高效泥漿反循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備在水中樁施工中的應(yīng)用

張成瑞

(江蘇北方路橋工程有限公司，江蘇 淮安 223001)

1 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，橋梁、水利、鐵路、港航等樁基工程，特別是水中樁，選擇一套先進(jìn)合理的泥漿反循環(huán)系統(tǒng)成孔，尤為重要。由于水中鉆孔平臺的遮擋，造成進(jìn)漿管道在鉆孔平臺下布管困難，勢必降低了成樁效率、影響到整個(gè)工程進(jìn)度。為此我們研發(fā)出一套泥漿差位反循環(huán)設(shè)備系統(tǒng)。這套設(shè)備系統(tǒng)，在揚(yáng)州大學(xué)南路文峰大橋等水中樁基施工中獲得了很好的技術(shù)效果。

2 傳統(tǒng)的陸地及水上樁反循環(huán)鉆機(jī)泥漿循環(huán)系統(tǒng)簡述

2.1 陸地樁反循環(huán)鉆機(jī)泥漿循環(huán)系統(tǒng)

陸地樁泥漿反循環(huán)系統(tǒng)主要包括：鉆桿(空心)、泥漿泵、泵管、泥漿池、泥漿溝(槽)、樁孔。其中泥漿溝(槽)將泥漿池與樁孔之間通過類似明渠均勻流的形式，來保證二者之間漿面無差位，從而形成泥漿無差位反循環(huán)系統(tǒng)。這種泥漿無差位反循環(huán)設(shè)備系統(tǒng)，制作簡單且成本低，效率高。但是，泥漿池的高度將會隨著地下水位高度增加而增加，一旦壓差不足容易造成塌孔現(xiàn)象(圖1陸地泥漿池反循環(huán)系統(tǒng)組圖)。

圖1 陸地泥漿池反循環(huán)系統(tǒng)組圖

2.2 傳統(tǒng)水上樁反循環(huán)鉆機(jī)泥漿循環(huán)系統(tǒng)

由于水中鉆孔平臺下作業(yè)空間小，泥漿管道布置困難，無法像陸地樁基那樣采用明溝或明槽供漿反循環(huán)系統(tǒng)。為了滿足反循環(huán)鉆機(jī)泥漿泵的較大供應(yīng)量(反循環(huán)鉆機(jī)泥漿泵量一般在50 m3/h以上)，水上樁反循環(huán)鉆機(jī)泥漿循環(huán)系統(tǒng)，一般是采用連通器原理，形成管道有壓流供漿系統(tǒng)。所謂連通器原理：即將泥漿池與水中鋼護(hù)筒及樁孔之間采用鋼管或加筋波紋管等管道封閉連接，形成流量大的有壓流供漿系統(tǒng)。這種反循環(huán)鉆機(jī)泥漿循環(huán)系統(tǒng)的泥漿池，一般是在陸地上建成坑池或水面上布設(shè)泥漿船。泥漿池中水位即是鋼護(hù)筒中水位，護(hù)筒內(nèi)泥漿水位受泥漿池中泥漿面控制，所以施工過程中必須保證泥漿池中水位高于護(hù)筒外側(cè)水位1.5 m以上。如果泥漿池容積不夠，可增加鋼護(hù)筒數(shù)量進(jìn)行串接來進(jìn)行增容(圖2水中樁反循環(huán)鉆機(jī)泥漿循環(huán)系統(tǒng)組圖)。

圖2 水中樁反循環(huán)鉆機(jī)泥漿循環(huán)系統(tǒng)組圖

3 新型泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)介紹

新型泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)主要包括：鉆桿(空心)、泥漿泵、泵管、自制泥漿池(包含沉淀池、出漿池)、泥漿管、泥漿槽、樁孔。其中，空心鉆桿、泥漿泵、泵管是反循環(huán)鉆機(jī)的自身組成部分，泥漿池(包含沉淀池、出漿池)、泥漿管、泥漿槽為自制部分。

