高黏復合地層地下連續墻快速成槽施工技術

張錕 ZHANG Kun；李偉 LI Wei；桂詩軍 GUI Shi-jun；羅彬 LUO Bin；李樹忱 LI Shu-chen；劉祥坤 LIU Xiang-kun

（①濟南軌道交通集團有限公司，濟南 250014；②中鐵四局集團第四工程有限公司，濟南 250022；③山東大學齊魯交通學院，濟南 250003）

0 引言

城市地下空間在明挖法施工建設中，地下連續墻工藝被廣泛應用于基坑支護體系中[1]，同時對地下連續墻工藝要求也越來越高。在高黏土巖復合地層等特殊地層地質下通過雙輪銑槽機施工地下連續墻[2]，施工中不可避免出現粘銑刀、糊輪等問題，導致施工功效低、延誤工期；同時普通振動濾砂機對泥漿含砂率降低不明顯，泥水分離難，保證不了循環漿液的質量，降低成槽效率。目前入巖成槽施工技術研究主要集中在針對地層進行不同工藝選取上面，對于入巖成槽施工配套施工材料和裝備研究較少。

濟南地區軌道交通R2線施工過程中會遇到高黏復合地層，底部閃長巖強度高，上部黏土含量較高，存在易糊刀，泥水分離效果差等難題。本文以濟南軌道交通R2線為例，研發適用于高黏地層地連墻施工適用的粘土分散劑，并研發配套工藝，通過泥漿循環過程中增加新型粘土分散劑，降低開挖土體粘附性，減少糊輪等現象的發生；同時改良泥漿凈化循環系統，提升循環泥漿質量，提高成槽效率和質量，形成一套快速高效入巖成槽施工技術。

1 工程概況

1.1 設計概況

濟南地鐵R2線六標全長約1.2公里，包含2站1區間，即歷黃路站、歷黃路站~歷山北路站區間（明挖區間）、歷山北路站。標段北側緊靠北園高架、南側緊鄰沃家莊、梁府莊、張家村等（均為老城區，房屋年久失修、基礎形式簡單），基坑周邊管線眾多。標段圍護結構均采用地下連續墻，墻身均有入巖要求，且標段內的巖面淺且強度高，標段全長均采用明挖法施工，距離長且深度大。

歷黃路站-歷山北路站區間長度217.6m，標準段總寬度23.4m，基坑深度19.985m，地勢高差不大，覆土厚度4.175m。區間主體為地下二層，主體結構為二層三跨框架結構，主體采用明挖法施工，支護結構采用地下連續墻+內支撐體系。

1.2 工程地質

地連墻施工所處地層情況為：雜填土、粉質黏土、黏土、碎石及強中風華閃長巖地層。黏土層以可塑狀態為主，局部軟塑，可見鐵錳質氧化物，黏粒含量高，無搖震反應，干強度和韌性高，切面光滑，如圖1所示。

圖1 黏土

閃長巖層為中粗粒結構，塊狀構造，節理裂隙稍發育，可見方解石巖脈，巖芯多呈柱狀，柱長10～25cm，錘擊聲悶，巖芯采取率80%-90%，RQD=50～65，如圖2所示。（圖3、圖4）

圖2 風化閃長巖

圖3 地質剖面示意圖

圖4 糊輪嚴重

2 施工重難點分析

穿越地層下部閃長巖強度高，使用普通成槽機開挖比較困難[3]，成槽設備難以快速貫入和切削，因此針對強度較高巖層，我們選擇雙輪銑槽機進行溝槽開挖[4]；地層上部黏土（多為淤泥質粘土和粉質黏土），地層含泥量高，且受下部泉水的影響，泥水難以分離，攜渣能力差，雙輪銑齒輪易被糊住[5]；循環泥漿溫度高，不能對刀盤有效降溫，為刀盤結泥餅糊刀盤提供了條件。

3 高黏土巖復合地層成槽施工技術

3.1 新型粘土分散劑研發與試驗

3.1.1 粘土分散劑研發

由于地層黏土粘附性較大，當使用普通分散劑將粒子分散開后，構成的體系不夠穩定，一段時間后黏土粒子有可能再次吸附，需要提高表面活性劑的分子量。所以自主研發的粘土分散劑采用高分子型的陽離子＋非離子復合而成，高分子型能夠提高吸附層的厚度，有效阻止粒子的再次吸附，提高分散效果。為此自主研發了分散效果更佳的分散劑，并開展了性能試驗。

該粘土分散劑是一類液態聚合物粘土分散劑，如圖5，主要成分：表面活性劑2wt%、分散劑8wt%，穩定劑0.5wt%，耐磨防腐劑0.5wt%，余量為水。（圖6）

圖5 粘土分散劑

圖6 粘土分散劑作用機理

表面活性劑為兩性表面活性劑，優選為甜菜堿型兩性表面活性劑，比如可以為α-烷基甜菜堿、N-烷基甜菜堿的一種或其組合。本發明的表面活性劑在酸性溶液中呈陽離子性質，在中性浴中呈非電離子型性質，相對于陰離子型表面活性劑或陽離子型表面活性劑，其能在酸性、中性、堿性等溶液中溶解，不易產生沉淀，能夠潤滑黏土團塊體表面，降低表面張力，且具有較強的滲透能力。

