粉砂粉土地层超深超厚地连墙两次清孔工法.docx
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粉砂粉土地层超深超厚地连墙两次清孔工法
粉砂粉土地层超深超厚地连墙两次清孔工法
中铁二局股份有限公司城通分公司
1.前言
在粉砂粉土地层的地下连续墙施工中，浇筑混凝土前沉渣厚度的控制是保证地下连续墙质量的重点，而其中清孔工艺则是施工中的重要环节。
泥浆循环清孔的目的就是控制沉渣厚度在设计规范值以内，以新浆置换槽底不合格的废弃浆液，从而保证混凝土浇筑的充盈系数并尽可能缩短浇筑时长。
因此泥浆循环清孔的工法应当因地制宜，确保水下混凝土浇筑质量。
武汉市轨道交通七号线9标【徐家棚车站】土建工程的围护结构采用超深超厚地连墙，其厚度达1.5m，深度达60m以上。
又因其主要穿越粉砂粉土层，沉渣易积淀，故在浇筑混凝土前采取单一的气举反循环或者泥浆正循环工艺进行清空不能满足沉渣厚度控制要求且不能保证混凝土浇筑质量。
因而根据地连墙深度、厚度情况和水文地质情况，选择了两次清孔的工法，即在成槽终孔后、钢筋笼下放前进行气举反循环一次清孔，在钢筋笼下放后进行泥浆正循环二次清孔，取得了较好的技术和经济效益。
2.工法特点
2.1反循环对浆液的抽吸作用产生负压，对孔壁稳定性有不良影响；而正循环对孔壁产生正压。
但两者若结合在一起，在不同的施工工序阶段发挥各自的作用，则可起到良好的效果。
2.2该工法针对粉砂粉土地层下的超深超厚地连墙，对于沉渣厚度控制及混凝土浇筑质量控制效果较好。
2.3由于反循环在导管中排浆速度大，携渣能力强，被用作终孔后下放钢筋笼前孔底清渣，不能在下放钢筋笼后浇筑混凝土前使用，以防将接头处的沙袋吸入槽内或导致槽底塌孔无法处理；反之正循环在此刻便发挥了它的作用。
2.4该工法中气举反循环主要通过控制空压机风压P及测量槽底泥浆性能指标来把控循环质量，而正循环则通过测量沉渣厚度来判定是否应当终止循环，进行混凝土浇筑。
两次循环相辅相成，各自发挥各自的作用，最终达到降低沉渣厚度，保证混凝土浇筑质量的目的。
3.适用范围
本工法适用于粉砂粉土地层的地下连续墙或钻孔桩清孔作业，特别适用于超深超厚的地下连续墙。
4.工艺原理
反循环指的是泥浆在孔和导管中循环的一种方式，与之对应的是泥浆正循环。
如下图所示，泥浆由孔口补给，由导管排出的方式属于反循环，反之为正循环。
两者的区别在于：
1.当泥浆循环流量相同时，通过导管（桩孔）返上浆液的速度不同，携带钻渣的能力差别很大。
2.反循环对浆液的抽吸作用产生负压，对孔壁稳定性有不良影响。
而正循环对孔壁产生正压。
图4-1工艺原理图
5.施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
施工准备→导管支架及卷扬机安装→下放并安装导管→高压气管下放入导管→调试气压并运行空压机→开启泥浆泵抽取槽底泥浆→测沉渣厚度，完成一清→钢筋笼下放完成后进行正循环清孔→再次测沉渣厚度及泥浆性能，完成二清。
图5.1-1施工工艺流程图
5.2操作要点
5.2.1两次清孔前的施工准备工作
1、配齐导管架、空压机、滤砂机、泥浆泵、卷扬机、导管、循环管，以及各种应急材料。
2、按每循环使用量配齐膨润土、CMC、重晶石、纯碱等泥浆配置材料。
泥浆配制方法：
图5.2.1-1泥浆配制流程图
最终的泥浆配比：
表5.2.1-1泥浆配比表
成份
水（m3）
钠基土（kg）
纯碱（kg）
重晶石（kg）
CMC（L）
掺量
1.8
150
7.12
15．12
7.2
3、连接好泥浆循环管路、电路及滤砂机、空压机、卷扬机电路等，并对泥浆泵、滤砂机、卷扬机及空压机进行试运转，保证施工过程中设备运转正常。
