋卸料沉降离心机进行处理，利用离心力的作用分离泥浆中大于0.03mm的粉细粘粒（最小颗粒可达5μm），处理后泥浆回到槽孔内。其具体工艺流程见图3。
图3 泥浆处理流程图
5.1.2 泥浆处理设备
泥浆处理技术包括制浆系统、泥浆储存箱系统、泥浆净化系统和循环管道等辅助系统。其中泥浆净化系统包括液压铣吸浆泵（功率为75kW），GS500除沙机振动粗筛网（功率为2kW，过流量为500m3/h，振动电机转速为1800r/min，网筛的筛孔宽度为5mm×50mm，筛板面积为2.4m2，筛板斜度为25°），BE250除砂器（功率为2kW），卧式螺旋卸料沉降离心机（功率为55KW，转鼓长度为1900mm，直径为550mm，转速设为2650r/min），钢性泥浆箱以及集渣坑（详细见下图4）。
图4 泥浆处理系统设备
①—净化器进料管；②—振动粗筛网；③—流量分配器；④—除砂机的主罐；⑤、○13—泵；⑥—旋流分离器；⑦—旋流器底孔；⑧—振动膜水网筛；⑨—旋流器溢流孔；⑩—中间罐；⑪—外罐；⑫—浮标；⑭—进料管；⑮—出料孔；⑯—转鼓；⑰—螺旋输送器；⑱—出渣口；⑲—溢流口；
在施工过程中，要根据铣削钻孔成槽速度和施工效率来确定和调整设备的搭配情况和使用功率，保证浆液的输送量，使槽内泥浆高于地下水位和地表水位1.5m，确保槽段内压力平衡。为确保地下连续墙造孔泥浆净化处理的快速、高效，各级净化设备的泥浆处理量应与铣头中的泥浆泵排量相匹配，并据此可采用单元装置配套运行，对槽孔内钻孔泥浆随钻连续处理，与正常的铣削钻孔成槽同步进行，使成槽过程中的浆液比重、黏度等性能参数始终满足施工要求。当泥浆性能稳定时，可根据实际情况适当减少（关闭）泥浆净化系统中离心机的工作单元，以降低设备损耗。
5.1.3 泥浆处理性能对比
铣削钻孔成槽过程中，通过铣轮将土体破碎，破碎的土块由孔内泥浆携带至泥浆净化器，此时泥浆比重在1.35～1.45g/cm3，黏度在40～50s，含砂量在8%～20%（不同的地层和铣进速度导致浆液性能参数波动较大）；含土泥浆通过净化器进料管输送到振动粗筛网，由于网筛距离较长且具有一定的斜度，加上振动的帮助，大于5mm的土粒被过滤掉，泥浆可快速从固体颗粒中脱离，离开网筛区域，而不会出现泥浆的大量损失。
小于5mm的泥浆颗粒进入到流量分配器，然后通过连接管由分配器流入各自对应的除砂机的主罐，泥浆通过泵吸至旋流分离器，当泥浆在一定的压力下，从除砂器进口以切向进入设备后，产生强烈的旋转运动，由于砂水密度不同，在离心力、向心浮力、流体曳力的作用下，因受力不同，从而使密度低的清水上升，由溢流口流出，存储在泥浆箱中，而分离的细砂（大于0.06mm颗粒）从旋流器底孔（软管）落到振动脱水网筛，处理过后的泥浆经旋流器溢流孔汇集到中间罐中，然后由此转移到外罐，此时处理过后的泥浆中仍然含有大量的粉细颗粒，浆液比重任维持在1.35g/cm3以上，黏度（马氏）维持在37s以上，含砂量维持在4%。
外罐中的部分泥浆通过泵送至卧式螺旋卸料沉降离心机，泥浆通过进料管加入螺旋内，再经过螺旋筒体内的出料孔进入转鼓，在离心力的作用下，比重较大的固相颗粒沉附在转鼓壁上，形成一个环形的固相层，螺旋输送器在差速器的作用下，将脱水后的固相沉渣（大于5μm颗粒）从圆锥转鼓的出渣口推出，比重较轻的泥浆从溢流口溢出，如此连续不断地工作，达到连续分离泥浆中粉细颗粒的目的，其泥浆处理前后如表1。
表1 泥浆处理前后参数对比
5.2 护壁泥浆及清孔换浆
