鉆孔灌注樁的清孔方法及應(yīng)用研究

高 強(qiáng)， 王 勇， 郎 繼 堯

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

鉆孔灌注樁廣泛應(yīng)用于房屋建筑基礎(chǔ)、邊坡支護(hù)、鐵路、公路和城市橋梁等基礎(chǔ)建設(shè)工程，其具有抗震性能強(qiáng)、承載力大、地層適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。由于鉆孔灌注樁是一種隱蔽性較高的地下工程，其施工質(zhì)量在很大程度上決定了上層建筑的整體質(zhì)量，因此，施工過程中一定要控制好各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量。而清孔作為鉆孔灌注樁施工的一道關(guān)鍵工序，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到澆筑、樁基承載力等，意義重大。

老中鐵路第Ⅴ標(biāo)第Ⅰ分部明松楠松河特大橋鉆孔灌注樁工程普遍存在巖溶(喀斯特地貌)、砂土液化、松軟土等不良地質(zhì)及特殊巖土?；A(chǔ)為灰?guī)r，硬度大，巖溶形態(tài)發(fā)育以地表溶溝、溶槽、溶蝕洼地等為主，巖溶中等-強(qiáng)烈發(fā)育，隱伏性巖溶發(fā)育，巖層中存在一定規(guī)模的溶洞、溶隙，溶洞填充物多為細(xì)砂；樁徑為1.25 m和1 m兩種，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)6～53 m，均為柱樁。采用沖擊鉆鉆孔，泥漿正循環(huán)清孔方法清孔。介紹了清孔方法的選擇情況。

2 常用的清孔方法

常用的清孔方法有掏渣法、正循環(huán)、反循環(huán)(氣舉、泵吸)等，各種方法可以單一使用，也可組合使用。不同的清孔方式均有其優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，因此，一定要結(jié)合地質(zhì)情況、技術(shù)要求、經(jīng)濟(jì)效益等因素綜合對(duì)比，選用最適宜的清孔方式。筆者對(duì)其進(jìn)行了逐一分析。

2.1 掏渣法清孔

掏渣法清孔是一種通過抽筒或撈砂斗直接清除孔底的沉渣并在孔口補(bǔ)充新鮮泥漿以保證槽孔穩(wěn)定的清孔方法。該方法操作簡(jiǎn)單，可快速清理孔底沉渣。

抽筒掏渣一般應(yīng)用于沖擊鉆成孔，抽筒具有一定的重量，底部設(shè)有內(nèi)開活門，其利用自身重力壓入孔底渣漿中，通過流體壓力擠壓開活門、在孔底反復(fù)上下提拉幾次由孔底濃漿置換抽筒內(nèi)的清漿，然后提出孔口。

撈砂斗一般應(yīng)用于旋挖鉆成孔，在其鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深后將撈砂斗(帶擋板)留在孔底并機(jī)械旋轉(zhuǎn)數(shù)圈，將孔底的沉渣盡量裝入斗內(nèi)，然后提出孔口。

采用掏渣法清孔，泥漿中的細(xì)砂不能清理出來，對(duì)于含砂較多的地層、孔深較大的灌注樁不適合采用掏渣法清孔除渣。

2.2 正循環(huán)法清孔

正循環(huán)一般有兩種方法：一種是下設(shè)供漿管到孔底，供漿管不斷輸入新鮮泥漿，泥漿攜砂從孔口返出，一般在沖擊鉆機(jī)成孔且掏渣法不能滿足施工要求時(shí)采用；一種是下設(shè)撈砂筒及鉆桿，使泥漿攜砂從孔口返出或從撈砂筒抽出，一般為正循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)采用(圖1)。

正循環(huán)清孔的關(guān)鍵是通過加大泥漿比重、增加供漿量、減少沉渣粒徑、增加漿液的沖擊面積及上升速度來增加出渣效果。

2.3 反循環(huán)法清孔

反循環(huán)法清孔是將沉渣從漿管內(nèi)排出的清孔工藝，包括氣舉反循環(huán)和泵吸反循環(huán)。氣舉反循環(huán)可以應(yīng)用于各種成孔機(jī)械，而泵吸法則多用于反循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)。