4、对泥浆循环的施工人员进行技术交底、技术培训以及安全教育，保证其在施工中按照规范要求进行作业。
5、准备好泥浆性能测试仪器及测绳，以便控制循环质量。
5.2.2导管支架及卷扬机安装
为了保证导管安全下放，安装导管架、卷扬机前应对设备进行安全检查，确保设备正常运行，确保起吊的履带吊钢丝绳、扁担、吊钩及卸扣安全。
卷扬机及导管架安装时应注意：
（1）安装时，导管架及卷扬机基座应平稳牢固。
操作人员站的位置应能看清指挥人员和拖动或起吊的导管。
（2）作业前，应检查卷扬机与地面的固定，并在导管架上铺设钢筋网片，防止操作人员掉入槽内。
检查安全装置、防护设施、电气线路、接零或接地线、制动装置和钢丝绳等，全部合格后方可使用。
（3）铜丝绳应与卷筒及吊笼连接牢固，不得与机架或地面摩擦。
（4）在卷扬机制动操作杆的行程范围内，不得有障碍物或阻卡现象。
5.2.3下放并安装导管
首先根据槽深计算好需要多少节导管，导管下放的深度应距离孔底50cm。
在下放并安装导管时，空压机、滤砂机、泥浆泵及相应的循环管应就位。
泥浆池后台应根据需要按交底配比开始制浆，以供后期泥浆循环所用。
使用卷扬机吊运导管时，要与信号工密切配合，缓慢升降，防止导管碰撞伤人。
安装导管时应注意以下几点：
（1）使用卷扬机下放导管时，卷筒上的钢丝绳应排列整齐，卷筒上的钢丝绳如重叠或斜绕时，将挤压变形，需要停机重新排列。
如果在卷筒转动中用手、脚去拉、踩，很容易被钢丝绳挤入卷筒，造成人身伤亡事故。
严禁在转动中用手拉脚踩钢丝绳。
（2）导管提到上空停留时，要防止制动失灵或其他原因而失控下坠。
作业中，任何人不得跨越正在作业的卷扬钢丝绳。
休息时应将导管降至地面。
（3）作业中如发现异响、制动不灵、制动带或轴承等温度剧烈上升等异常情况时，应立即停机检查，排除故障后方可使用。
（4）作业中停电时，应切断电源，将导管降至地面，然后使用履带吊代替卷扬机下放导管。
5.2.4高压气管下放并运行空压机
在运行空压机前首先进行反循环法清孔时所需风压P的计算，如下式：
P=γs·h0/1000+ΔP
γs——泥浆比重（kN/m3），一般取12
h0——混合器沉没深度（m），即导管下放深度
ΔP——供气管道压力损失，一般取0.05～0.1MPa
联接空压机和进气管使用高压空气胶管，公称直径3～5cm，长度应大于下放的导管长度，满足送气需求。
高压气管接通空压机后，从导管内下放至槽底，气管下方完毕后，根据上式计算出的气压值P启动并调节空压气参数，开启运行空压机。
空压机运行过程中通过气体流量调节阀调节高压空气进气量，进而调节空气与泥浆混合程度及泥浆运动状态。
空压机进气量8～20m3/min，对于导管直径较大（≥300mm）的工程，进气量需要12m3/min较为适宜。
根据上式，若气举反循环所需要进气管最大深度为60米，则空气压力一般在0.8MP。
5.2.5气举反循环进行一次清孔
将一台滤砂机放置在槽边，另一台放置在泥浆池旁，接电并做好运行准备工作，待空压机调试完成后按照计算气压P及进气量进行运行，此时开启22kw泥浆泵通过导管抽取槽底的泥浆，抽取的泥浆通过滤砂机除砂后返回泥浆池后台进行再造浆，通过与按泥浆配比配置的新鲜浆液混合后通过循环管重新回到槽内，如此形成气举反循环。
过程中，空压机输送的高压气体喷出风管后与泥浆混合，分散在导管内形成许多（密度小）气泡，这些气泡受到泥浆向上的浮力并带动泥浆（粘滞力）向上运动，并且在上升过程中压力降低，体积增大。
因此在气液混合段下方形成负压，由该段下部的泥浆不断补充，孔底沉渣在泥浆运动的带动下进入导管，随泥浆排出孔外，形成一个连续稳定的运动过程。