所謂泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)中的差位是指，泥漿池的液面高于樁孔中泥漿液面。新型泥漿循環(huán)系統(tǒng)整體高度比傳統(tǒng)的泥漿池要高，進(jìn)漿管道及泥漿槽均可布置在鉆孔平臺上。管道及漿槽布置簡單，重復(fù)利用率高。泥漿池進(jìn)漿、停漿則是通過泥漿池底部出漿孔口閥門開啟、關(guān)閉來控制的。其工作原理：首先，泥漿泵通過空心鉆桿將泥漿從孔底吸入，然后通過泵管將泥漿打入沉淀池，沉淀后的泥漿再由沉淀池進(jìn)入出漿池，出漿池泥漿通過底部泥漿管進(jìn)入泥漿槽，再由泥漿槽進(jìn)入樁孔，如此反復(fù)形成泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)(圖3新型泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)圖)。

圖3 新型泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)圖

4 新型泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)具體實(shí)施方案

泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)實(shí)施流程：搭設(shè)樁基平臺→打設(shè)護(hù)筒→制作泥漿池→安裝鉆機(jī)→制作泥漿及泥漿管道(槽)→反循環(huán)樁基鉆孔。

4.1 搭設(shè)樁基平臺

平臺一般采用鋼管樁基礎(chǔ)。為防止與橋梁鉆孔樁樁基之間相互影響，平臺樁基須對稱錯(cuò)開布置。鋼管管徑一般為φ508、φ529、φ610、φ630、φ800 mm等以上尺寸。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行樁基入土深度計(jì)算時(shí)，參考JTS 167-4-2012港口工程樁基規(guī)范，安全系數(shù)一般取1.4～1.6，經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。

樁基平臺的上部結(jié)構(gòu)一般采用貝雷桁架結(jié)構(gòu)，貝雷桁架組既可垂直也可平行橋梁方向。垂直方向布置鉆孔平臺樁基的排數(shù)為橋梁鉆孔樁排數(shù)加1，而平行方向樁基的排數(shù)一般為2(布置在樁基外側(cè))。在進(jìn)行貝雷桁架受力計(jì)算時(shí)，我們提供一種簡便算法：每片321通用貝雷允許剪力按Q=245 KN計(jì)算；允許彎矩M=sσh計(jì)算，其中s為上弦桿(如有加強(qiáng)桿則含加強(qiáng)桿)總截面積，σ為弦桿材料允許應(yīng)力，h為上弦桿截面到下弦桿截面中心距離(如有加強(qiáng)桿則h為上弦桿頂面到下弦桿底面距離)。

4.2 打設(shè)鋼護(hù)筒

鋼護(hù)筒的直徑一般比樁孔大20～30 cm，護(hù)筒長度可根據(jù)土層、水深等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在沒有地質(zhì)資料的情況下，護(hù)筒長度可按L≥2H(水深)+h(河床低淤泥厚度)+1.5 m式子進(jìn)行測算。

4.3 安裝鉆機(jī)

在進(jìn)行鉆機(jī)操平、墊保時(shí)，在對著泥漿池方向，須留出泥漿槽布置的空間位置以滿足施工要求。

4.4 泥漿池制作

揚(yáng)州大學(xué)南路文峰大橋水中樁泥漿池，是在鉆孔平臺上布設(shè)沉淀池、出漿池(如果離岸邊較近，也可以在岸邊地面上布設(shè))。沉淀池、出漿池可采用10 mm厚度以上鋼板制作而成。一般要求兩者底部高度均高于鋼護(hù)筒頂端0.5 m以上，出漿池上口低于沉淀池上口。鉆機(jī)泥漿泵的出漿管末端須搭接在沉淀池上口，沉淀池側(cè)壁上方開口布槽，水槽隔置在出漿池上口。(圖4泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)泥漿池圖)。

