婁江特大橋深孔泵吸反循環(huán)工藝的改進

張廣亮,劉建濤,2,陳益敏

(1.河南省地礦建設工程〈集團〉有限公司,河南鄭州 450007;2.河南省地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊,河南 鄭州 450007)

婁江特大橋深孔泵吸反循環(huán)工藝的改進

張廣亮1,劉建濤1,2,陳益敏1

(1.河南省地礦建設工程〈集團〉有限公司,河南鄭州 450007;2.河南省地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊,河南 鄭州 450007)

隨著國家基礎設施投入的加大,樁徑 1000～2000 mm、孔深 100～130 m的鉆孔灌注樁在各類工程中屢被采

用。泵吸反循環(huán)傳統(tǒng)上被用于孔深不超過 80 m的深孔,在京滬高鐵第六標段婁江特大橋鉆孔灌注樁施工中,通過

對現(xiàn)有的反循環(huán)鉆機進行改進,很大程度上提高了泵吸反循環(huán)的工作效率,順利地完成了孔深 131 m、樁徑 118 m樁孔的施工,產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益。

泵吸反循環(huán);大直徑;超深孔;灌注樁;鉆機改進

1 概述

近年來,隨著國民經(jīng)濟建設的迅猛發(fā)展,高速公路、高速鐵路、市政道路改擴以及建筑立體化趨向,路網(wǎng)密度越來越大,各式立交橋、跨河橋、高架橋等數(shù)量猛增。同時,基于安全考慮,設計要求和標準相應提高。在軟弱巖土地層以鉆孔灌注樁為主要基礎設計的樁長和樁徑亦在不斷擴大,孔深 100～130 m的鉆孔灌注樁在各類工程中屢被采用。而目前工程中以氣舉反循環(huán)、正循環(huán)、旋挖鉆進為主要施工深孔的各型工程鉆機,因造價高、效率低、泥漿污染、深度、地層條件限制等,遠不能滿足市場的需求。泵吸反循環(huán)以消耗功率低、排渣效率高、成孔速度快、施工周期短,而被廣泛應用于交通橋梁基礎。但隨著孔深增加,循環(huán)系統(tǒng)中各項阻力增加,使流量減小,排渣能力降低,鉆孔速度減慢。泵吸反循環(huán)多用于孔深不超過 70～80 m的樁基礎施工,因而制約了泵吸返循環(huán)的發(fā)展。如何提高泵吸反循環(huán)的工作效率,完成深孔施工,已成當務之急。

2009年 10月,筆者參與施工了京滬高鐵第六標段婁江特大橋鉆孔灌注樁基礎工程,樁孔孔深131 m,樁徑 118 m。采用黃海機械廠生產(chǎn)的 G M-20A型鉆機,“180 mm鉆桿,6BS-350型砂石泵。開始用反循環(huán)工藝施工,但因孔較深,超過 60 m后鉆進效率很低,稍微加壓就會出現(xiàn)反循環(huán)斷流現(xiàn)象?？咨畛^ 80 m后泵吸反循環(huán)難以形成,只能用正循環(huán)施工,效率極低。平均 7～8天成樁一根,電能、機械、人工消耗量增加,泥漿外運的成本也成倍增加。綜合各種因素考慮,我們決定采用大口徑鉆具施工,并同時對原有主動鉆桿、送水器的過水斷面進行改造。

