全套管全回轉(zhuǎn)灌注樁套管內(nèi)氣舉反循環(huán)清孔施工技術(shù)

李樹青，雷 斌，鮑萬偉，馮志輝，申小平

(深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518063)

1 工程概況

1.1 工程位置及規(guī)模

龍崗新霖薈邑花園樁基礎(chǔ)工程位于深圳市龍崗區(qū)新生村仙田路與新城路交匯處東北側(cè)；項目總占地面積33 200m2，擬建5棟90.1m住宅樓、1棟87.2m住宅樓、1棟14.65m幼兒園及5.09～8.00m附屬裙樓，地下室為2層(見圖1)。

圖1 工程平面位置

1.2 場地地質(zhì)條件及水文條件

地質(zhì)勘察報告顯示，場地工程地質(zhì)情況自上而下為填土層、粉質(zhì)黏土、含砂粉質(zhì)黏土、灰?guī)r，溶洞，微風(fēng)化大理巖。

1.3 樁基礎(chǔ)設(shè)計要求及現(xiàn)場施工情況

項目樁基礎(chǔ)設(shè)計為1.0m，共計580根，樁端持力層為微風(fēng)化花崗巖(≥0.5m)，平均成孔深度為25m，最大成孔深度為40m。

由于項目處于溶洞強(qiáng)發(fā)育地區(qū)，存在多層溶洞及微風(fēng)化大理巖夾層，最大溶洞厚度最厚達(dá)十多米，溶洞以上多為土層(第四系土層)，土層松散，孔壁成孔性差，塌孔可能性較大，易卡鉆、卡錘，對旋挖成孔設(shè)備及場地安全無法保障，經(jīng)過優(yōu)化對比后，采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔，一次清孔采用套管內(nèi)氣舉內(nèi)循環(huán)清渣桶，二次清孔采用灌注導(dǎo)管內(nèi)氣舉內(nèi)循環(huán)頭懸浮沉渣，達(dá)到清孔目的。龍崗新霖薈邑花園樁基礎(chǔ)工程于2019年10月1日開工，2020年1月15日順利完成。

2 清渣桶一次清孔、清渣頭二次清孔工藝

2.1 工藝原理

本技術(shù)工藝原理主要是在常規(guī)氣舉反循環(huán)清孔原理的基礎(chǔ)上，在套管內(nèi)進(jìn)行氣舉反循環(huán)的清渣桶一次清孔和清渣頭二次清孔的施工技術(shù)。

2.1.1套管內(nèi)氣舉反循環(huán)清渣桶一次清孔

1)一次清孔在全回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至設(shè)計深度后進(jìn)行，清孔時將接有高壓風(fēng)管的清渣桶吊入孔底上方附近，開啟空壓機(jī)，將高壓空氣送入孔底與孔底處的泥漿混合，其重度小于孔內(nèi)泥漿重度，產(chǎn)生套管內(nèi)外泥漿重度差，在清渣桶底附近產(chǎn)生低壓區(qū)，連續(xù)充氣內(nèi)外壓差不斷增大，當(dāng)達(dá)到一定壓力差后，氣液混合體沿清渣桶與套管間的間隙上升流動，由于上返未形成封閉空間，在上返一定高度后氣液失去進(jìn)一步的動能，則下降至清渣桶內(nèi)和孔底，部分沉渣集聚在清渣桶內(nèi)，這樣便形成了套管內(nèi)氣舉反循環(huán)式清孔方式。

孔內(nèi)泥漿攜帶孔底沉渣在套管進(jìn)行氣舉反循環(huán)，沉渣不斷落入清渣桶內(nèi)，氣舉反循環(huán)每次運行約15min后，即間歇停止15min，再將清渣桶提出孔口倒渣；經(jīng)過多次循環(huán)、存渣、倒渣循環(huán)操作，直至將孔底沉渣清除干凈，如圖2所示。

圖2 清渣桶一次清孔工藝原理

2)清渣桶由鑄鋼制造，高1 300mm、外徑900mm、桶壁厚25mm，桶底設(shè)有2根直徑分別為25，20mm鋼制高風(fēng)壓管，高風(fēng)壓管與桶底對應(yīng)大小的孔口焊接，2根風(fēng)管均高出桶身20cm，高壓風(fēng)管在管口處設(shè)置與空壓機(jī)氣管連接的螺紋連接頭，如圖3所示。

