应用TRD工法的截水帷幕质量影响因素研究

摘要：TRD工法截水帷幕广泛应用于防渗工程。通过研究水泥掺量、水灰比变化及不同搅拌时长对水泥土试样的抗压强度及抗渗性能的影响，得出了各因素变化对试样性能的影响规律及最佳配比。基于室内试验结果，确定了施工参数，在骆驼山煤矿进行了工程示范。研究表明：随着水泥掺量的增大、水灰比的减小，水泥土试样的性能随之提升，在水泥掺量为25%，水灰比为1.2时抗压强度与抗渗性能均满足JGJ/T303—2013《渠式切割水泥土连续墙技术规程》的要求；搅拌时长试验表明，搅拌时长的增加能提升试样的性能；现场示范表明等厚度水泥土地下连续墙具隔水性能可靠的特点。

关键词：TRD工法；水泥土；施工参数

▍0 引 言

TRD工法（Trench cutting Re-mixing Deep wall method）又叫“等厚度水泥土地下连续墙式帷幕工法”，在工程中主要用作隔水帷幕或内插型钢形成止水挡土结构，常应用的地层以淤泥质黏土、黏土、粉砂、砂等第四系松散层为主，具有较好的隔水防渗效果。该工法技术成熟，目前已经成功地应用在城市建设中基坑工程，水利防渗工程，煤矿防渗工程等。在等厚度水泥土地下连续墙成墙的过程中，水泥土的性能决定着工程的成败，而水泥土的结构与性能与其施工过程密切相关。在施工过程中，水泥掺量、水灰比以及搅拌均匀程度等因素对水泥土性能均有很大的影响。因此开展室内试验，探究水泥掺量、水灰比及搅拌时长对水泥土试样性能的影响对现场施工具有重要的指导意义。

水泥掺量是影响水泥土性能的关键因素之一，也是决定其施工经济性的重要因素；地下水将改变水泥浆液的水灰比，造成实际水灰比高于设计值，影响最终帷幕截水效果，因此水灰比也是影响水泥土性能的关键因素之一；搅拌均匀程度则影响着水泥土成墙后的内部结构。基于以上分析，本文开展室内试验探究水泥掺量、水灰比及搅拌时长对水泥土试样性能的影响，为确定现场施工参数提供参考。

▍1 室内试验

1.1.原材料

试验所用水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，矿物组成见表1，物理性能见表2。试验所用岩土体为在内蒙古骆驼山煤矿缓坡斜井井筒渗漏治理段地层所取的黄土、细砂。

1.2实验方法

1.2.1试样制作

试验时间为2022年11月至2023年3月，试验地点为陕西省“四主体一联合”黄河流域中段矿区（煤矿）生态环境保护与修复校企联合研究中心，测试单位为西安煤科检测技术有限公司。

根据水泥土配比参数要求，混合搅拌制备水泥土材料，将制备的水泥土材料依次装入70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体试模和直径50mm×高100mm的圆柱试模中，并用捣棒均匀由外向里螺旋方向插捣15次，当水泥土略高于试模边缘时，用抹刀以45°角一次性将试模表面多余的水泥土刮去，然后再用抹刀以较平的角度在试模表面反方向将水泥土刮平，每组应成型3个试样。制备好的水泥土试样，在室温环境下，静置24±2h后再脱模。脱模后放置于温度为10℃、湿度为95%以上的养护箱中养护至规定龄期。

