正循環(huán)鉆進(jìn)反循環(huán)清孔工藝在鉆孔灌注樁穿越超厚砂層施工中的應(yīng)用

張海寶，喻 濤，毛曉晴，鐘 斌，鄭生機(jī)

(中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢 430065)

鉆孔灌注樁作為樁基礎(chǔ)具有適用性強(qiáng)、承載力高、施工便捷的特點(diǎn)，正被應(yīng)用于越來越多的項(xiàng)目建設(shè)中。鉆孔灌注樁在施工中常常面臨復(fù)雜的地質(zhì)條件，如超厚砂層。

鉆孔灌注樁成孔工藝的好壞直接影響樁基礎(chǔ)的質(zhì)量，穿越超厚砂層施工面臨塌孔、頸縮、沉渣過厚等施工難點(diǎn)。本文結(jié)合武漢東四環(huán)線橋梁工程鉆孔灌注樁施工，在吸收正循環(huán)、反循環(huán)成孔和清孔優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種正循環(huán)回旋鉆機(jī)鉆進(jìn)成孔，終孔后采用空壓機(jī)進(jìn)行反循環(huán)清孔的工藝，該工藝彌補(bǔ)了單獨(dú)采用一種方式成孔、清孔的缺點(diǎn)和不足，提高了穿越超厚砂層施工的成樁質(zhì)量，加快了施工進(jìn)度。

1 工程概況

1.1 總體概況

武漢市東四環(huán)線化工互通立交起止樁號為K6+444.7—K8+585.214，主線100%高架，共設(shè)匝道橋8座，匝道橋梁全長1 802.7m。橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制T梁及現(xiàn)澆箱梁，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩柱+肋板臺，鉆孔灌注樁共計(jì)706根。

橋梁樁基為鉆孔灌注樁，按摩擦樁設(shè)計(jì)，樁基混凝土采用C30混凝土，樁徑1.2～2m，樁長43～52m，砂層厚度均在20m以上，屬超厚砂層，樁基成孔過程中易出現(xiàn)塌孔、頸縮、沉渣厚度過厚等問題。

1.2 主要地層情況描述

本工程表層土為淤泥，其下一般為淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、粉細(xì)砂，底部基巖為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。根據(jù)地層巖性特征，分述如下：①層淤泥 褐灰色，流塑狀態(tài)，分布于塘、湖表層，層厚0.5～2m，工程力學(xué)性質(zhì)差；②1層淤泥質(zhì)黏土 黃灰～灰褐色，流塑狀態(tài)，層厚2～8m，埋深較淺；②2層粉質(zhì)黏土 灰褐色為主，軟塑狀態(tài)，土質(zhì)較均勻，層厚0～11m，間斷分布；③1層粉砂 青灰色，稍密，層厚2～11m，局部夾薄層狀粉土或黏性土，廣泛分布；③2層粉細(xì)砂 青灰色，中密，層厚13～22m，廣泛分布；③3層礫砂 青灰色，中密～密實(shí)，層厚1～12m，間斷分布；⑤1層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖 紅褐色，泥砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，分布廣泛。

2 穿越超厚砂層成孔工藝的比選和確定

2.1 穿越超厚砂層成孔工藝比選

鉆孔灌注樁的成孔工藝較多，目前常用的成孔工藝的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 常用成孔工藝的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)

表2 常用清孔工藝的主要優(yōu)缺點(diǎn)

在穿越超厚砂層時(shí)，采用反循環(huán)回旋鉆機(jī)施工，由于砂石泵的抽吸作用，當(dāng)施工速度較快時(shí)，極易導(dǎo)致塌孔；采用沖擊鉆施工，不僅施工速度慢、施工質(zhì)量不易控制，而且由于頻繁提拉鉆頭，導(dǎo)致水位差不斷變化，也易發(fā)生塌孔；旋挖鉆機(jī)成本較高，但在軟土和砂層中掏渣效果較差。正循環(huán)回旋鉆機(jī)在施工中通過將泥漿壓入鉆桿底部，利用泥漿上浮攜渣，上浮后的泥漿經(jīng)沉淀后再次壓入孔中，能始終保持相對穩(wěn)定的水頭高度和泥漿密度，不存在真空負(fù)壓，適合穿越超厚砂層施工。

