氣舉反循環(huán)清孔工藝在大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注樁施工中的應(yīng)用淺析

潘云

摘 要：鉆孔灌注樁施工中，樁底沉渣厚度直接影響鉆孔灌注樁的承載能力，因此清孔工藝的選擇尤為重要。以鐘祥漢江公路二橋主橋樁基施工為背景，在大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注樁施工中，采用正循環(huán)式和氣舉反循環(huán)式兩種清孔方式進(jìn)行對(duì)比，分析兩種清孔方式的工藝原理和施工工藝流程。結(jié)果表明，氣舉反循環(huán)式清孔工藝能有效壓縮清孔時(shí)間，提高成樁質(zhì)量，從而合理壓縮工期，具備一定的經(jīng)濟(jì)和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：氣舉反循環(huán);大直徑;鉆孔灌注樁;沉渣

中圖分類號(hào)：U445.55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）12-0125-02

0 引言

近年來，伴隨著我國(guó)交通事業(yè)的飛速發(fā)展，各類橋梁的修建已經(jīng)成為各種交通設(shè)施的重要組成部分。橋梁作為跨越江河湖海、深溝峽谷等障礙最重要的構(gòu)筑物，是交通設(shè)施互聯(lián)互通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和樞紐工程，而各類大跨度橋梁的廣泛引用使得各種大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注樁在橋梁施工中被普遍應(yīng)用。鐘祥漢江公路二橋位于湖北省鐘祥市，漢江常水位下河寬約600余米，主橋設(shè)計(jì)為（95+2×160+95）m連續(xù)箱梁跨越，基礎(chǔ)地質(zhì)情況為細(xì)砂層約為12m，卵石層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖和泥質(zhì)粉砂巖約11m，余下地層為泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥巖，中風(fēng)化泥巖作為主橋樁基礎(chǔ)持力層，主墩設(shè)計(jì)采用13根直徑為2.2m的大直徑樁基礎(chǔ)，其中11#墩、13#墩設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為79m，12#墩設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為81m，最大設(shè)計(jì)孔深92.5m，搭設(shè)鋼管貝雷架鉆孔平臺(tái)施工樁基礎(chǔ)，并選用機(jī)械化程度高，施工效率高，環(huán)保的旋挖鉆機(jī)進(jìn)行樁基施工。

1 旋挖鉆施工工藝

主橋區(qū)域內(nèi)中風(fēng)化泥巖及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖最大抗壓強(qiáng)度為24.7MPa，因此選擇使用TR400C型旋挖鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔樁施工。鉆進(jìn)過程采用膨潤(rùn)土和黏土進(jìn)行造漿護(hù)壁，防止塌孔，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度后，根據(jù)旋挖鉆機(jī)的特點(diǎn)，提出鉆桿后靜置20分鐘，待孔內(nèi)鉆渣沉淀后采用旋挖鉆機(jī)空轉(zhuǎn)鉆斗撈渣，安裝鋼筋籠，安裝導(dǎo)管，清孔，測(cè)量孔深及孔底沉渣厚度合格后灌注水下混凝土。

2 樁底沉渣厚度對(duì)鉆孔灌注樁承載力的影響

公路橋涵規(guī)范規(guī)定摩擦樁灌注混凝土前孔底沉渣厚度不超過15cm，端承樁灌注前沉渣厚度不超過5cm，沉渣厚度控制的好壞與否直接影響鉆孔灌注樁成樁質(zhì)量，資料顯示孔底沉渣厚度過厚將導(dǎo)致單樁極限承載力降低11%～25%，同時(shí)也對(duì)樁身軸向力、樁側(cè)摩阻力有較大的影響[1]。當(dāng)樁底沉渣厚度較大時(shí)，其承載性能降低，當(dāng)樁體承受荷載達(dá)到一定程度后，導(dǎo)致沉渣發(fā)生壓縮變形，進(jìn)而樁底產(chǎn)生較大位移，從而造成樁身與土體之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，從而影響鉆孔樁承載力，樁底沉渣厚度大小不僅影響樁端阻力發(fā)揮，而且會(huì)影響樁側(cè)阻力發(fā)揮，尤其對(duì)距樁端20m以下范圍樁側(cè)阻力影響更大，沉渣厚度越大，樁側(cè)阻力發(fā)揮值越小，嚴(yán)重時(shí)側(cè)阻力僅為經(jīng)驗(yàn)值的一半[2]。因此，采取有效的清孔方式降低孔底沉渣厚度是控制成樁質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)之一。

3 清孔工藝選擇

清孔是利用流動(dòng)的泥漿卷起樁底的固體沉渣，帶動(dòng)沉渣上升，隨著泥漿流動(dòng)，固體沉渣隨著泥漿一起排出，從而將沉渣逐漸清除。根據(jù)清孔設(shè)備和泥漿循環(huán)方向的不同一般分為正循環(huán)式清孔、泵吸反循環(huán)式清孔、氣舉反循環(huán)式清孔[3]，施工中正循環(huán)式清孔最為常見。