圖1 正循環(huán)清孔用噴氣組件示意圖

2.3.1 氣舉反循環(huán)清孔

氣舉反循環(huán)清孔是利用空壓機(jī)的壓縮空氣、通過安裝在漿管內(nèi)(外)的風(fēng)管送至樁孔內(nèi)，高壓氣與泥漿混合在導(dǎo)管內(nèi)形成一種密度小于泥漿的漿氣混合物，漿氣混合物因其比重小而上升，在漿管內(nèi)混合器的底端形成負(fù)壓，下面的泥漿在負(fù)壓的作用下不斷上升并在氣壓動(dòng)量的聯(lián)合作用下不斷補(bǔ)漿，上升至混合器的泥漿與氣體持續(xù)形成氣漿混合物后繼續(xù)上升，進(jìn)而形成漿液循環(huán)。由于漿管的內(nèi)斷面積大大小于漿管外壁與樁壁間的環(huán)狀斷面積，形成了流速、流量極大的反循環(huán)，所攜帶的沉渣從漿管內(nèi)返出排出孔外(圖2)。

氣舉反循環(huán)清孔一般采取自上而下、逐步清孔的方式。漿管的下放深度為出漿管底距沉淤面30～40 cm、風(fēng)管的下放深度一般為氣漿混合器至泥漿面距離與孔深之比的0.6左右，清孔時(shí)應(yīng)同步跟進(jìn)出漿管，以保持管底口與沉淤面的距離。空壓機(jī)的風(fēng)量為6～9 m3/min，出漿管的直徑一般不小于200 mm，風(fēng)管直徑為25 mm，漿氣混合器用φ25的水管制作成花管。開始送風(fēng)時(shí)應(yīng)先孔內(nèi)送漿，停止清孔時(shí)應(yīng)先關(guān)氣后斷漿。清孔過程中，特別要注意補(bǔ)漿量，嚴(yán)防因補(bǔ)漿不足(水頭損失)造成塌孔。根據(jù)孔底水頭壓力、孔底沉渣厚度、粒徑大小及沉淀板結(jié)情況調(diào)整送風(fēng)量并搖動(dòng)出漿管，以利排渣。

2.3.2 泵吸法反循環(huán)清孔

泵吸法反循環(huán)是在砂石泵抽吸的作用下，鉆桿內(nèi)孔產(chǎn)生負(fù)壓，在大氣壓及自重作用下，漿液經(jīng)樁孔孔口流向孔底并將鉆機(jī)鉆頭切削出的碎渣帶進(jìn)鉆桿內(nèi)形成混合液經(jīng)砂石泵排至地面沉淀池內(nèi)，鉆渣迅速沉淀，漿液流入樁孔內(nèi)形成反循環(huán)。與氣舉法裝置相比較，其不需要風(fēng)管，鉆桿通過漿管連接砂石泵。

圖2 氣舉反循環(huán)示意圖

采用反循環(huán)清孔的返漿速度較大，直徑約150 mm的石塊也能清運(yùn)出來。為了防止堵管，應(yīng)在導(dǎo)管底部安裝濾網(wǎng)，濾網(wǎng)間距不大于出漿管的最小直徑。

3 正反循環(huán)清孔效果之對(duì)比分析

3.1 出渣能力

反循環(huán)與正循環(huán)清孔在沉渣的上返流速上差異較大。反循環(huán)漿液攜帶鉆渣后迅速進(jìn)入過水?dāng)嗝孑^小的漿管(鉆桿)內(nèi)，可以獲得比正循環(huán)高出數(shù)倍的上返速度。根據(jù)鉆探水力學(xué)原理，漿液在鉆孔內(nèi)的上返速度是鉆渣顆粒群懸浮速度的1.2～1.3倍，即Va=(1.2～1.3)Vs，式中Va為漿液上返速度；Vs為鉆渣上返速度。反循環(huán)清孔至鉆渣在漿管內(nèi)運(yùn)動(dòng)，使形態(tài)各異的鉆渣群在有限的空間作懸浮運(yùn)動(dòng)，上升速度較快。而采用正循環(huán)清孔時(shí)，漿液攜帶鉆渣后進(jìn)入鉆桿與孔壁形成的環(huán)形空間上返，由于漿液上返斷面面積大，上返速度較慢，因此，可能有部分粒徑較大的顆粒會(huì)回落，須反復(fù)循環(huán)清孔，出渣慢。

