氣舉反循環(huán)工藝在旋挖灌注樁清孔中的應(yīng)用

程 兵，韓榮祥，鄭 旭

（中國(guó)二十冶集團(tuán)有限公司，上海 201900）

隨著我國(guó)橋梁建筑的發(fā)展，對(duì)橋梁的承載要求越來(lái)越高，沉降值控制越來(lái)越嚴(yán)格，從而對(duì)橋梁的單樁承載力要求越來(lái)越高，樁長(zhǎng)、入巖深度等技術(shù)參數(shù)相應(yīng)提高，泥漿護(hù)壁成孔樁使用越來(lái)越普遍。但該類濕作業(yè)鉆孔灌注樁往往因孔底沉渣過(guò)厚，導(dǎo)致承載力折減。根據(jù)以往工程對(duì)地下樁超聲波和抽芯檢測(cè)結(jié)果分析，在樁基混凝土灌注正常的情況下，樁基混凝土中間有缺陷，多數(shù)是混凝土內(nèi)局部有夾渣造成的。這些質(zhì)量問(wèn)題基本上都是二次清孔不到位引起的，因有鋼筋籠或井壁阻隔，使沉渣被混凝土包裹在樁中間。由此可見(jiàn)，雖然各種灌注樁施工工藝發(fā)展迅速，但沉渣的二次清理問(wèn)題一直沒(méi)得到有效解決，沉渣厚度控制問(wèn)題反而凸顯出來(lái)。傳統(tǒng)的正循環(huán)清孔工藝時(shí)間長(zhǎng)、效果差，復(fù)雜地質(zhì)條件下成樁風(fēng)險(xiǎn)大[1]；反循環(huán)清孔工藝系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備故障多，遇到大型塊石時(shí)，清理難度大。因此，孔底成渣厚度已成為灌注樁質(zhì)量控制中的重難點(diǎn)，發(fā)展一種新的清孔工藝來(lái)解決當(dāng)前的瓶頸問(wèn)題顯得尤為重要。

1 工程概況

海濱大道一期道路位于深圳市寶安區(qū)空港新城啟動(dòng)區(qū)西部，道路呈南北走向，起于海云路，止于沙福路西延段，沿線分別與鳳塘大道、沙福路等道路交叉。其中跨鳳塘大道設(shè)鋼拱橋橋梁1座，橋梁全長(zhǎng)325m，橋梁主跨跨越海濱大道與風(fēng)塘大道的平交口（見(jiàn)圖1），橋梁設(shè)置為一聯(lián)，跨徑布置為2×40m+45m+65m+45m+2×40m。

圖1 鋼箱梁橋平面圖

下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙柱式矩形墩，P1～P6承臺(tái)下接4根灌注樁基礎(chǔ)，6個(gè)橋墩，共計(jì)24根樁。其中主墩墩柱2m×2m，承臺(tái)厚2.5m，樁基直徑1.8m；邊墩墩柱1.6m×1.6m，承臺(tái)厚2m，樁基直徑1.5m。A0、A7橋臺(tái)采用重力式U型臺(tái)接承臺(tái)樁基礎(chǔ)，樁基直徑1.3m，橋臺(tái)下接8根灌注樁基礎(chǔ)，共計(jì)16根樁。樁基礎(chǔ)均采用嵌巖樁，樁基礎(chǔ)嵌入中風(fēng)化巖層的厚度應(yīng)不小于3倍樁徑。當(dāng)中風(fēng)化巖層厚度小于3倍樁徑時(shí)，嵌入微風(fēng)化層不小于1倍樁徑，鉆孔灌注樁清孔后鉆孔泥漿要求泥皮厚不大于3mm，清孔后的孔底沉渣厚度不得大于50mm，清空完成后及時(shí)澆筑混凝土。

根據(jù)野外勘探結(jié)果，結(jié)合原位測(cè)試和室內(nèi)土工試驗(yàn)成果綜合分析，擬建場(chǎng)地勘察深度范圍內(nèi)分布的地層有人工填積層（Qml）、第四系海陸交互相沉積層（Q4mc）、第四系上更新統(tǒng)沖洪積沉積層（Q3al+pl）、第四系殘積層（Qel）和震旦系花崗片麻巖層（Z）。該項(xiàng)目樁基持力層為第四系震旦系花崗片麻巖中的中風(fēng)化、微風(fēng)化花崗片麻巖層，層底埋深23.00～50.50m。根據(jù)該工程現(xiàn)場(chǎng)條件及工期要求，該項(xiàng)目擬采用旋挖成孔、氣舉反循環(huán)清孔、導(dǎo)管水下灌注的施工方法。