泥浆护壁技术是地下连续墙工程的基础技术之一，其质量好坏直接影响到地下连续墙的施工质量和安全，本工程地连墙成槽全部采用优质膨润土泥浆护壁。
地下连续墙槽段开挖过程中，液压铣槽机要依靠泥浆将切割的碎小岩块和土体通过反循环带出槽外，因此要连续不断地向沟槽中供给新鲜泥浆，在水下混凝土浇筑过程中，有大量的泥浆排放出来，需要认真做好泥浆管理，及时制备新浆，调整回浆性能指标，及时将废浆外运处理，以确保安全、优质、高效完成连续墙的施工。
（1）泥浆循环。铣削钻孔时，铣头中的泥浆泵将孔底的泥浆输送至地面上的泥浆净化机，由振动筛除去大颗粒钻碴后，进入旋流器分离泥浆中的粉细砂，最后经卧式泥浆沉降离心机分离粉细黏粒，净化后的泥浆流回到槽孔内，泥浆循环系统见图5。
图5 液压铣槽机泥浆循环系统流程图
（2）泥浆回收处理。经较长时间使用，如果泥浆黏度指标降低，适当掺加新浆进行调整；如果黏度指标太高，则加入分散剂调整，经处理后仍达不到标准的泥浆废弃。
浇注混凝土时，自孔内置换出的泥浆用泥浆泵直接输送至回收浆池中，用于其他槽段成槽施工。混凝土顶面以上5m左右的泥浆一般会受水泥浆的影响而劣化，作废浆处理。废浆排至废浆池临时存放，采用改装后的运输车（带封闭料斗）将废浆运至指定排放点排弃，并在排放点采取环保措施，达到减少环境污染的目的。
5.3 施工中解决重难点
按照设计泥浆性能指标，在实际施工过程中，无法满足铣槽的要求。根据地层的适应性，对各泥浆指标生产性试验后，进行了相应的优化调整：当槽孔内浆液比重大于1.4g/cm3时，液压铣的泥浆泵无法将泥浆抽送出槽孔；当槽孔内浆液比重大于1.15g/cm3，小于1.4g/cm3时，槽壁比较稳定；当在清孔换浆阶段孔内泥浆比重降低到1.15g/cm3以下时，在换浆后不久槽孔就会出现垮塌。
5.3.1 原因
（1）全风化板岩遇水崩解、软化、膨胀，极易造成槽壁内缩和坍塌。
（2）强风化板岩砂质板岩质软，节理裂隙发育，岩石块体积大，质量重，当清孔换浆时，孔内浆液比重陡然减小，对孔壁支护力降低，岩石块易沿裂隙面脱落，造成垮孔和埋钻（图6）。
5.3.2 处理措施
（1）将导墙顶标高提高到+29.0m，确保槽内泥浆高于地下水位和地表水位1.5m以上。
（2）缩短槽孔成槽周期，减少槽壁暴露时间。
（3）加强新制泥浆质量控制，从材料、计量、搅拌、膨化等各个工序严格把关，确保新制泥浆的性能指标满足规范要求。
图6 全风化地层垮孔强风化地层垮孔
（4）通过泥浆系统适当提高清孔换浆浆液比重和黏度，比重控制在1.32g/cm3左右，黏度34s左右，含沙量小于1%。
（5）合理优化了清孔换浆工序，在造孔过程的后期，提前进行浆液性能调整，使槽孔内浆液性能参数在造孔结束时基本满足验收要求，通过适当延长浆液循环时间，使浆液性能达到验收标准，整个换浆过程浆液比重和黏度改变速率较小，槽壁应力不会出现陡然变化的情况，槽壁稳定性增加。
（6）在钢筋笼下设前，采用液压铣进行二次清孔。
（7）液压铣施工中，时刻关注槽口钢丝绳和浆管情况，如出现不明原因的剧烈摆动，说明孔内出现垮孔，应及时提钻检查油管情况，避免漏油、埋钻等事故发生。
6 总结
粉质黏土层防渗墙施工泥浆处理涉及地下连续墙和桩基造孔过程中泥浆处理的施工领域，特别涉及一种高粉细黏粒含量地层地下连续墙造孔泥浆性能的无害化达标处理控制方法。适合施工场地小、标准化和文明施工要求高的市政工程建设。对于适用工程的工程进度、经济效益、文明施工程度都有提高，具有良好的社会效益。