1.2.2试样测试

1）抗压强度。用70.7mm×70.7mm×70.7mm试样测试抗压强度，测试设备为WDW-300电子万能试验机，加载采用位移控制，加载速率5mm/min。

2）渗透系数。用直径50mm×高100mm试样测试抗渗性能，依据GB/T 50123—2009《土工试验方法标准》测试水泥土试样的渗透系数。

▍2 试验结果分析

2.1水泥掺量对水泥土试样的影响

将水泥按照黄土（细砂）用量的15%、20%、25%、30%掺入水灰比为1.2的水泥土浆液中成型制样。

图1为水灰比在1.2时不同水泥掺量下水泥土试样不同龄期的抗压强度实验结果，可以看出，随着水泥掺量的提升水泥土试样的3、7、28d强度均在提高。其中，黄土试样28d强度随着水泥掺量的提升依次提高23.3%、9.5%、6.2%，细砂试样28d强度随着水泥掺量的提升依次提高53.3%、3.2%、17.9%，由此可知，水泥土试样强度明显提升主要是在水泥掺量由15%提升到20%的过程，当水泥掺量达到20%之后，黄土试样的28d抗压强度提升幅度较小，细砂试样的28d抗压强度在水泥掺量由20%提升到25%时增加幅度较小，在30%掺量时有较大幅度提升，这是因为黄土的颗粒较细砂更细，其颗粒级配较为单一，堆积空隙较小，相较于细砂的堆积空隙，水泥浆液更容易进入细砂颗粒的空隙使得细砂组试样密度更大孔隙率更低，故表现为细砂组28d抗压强度更高，另一方面，黄土过细的颗粒影响水泥早期水化，水泥试样的3d、7d强度主要来自于水泥的水化固结与试样的颗粒堆积，在早期水泥强度尚未发育时，颗粒堆积占比权重较高，黄土妨碍了水泥的水化，故导致黄土试样3d、7d强度不如细砂试样强度。

图2为水灰比在1.2时不同水泥掺量下水泥土试样不同龄期的渗透系数实验结果，可以看出，随着水泥掺量的增加，黄土试样与细砂试样的渗透系数都是持续降低，这是因为随着水泥掺量的提升，水泥水化产生的C-S-H凝胶、AFt与Ca（OH）2等水化产物的量也增多，这些产物填充了黄土和细砂试样的孔隙，进而使得两者的抗渗性能得到提升。还可以看出，黄土试样的抗渗性能不如细砂试样，这可能是因为黄土颗粒较细，遇水后团聚将水泥颗粒包裹起来导致水泥颗粒无法进一步水化，进而导致水泥水化产物较少，孔隙率较高，使得其抗渗性能不如细砂试样。

综上所述，当水泥掺量超过20%时，黄土试样和细砂试样的28d强度均大于2MPa，当水泥掺量超过25%时，黄土试样和细砂试样的28d渗透系数均小于1.0×10—7cm/s，即满足JGJ/T303—2013《渠式切割水泥土连续墙技术规程》试样渗透系数小于1×10—7cm/s，抗压强度不低于0.8的规定。考虑到现场施工的成本因素，选取水泥最佳掺量为25%。

2.2水灰比对水泥土试样的影响

图3为水泥掺量在25%时不同水灰比水泥土试样不同龄期的抗压强度实验结果，可以看出，随着水灰比的增大黄土试样和细砂试样的抗压强度都在降低，其中黄土试样28d强度随着水灰比增大依次降低51.9%、12.5%，细砂试样28d强度随着水灰比增大依次降低3.2%、18.8%，这说明黄土试样的28d强度较大降低是在水灰比从1.0升到1.2时，细砂试样的28d强度较大降低是在水灰比从1.2升到1.5时。理想条件下，水泥完全水化固化需要的水灰比约为0.42，当水灰比大于0.42时，水泥固化后多余的水分会慢慢挥发，进而在试样内部留下多余的孔隙，当这些孔隙尺寸超过50nm时将作为一种“缺陷”存在，会使水泥土试样的抗压强度一定程度下降，所以才会出现如图3所示的无论是黄土试样还是细砂试样随着水灰比的增大抗压强度都在降低。

图4为水泥掺量在25%时不同水灰比水泥土试样不同龄期的渗透系数实验结果，可以看出，黄土试样随着水灰比的增大渗透系数持续增大，细砂试样随着水灰比的增大渗透系数先降低再增大，在水灰比为1.2时取得最低渗透系数。通常认为，在充分水化的低水灰比浆体中，试样固化后毛细孔在10～50nm，在高水灰比浆体里试样固化后早期的毛细孔可大至3～5μm，大于50nm的毛细孔被认为是宏观孔，对强度和渗透性有更大的影响，试样渗透系数往往取决于试样孔隙的尺寸、数量和连通性，当孔隙尺寸增大、数量增多、连通性增强将会大大降低试样的渗透性，所以当水灰比增大时，相当于宏观孔隙尺寸增大、数量增多、连通性增强，故导致试样抗渗性变差。

综上所述，当水灰比为1.2时黄土试样与细砂试样的28d抗压强度均大于2.5MPa，渗透系数均小于1.0×10—7cm/s，且细砂试样的渗透系数在水灰比为1.2时最小，即在此配比下的试样抗渗性能最佳，且考虑到现场施工成本因素，1.2的水灰比相比1.0的水灰比能制备更多的水泥浆，更节省水泥，且能达到不错的效果，故水灰比确定为1.2较为合理。