圖4 泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)泥漿池圖

4.5 出漿池內(nèi)閘門安裝

在泥漿池出漿孔內(nèi)側(cè)安裝閘門。閘門用厚度15 mm以上的鋼板制作，可以設(shè)計(jì)成矩形，也可以設(shè)計(jì)成圓形。閘門可繞出漿孔上方鉸鏈旋轉(zhuǎn)。閘門正上方的出漿池外壁上安裝鋼門架。鋼門架上安裝電動(dòng)葫蘆。電動(dòng)葫蘆一般額定吊重200 kg，起重高度6～10 m，功率500 W以上。鋼門架可以用10#工字或12#槽鋼等材料制作。防止被泥漿污染，鋼門架高度要求高于出漿池上敞口1.0 m以上。對面出漿池內(nèi)壁上部安裝定滑輪，電動(dòng)葫蘆的鋼絲繩繞過定滑輪后，其自由端與閘門底端拴牢，電動(dòng)葫蘆控制閘門開啟、閉合，電動(dòng)葫蘆的開關(guān)可固定在鉆機(jī)支架上，為了便于操作電動(dòng)葫蘆，電動(dòng)葫蘆的電機(jī)也可以連接手持遙控器進(jìn)行電控(圖5泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)泥漿池閥門圖)。

圖5 泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)泥漿池閥門圖

4.6 泥漿管及泥漿槽布設(shè)

在樁孔一側(cè)的出漿池中下部位開設(shè)圓形出漿孔。為保證出漿流量(樁機(jī)泥漿泵流量一般在60 m3/h以上)滿足鉆機(jī)成孔要求，出漿孔直徑大于0.5 m，一般不超過0.8 m。出漿池外側(cè)焊接1.0 m長度以上鋼管，其內(nèi)徑不小于出漿孔直徑。泥漿槽安裝在鉆孔平臺頂面，坡度需大于1%。泥漿槽進(jìn)漿口位于出漿管口下方，出漿口位于鋼護(hù)筒上方。泥漿槽可采用3 mm厚度以上的鋼板分段制作，為便于人工安裝，分段長度一般不超過3.0 m。要求做成寬度大于0.8 m、高度大于0.5 m的矩形斷面槽，或底寬0.6 m、上口寬1.0 m、深度大于0.5 m的梯形斷面槽。(圖6泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)泥漿管槽布置圖)。

圖6 泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)泥漿管槽布置圖

4.7 反循環(huán)樁基鉆孔

樁鉆孔時(shí)，需要開啟電動(dòng)葫蘆電機(jī)打開閘門出漿，以保證開機(jī)后有充足的泥漿供應(yīng)樁機(jī)，形成泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行鉆孔。在進(jìn)行接桿、拆桿、澆灌混凝土停鉆時(shí)，需要開啟電動(dòng)機(jī)關(guān)閉閘門停止出漿，切斷泥漿循環(huán)系統(tǒng)。在澆灌混凝土?xí)r，隨著樁孔內(nèi)混凝土面的上升，采用泥漿泵及時(shí)將樁孔內(nèi)泥漿同步排除孔外(圖7泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)匯總圖)。

圖7 泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)匯總圖

5 結(jié) 語

泥漿差位反循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備安裝在鉆孔平臺上或近岸處，在鉆孔平臺上分段安裝、焊接泥漿管或泥漿槽，如同岸上作業(yè)。泥漿槽可任意移動(dòng)、接長，不需要在平臺下方進(jìn)行布管，極大改善了作業(yè)環(huán)境，降低施工難度，提高工作效率；采用電動(dòng)閘門操作進(jìn)漿、停漿操作，鋼護(hù)筒內(nèi)水頭擺脫泥漿池漿面控制，水頭較高，不易塌孔，也不需增加鋼護(hù)筒數(shù)量。設(shè)計(jì)科學(xué)合理、使用安全可靠，投資少，適用性強(qiáng)，技術(shù)易于被施工技術(shù)人員掌握。為今后橋梁樁基施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，具有很好的參考與推廣價(jià)值。