高黏复合地层地下连续墙快速成槽施工技术

张锟 ZHANG Kun；李伟 LI Wei；桂诗军 GUI Shi-jun；罗彬 LUO Bin；李树忱 LI Shu-chen；刘祥坤 LIU Xiang-kun

（①济南轨道交通集团有限公司，济南 250014；②中铁四局集团第四工程有限公司，济南 250022；③山东大学齐鲁交通学院，济南 250003）

0 引言

城市地下空间在明挖法施工建设中，地下连续墙工艺被广泛应用于基坑支护体系中[1]，同时对地下连续墙工艺要求也越来越高。在高黏土岩复合地层等特殊地层地质下通过双轮铣槽机施工地下连续墙[2]，施工中不可避免出现粘铣刀、糊轮等问题，导致施工功效低、延误工期；同时普通振动滤砂机对泥浆含砂率降低不明显，泥水分离难，保证不了循环浆液的质量，降低成槽效率。目前入岩成槽施工技术研究主要集中在针对地层进行不同工艺选取上面，对于入岩成槽施工配套施工材料和装备研究较少。

济南地区轨道交通R2线施工过程中会遇到高黏复合地层，底部闪长岩强度高，上部黏土含量较高，存在易糊刀，泥水分离效果差等难题。本文以济南轨道交通R2线为例，研发适用于高黏地层地连墙施工适用的粘土分散剂，并研发配套工艺，通过泥浆循环过程中增加新型粘土分散剂，降低开挖土体粘附性，减少糊轮等现象的发生；同时改良泥浆净化循环系统，提升循环泥浆质量，提高成槽效率和质量，形成一套快速高效入岩成槽施工技术。

1 工程概况

1.1 设计概况

济南地铁R2线六标全长约1.2公里，包含2站1区间，即历黄路站、历黄路站~历山北路站区间（明挖区间）、历山北路站。标段北侧紧靠北园高架、南侧紧邻沃家庄、梁府庄、张家村等（均为老城区，房屋年久失修、基础形式简单），基坑周边管线众多。标段围护结构均采用地下连续墙，墙身均有入岩要求，且标段内的岩面浅且强度高，标段全长均采用明挖法施工，距离长且深度大。

历黄路站-历山北路站区间长度217.6m，标准段总宽度23.4m，基坑深度19.985m，地势高差不大，覆土厚度4.175m。区间主体为地下二层，主体结构为二层三跨框架结构，主体采用明挖法施工，支护结构采用地下连续墙+内支撑体系。

1.2 工程地质

地连墙施工所处地层情况为：杂填土、粉质黏土、黏土、碎石及强中风华闪长岩地层。黏土层以可塑状态为主，局部软塑，可见铁锰质氧化物，黏粒含量高，无摇震反应，干强度和韧性高，切面光滑，如图1所示。

图1 黏土

闪长岩层为中粗粒结构，块状构造，节理裂隙稍发育，可见方解石岩脉，岩芯多呈柱状，柱长10～25cm，锤击声闷，岩芯采取率80%-90%，RQD=50～65，如图2所示。（图3、图4）

图2 风化闪长岩

图3 地质剖面示意图

图4 糊轮严重

2 施工重难点分析

穿越地层下部闪长岩强度高，使用普通成槽机开挖比较困难[3]，成槽设备难以快速贯入和切削，因此针对强度较高岩层，我们选择双轮铣槽机进行沟槽开挖[4]；地层上部黏土（多为淤泥质粘土和粉质黏土），地层含泥量高，且受下部泉水的影响，泥水难以分离，携渣能力差，双轮铣齿轮易被糊住[5]；循环泥浆温度高，不能对刀盘有效降温，为刀盘结泥饼糊刀盘提供了条件。

3 高黏土岩复合地层成槽施工技术

3.1 新型粘土分散剂研发与试验

3.1.1 粘土分散剂研发

由于地层黏土粘附性较大，当使用普通分散剂将粒子分散开后，构成的体系不够稳定，一段时间后黏土粒子有可能再次吸附，需要提高表面活性剂的分子量。所以自主研发的粘土分散剂采用高分子型的阳离子＋非离子复合而成，高分子型能够提高吸附层的厚度，有效阻止粒子的再次吸附，提高分散效果。为此自主研发了分散效果更佳的分散剂，并开展了性能试验。

该粘土分散剂是一类液态聚合物粘土分散剂，如图5，主要成分：表面活性剂2wt%、分散剂8wt%，稳定剂0.5wt%，耐磨防腐剂0.5wt%，余量为水。（图6）

图5 粘土分散剂

图6 粘土分散剂作用机理

表面活性剂为两性表面活性剂，优选为甜菜碱型两性表面活性剂，比如可以为α-烷基甜菜碱、N-烷基甜菜碱的一种或其组合。本发明的表面活性剂在酸性溶液中呈阳离子性质，在中性浴中呈非电离子型性质，相对于阴离子型表面活性剂或阳离子型表面活性剂，其能在酸性、中性、碱性等溶液中溶解，不易产生沉淀，能够润滑黏土团块体表面，降低表面张力，且具有较强的渗透能力。

分散剂为脂肪酸盐类分散剂，比如，所述分散剂可以为硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸钡的一种或其组合。