圖3 清渣桶

3)在清渣桶桶口橫梁處切割出1個圓孔，根據(jù)桶身重約0.7t，選擇WLL 12T卸扣從此孔穿過與清渣桶連接在一起形成起吊環(huán)裝置；在清渣桶桶身外側(cè)壁焊接圓環(huán)，圓環(huán)外徑為6cm、內(nèi)徑為3cm，圓環(huán)焊接位置在距桶底20cm左右，使用WLL 6.5T卸扣從圓孔中穿過形成傾吊環(huán)裝置。

2.1.2套管內(nèi)氣舉反循環(huán)清渣頭二次清孔

1)在鋼筋籠和灌注導(dǎo)管安放就位后，在灌注混凝土前，再次測量孔底沉渣厚度，如測量的沉渣厚度超過設(shè)計要求，則按規(guī)范要求必須進(jìn)行二次清孔。本技術(shù)所述的二次清孔方法是將接有高壓風(fēng)管的清渣頭通過灌注導(dǎo)管下至孔底附近，啟動空壓機(jī)形成套管內(nèi)氣舉反循環(huán)(原理同上述一次清孔)，清孔時使沉淀在孔底的沉渣在套管內(nèi)懸浮，并迅速灌注樁身混凝土成樁。

在采用清渣桶氣舉套管內(nèi)循環(huán)一次清孔滿足要求的情況下，二次清渣頭的清孔主要是將孔底的沉渣通過氣舉循環(huán)方式達(dá)到沉渣懸浮效果，完全可滿足施工技術(shù)要求，如圖4所示。

圖4 清渣頭二次清孔工藝原理

2)清渣頭由鑄鐵制成，為實體高1 200mm、外徑180mm、壁厚50mm的中空結(jié)構(gòu)，中空洞內(nèi)徑80mm。頂部與高壓氣管接頭焊接，中空洞作為風(fēng)管的延續(xù)，將高風(fēng)壓送至孔底并在頂部設(shè)起吊環(huán)，如圖5所示。

圖5 氣舉內(nèi)循環(huán)清渣頭結(jié)構(gòu)

2.2 工藝流程

灌注樁全套管全回轉(zhuǎn)氣舉內(nèi)循環(huán)清孔工藝流程如圖6所示。

圖6 施工工藝流程

2.3 操作要點

1)全套管全回轉(zhuǎn)鉆進(jìn) ①采用景安重工JAR260H全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)與特制鋼套管，套管直徑1 000mm，配套120型履帶式起重機(jī)、220型挖掘機(jī)等。②根據(jù)使用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)與專門配備的液壓動力站，將帶特制刀頭鋼套管回轉(zhuǎn)切入，同時使用沖抓斗反復(fù)抓取全套管內(nèi)的土進(jìn)行取土；遇塊石、孤石或硬質(zhì)夾層時，使用十字沖錘沖碎孤石后再采取沖抓進(jìn)行抓取。③在抓斗取土?xí)r需保證套管超過成孔深度1m左右，當(dāng)每節(jié)套管壓入樁孔內(nèi)到在鉆機(jī)平臺上剩余50cm時及時接入下一節(jié)套管以滿足成孔需求。全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)及配套設(shè)備如圖7所示。

圖7 全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)及配套設(shè)備

2)鉆進(jìn)至設(shè)計深度 ①使用抓斗反復(fù)取土與全回轉(zhuǎn)全套管旋挖切入，直至達(dá)到設(shè)計巖層上方附近。②接近設(shè)計持力層深度位置時，采用十字沖錘對巖層進(jìn)行沖碎后使用抓斗抓取巖樣并與勘察、設(shè)計、監(jiān)理等單位進(jìn)行入巖判定；在完成巖層判定后，繼續(xù)使用十字沖錘對巖層進(jìn)行破碎，直至達(dá)到設(shè)計深度，并與監(jiān)理、業(yè)主等單位進(jìn)行終孔驗收。③在終孔驗收后，使用撈渣斗進(jìn)行孔內(nèi)撈渣。