最终槽底的沉渣和泥浆便被新鲜的泥浆置换，更好的进行泥浆护壁。
泥浆系统工艺流程图：
图5.2.5-1泥浆系统工艺流程图
控制要点及注意事项：
（1）清底开始时，先在离槽底1~2m处进行试吸，防止导管的吸入口陷进沉渣里堵塞导管。
清底时，清孔泵要由浅入深，使清孔泵的喇叭在槽段全长范围内离槽底0.5m处上下左右移动，吸除槽底部沉渣。
（2）清孔时间不宜小于2小时，并根据孔底沉渣厚度和返浆比重决定清孔是否可以结束。
（3）清孔期间，泥浆面必须保持高于地下水位0.5m以上，并不低于导墙顶面下0.3m。
5.2.6槽内泥浆性能测试及沉渣厚度测量，完成一清
当槽内各段泥浆性能指标满足要求，使用测绳测得沉渣厚度小于10cm后，便可结束第一次清孔。
过程中应控制以下几点：
（1）清底换浆是否合格，以取样试验为准，当槽内每递增5m深度及槽底处各取样点的泥浆采样试验数据都符合规定指标后，清底换浆才算合格。
（2）当孔底泥浆比重、粘度较大，可适当上提或拆卸导管，等循环顺畅时再下放至正常距离（距离槽底50cm），防止因负压过大导致塌孔。
（3）泥浆循环清孔过程中，若测得槽底泥浆比重小于1.1，而沉渣厚度仍大于10cm，则应当暂停清孔，待泥浆沉淀后比重和粘度上升再继续清孔，防止槽内泥浆过清导致塌孔。
反之若槽底泥浆比重在1.2左右而沉渣厚度已小于10cm，则可停止清孔。
5.2.7泥浆正循环二次清孔
在下放钢筋笼和导管安装完毕后，进行泥浆正循环二次清孔。
清孔中所使用的泥浆泵、导管、导管支架、卷扬机及滤砂机等设备与反循环一次清孔相同。
但与气举反循环相反，此次清孔不需要用到空压机等一套设备，也无须将滤砂机放在槽边过滤泥浆；而是让泥浆池制得的新鲜浆液或者改造的循环浆液通过循环管进入导管，由上至下往槽底注入新的浆液以置换槽底的旧浆液，槽底的旧浆液连同沉渣一起慢慢上翻至槽顶，然后通过槽顶安放的22kw泥浆泵重新抽送回泥浆池内进行再造浆，如此循环。
此次清孔只须将一台滤砂机放置在泥浆池旁以配合再造浆即可。
过程中，若槽顶液面出现了气泡，则证明已翻浆成功。
导管下放深度依旧是据槽底0.5m，当槽底沉渣≤100mm（用带圆锥形测锤的标准水文测绳测定），泥浆比重≤1.15时，即可停止清孔作业。
清孔后，槽底0.5m的泥浆比重应少于1.15，含砂率不大于7％，粘稠度不大于25s，槽底沉渣厚度不大于100mm。
5.3劳动力组织
两次清孔工法采取终孔后气举反循环清孔，钢筋笼下放后泥浆正循环清孔的作业方式，期间保证滤砂机正常除砂。
劳动力组织见表5.4劳动力组织情况表。
表5.3-1劳动力组织情况表
序号
单项工程
所需人数
备注
1
工长
1
2
安全员
1
3
质检员
1
4
试验员
1
5
专业设备工
3
6
电工
1
7
杂工
2
8
合计
10
6.材料与设备
本工法施工设备和部分材料见表6材料设备表。
表6-1材料设备表
序号
名称
型号
单位
数量
用途
1
空压机
12m3
台
1
在槽底形成负压
2
高压风管
直径30mm
米
70
连接风动设备
3
泥浆测试仪器
成套产品
套
1
测试泥浆性能
4
泥浆泵
22kw
台
2
泥浆循环
5
吸引胶管
Dg150x6m/根
根
10
泥浆输送管路
6
泥浆取样筒
1L
个
1
提取槽底泥浆
7
空气升液器
DG100x50m/套
套
1
空气升液器
8
砼导管
Φ300，70m/套
套
2
气举反循环使用
9
手拉葫芦
0.5-1.0T
只
2
升降泥浆泵
10
导管支架
同浇砼支架
套
2
安装卷扬机和导管
11
卷扬机
同轴卷扬机
台
2
上提或下放导管
12
吊车
25t以上
台
1
当卷扬机故障时提放导管
13
测绳
100m
套
若干