2.2 穿越超厚砂層清孔工藝比選(見表2)

本項(xiàng)目終孔后至鋼筋籠安裝完成間至少間隔5h，即使終孔后利用鉆機(jī)一次清孔，將沉渣控制在合理范圍內(nèi)，經(jīng)過5h后，在水壓和泥漿雙重作用下，沉渣厚度在該段時(shí)間內(nèi)可由10cm增長至50～100cm，必須進(jìn)行二次清孔。對比兩種清孔工藝，若繼續(xù)采用正循環(huán)清孔，因孔底沉渣層厚，沉渣僅依靠泵入泥漿的上浮力攜渣，泥漿從斷面較小的導(dǎo)管進(jìn)入斷面大的樁孔中，上返速度慢，沉渣中密度大的顆粒物會回落，需反復(fù)循環(huán)清孔，清孔持續(xù)時(shí)間長，且清孔質(zhì)量難以保證。若采用反循環(huán)清孔，因?qū)Ч軘嗝孢h(yuǎn)遠(yuǎn)小于導(dǎo)管與樁孔間的環(huán)狀斷面，在空壓機(jī)抽吸負(fù)壓的作用下，形成了上返速度極快、流量極大的氣漿混合物，沉渣隨氣漿混合物從導(dǎo)管中排出，清孔時(shí)間短，清孔效果好。

2.3 穿越超厚砂層成孔與清孔工藝組合

通過分析，在吸收上述工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，最終確定穿越超厚砂層鉆孔灌樁樁施工采用正循環(huán)鉆進(jìn)反循環(huán)清孔相結(jié)合的工藝，該工藝解決了穿越超厚砂層施工中塌孔、沉渣過厚的技術(shù)難點(diǎn)，同時(shí)也可保證工程質(zhì)量和進(jìn)度，通過試樁工藝試驗(yàn)和總結(jié)關(guān)鍵控制技術(shù)后在工程中得到大量應(yīng)用。

3 正循環(huán)鉆進(jìn)反循環(huán)清孔工藝試驗(yàn)及驗(yàn)證

3.1 正循環(huán)鉆進(jìn)反循環(huán)清孔工藝試驗(yàn)

對東四環(huán)線第三合同段主線橋左幅2，4號墩樁基成孔工藝進(jìn)行試驗(yàn)，該橋地質(zhì)如圖1所示。樁長45m，樁徑1.8m，樁體需穿越約20.7m厚砂層施工。為驗(yàn)證穿越超厚砂層組合工藝的可行性，試樁分別采用DJ1500型正循環(huán)回旋鉆機(jī)和FXZ350型反循環(huán)回旋鉆機(jī)施工，其中2-1號樁基采用反循環(huán)回旋鉆施工，2-3號樁基采用正循環(huán)鉆進(jìn)+反循環(huán)清孔，4-1號樁基采用正循環(huán)鉆進(jìn)+正循環(huán)清孔。試樁過程數(shù)據(jù)如表3所示。

試樁過程中，2-1號樁基鉆進(jìn)速度快，在4.5h內(nèi)鉆進(jìn)了8m，穿越砂層施工時(shí)，雖然鉆機(jī)操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)降低了鉆進(jìn)速度，但由于該處砂層密實(shí)度差，在抽吸負(fù)壓作用下仍出現(xiàn)塌孔，只能回填后采用其他方式鉆進(jìn)。2-3，4-1號樁基鉆進(jìn)成孔時(shí)間約27h，平均每小時(shí)進(jìn)尺2m，穿越砂層施工時(shí)，及時(shí)調(diào)整了泥漿濃度，未出現(xiàn)塌孔。2-3號樁基終孔后采用空壓機(jī)進(jìn)行反循環(huán)清孔，在1.5h時(shí)間內(nèi)將孔底沉渣清至11cm；4-1號樁基采用泥漿泵進(jìn)行正循環(huán)清孔，二次清孔7h，沉渣厚度仍有16cm。

圖1 試樁地質(zhì)情況

表3 試樁過程數(shù)據(jù)