在鉆機和水泵性能不變的情況下,采用 “245 mm鉆桿,改用通孔直徑 219 mm的主動鉆桿,增大了過水斷面,鉆進效率明顯提高。

2 泵吸反循環(huán)的工作原理

泵吸反循環(huán)是靠葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動能,達到一定的轉(zhuǎn)速形成真空,吸抽鉆桿內(nèi)的泥漿,使鉆桿內(nèi)產(chǎn)生負壓,而鉆桿外依然保持大氣壓力,因內(nèi)外壓力差產(chǎn)生循環(huán)液流。在大氣壓力作用下,處在鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙中的泥漿流向孔底,與鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進切割下來的巖渣混合形成泥漿的混合液,混合液經(jīng)鉆頭水口被吸入鉆桿內(nèi)腔,經(jīng)送水器—砂石泵—排渣管排入地面泥漿循環(huán)系統(tǒng),鉆渣經(jīng)泥漿池沉淀后,泥漿再補充回流到孔內(nèi),形成泵吸式反循環(huán)鉆進 (見圖1)。泵吸反循環(huán)具有孔壁穩(wěn)定性強、排渣效果好、鉆進效率高、清孔速度快、孔底干凈等優(yōu)點。

圖 1 泵吸反循環(huán)工作示意圖

3 泵吸反循環(huán)的相關參數(shù)分析

以 6BS-350型反循環(huán)泵為例,其主要參數(shù)為泵量、功率、吸程、揚程、工作效率。

3.1 泵量

6BS-350型砂石泵泵量可達 350 m3/h。需要特別提醒的是,并不是砂石泵的泵量越大越好,要根據(jù)鉆桿的過水斷面和孔徑來確定。鉆桿的過水斷面小,易形成氣蝕不上水;過水斷面大,上返速度慢鉆渣不能有效帶出孔外?？讖酱髸r鉆進效率太低,孔徑小時,回流泥漿的下流速度 >0105 m/s時,易沖刷孔壁,破壞泥漿護壁層,引起塌孔事故。

3.2 揚程

6BS-350型反循環(huán)泵的揚程可達 25 m,在鉆孔施工時,循環(huán)系統(tǒng)在地表布置,對揚程的要求不高,在選擇方面,可以不做要求。

3.3 電機功率和轉(zhuǎn)速

6BS-350型砂石泵配 37 kW6極電機,轉(zhuǎn)速可達 980 r/min,因此功率較大,抽吸能力也強。

3.4 吸程

砂石泵的吸程一般為 715 m,這只是純理論數(shù)據(jù)。在實際施工中,和循環(huán)通徑、密封程度、泥漿密度、泵量和電機功率等有密切關系,因受此綜合因素的影響,砂石泵的真空吸程一般情況下不大于 615 m。

所以,在安裝鉆機時,盡量縮小泥漿面與水龍頭頂端的高差來降低真空吸程的高度,達到提高工作效率的目的。另外,根據(jù)圖 2所示,砂石泵的安裝位置越低,效率應該越高,但當孔深較大時,其影響是很小的。

圖 2 砂石泵示意圖

綜上所述,砂石泵的工作效率,是由多種復雜的因素決定,所以通常按 70%計算機械效率。

4 影響泵吸反循環(huán)工作效率的主要外因

泵吸反循環(huán)的工作效率除受砂石泵自身各主要參數(shù)制約外,還受許多外界因素的影響。

仍以 6BS-350型砂石泵為例:功率 37 kW,按工作效率 70%計算時,泵量 235 m3/h,真空吸程 <7 m。

4.1 循環(huán)系統(tǒng)的過水斷面和泥漿在鉆桿內(nèi)的上升速度

從實驗得知,鉆渣在泥漿中的自由落體速度,因泥漿的密度、鉆渣的質(zhì)量和密度而有快慢不同,一般下沉初始速度為 015～019 m/s。由此可推理只要泥漿在鉆桿內(nèi)的上升速度大于鉆渣的自由下落速度,就應當能排除鉆渣,上升速度大于下落速度 2～3倍時,就可將較大塊的鉆渣排除孔外,如鉆桿過水斷面太大,泥漿在鉆桿內(nèi)的上返速度小于鉆渣的沉降速度,則不能形成有效進尺。那么,是否上升速度越快效率就越高呢?單從理論上分析應該是這樣的,但在實際施工中并非如此。因為流速越大鉆桿內(nèi)壁產(chǎn)生的側(cè)摩阻力也越大,砂石泵消耗的功率也越大,特別當鉆渣量較大時,會堵塞鉆頭進渣口或鉆桿,砂石泵就會因瞬間供水不足而產(chǎn)生氣蝕中斷循環(huán)。所以,綜合以上因素并對照表 1可以看出:當泵量在 235 m3/h時,鉆桿規(guī)格以 “245 mm ×14 mm為宜。