测量孔深
14
滤砂机
黑旋风
个
2
过滤槽泥浆含砂
7.质量控制
7.1工程质量控制标准
粉砂粉土地层超深超厚地连墙两次清孔施工质量执行《地下铁道工程施工及验收规范》、《建筑地基基础工程施工质量验收规范》。
1、清孔时护壁泥浆性能达到标准后方可停止相应的循环，标准如标7.1所示：
表7.1-1清孔护壁泥浆性能指标要求表：
泥浆性能指标
反循环终止的泥浆性能标准
正循环终止的泥浆性能标准
检测方法
比重（g/cm3）
1.15-1.2
≤1.15
泥浆比重计
粘度（s）
20~25
≤25
漏斗法
含砂率（%）
≤7
≤7
洗砂瓶
2、相应循环可停止的条件除泥浆性能达标外，还须槽底沉渣厚度符合设计规范要求。
两个条件都达到方可停止循环，进行下步工序。
7.2质量保证措施
7.2.1清孔期间，泥浆面必须保持高于地下水位0.5m以上，并不低于导墙顶面下0.3m。
7.2.2严格按照两次清孔施工工艺流程的施工程序实施泥浆循环清孔作业。
7.2.3清孔时间不宜小于2小时，并根据孔底沉渣厚度和返浆性能决定清孔是否可以结束或者是否应当暂时停止。
7.2.4在进行气举反循环前应计算清孔时所需的风压P，在泥浆循环再造浆时应当勤测泥浆池内循环浆的性能，以保证清孔效果。
7.2.5在泥浆循环清孔过程中，若测得槽底泥浆比重小于1.1，而沉渣厚度仍大于10cm，则应当暂停清孔，待泥浆沉淀后比重和粘度上升再继续清孔，防止槽内泥浆过清导致塌孔。
反之若槽底泥浆比重在1.2左右而沉渣厚度已小于10cm，则可停止清孔。
7.2.6在进行清孔时，导管下放的深度应距离孔底50cm。
7.2.7当孔底泥浆比重、粘度较大，可适当上提或拆卸导管，循环顺畅时再下放至正常距离（距离槽底50cm）。
7.2.8孔深80米以上，空压机额定压力宜大于等于0.8MPa，孔深50～80米，额定压力宜大于0.5MPa；额定流量8m3/h。
8.安全措施
8.1施工现场要张贴悬挂醒目的安全宣传标语、标牌，施工平台临边坡面及泥浆池边设立安全栏杆或警示带，夜间保证照明，防止高空坠落。
8.2将施工机械如卷扬机，空压机等都设置在远离人行通道的一侧。
8.3现场电缆线架空或埋入地下，各种电器控制须设漏电保护装置。
8.4安装打灰架、卷扬机、空压机、滤砂机及泥浆泵前应对设备进行安全检查，确保设备正常运行，确保吊具安全使用。
8.5应指派专职的安全员，负责泥浆循环清孔时现场的安全工作。
8.6用卷扬机吊运料斗及导管时，要与信号工密切配合，缓慢升降，防止导管碰撞伤人。
8.7地下连续墙泥浆循环清孔前，应在打灰架两旁沟槽上放置钢筋网片，并应在槽幅两边设置警戒线以防止危险发生。
8.8若作业中停电，可使用履带吊代替卷扬机提拔导管，保证清孔连续及时。
9.环保措施
9.1泥浆循环清孔过程中渗漏的泥浆应随时清理,不用的导管和机械及时吊移,保持施工场地内清洁。
9.2施工场界噪声控制按《建筑施工场界噪声限值》（GB12523-90）要求。
9.3施工场地、运输道路定时使用喷淋设备降尘。
9.4在提拔导管的过程中冲洗导管，保证导管上不携带泥浆。
9.5夜间施工在现场四周设置2个镝灯和各类机台照明灯具，使任何一个操作和人行角度都有足够的亮度。
9.6泥浆的排放统一进行规划，做到泥浆不外流。
10.效益分析
10.1本工法针对地铁围护结构地连墙施工中粉砂粉土地层，特别是在地下连续墙超深超厚的情况下，沉渣清理及混凝土浇筑效果较好，取得较好的技术效益。
10.2采取此项工法增大了泥浆回收利用率，使得泥浆排放量减少，减少环境污染，降低施工清运处理成本，就安全文明施工而言取得了较大的社会效益。
10.3表面上看，气举反循环工艺增加了设备，增加了工程成本，且先反循环后正循环的工艺增长了工序时间。