3.1 正循環(huán)換漿清孔工藝

正循環(huán)換漿清孔原理：把比重小于1.1的新鮮泥漿通過泥漿泵壓入孔底，送到孔底的泥漿攜帶孔底沉渣經(jīng)過灌注導(dǎo)管和孔壁之間的空間返回到地面，通過循環(huán)槽和沉淀池進(jìn)行沉淀，最后進(jìn)入泥漿池循環(huán)[4]。

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，僅需要泥漿泵和導(dǎo)管，無需額外增加設(shè)備。

缺點(diǎn)：清孔換漿時(shí)間長(zhǎng)，過程中易因砂卵石和流沙層的出現(xiàn)而發(fā)生坍孔現(xiàn)象;泥漿泵清除孔底稍大卵石和泥塊困難;如果泥漿泵的功率較小，將出現(xiàn)較大體積的沉渣懸浮固定在一定高度無法順利排出的情況，同時(shí)隨著孔深增加，泥漿泵的清孔能力會(huì)出現(xiàn)急劇下降;而對(duì)本項(xiàng)目樁基直徑達(dá)2.2m，最大施工孔深達(dá)93m左右的大直徑鉆孔樁而言，在導(dǎo)管周圍小范圍內(nèi)泥漿泵壓入的泥漿產(chǎn)生較大流速可以帶動(dòng)沉渣，而距離導(dǎo)管較遠(yuǎn)位置的沉渣卻極難被清除，孔底呈凹形，在施工中經(jīng)常出現(xiàn)在樁孔四周測(cè)得沉渣厚度相差較大的情況，因此正循環(huán)清孔方式不適宜大直徑和樁長(zhǎng)較長(zhǎng)的樁基清孔。

3.2 氣舉反循環(huán)清孔工藝

在導(dǎo)管安裝完成后，樁身混凝土灌注前，將空壓機(jī)的壓縮空氣，通過安裝在導(dǎo)管內(nèi)的風(fēng)管壓入孔內(nèi)，泥漿經(jīng)高壓氣流沖擊，在導(dǎo)管內(nèi)與泥漿混合后形成由空氣、液體（泥漿）與固體（浮渣）混合的混合物。因混合物的密度小于導(dǎo)管內(nèi)泥漿的密度，會(huì)在導(dǎo)管內(nèi)上升，從而在導(dǎo)管內(nèi)外形成負(fù)壓，下部的泥漿在負(fù)壓的作用下上升，底部孔外的泥漿不斷補(bǔ)充進(jìn)入導(dǎo)管內(nèi)部，導(dǎo)管底部新進(jìn)入的泥漿與高壓氣體形成漿氣混合物后繼續(xù)流動(dòng)上升，由于導(dǎo)管的截面積遠(yuǎn)小于樁孔截面面積，所以在導(dǎo)管內(nèi)形成了流速極大的泥漿流，泥漿攜帶廢渣通過導(dǎo)管頂部排漿口噴出[5]。圖1為氣舉反循環(huán)原理示意圖。

優(yōu)點(diǎn)：清孔速度快，效果好，對(duì)大塊泥塊、鵝卵石清除徹底，沉渣厚度可以控制在設(shè)計(jì)、規(guī)范要求范圍內(nèi)。

4 氣舉反循環(huán)清孔工藝技術(shù)參數(shù)及施工要點(diǎn)

4.1 氣舉反循環(huán)清孔工藝技術(shù)參數(shù)選擇

氣舉反循環(huán)清孔時(shí)所需風(fēng)壓P的計(jì)算：

P=γ·H1/1000+ΔP

式中：γ為泥漿密度，一般取12kg/m3;H為風(fēng)管安裝深度（m），一般取孔深的0.6倍;ΔP為供氣管道壓力損失，一般取0.05～0.1MPa。

根據(jù)計(jì)算所需最大風(fēng)壓為0.75MPa，施工現(xiàn)場(chǎng)配備DSR-100AZ直聯(lián)螺桿式空壓機(jī)，最大風(fēng)量11.6m3/min，最大排氣壓力1.0MPa，以滿足清孔時(shí)所需風(fēng)壓。

4.2 氣舉反循環(huán)清孔施工要點(diǎn)