2 工藝原理

氣舉反循環(huán)是一種先進(jìn)、高效的清孔工藝（見(jiàn)圖2），目前已被廣泛用于大口徑、超深度、硬質(zhì)巖層等復(fù)雜地層中樁基礎(chǔ)清孔施工。

圖2 氣舉反循環(huán)

其原理是將壓縮空氣經(jīng)風(fēng)管向?qū)Ч埽ㄅ旁埽┳⑷肟諝猓瑝簹馀蛎?，液氣混合，在?dǎo)管中下部空氣與化學(xué)泥漿形成一種液氣混合物（密度約為0.6kg/m3），其密度小于泥漿密度（約為1.1kg/m3）。由于氣體的不斷輸入，上部逐漸形成負(fù)壓區(qū)，在內(nèi)外壓差的作用下，孔底泥漿攜帶鉆孔沉淀物沿著導(dǎo)管上升，不斷地補(bǔ)充到負(fù)壓區(qū)，從而將氣、液、固三相混合物通過(guò)導(dǎo)管排出孔外。同時(shí)，為防止孔中泥漿水頭過(guò)小，及時(shí)用泥漿泵將優(yōu)質(zhì)（含砂率低）泥漿補(bǔ)充到孔內(nèi)，并形成循環(huán)系統(tǒng)，最終達(dá)到清渣的目的。

3 施工工藝

3.1 施工設(shè)備

樁基成孔采用SR360旋挖成孔，到達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高，停止進(jìn)尺，將鉆頭提出，采用清底鉆頭進(jìn)行一次清孔。清孔符合要求后，利用50t吊機(jī)將制作好的鋼筋籠分節(jié)吊裝至孔內(nèi)，開始安裝導(dǎo)管，為二次清孔做準(zhǔn)備。

二次清孔采用氣舉反循環(huán)工藝，除了常規(guī)的沉淀池、泥漿泵、泥漿管等輔助設(shè)施，該工藝還需配備如下機(jī)具：（1）導(dǎo)管（清孔兼灌注）。導(dǎo)管的內(nèi)徑為250mm，每節(jié)長(zhǎng)度為2.0～3.0m不等，其中最下端導(dǎo)管長(zhǎng)度為6.0m。每節(jié)導(dǎo)管采用法蘭盤相連接，用O型橡膠密封圈密封，嚴(yán)防漏水。（2）導(dǎo)流罩。彎管與導(dǎo)管接頭法蘭，排渣管與輸氣金屬管均與其連接，連接位置設(shè)置密封圈，保證密封效果，確保清渣時(shí)導(dǎo)管上部形成真空。（3）輸氣金屬管。導(dǎo)管內(nèi)送風(fēng)管采用DN25鍍鋅鋼管，壁厚3mm，每節(jié)長(zhǎng)度為3m，采用螺紋連接，總長(zhǎng)度根據(jù)樁長(zhǎng)進(jìn)行拼接。（4）輸氣軟管。輸氣軟管采用DN25，2.0MPa的TPU軟管，管道不宜過(guò)長(zhǎng)，減少風(fēng)壓損失。（5）空壓機(jī)。大功率空壓機(jī)，進(jìn)氣壓力為0.5～1MPa，進(jìn)氣量為8～20m3/h。（6）泥漿泵：采用立式不銹鋼多級(jí)離心泵，根據(jù)樁基施工不同階段調(diào)節(jié)泥漿流量。（7）泥漿管：泥漿輸送管采用15cm的耐磨抗刮擦橡膠軟管。

3.2 施工方法

灌注樁成樁工藝：場(chǎng)地平整及樁位測(cè)量→埋設(shè)護(hù)筒→旋挖機(jī)鉆進(jìn)→一次清孔→鋼筋籠制作及安裝→導(dǎo)管安裝→氣舉反循環(huán)二次清孔→混凝土澆筑。氣舉反循環(huán)施工作為其中一個(gè)最重要的二次清孔環(huán)節(jié)，其主要施工步驟如下：

（1）鋼筋籠吊裝安裝完成后，逐節(jié)拼裝下放導(dǎo)管，導(dǎo)管底口距離孔底設(shè)計(jì)標(biāo)高30～40cm以上。

（2）安裝輸氣金屬管。風(fēng)管管路必須密閉良好，不得漏風(fēng)、漏水，輸氣金屬管底口距離井口深度不宜小于導(dǎo)管長(zhǎng)度的1/2，同時(shí)不得大于導(dǎo)管長(zhǎng)度的2/3。以60m長(zhǎng)導(dǎo)管為例，金屬管長(zhǎng)度設(shè)置在30～40m為宜[2]。