分散劑為脂肪酸鹽類分散劑，比如，所述分散劑可以為硬脂酸鈣、硬脂酸鎂、硬脂酸鋇的一種或其組合。

穩定劑為無毒亞磷酸酯，其作用主要是提高溶液的穩定性，防止暴露空氣中表面活性劑和分散劑的氧化失效，提高溶液有效成分的長期穩定。

耐磨防腐劑為二油酸亞磷酸酯和雙乙酸鈉的組合，其作用是降低改良過程中水和化學改良劑對刀具的腐蝕，提高刀具的耐磨性和耐久性。

專門用于有糊輪和粘附刀盤危險的含粘土地層，能夠有效降低粘性土對刀盤的粘附作用，提高成槽效率，同時還能降低改良過程中水和化學改良劑對刀具的腐蝕，提高刀具的耐磨性和耐久性。粘土分散劑所有組成成分綠色安全，對環境無不良影響，粘土分散劑基本物理參數指標如表1所示。

表1 粘土分散劑基本物理參數

3.1.2 粘土分散劑性能試驗

黏土對金屬的黏附程度一般可通過簡單的粘附性試驗測定，采用霍巴特砂漿攪拌器攪拌改良土，通過黏附留在葉片上的土與試驗用土的質量比λ評價土的粘附性。

在實驗室采用類似的試驗方法測定不同程度改良黏土對金屬鉸刀的粘附性（見圖7）。隨著粘土分散劑摻量提高，土體在金屬鉸刀上的留存率降低，黏土和泥巖的黏附程度明顯減弱，8%粘土分散劑摻量留存率＜5%，具有明顯的效果。

圖7 試驗裝置及不同摻量粘土分散劑對粘附性作用效果

通過動態粘聚力測試系統測定混合土體的轉動扭矩和滑動角，試驗時取粘土分散劑摻入比為10%。如圖9所示，其中相同濃度下的普通粘土分散劑作用時刀盤扭矩和滑動角要高于自主研發的高效粘土分散劑，通過掘進參數對比可以看出自主研發的粘土分散劑分散效果更好，更利于黏性地層開挖。（圖8）

圖8 動態粘聚力測試系統

圖9 兩種粘土分散劑的改良效果對比

3.2 粘土分散劑注入工藝

為使得雙輪銑施工時更好的使粘土分散劑作用于銑刀齒輪，減少泥餅糊刀，研究配套粘土分散劑注入工藝。銑槽時，滾輪相對勻速旋轉，滾輪周圍分布有銑刀，對圍巖進行破碎，中間液壓馬達驅動泥漿泵，通過銑輪旁的吸砂口將鉆掘出的巖渣與泥漿排到地面泥漿凈化循環系統進行離心式泥水分離，同時增設管路向泥漿循環系統添加粘土分散劑，改善泥漿性質，同時將改善后的泥漿返回槽內，通過增壓泵分出管路分別向兩銑輪噴淋循環泥漿，沖洗刀齒，防止粘銑刀、糊齒等現象發生。銑槽過程及分散劑注入工藝如圖10所示。

圖10 銑槽過程中粘土分散劑注入工藝

粘土分散劑通常制成3%水溶液通過管路泥漿循環系統即可，溶液可根據不同地質條件和實際施工情況進行調整，通過管路的流量控制閥來調整粘土分散劑用量。

3.3 泥漿凈化循環系統研究

地下連續墻施工時，泥漿能夠起到比較重要的作用，一定重度和黏度的泥漿能夠使槽壁保持相對穩定，并具有很好的攜渣能力，將土渣運輸到槽外。所以泥漿循環系統處理能力對成槽效率和質量的影響至關重要。對此研發一種泥漿除砂率高、處理能力強且封閉環保的泥漿凈化循環再生系統。采用寬篩面疊層篩網代替傳統多層篩箱結構、增加大激振力電機形成多電機混列組合（見圖11），形成一種新型振動篩，提高篩選能力。采用多錐旋流器提高分離精度和處理能力，處理效果見圖12。改進渣漿泵，提高構件的耐磨性和硬度，使其可長期輸送強磨蝕高濃度的渣漿，泥漿凈化循環系統整體如圖13所示。

圖11 振動電機

圖12 脫水篩分效果

圖13 泥漿凈化循環系統整體示意圖

這種系統具有除砂率高、處理能力強且封閉環保的特點，減少現場施工場地占用和泥漿外泄。從而達到提高施工功效，降低環境污染，提升經濟效益的目的。

4 應用效果及效益分析

通過對比新舊泥漿循環系統分別處理后的泥漿性能，如表2可以看出泥漿高效凈化循環再生系統對泥漿質量的有效提升。

表2 新舊泥漿循環泥漿處理前后對比

采用本工法施工高黏土巖復合地層的地下連續墻與沖樁機+成槽機施工的傳統工法相比，節約大量工期，形成了較好的經濟效益。不同施工方法，工期、成本對比詳見表3。

表3 效益分析表

由效益分析表可以看出，雙輪銑槽機施工工法施工成本相較于沖樁機+成槽機施工工法施工成本節約了約20%，且縮短工期，優勢比較明顯。

5 結語

在濟南地鐵R2線歷歷區間地下連續墻施工過程中，面對高黏土巖復合地層，采用雙輪銑槽機進行成槽施工，在施工過程使用新型粘土分散劑，并改進泥漿凈化循環系統，有效解決粘銑刀、糊輪等問題，明顯改善循環泥漿質量。在保障成槽質量的情況下明顯提高效率，并有較好的經濟效益，對類似地層基坑地下連續墻施工具有很高的應用推廣價值。