3)清渣桶氣舉套管內(nèi)一次清孔 ①在撈渣斗撈渣后，孔底仍會存在沉渣，此時用清渣桶進(jìn)行一次清孔。②進(jìn)行氣舉反循環(huán)清孔時，根據(jù)孔深、空壓機(jī)容量選擇氣管，當(dāng)孔深<50m且采用KSDY-12.5/10型空壓機(jī)時，選擇25mm氣管；當(dāng)孔深>50m，則選擇20mm氣管。③空壓機(jī)氣管與清渣桶高壓風(fēng)管連接完畢后開啟空壓機(jī)，觀察空壓機(jī)氣管有無滲漏、異常聲響，若有異常立即停機(jī)檢查維修，若無異常將清渣吊入套管內(nèi)。④用起重機(jī)將清渣桶慢慢下放至套管內(nèi)，先將清渣桶放至孔底，并記錄入孔深度；再將清渣桶上提50cm左右位置，開始清渣。⑤選用排氣量12m3/min、排氣壓力1.0MPa的KSDY-12.5/10型空壓機(jī)清孔，與清渣桶連接進(jìn)行套管內(nèi)反循環(huán)，循環(huán)過程中注意套管內(nèi)反循環(huán)情況，根據(jù)泥漿上涌情況及時增大或減小氣壓。⑥清渣桶進(jìn)行清渣時，派專人觀察套管內(nèi)氣舉反循環(huán)狀況，套管內(nèi)泥漿較少時及時加清水保證套管內(nèi)正常循環(huán)；清渣桶氣舉反循環(huán)15min后間歇，待桶內(nèi)沉渣沉淀15min后，吊出清渣桶并倒出沉渣。⑦傾倒沉渣完畢后，使用清水清洗清渣桶后再次吊入套管內(nèi)，反復(fù)在套管內(nèi)進(jìn)行反循環(huán)清渣至清渣桶傾倒不出沉渣。

4)安放鋼筋籠、灌注導(dǎo)管 ①根據(jù)設(shè)計要求制作完成鋼筋籠，并進(jìn)行現(xiàn)場驗收合格后方可吊裝放入樁孔內(nèi)；②鋼筋籠使用起重機(jī)起吊，一次性垂直吊裝到位，對需接籠的鋼筋籠則在全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)上進(jìn)行焊接，焊接長度需滿足設(shè)計要求；③鋼筋籠安放完畢后安放灌注導(dǎo)管，采用φ300導(dǎo)管下放至導(dǎo)管底部距離孔底30～50cm，導(dǎo)管下放完畢后在全套管管口加設(shè)導(dǎo)管架，以穩(wěn)固導(dǎo)管。

5)測量孔底沉渣厚度 ①導(dǎo)管下放完畢，混凝土罐車到達(dá)現(xiàn)場后，再次測量樁孔孔底沉渣厚度，確定是否滿足設(shè)計要求。②若沉渣厚度滿足要求，上報監(jiān)理工程師下達(dá)灌注令；若沉渣厚度不滿足要求，則進(jìn)行二次清孔。

6)清渣頭氣舉導(dǎo)管內(nèi)二次清孔 ①孔底沉渣厚度不滿足設(shè)計要求時，采用氣舉反循環(huán)清渣頭對孔底沉渣進(jìn)行二次清孔。②清渣頭二次清孔的實質(zhì)是使孔底沉渣懸浮，操作時將清渣頭的高壓風(fēng)管口與空壓機(jī)氣管連接，采用起重機(jī)將清渣頭放入灌注導(dǎo)管內(nèi)，直至孔底位置，然后再上提30～50cm。③開啟空壓機(jī)，開始套管內(nèi)泥漿氣舉反循環(huán)；泥漿循環(huán)過程中，派專人在操作平臺上觀察套管內(nèi)泥漿循環(huán)情況；循環(huán)期間，可上下移動清渣頭位置，確保清渣懸浮效果。④在二次清孔10～15min后，關(guān)閉空壓機(jī)，將測量繩放入孔底測量沉渣厚度，孔底沉渣厚度滿足要求后，將清渣頭吊出孔，并立即灌注混凝土。