從以上數(shù)據(jù)不難看出，采用正循環(huán)鉆進(jìn)反循環(huán)清孔工藝，在保證平穩(wěn)穿越超厚砂層施工的基礎(chǔ)上，縮短了二次清孔時(shí)間，施工效率高，成孔質(zhì)量好。

3.2 試樁質(zhì)量試驗(yàn)驗(yàn)證

為了評價(jià)采用正循環(huán)鉆進(jìn)反循環(huán)清孔工藝施工的鉆孔灌注樁的成樁質(zhì)量，樁基成孔工藝結(jié)束后，對2-3，4-1號2根樁基分別進(jìn)行了聲波透射法和鉆孔取芯試驗(yàn)。聲波透射法試驗(yàn)結(jié)果顯示，2根樁均為I類樁。取芯結(jié)果顯示2根試樁混凝土強(qiáng)度均滿足要求，但2-3號樁基樁底與基巖間基本無沉渣，沉渣厚度控制得更好。

3.3 正循環(huán)鉆進(jìn)反循環(huán)清孔工藝試驗(yàn)及驗(yàn)證結(jié)論

反循環(huán)鉆進(jìn)施工不適用于穿越超厚砂層施工，采用正循環(huán)鉆進(jìn)反循環(huán)清孔和正循環(huán)鉆進(jìn)正循環(huán)清孔2種工藝的成樁質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，但反循環(huán)清孔的清孔效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正循環(huán)。

4 正循環(huán)鉆進(jìn)反循環(huán)清孔工藝關(guān)鍵控制技術(shù)

4.1 正循環(huán)鉆進(jìn)速度控制

1)正循環(huán)鉆進(jìn)應(yīng)根據(jù)不同土層采用不同的鉆進(jìn)參數(shù)、鉆進(jìn)速度，如表4所示。

2)鉆進(jìn)過程中應(yīng)勤掏渣、多記錄，根據(jù)掏渣結(jié)果與地質(zhì)勘察進(jìn)行比對，不得完全根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果控制轉(zhuǎn)速。

表4 不同地層鉆進(jìn)參數(shù)、鉆進(jìn)速度

3)當(dāng)掏渣巖樣中砂含量顯著增高，而地質(zhì)勘察結(jié)果顯示與砂層仍有一定距離時(shí)，宜將鉆機(jī)轉(zhuǎn)速控制在40r/min，鉆進(jìn)速度控制在2.5m/h，加密掏渣取樣頻率，根據(jù)取樣結(jié)果判定是否提前進(jìn)入砂層，合理調(diào)整鉆進(jìn)速度。

4)確定鉆頭已進(jìn)入砂層時(shí)，宜輕壓慢轉(zhuǎn)，泥漿泵不得全泵量沖孔，可通過適當(dāng)增加泥漿濃度提高攜渣效果。

5)確定鉆頭已穿越砂層時(shí)，勻速提升鉆機(jī)轉(zhuǎn)動速度，泥漿泵全泵量沖孔，加速換漿，利用強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中相對穩(wěn)定的孔壁迅速鉆進(jìn)，縮短終孔時(shí)間。

4.2 穿越砂層泥漿性能控制

1)穿越砂層施工的鉆孔灌注樁宜采用膨潤土造漿，不同樁徑的膨潤土含量不同，1.5m及1.5m以下樁徑，膨潤土含量宜控制在7%～7.5%；1.8，2.0m樁徑，膨潤土含量宜控制在8.5%～9.5%。

2)整個(gè)施工過程中應(yīng)進(jìn)行泥漿性能的動態(tài)監(jiān)測，每次掏渣取樣的同時(shí)進(jìn)行泥漿性能檢測，同時(shí)對泥漿密度、含砂率、黏度等關(guān)鍵指標(biāo)做好記錄。

3)穿越砂層施工前，泥漿密度可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，泥漿相對密度控制在1.15～1.25，含砂率<4%，黏度20～24s。

4)根據(jù)掏渣結(jié)果對比地質(zhì)勘察結(jié)果，確定即將進(jìn)入砂層或已進(jìn)入砂層施工時(shí)，及時(shí)向泥漿池中投入膨潤土，持續(xù)換漿，穿越砂層施工泥漿相對密度控制在1.3～1.35，含砂率<2%，黏度25～28s。