其实不然，在使用此项工法后，地连墙的沉渣厚度减小，混凝土浇筑时长大大缩短，堵管埋管的现象大大减少，最后反而节约了工期。
另一方面，地连墙的混凝土浇筑充盈系数得到了保障，后期基坑开挖时地连墙露筋、夹泥夹砂出现的频率降低，如此既降低了基坑开挖的风险，又取得了较好的经济效益。
以武汉市轨道交通七号线9标【徐家棚车站】为例，采用本工法施工减少了地连墙的混凝土浇筑时长，减少了围护结构施工工期及泥浆外运成本，增加空压机设备及泥浆原材费用，综合起来取得经济效益约160万元。
此外，此项工法避免了可能因为沉渣引起的质量事故及质量隐患，同时加快了施工进度，减少工期30天，为按期完成业主工期目标奠定了基础。
工法成果的应用为工程项目带来了巨大的经济效益。
具体效益计算如下所示：
（1）空压机、滤砂机等设备及操作人员投入：
3.2万元
膨润土及外加剂等其他材料摊销：
1.78万元
（2）活动收益：
避免延期罚款：
30天×1万元/天=30万元
节省员工工资：
30天×47人×150元/天=21.15万元
后续工序误工费：
30天×3.8万元/天=114万元
结论：
该项工法取得的经济效益为30+21.15+114-3.2-1.78=160.17万元
11.施工实例
武汉市轨道交通七号线9标【徐家棚车站】
11.1工程概况
武汉市轨道交通七号线一期工程徐家棚站呈南北走向，位于武汉市武昌区，和平大道与秦园路交叉路口以西的秦园路下。
徐家棚站为地下四层双柱三跨盖挖逆作岛式站台车站，车站起止里程为：
左CK15+100.820～左CK15+318.188，外包总长217.36m，标准段总宽25.3m，站台宽度为15m，车站中心里程基坑深度约34.6m，小里程盾构井基坑深度35.962m，大里程盾构井基坑深度35.3m，主体基坑总面积11000m²。
车站主体地下连续墙分为三种类型，A型墙、B型墙及C型墙。
A型墙为车站主体无外挂部分的外围地下连续墙，厚度1.5米，共58幅；B型墙为外挂部分外围地下连续墙，厚度1.5米，共59幅；C型墙为车站主体与外挂部分结合处半截地下连续墙，厚度1.0米，共36幅，主体地下连续墙共计153幅，地下连续墙接头采用H型钢接头。
地下连续墙施工范围内由上至下主要穿越杂填土、粉质粘土、淤泥质土、粉砂、粉土、粉细砂、细砂、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质砂岩。
11.2施工情况
徐家棚车站在粉砂粉土地层下地连墙的清孔方式为：
在成槽终孔后，钢筋笼吊装下放前先使用气举反循环清孔除砂；然后在钢筋笼下方完毕后，混凝土浇筑前使用泥浆正循环进行二次清孔，直达成槽厚度小于10cm且槽底泥浆性能达标为止。
该车站围护结构采用超深超厚地下连续墙，厚1.5m，深度约60m，主要处于粉砂粉土地层中。
其中一清气举反循环使用的空压机风压P=γs·h0/1000+ΔP=12*60/1000+0.08=0.8Mpa，额定流量8m3/min，导管下放深度为60-0.5=59.5m，一清的清孔时间平均为3-4小时。
二清泥浆正循环清孔时间平均为1小时左右，当槽底泥浆比重在1.15左右，粘度在22-25s且沉渣厚度小于10cm之时停止清孔，然后拆管进行混凝土浇筑。
一清气举反循环见图11.2-1，11.2-2，二清泥浆正循环见图11.2-3：
图11.2-1一清气举反循环使用的空压机
图11.2-2一清气举反循环（图中为黑旋风滤砂机）
图11.2-3二清泥浆正循环
11.3泥浆配置情况
泥浆配制使用钠基土作为基土，同时加入一定量纯碱共同配置基浆。