（3）安裝排渣軟管與輸氣軟管。排渣軟管一端與導(dǎo)流罩上彎管銜接，另一端將泥漿排至提前挖好的一級(jí)沉淀池；輸氣軟管連接空壓機(jī)與輸氣金屬管。

（4）開啟空壓機(jī)及泥漿泵，進(jìn)行氣舉反循環(huán)試運(yùn)行，風(fēng)壓取0.5～1MPa。當(dāng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)停止排查。

（5）試運(yùn)行無(wú)異常后，正式進(jìn)行二次清孔。因底部沉渣隨著清孔過(guò)程逐步減小，此時(shí)導(dǎo)管要上、下、左、右小幅度挪動(dòng)，提高清渣效果。

（6）泥漿攜帶沉渣從排渣軟管排入一級(jí)沉淀池，經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾，泥漿流至二級(jí)沉淀池中，由泥漿泵抽入鉆孔中，保持孔內(nèi)泥漿面穩(wěn)定，由此形成一個(gè)循環(huán)。

（7）停止清孔后，要先關(guān)閉空壓機(jī)，后關(guān)閉泥漿泵，避免泥漿面下降造成塌孔。

4 施工質(zhì)量控制

相比于傳統(tǒng)的正反循環(huán)清孔工藝，氣舉反循環(huán)在清孔速度上能提高數(shù)倍，清孔效果表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是在工序操作、控制上要求嚴(yán)格，稍有不慎，會(huì)導(dǎo)致氣舉反循環(huán)工藝實(shí)施失敗。為提高氣舉反循環(huán)清孔的成功率、發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，在施工過(guò)程中需注意以下八點(diǎn)：

（1）出漿管及高壓進(jìn)氣管與法蘭盤連接緊密，確保不漏氣，導(dǎo)管上部形成負(fù)壓區(qū)。

（2）風(fēng)管底口距離井口深度不宜小于導(dǎo)管長(zhǎng)度的1/2，以形成足夠的備壓，否則不能形成有效的反循環(huán)體系，但也不能超過(guò)導(dǎo)管長(zhǎng)度的2/3，太深則會(huì)使排漿量過(guò)大，導(dǎo)致泥漿補(bǔ)充與排放達(dá)不到平衡，從而影響孔壁穩(wěn)定，易造成塌孔。

（3）每次空壓機(jī)運(yùn)行清孔時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，一般為3～5min，停歇3min后再次啟動(dòng)空壓機(jī)。一旦泥漿回流速度跟不上攜渣排漿速度，孔內(nèi)泥漿水頭下降過(guò)快，易造成塌孔，必要時(shí)補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土泥漿。

（4）送風(fēng)量應(yīng)從小到大，風(fēng)壓應(yīng)稍大于孔底水頭壓力。當(dāng)孔底沉渣較厚、塊度較大，或沉淀板結(jié)時(shí)，可適當(dāng)加大送風(fēng)量。

（5）必須設(shè)置二級(jí)沉淀池，因泥漿排出及回流速度快，若僅設(shè)置一個(gè)沉淀池，則泥漿中的成渣來(lái)不及沉淀就會(huì)再次回流至孔內(nèi)，從而達(dá)不到清孔效果。同時(shí)，沉淀池間的鋼絲網(wǎng)格柵要及時(shí)更換沖洗，防止堵塞。

（6）為防止孔內(nèi)沉淀物堵塞出漿管，在氣舉反循環(huán)前，要把導(dǎo)管提離孔底一段距離，待反循環(huán)形成后，視出漿情況逐步下沉。

（7）由于樁孔較大，清孔時(shí)，要左、右移動(dòng)導(dǎo)管及前、后移動(dòng)平臺(tái)，使清孔比較徹底[3]。

（8）清孔完成后，孔底沉渣應(yīng)嚴(yán)格控制在5cm以下，泥漿指標(biāo)合格（泥漿相對(duì)密度：1.03～1.10；黏度：17～20s；含沙率：小于2%），立即檢查驗(yàn)收，并在30min內(nèi)開始混凝土灌注，避免泥漿沉淀、孔底沉渣加厚需重新清孔。