稳定剂为无毒亚磷酸酯，其作用主要是提高溶液的稳定性，防止暴露空气中表面活性剂和分散剂的氧化失效，提高溶液有效成分的长期稳定。

耐磨防腐剂为二油酸亚磷酸酯和双乙酸钠的组合，其作用是降低改良过程中水和化学改良剂对刀具的腐蚀，提高刀具的耐磨性和耐久性。

专门用于有糊轮和粘附刀盘危险的含粘土地层，能够有效降低粘性土对刀盘的粘附作用，提高成槽效率，同时还能降低改良过程中水和化学改良剂对刀具的腐蚀，提高刀具的耐磨性和耐久性。粘土分散剂所有组成成分绿色安全，对环境无不良影响，粘土分散剂基本物理参数指标如表1所示。

表1 粘土分散剂基本物理参数

3.1.2 粘土分散剂性能试验

黏土对金属的黏附程度一般可通过简单的粘附性试验测定，采用霍巴特砂浆搅拌器搅拌改良土，通过黏附留在叶片上的土与试验用土的质量比λ评价土的粘附性。

在实验室采用类似的试验方法测定不同程度改良黏土对金属铰刀的粘附性（见图7）。随着粘土分散剂掺量提高，土体在金属铰刀上的留存率降低，黏土和泥岩的黏附程度明显减弱，8%粘土分散剂掺量留存率＜5%，具有明显的效果。

图7 试验装置及不同掺量粘土分散剂对粘附性作用效果

通过动态粘聚力测试系统测定混合土体的转动扭矩和滑动角，试验时取粘土分散剂掺入比为10%。如图9所示，其中相同浓度下的普通粘土分散剂作用时刀盘扭矩和滑动角要高于自主研发的高效粘土分散剂，通过掘进参数对比可以看出自主研发的粘土分散剂分散效果更好，更利于黏性地层开挖。（图8）

图8 动态粘聚力测试系统

图9 两种粘土分散剂的改良效果对比

3.2 粘土分散剂注入工艺

为使得双轮铣施工时更好的使粘土分散剂作用于铣刀齿轮，减少泥饼糊刀，研究配套粘土分散剂注入工艺。铣槽时，滚轮相对匀速旋转，滚轮周围分布有铣刀，对围岩进行破碎，中间液压马达驱动泥浆泵，通过铣轮旁的吸砂口将钻掘出的岩渣与泥浆排到地面泥浆净化循环系统进行离心式泥水分离，同时增设管路向泥浆循环系统添加粘土分散剂，改善泥浆性质，同时将改善后的泥浆返回槽内，通过增压泵分出管路分别向两铣轮喷淋循环泥浆，冲洗刀齿，防止粘铣刀、糊齿等现象发生。铣槽过程及分散剂注入工艺如图10所示。

图10 铣槽过程中粘土分散剂注入工艺

粘土分散剂通常制成3%水溶液通过管路泥浆循环系统即可，溶液可根据不同地质条件和实际施工情况进行调整，通过管路的流量控制阀来调整粘土分散剂用量。

3.3 泥浆净化循环系统研究

地下连续墙施工时，泥浆能够起到比较重要的作用，一定重度和黏度的泥浆能够使槽壁保持相对稳定，并具有很好的携渣能力，将土渣运输到槽外。所以泥浆循环系统处理能力对成槽效率和质量的影响至关重要。对此研发一种泥浆除砂率高、处理能力强且封闭环保的泥浆净化循环再生系统。采用宽筛面叠层筛网代替传统多层筛箱结构、增加大激振力电机形成多电机混列组合（见图11），形成一种新型振动筛，提高筛选能力。采用多锥旋流器提高分离精度和处理能力，处理效果见图12。改进渣浆泵，提高构件的耐磨性和硬度，使其可长期输送强磨蚀高浓度的渣浆，泥浆净化循环系统整体如图13所示。

图11 振动电机

图12 脱水筛分效果

图13 泥浆净化循环系统整体示意图

这种系统具有除砂率高、处理能力强且封闭环保的特点，减少现场施工场地占用和泥浆外泄。从而达到提高施工功效，降低环境污染，提升经济效益的目的。

4 应用效果及效益分析

通过对比新旧泥浆循环系统分别处理后的泥浆性能，如表2可以看出泥浆高效净化循环再生系统对泥浆质量的有效提升。

表2 新旧泥浆循环泥浆处理前后对比

采用本工法施工高黏土岩复合地层的地下连续墙与冲桩机+成槽机施工的传统工法相比，节约大量工期，形成了较好的经济效益。不同施工方法，工期、成本对比详见表3。

表3 效益分析表

由效益分析表可以看出，双轮铣槽机施工工法施工成本相较于冲桩机+成槽机施工工法施工成本节约了约20%，且缩短工期，优势比较明显。

5 结语

在济南地铁R2线历历区间地下连续墙施工过程中，面对高黏土岩复合地层，采用双轮铣槽机进行成槽施工，在施工过程使用新型粘土分散剂，并改进泥浆净化循环系统，有效解决粘铣刀、糊轮等问题，明显改善循环泥浆质量。在保障成槽质量的情况下明显提高效率，并有较好的经济效益，对类似地层基坑地下连续墙施工具有很高的应用推广价值。