7)灌注混凝土 ①孔底沉渣厚度滿足要求后，快速完成孔口灌注斗安裝，立即開始灌注混凝土，最大限度縮短準(zhǔn)備時間；②采用C35商品混凝土進(jìn)行水下灌注；③灌注混凝土采用料斗吊灌，初灌斗容量為3m3，保證初灌混凝土面上升高度超過導(dǎo)管底部0.5m以上；④混凝土灌注時，在每輛混凝土罐車卸料完畢后，對樁孔內(nèi)混凝土面上升高度進(jìn)行測量，根據(jù)埋管深度及時拆管，確保灌注時導(dǎo)管埋深2～4m，最大6m；⑤邊灌注混凝土邊拔出套管，在拔出每節(jié)套管后及時測量混凝土面高度，保證套管最下端在混凝土面以下足夠深度，由于本項目處于巖溶發(fā)育區(qū)，套管最下端在混凝土面以下≥8m，避免混凝土在溶洞段滲漏而造成孔內(nèi)灌注事故。

2.4 施工工藝特點

1)清孔設(shè)備便捷 本技術(shù)采用一次清孔清渣桶和二次清孔清渣頭，根據(jù)全回轉(zhuǎn)全套管灌注樁施工特點制作，體積小、質(zhì)量小，設(shè)計制作簡單；只需與空壓機(jī)風(fēng)管連接，安裝簡便；使用時采用吊裝作業(yè)，安放和倒渣方便，現(xiàn)場操作容易，清孔過程中使用便捷。

2)孔底沉渣清理效果好 本技術(shù)結(jié)合終孔后全回轉(zhuǎn)全套管鉆進(jìn)的撈渣斗清渣，并在套管內(nèi)采用清渣桶實施氣舉反循環(huán)清渣，高風(fēng)壓能使孔底沉渣反復(fù)循環(huán)，并通過清渣桶不斷排出，可確保一次清孔的效果；而當(dāng)孔內(nèi)安放鋼筋籠和灌注導(dǎo)管后，如果孔底沉渣超標(biāo)，則采用特制的清渣頭使沉渣懸浮在泥漿中，并迅速灌注樁身混凝土，可確保樁底沉渣滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

3)有利于現(xiàn)場文明施工 本技術(shù)通過套管氣舉內(nèi)循環(huán)，能有效把沉渣倒在規(guī)定地方，與傳統(tǒng)氣舉反循環(huán)相比，可避免挖設(shè)泥漿循環(huán)系統(tǒng)因泥漿亂噴而導(dǎo)致施工場地泥濘。

4)清孔成本低 采用本技術(shù)進(jìn)行清孔，清孔設(shè)備制作成本低，操作中不使用復(fù)雜、大型的清孔設(shè)備，產(chǎn)生泥漿量少，清孔時間短，總體施工綜合成本低。

2.5 實施效果評價

多個項目中灌注樁清孔的實踐應(yīng)用證明，全套管全回轉(zhuǎn)灌注樁套管內(nèi)氣舉反循環(huán)清孔施工工法無論在施工效率、施工管理，還是施工成本、現(xiàn)場文明環(huán)保措施等方面都突顯出較大優(yōu)越性，解決了全套管全回轉(zhuǎn)灌注樁孔底沉渣難以清除干凈的問題，已申報發(fā)明專利“一種灌注樁的清孔系統(tǒng)及清孔方法”、實用新型專利“一種灌注樁的清孔系統(tǒng)”兩項，形成獨特施工新技術(shù)，得到設(shè)計、監(jiān)理單位和業(yè)主的一致好評，取得了顯著的社會效益。

3 結(jié)語

全回轉(zhuǎn)全套管灌注樁套管內(nèi)氣舉反循環(huán)清孔施工技術(shù)通過采用在套管內(nèi)進(jìn)行氣舉反循環(huán)的清渣桶一次清孔、清渣頭二次清孔對孔底沉渣進(jìn)行清理，在實際工程應(yīng)用中取得了顯著成效，具有清孔設(shè)備便捷、孔底沉渣清理效果好、質(zhì)量有保證、有利于現(xiàn)場文明施工等優(yōu)點，使其易于技術(shù)推廣，是一種施工工藝上的突破和創(chuàng)新。