表 1 不同規(guī)格鉆桿的泥漿上返流速

4.2 泥漿密度

按孔深 100 m計算,得出不同泥漿密度下泥漿在鉆桿內(nèi)的摩阻力,見表 2。

表 2 不同泥漿密度下泥漿在鉆桿內(nèi)的摩阻力

從表 2可以看出:泥漿密度越大,其在鉆桿內(nèi)上升時的摩阻力越大,鉆進效率就越低。當泥漿密度>1125 kg/L時,反循環(huán)系統(tǒng)很難啟動,即使勉強打開,稍有進尺,就會因產(chǎn)生氣蝕停止運轉(zhuǎn),因此反循環(huán)施工過程中,只要能滿足孔壁穩(wěn)定,降低孔內(nèi)泥漿密度,是提高鉆進效率的重要手段。

4.3 孔深

當泥漿密度為 1110 kg/L時,經(jīng)計算得出不同孔深條件下的側(cè)摩阻力,如表 3。

表 3 不同孔深條件下的側(cè)摩阻力

根據(jù)表 3可知:孔越淺,砂石泵的真空吸程余量越大,效率也就越高,當孔深 >160 m時,普通砂石泵很難啟動工作,需要配備其他增壓設備或采取有效增壓措施。

4.4 泥漿循環(huán)池的大小

當反循環(huán)系統(tǒng)啟動進尺后,鉆渣排放進入泥漿循環(huán)池,經(jīng)過多級沉淀后,泥漿再返流入孔內(nèi)。因此,泥漿池越大,泥漿反流速度越慢,鉆渣沉淀越徹底,返流泥漿的含渣量越少,鉆進效率就會越高。反之,泥漿池太小,鉆渣不能沉淀,就會返流入孔內(nèi),參與多次循環(huán)而影響鉆進效率。所以,在施工現(xiàn)場條件允許時,可在出渣池和孔位之間另挖一個二級沉淀池,這樣效率會更高。

4.5 密封

(1)泥漿面以下部分的密封,即鉆桿各法蘭盤連接處的密封,如密封不嚴,反循環(huán)啟動后,雖然出渣口泵量正常,但補充的泥漿不完全以鉆桿底部進渣口吸入,而是有一部分從中途鉆桿松動處吸入,進入量的多少,視連接的松動程度而定,形成“假象反循環(huán)”,影響進尺效率。特別是在砂層中鉆進時,極易造成埋鉆后果。因此,施工人員一定要經(jīng)常檢查出渣量與底層和進尺量是否相符。

(2)泥漿面以上部分的密封,即砂石泵出渣口至泥漿面之間泵體水龍頭及各接頭是否有漏氣、漏漿現(xiàn)象。特別要注意連接水龍頭和砂石泵的高壓吸引管,有無重皮、破損、堵塞和聲音異常,一經(jīng)發(fā)現(xiàn),就要及時處理。

4.6 地層變化和進尺控制

泵吸反循環(huán)正常啟動后,操作人員要根據(jù)地層變化情況,合理控制進尺,既要保證均勻、滿負荷的出渣量,又不至于使其停止運轉(zhuǎn),是提高效率的關鍵所在。一般有經(jīng)驗的操作人員時刻盯緊出渣口水量大小變化,不斷總結(jié)經(jīng)驗,來做相應的調(diào)整,粘土層要高速小壓力,砂層和卵礫石地層低速慢轉(zhuǎn),嚴防出渣量控制不勻,忽大忽小,造成氣蝕,使反循環(huán)停止工作。特別在松散及易塌地層鉆進時,如果反復啟動反循環(huán),輕者造成擴徑,重時會造成塌孔事故。