（1）清孔設(shè)備安裝時(shí)，應(yīng)將堵頭板、送風(fēng)管接頭安裝緊密，確保不漏氣、管路暢通，否則會(huì)直接影響清孔效果。（2）導(dǎo)管管底距沉渣面30～50cm，風(fēng)管在導(dǎo)管內(nèi)下放深度控制在孔深的0.6左右，風(fēng)管底部1m范圍內(nèi)打開孔，圓周方向4排，直徑8mm，每排5個(gè)，間距20cm。（3）開啟空壓機(jī)前應(yīng)先往樁孔內(nèi)補(bǔ)足泥漿，清孔完成后，先關(guān)閉空壓機(jī)，再停止補(bǔ)漿。在清孔時(shí)，由于孔底部存在較大負(fù)壓，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)漿，保持孔內(nèi)水頭高度，避免因補(bǔ)漿不及時(shí)導(dǎo)致坍孔。（4）空壓機(jī)的送風(fēng)量應(yīng)該逐漸增加，樁底沉渣較厚時(shí)，應(yīng)當(dāng)增加空壓機(jī)風(fēng)量，同時(shí)上下晃動(dòng)導(dǎo)管，使沉渣更容易排出。必要時(shí)，可以采用榔頭敲擊導(dǎo)管，減少堵塞的可能性。（5）當(dāng)孔底沉渣排出一段時(shí)間后，應(yīng)當(dāng)及時(shí)調(diào)整導(dǎo)管高度，以確保導(dǎo)管距離孔底沉渣頂面的高度不變。（6）孔口的用以濾篩沉渣的篩網(wǎng)應(yīng)及時(shí)清理，防止沉渣重新流入孔內(nèi)。（7）在清孔過程中，要隨時(shí)采用泥漿三件套測(cè)定泥漿指標(biāo)，防止發(fā)生坍孔事故。（8）清孔完成后，孔內(nèi)的泥漿比重應(yīng)處于1.03～1.1，黏度17～20s，含砂率<2%，孔底沉渣厚度≤15cm[6]。（9）清孔完成后應(yīng)在10min后在進(jìn)行水下混凝土灌注，對(duì)導(dǎo)管及孔內(nèi)氣壓進(jìn)行自然緩壓，使導(dǎo)管內(nèi)與孔內(nèi)氣壓持平，防止導(dǎo)管內(nèi)負(fù)壓造成混凝土灌注時(shí)氣壓逆推混凝土堵管。

5 氣舉反循環(huán)清孔工藝運(yùn)用效果

（1）正循環(huán)換漿清孔過程中，部分濃度高、密度大的沉渣，無法徹底清除，在混凝土灌注時(shí)隨著混凝土面升高隨之上升，從而增大了混凝土灌注阻力，這種現(xiàn)象在混凝土灌注臨近結(jié)束時(shí)特別明顯，通過觀察，此時(shí)孔內(nèi)排出的泥漿，密度濃度明顯增加，流動(dòng)困難，偶爾有大塊的絮狀泥塊出現(xiàn)，若處理不及時(shí)很容易伴隨導(dǎo)管上下提升而被裹入混凝土中，從而造成樁頭混凝土質(zhì)量差、強(qiáng)度低、樁身夾泥等種種質(zhì)量問題，而采用舉反循環(huán)清孔工藝后，一般直徑在10cm以內(nèi)的鵝卵石或泥塊也可以從孔底清出，沉渣少，混凝土灌注順暢，成樁質(zhì)量明顯提高。（2）由于采用正循環(huán)換漿清孔達(dá)不到設(shè)計(jì)沉渣厚度要求，經(jīng)常出現(xiàn)孔底導(dǎo)管位置沉渣符合要求而四周沉渣厚度超標(biāo)，甚至引橋部分樁基檢測(cè)結(jié)果顯示樁底沉渣過厚的情況，在更換設(shè)備采用氣舉反循環(huán)清孔工藝后，孔底沉渣厚度最終符合設(shè)計(jì)要求，超聲波檢測(cè)結(jié)果顯示樁底無沉渣過厚情況出現(xiàn)。（3）項(xiàng)目施工初期，全橋樁基均采用正循環(huán)換漿清孔施工工藝，清孔時(shí)間達(dá)8～10h，后期采用氣舉反循環(huán)清孔工藝后壓縮至1～2h左右;引橋樁基采用氣舉反循環(huán)清孔工藝后清孔時(shí)間也從5～6h壓縮至1h以內(nèi)，大大縮短了清孔時(shí)間，降低了塌孔、縮孔風(fēng)險(xiǎn)，提高了混凝土灌注效率，從而保證了樁身質(zhì)量，避免后期因樁基承載力不合格導(dǎo)致的處理費(fèi)用，同時(shí)采用氣舉反循環(huán)二次清孔工藝后，泥漿清運(yùn)成本也得到了降低。

6 結(jié)語

工程實(shí)踐證明，在大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注樁施工中，氣舉反循環(huán)清孔工藝具有清孔效率高，效果好的顯著優(yōu)勢(shì)，有效確保了連續(xù)梁主橋樁基施工質(zhì)量，同時(shí)由于施工效率的提高也為本項(xiàng)目合理壓縮了工期，從而壓縮了項(xiàng)目施工成本，帶來了一定的施工效益，結(jié)合本項(xiàng)目形成的有關(guān)氣舉反循環(huán)清孔工藝，可為后續(xù)大直徑，超長(zhǎng)樁長(zhǎng)樁基施工提供施工參考。

參考文獻(xiàn)

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