5)穿越砂層施工時(shí)泥漿密度持續(xù)下降，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)添加膨潤土以增加泥漿密度，增強(qiáng)護(hù)壁效果，膨潤土每5m添加量宜控制在4%為最佳，同時(shí)膨潤土不得無限制添加，一是成本將繼續(xù)增加，二是泥漿密度過大將增大泥皮厚度，后期降低樁基承載力。

6)穿越砂層施工過程中，流入沉淀池的泥漿含砂率較高，沉淀池可就地開挖也可采用鋼板制作的沉淀箱，但沉淀池在進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分滿足砂礫沉淀所需的尺寸要求。

4.3 反循環(huán)清孔時(shí)間、清孔工藝控制

1)一次清孔仍以正循環(huán)清孔為主，終孔后至鋼筋籠安裝前不得提鉆，保持鉆頭低速轉(zhuǎn)動，泥漿泵全泵量沖孔，保證泥漿始終循環(huán)排渣，避免提鉆至鋼筋籠安裝間隔時(shí)間過長，泥漿再次沉淀，引起沉渣膠結(jié)或塌孔。

2)鋼筋籠安裝應(yīng)選用操作熟練的施工班組，優(yōu)化工序時(shí)間，盡量縮短一次清孔與二次清孔時(shí)間。

3)進(jìn)行反循環(huán)清孔前應(yīng)測量一次沉渣厚度，以此作為導(dǎo)管下放深度的參考，導(dǎo)管應(yīng)高出沉渣面30～40cm為宜。

4)反循環(huán)清孔時(shí)應(yīng)先向孔內(nèi)補(bǔ)漿再送風(fēng)，清孔結(jié)束時(shí)應(yīng)先關(guān)閉空壓機(jī)再斷漿。

5)空壓機(jī)開始送風(fēng)時(shí)應(yīng)從大到小，風(fēng)壓略大于孔底的水頭壓力，當(dāng)遇到沉渣較厚或沉渣整體膠結(jié)時(shí)，可適當(dāng)增大風(fēng)壓，晃動出漿管，以利于清孔。

6)當(dāng)沉渣較厚時(shí)，隨著沉渣厚度的減小，應(yīng)適當(dāng)下放導(dǎo)管，保持導(dǎo)管與沉渣面距離。

7)反循環(huán)清孔時(shí)，施工過程中清孔速度快，對于50cm厚沉渣，一般清孔1h為宜，具體可結(jié)合沉渣厚度適當(dāng)調(diào)整清孔時(shí)間，但清孔時(shí)間宜≤2h，否則孔內(nèi)持續(xù)受負(fù)壓影響，易發(fā)生塌孔，繼而影響整根樁基施工質(zhì)量。

8)反循環(huán)清孔后泥漿相對密度控制在1.03～1.1，黏度17～20s，含砂率<2%，清孔各項(xiàng)指標(biāo)合格后立即組織混凝土灌注。

5 結(jié)語

武漢東四環(huán)線通過工藝比選和試樁試驗(yàn)，確定了采取正循環(huán)鉆進(jìn)反循環(huán)清孔的工藝穿越超厚砂層施工，過程中總結(jié)出鉆進(jìn)速度控制、泥漿性能控制、清孔時(shí)間、清孔工藝控制等一系列關(guān)鍵控制技術(shù)。主線橋所有鉆孔灌注樁已采用該工藝順利完成施工，經(jīng)第三方樁基完整性檢測，Ⅰ類樁比例達(dá)到98%以上，施工質(zhì)量好，施工進(jìn)度快。

正循環(huán)鉆進(jìn)反循環(huán)清孔工藝在東四環(huán)線鉆孔灌注樁穿越超厚砂層施工中取得成功，在當(dāng)前建設(shè)環(huán)境下具有一定的推廣價(jià)值，可供具有相似地質(zhì)條件的工程項(xiàng)目借鑒，但在施工中應(yīng)嚴(yán)格關(guān)鍵技術(shù)的控制，強(qiáng)化施工組織，以確保工程質(zhì)量和工程進(jìn)度。