5 工藝效果

5.1 清孔效果

氣舉反循環(huán)法二次清孔技術(shù)大幅度縮短了樁基的二次清孔時(shí)間，提高了成孔效率。通常，對(duì)于60m長(zhǎng)樁基而言，采用正循環(huán)法進(jìn)行清孔，要達(dá)到沉渣厚度小于5cm的要求，至少需要8h。而采用氣舉反循環(huán)法進(jìn)行二次清孔，一般安裝、拆卸設(shè)備需要40min，清孔時(shí)間為20min，孔底沉渣厚度就可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求（5cm以下），總共1h就可以達(dá)到澆筑條件。從技術(shù)角度來(lái)看，清孔時(shí)間短，塌孔的風(fēng)險(xiǎn)降低，在復(fù)雜地層中更為重要；從工期、投資角度出發(fā)，成孔效率的提高，縮短了成樁時(shí)間、節(jié)約了費(fèi)用。

該工程橋梁樁基要求嵌入中風(fēng)化巖層厚度小于3倍樁徑時(shí)，或微風(fēng)化層不小于1倍樁徑，采用沖孔樁工藝時(shí)，花崗巖可被沖錘徹底壓碎，產(chǎn)生的成渣顆粒粒徑多為10mm以下，采用正循環(huán)二次清孔時(shí)，小粒徑碎石沉渣可輕松隨泥漿排出；而采用旋挖鉆工藝時(shí)，在進(jìn)入中風(fēng)化或微風(fēng)化中，旋挖鉆頭抓、挖硬質(zhì)花崗巖時(shí)，容易產(chǎn)生100mm以上的大塊石。此時(shí)，若采用傳統(tǒng)正循環(huán)清孔工藝，因泥漿比重小，大粒徑、大比重的花崗巖無(wú)法通過(guò)泥漿上返；而采用氣舉反循環(huán)工藝，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，強(qiáng)大的負(fù)壓可將100mm的大塊石通過(guò)250mm的導(dǎo)管順利吸出。

二次清孔完成后，取孔底泥漿進(jìn)行指標(biāo)檢測(cè)，泥漿相對(duì)密度可控制在1.10以下；黏度在17～20s；含沙率不超過(guò)2%；成樁后抽芯結(jié)果表明，沉渣厚度均小于5mm，符合設(shè)計(jì)嵌巖樁沉渣厚度要求[4]。

5.2 成樁質(zhì)量

該項(xiàng)目灌注樁共計(jì)40根，采用超聲波加小應(yīng)變以及抽芯檢測(cè)驗(yàn)證。超聲波、小應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果表明，受檢樁18根為Ⅰ類樁、22根Ⅱ類樁，無(wú)三類樁；鉆孔抽芯檢測(cè)10根樁，受檢樁均為Ⅰ類樁，鉆芯檢測(cè)樁長(zhǎng)與施工樁長(zhǎng)基本相符，樁底成渣厚度滿足規(guī)范要求，持力層巖土性狀滿足設(shè)計(jì)要求。

檢測(cè)結(jié)果表明，采用氣舉反循環(huán)工藝清孔，在成樁效率顯著提高的前提下，其成樁質(zhì)量可控[5]。

6 結(jié)論

（1）氣舉反循環(huán)能夠?qū)⑶蹇讜r(shí)間壓縮在1h之內(nèi)，極大地提高了施工功效，減少了鉆孔灌注樁常見(jiàn)的塌孔風(fēng)險(xiǎn)。

（2）在旋挖灌注樁二次清孔過(guò)程中，能夠清理超過(guò)100mm的大塊石，凸顯出了氣舉反循環(huán)工藝其獨(dú)特的清孔優(yōu)勢(shì)。

（3）采用氣舉反循環(huán)清孔，因其清孔時(shí)間短、功效高，可節(jié)約大量的人工、設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用，尤其在超長(zhǎng)深孔灌注樁中，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益更加明顯。

（4）氣舉反循環(huán)工藝在縮短清孔時(shí)間、控制沉渣厚度方面體現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)越性，從工期、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)等各方面綜合考慮，均能取得很好的效益，值得大范圍推廣應(yīng)用。

（5）為提高氣舉反循環(huán)的成功率，在施工過(guò)程中需嚴(yán)格控制空壓機(jī)進(jìn)氣壓力、輸氣管長(zhǎng)度及單次清孔時(shí)間，避免孔內(nèi)泥漿擾動(dòng)過(guò)大、泥漿無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充水頭下降等問(wèn)題引起的塌孔。