此外，选用CMC及重晶石两种外加剂提高泥浆的比重、粘度及胶体率等性能指标。
泥浆配比为：
水1.8m3，纯碱7.12kg，cmc7.2L，重晶石15.12kg，钠基土150kg。
配置方法是向搅拌桶里面放入0.8m3清水搅拌并加入7.12kg的纯碱。
之后加入7.2L的纤维素（经8-10小时发酵后的纤维素）充分搅拌，然后加入清水大至1.8m3时加入150kg膨润土（钠基土）及15.12kg的重晶石，搅拌8---l0min——>用空压机冲刷（或者泥浆泵抽泥浆池内的泥浆进行冲刷）让纯碱、纤维素充分溶解—>然后静置发酵（10-12小时）。
配置的浆液须满足以下七大泥浆性能指标：
表11.3-1泥浆指标表
泥浆比重
粘度（s）
含砂率
PH
胶体率
泥皮厚度（mm）
滤失量（ml/30min）
泥浆配置情况如下图11.2-4及图11.2-5所示：
图11.3-1工人进行制浆图11.3-2项目部进行制浆实验
11.4效果评价
11.4.1泥浆指标效果评价
在使用两次清孔工法后，护壁泥浆的性能得到了提升。
抽测8组清孔完成后的泥浆进行泥浆7大性能试验，发现其测试结果均合格，如下表11.4.1-1所示：
表11.4.1-1泥浆指标效果评价表
序号
泥浆比重
粘度（s）
含砂率
PH
胶体率
泥皮厚度（mm）
滤失量（ml/30min）
结果
确认标准
1.06～1.1
22-30
<4%
8～9
＞95%
1-3
<30
合格
1
1.07
23
3%
8
95%
1.5
15
合格
2
1.08
22
2%
9
95%
2
20
合格
3
1.08
24
1.5%
9
95%
1
18
合格
4
1.09
25
1%
8
96%
1.8
19
合格
5
1.06
22.5
2%
8
95%
1.2
12
合格
6
1.08
24
1%
8
97%
1.5
15
合格
7
1.09
23.5
0.5%
9
95%
1
10
合格
8
1.1
24.5
2%
8
96%
1.5
16
合格
11.4.2沉渣厚度控制效果评价
在使用两次清孔工法前，已完成的17幅地连墙中有5幅地连墙的沉渣厚度不合格，不合格率达到了29.4%，如下表所示：
表11.4.2-1工法使用前沉渣厚度统计表
墙号
沉渣厚度（cm）
是否超标
合格率（%）
合格标准
≤10
否
WA029
10
否
WA033
25
是
WA034
8
否
WA032
10
否
WA035
5
否
WA031
10
否
WA040
30
是
WA041
8
否
WA036
9
否
WA042
15
是
WA039
10
否
WA043
5
否
WA037
28
是
WA044
10
否
WA038
8
否
WA045
20
是
WA028
10
否
总结
17幅地连墙中5幅地连墙不合格，不合格率29.4%
70.6%
在使用两次清孔工法后，同样统计了已完成的17幅地连墙沉渣厚度，合格率达到100%，平均厚度7cm，如下表所示：
表11.4.2-2工法使用后沉渣厚度统计表
墙号
沉渣厚度（cm）
是否超标
合格率（%）
合格标准
≤10
否
WB025
8
否
WA018
7
否
WB024
8
否
WA019
6
否
WB026
5
否
WB023
8
否
WA020
6
否
WB027
7
否
WA021
7
否
WB035
7
否
WB028
8
否
WA022
5
否
WB022
8
否
WB034
6
否
WA023
8
否
WB029
9
否
WB021
7
否
总结
17幅地下连续墙沉渣厚度均合格，平均厚度7cm，合格率100%。
100%
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