3.2 清孔質(zhì)量

反循環(huán)清孔雖然返漿速度快、清渣效果較好，沉渣層較薄，但沉渣層厚度的大小與單樁承載力高低密切相關(guān)。從另一角度考慮，正循環(huán)為了有效的排渣，所選用的泥漿密度較高、濃度較大，勢(shì)必造成孔內(nèi)壓力大，對(duì)孔壁四周作用力也大，孔壁四周泥皮較厚，降低了孔四周的摩阻力，亦降低了單樁承載力。從質(zhì)量角度出發(fā)，摩擦樁應(yīng)慎用正循環(huán)清孔方式(尤其是二清)，并且在采用正循環(huán)清孔時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制清孔的時(shí)間，防止鋼筋籠外裹泥皮而影響到混凝土與鋼筋的結(jié)合，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致漏筋。由于正循環(huán)出渣能力有限，清理范圍小，因此，從質(zhì)量角度考慮，反循環(huán)清孔優(yōu)于正循環(huán)。

3.3 清孔時(shí)間

從實(shí)際生產(chǎn)過程中可以發(fā)現(xiàn)，反循環(huán)清孔效率高于正循環(huán)，因此，清孔時(shí)間為反循環(huán)少于正循環(huán)，清孔所需的新鮮泥漿數(shù)量也少于正循環(huán)，返漿可以通過旋流器、泥漿凈化機(jī)等設(shè)備增加除砂效率，提高泥漿的回收利用率，節(jié)約成本。

3.4 孔壁穩(wěn)定

正循環(huán)清孔由于泥漿密度大、泥皮厚、水頭不大，造成塌孔的概率比反循環(huán)小。在反循環(huán)清孔時(shí)，若泥漿的相對(duì)密度不夠而使孔壁形成堅(jiān)硬的泥皮，或水頭太高使孔壁滲水將會(huì)引起塌孔，同時(shí)，抽吸作用在孔內(nèi)形成的負(fù)壓也不利于孔壁穩(wěn)定，特別是在軟土、巖溶地區(qū)采用反循環(huán)清孔，若操作不當(dāng)，特別容易產(chǎn)生塌孔，故此類地區(qū)應(yīng)謹(jǐn)慎使用。根據(jù)老中鐵路的地質(zhì)條件，最終決定采用正循環(huán)清孔法清孔。

3.5 設(shè)備投入

反循環(huán)工藝較正循環(huán)工藝而言增加了空壓機(jī)一臺(tái)，風(fēng)管、漿管一套，但不需要泥漿泵。漿管一般為鋼管，下設(shè)時(shí)間比較長(zhǎng)，二次清孔時(shí)可將風(fēng)管直接安裝在導(dǎo)管內(nèi)，在導(dǎo)管上相應(yīng)增加連接閥門，風(fēng)管下部是氣漿混合器。反循環(huán)工藝導(dǎo)致沉渣從導(dǎo)管內(nèi)返出，故在導(dǎo)管上部增加了一套三通，排至接渣沉淀池。

3.6 經(jīng)濟(jì)效益

從設(shè)備成本看正反循環(huán)清孔的成本差距不大，反循環(huán)略高，但反循環(huán)清孔所需的時(shí)間短，縮短了設(shè)備周轉(zhuǎn)周期，降低了施工成本；從換漿效果看，反循環(huán)所需的新鮮泥漿明顯少于正循環(huán)，泥漿成本降低，因此，反循環(huán)具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 語

從地質(zhì)條件進(jìn)行分析，在(軟、松散)土層、粉砂層施工中，反循環(huán)并不比正循環(huán)清孔具有優(yōu)勢(shì)，反而因?yàn)榭變?nèi)的負(fù)壓易產(chǎn)生塌孔，具有較高的風(fēng)險(xiǎn)性。但是，在較密實(shí)的卵礫石層、基巖等地層中，反循環(huán)清孔效率高、作業(yè)時(shí)間短，施工進(jìn)度明顯加快，在此類地層中采用反循環(huán)清孔作業(yè)比較合適。老中鐵路第Ⅴ標(biāo)第1分部鉆孔灌注樁已完成樁檢865根，全部合格，其中Ⅰ類樁占比為99.1%，項(xiàng)目所采用的鉆孔、清孔方法滿足工程質(zhì)量要求。

從鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析可知：在澆筑準(zhǔn)備及澆筑時(shí)間、砂沉淀等因素基本一致的假設(shè)條件下，樁徑小、樁長(zhǎng)短的鉆孔灌注樁可采用掏渣法或正循環(huán)清孔，其簡(jiǎn)單快捷；反之，采用反循環(huán)清孔效果更佳。