2.3搅拌时长对水泥土试样的影响

图5为搅拌时长对水泥土试样抗压强度的影响结果图，在前面实验的基础上增加了黄土与细砂的混合组，用以探究搅拌时长对黄土、细砂、水泥混合程度的影响。可以看出，随着搅拌时长的增加，水泥土试样的抗压强度也在增加，其中，黄土试样5、10、20min搅拌时长下28d抗压强度增长率依次为12.5%、14.8%，细砂试样5、10、20min搅拌时长下28d抗压强度增长率依次为10.5%、18.9%，混合试样5、10、20min搅拌时长下28d抗压强度增长率依次为19.4%、24.3%。这说明增加搅拌时长可以使水泥土内部组分混合得更加均匀，使得浆液固化后内部的孔隙率降低，从而使抗压强度升高，这一点在混合组试样中体现得更加明显。5min的搅拌时长搅拌不充分，使浆体内组分将发生离析现象，导致水泥浆分布不均，从而降低强度，在现场施工中搅拌不够充分，会使浆体不够致密而产生气泡孔、微裂缝，对强度与渗透性影响较大。充分的搅拌，可以使硬化浆体的孔隙率降低，还可使尺寸超过100μm的大孔不多于总体积的2%，甚至可使15μm以上的总孔隙率控制在0.5%以内，减少微裂缝的数量和尺寸，增大水泥石的致密程度，从而使强度与抗渗性能提高（图6）。

综上所述，当搅拌时长为5min时黄土试样、细砂试样与混合试样的28d抗压强度均大于2.5MPa，渗透系数均小于1.0×10—7cm/s。但随着搅拌时长的进一步增长，试样的抗压强度与抗渗性能都在持续提升，最佳搅拌时长为20min。

▍3 工程示范

3.1施工参数控制

基于室内试验结果分析，为保障施工效果，确定水泥掺量不低于25%，水灰比控制在1～1.2，由于搅拌时长越长，水泥土性能越好，故采用三步施工法。施工地点为骆驼山煤矿缓坡斜井地段，共施工帷幕墙长度497.46m，墙体宽度0.6m，墙体深度（高度）17m，对施工过程中各项技术参数进行如下严格控制：

1）保证墙体厚度不低于0.6m，墙体深度以TRD工法机最大切割能力（5MPa）尽量往深部切割，切割深度穿过基岩风氧化带直至切割至新鲜基岩界面切割不动为准，控制墙体垂直度偏差小于1/250，墙顶与墙底偏差为±100mm，墙中心偏差线为±20mm。

2）采用强度等级不低于P.O42.5级的普通硅酸盐水泥，单位土体中水泥掺量不少于25%，水灰比控制在1～1.2。

3）采用三步施工法，先行挖掘推进速度控制在1～2m/h，回撤挖掘推进速度控制在6～12m/h，成墙搅拌推进速度控制在3～5m/h。

4）新成型墙体与已成型墙体搭接不应小于50cm；切割箱的拔出方式选择外拔，沿墙体向外延伸挖掘，切割箱拔出位置距离已成墙体不宜小于1m，切割箱应分段、匀速、缓慢拔出，并应连续注入固化液进行填充。

3.2施工效果检验

为检验等厚度水泥土原位截水帷幕施工后的整体截水效果，通过对等厚度水泥土原位截水帷幕施工前后井筒渗水量进行实际测验，统计出井筒渗漏水量变化情况，绘制井筒渗漏水量历时曲线Q-t（图7），进而分析帷幕截水效果。

由井筒渗漏水量实际测验历时曲线可以看出，等厚度水泥土原位截水帷幕的实施对井筒渗水治理具有明显作用，井筒渗水量大幅减少，井筒渗水量由施工前（2022年9月9日）的16.86m3/h降至1.6m3/h（2023年3月20日），涌水量减少15.26m3/h，堵水率达到90.51%。

▍4 结 论

1）通过室内试验，结合现场施工成本因素，确定了最佳水泥掺量为25%，最佳水灰比为1.2，搅拌时长试验表明搅拌时长为20min时试样性能最好。在该配比下水泥土性能满足JGJ/T303—2013《渠式切割水泥土连续墙技术规程》试样渗透系数小于1×10—7cm/s，抗压强度不低于0.8MPa的规定。

2）在相同的配比及搅拌工艺下，细砂试样的性能要优于黄土试样，黄土堆积空隙较小，相较于细砂的堆积空隙，水泥浆液更容易进入细砂颗粒的空隙使得细砂组试样密度更大孔隙率更低进而性能更好。

3）缓坡斜井TRD工法截水帷幕示范工程实践证明，等厚度水泥土地下连续墙具隔水性能可靠的特点。缓坡斜井涌水治理段治理前松散层潜水位最高为1 266.19m，治理后松散层潜水位最高为1 264.61m，水位降幅1.58m，治理前治理段井筒涌水16.86m3/h，治理后降至1.6m3/h，治理段涌水量降幅15.26m3/h，堵水率达到90.51%。