4.7 鉆頭形式

反循環(huán)鉆頭,原則上要求簡單實用。錐度≮90°,但施工復雜和承載力較大的地層時,還要特別注意其牢固抗扭。一般情況下,可用三翼或四翼刮刀鉆頭;在卵礫石及風化巖中鉆進時,可用四翼或六翼環(huán)形鉆頭。鉆頭尖可采用二翼、三翼或四翼,同樣錐度要小,甚至沒有錐度,以保證進渣口空間,使鉆渣及時排除。

5 工程實踐

在充分了解泵吸反循環(huán)的工作原理、砂石泵的各主要技術參數(shù)及性能后,根據(jù)多年的施工經(jīng)驗,總結(jié)了影響泵吸反循環(huán)工作效率的各種內(nèi)因和外因,優(yōu)化整個系統(tǒng)的匹配。利用現(xiàn)有扭矩 40 kN·m的G M-20A型工程鉆機,配置 6BS-350型砂石泵組,水龍頭通徑由 150 mm換成 219 mm,鉆桿由 “180 mm改為 “245 mm,主動鉆桿通徑由 150 mm改為219 mm,同時對鉆頭型式也作了相應改造,經(jīng)投入試用效果非常明顯,見表 4。

表 4 反循環(huán)鉆進不同口徑鉆具施工效率對比表

6 結(jié)論與建議

(1)經(jīng)過對泵吸反循環(huán)施工設備及工藝的改進,在超深孔大直徑灌注樁施工中取得了良好的施工效果及經(jīng)濟效益。

(2)實踐證明,對泵吸反循環(huán)施工設備及工藝的改進在超深孔大直徑灌注樁施工中是成功可行的,為超深孔大直徑灌注樁施工積累了施工經(jīng)驗。

(3)該工程的成功實施突破了泵吸反循環(huán)鉆孔灌注樁施工工藝僅適用于孔深 <80 m樁的有關界定,采用該工藝的經(jīng)濟效益顯著。

對一種新鮮事物的認識,從無知到有知,只有不斷總結(jié),善于探索,才能不斷的進步。泵吸反循環(huán)施工工藝,經(jīng)近多年的發(fā)展,特別在保證成樁質(zhì)量,顯著提高樁基承載力方面,已得到人們的普遍認同。但隨著孔深和樁徑的不斷加大、各種地質(zhì)條件也是千差萬別,如何進一步改進反循環(huán)的施工工藝、提高鉆進效率,更好的為國民經(jīng)濟建設服務,涉及到很多學科,誠愿各方面專家不吝賜教指導并提供更好的產(chǎn)品及工藝。

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I mprovement on Deep Hole Pump2suction Reverse C irculation Technology in SuperLarge Bridge

ZHANG Guang-liang1,LIU Jian-tao1,2,CHEN Yi-m in1(1.Henan Geological&Mineral Resources Construction Engineering〈Group〉Co.,Ltd.,Zhengzhou Henan 450007,China;2.No.2 Hydrogeology and Engineering Geology Team,Henan Provincial Bureau of Geo2exploration andMineralDevelopment,Zhengzhou Henan 450007,China)

The bored2grouting pile with diameter of 1000～2000 mm and depth of 100～130 m are often used in various projects.Pump2suction reverse circulation was traditionally used in the hole notmore than 80 m deep,but by the improve-ment on the existing reverse circulation drill,the efficiency of pump2suction reverse circulation was greatly improved with pile hole of 118 m in diameter and 131 m in depth finished.

pump-suction reverse circulation;large diameter;ultra-deep hole;grouting pile;drilling rig improvement

TU473.1+4

A

1672-7428(2011)06-0047-04

2010-11- 23;

2011-06-10

張廣亮(1955-),男 (漢族),河南衛(wèi)輝人,河南省地礦建設工程 (集團)有限公司工程師、一級建造師,探礦工程專業(yè),從事地基與基礎的施工與管理工作,河南省鄭州市互助路 25號,hnljt@163.com。