新型鉆孔灌注樁無泥漿清水成孔施工系統(tǒng)及方法研究

摘要：提高鉆孔灌注樁成孔效率是橋梁工程中的重要問題。提出了一種新型鉆孔灌注樁無泥漿清水成孔的施工系統(tǒng)與方法。該系統(tǒng)結(jié)合泵吸反循環(huán)與沖擊鉆成孔深度，既解決了巖層只能用沖擊鉆施工，而沖擊鉆只能用泥漿來懸浮鉆渣的問題，又利用泵吸反循環(huán)解決了沖擊鉆在無泥漿情況下鉆進(jìn)和清孔兩個(gè)過程的排渣問題，鉆進(jìn)的過程中及時(shí)排渣。通過將系統(tǒng)應(yīng)用于工程實(shí)踐，證明了其良好的運(yùn)渣排渣、護(hù)壁成孔效率。

關(guān)鍵詞：鉆孔灌注樁無泥漿成孔清水成孔鉆孔施工沖擊成孔

中文分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

ResearchontheConstructionSystemandMethodofNewBoredPilewithMudFreeWaterDrilling

PANChengwen1LIULin1，2DENGZhongzhen1，2

1.HICCInfrastructureConstructionCo.，Ltd.，Wuhan，HubeiProvince，430000China;2.HubeiIndustrialConstructionGroupCo.，Ltd.，Wuhan，HubeiProvince，430076China

Abstract：Improvingtheefficiencyofboredpilesisanimportantissueinbridgeengineering.Thisarticleproposesanewconstructionsystemandmethodforboredpileswithmudfreewater.drillingThissystemcombinespumpsuctionreversecirculationwithimpactdrillingdepth，whichnotonlysolvestheproblemofrocklayersbeingonlyconstructedwithimpactdrilling，whileimpactdrillingcanonlyusemudtosuspenddrillingslag，butalsousespumpsuctionreversecirculationtosolvetheslagdischargeproblemduringthedrillingandcleaningprocessesofimpactdrillingwithoutmud，andtimelydischargeslagduringthedrillingprocess.Byapplyingthesystemtoengineeringpractice，itisprovedthatthesystemhasgoodefficiencyinslagtransportation，slagdischarge，andwallprotectionholeformation.

KeyWords：Boredpile;Mudfreedrilling;Waterdrilling;Drillingconstruction;Impactdrilling

鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)在橋梁工程中具有廣泛應(yīng)用[1-3]，常采用沖擊成孔方式成樁。在常規(guī)的沖擊鉆成孔中，常采用泥漿護(hù)壁方法防止塌孔，并利用泥漿懸浮運(yùn)輸鉆渣。鉆孔過程中，鉆進(jìn)的速度通常由排渣速度決定，鉆孔作業(yè)的效率與排渣速度緊密相關(guān)，后者則直接受到泥漿物理性質(zhì)（尤其是黏度）與新注入泥漿清潔度的影響。當(dāng)泥漿黏度過高時(shí)，會(huì)顯著增加沉淀池中泥漿與鉆渣分離的難度，導(dǎo)致重新進(jìn)入孔底的泥漿中夾雜有小粒徑鉆渣，進(jìn)而削弱孔底鉆渣的懸浮效率，影響鉆孔進(jìn)度。而黏度太低的泥漿本身懸浮效率低下，易導(dǎo)致大量的鉆渣沉淀在孔底，降低鉆進(jìn)速度。因此，如何提高鉆渣的運(yùn)輸效率、提高鉆孔速度是當(dāng)前橋梁工程的重要問題。另外，盡管泥漿具有護(hù)壁作用，但施工后其排放過程易污染水源[4-5]，影響周邊生態(tài)環(huán)境，尤其是在跨海大橋工程中。

針對(duì)以上問題，陳振剛[6]在研究指出喀斯特地區(qū)公路橋梁施工中采取了一系列措施防止漏漿和卡鉆。吳浩[7]研究指出王二河特大橋梁施工采用了清水護(hù)壁方法進(jìn)行鉆孔灌注樁施工，類似的施工方法晏宇星[8]、梁新禮[9]也在文獻(xiàn)中進(jìn)行了相關(guān)論述。孫鵬等人[10]研究指出佩列沙茨特大跨海大橋采用了清水護(hù)壁形式完成樁基施工。

鑒于當(dāng)前鉆孔灌注樁技術(shù)領(lǐng)域中存在的技術(shù)局限性，本文創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并闡述了一種無泥漿清水成孔的新型鉆孔灌注樁施工系統(tǒng)及其操作方法。該系統(tǒng)巧妙融合了泵吸反循環(huán)技術(shù)與沖擊鉆的深孔鉆進(jìn)能力，旨在克服傳統(tǒng)方法中巖層施工必須依賴泥漿懸浮鉆渣的弊端，同時(shí)利用泵吸反循環(huán)機(jī)制解決了沖擊鉆在無泥漿條件下進(jìn)行鉆進(jìn)與清孔作業(yè)時(shí)面臨的排渣難題。此創(chuàng)新方案通過實(shí)時(shí)高效排渣，顯著提升了鉆進(jìn)作業(yè)的效率與速度。本文將首先對(duì)該鉆孔施工系統(tǒng)組成與施工方法流程進(jìn)行詳細(xì)介紹，然后進(jìn)行該系統(tǒng)的工程應(yīng)用實(shí)例分析。

1鉆孔灌注樁無泥漿清水成孔施工系統(tǒng)及方法

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)包括沖擊鉆錘、清孔裝置、排渣機(jī)構(gòu)、沖擊鉆機(jī)架、泥漿泵和沉渣池。沖擊鉆機(jī)架作為核心支撐結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)沖擊鉆錘進(jìn)行升降與沖擊作業(yè)。沖擊鉆錘上集成排渣機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)底部設(shè)計(jì)有若干進(jìn)渣孔，用于捕獲并引導(dǎo)鉆孔過程中產(chǎn)生的鉆渣，頂部設(shè)置出渣口，便于鉆渣的后續(xù)排出。泥漿泵的進(jìn)污端與排渣機(jī)構(gòu)的出渣口通過泥漿進(jìn)管緊密相連，確保排渣過程中的密封性與流暢性。泥漿泵將含有鉆渣的泥漿通過泥漿出管輸送至沉渣處理池接收泥漿，并配備有清水出口及清水出管，便于后續(xù)清水處理與循環(huán)利用。

1.1.1鉆進(jìn)排渣裝置

鉆進(jìn)排渣系統(tǒng)由沖擊錘主體與排渣機(jī)構(gòu)構(gòu)成。排渣機(jī)構(gòu)的核心為環(huán)形串聯(lián)管，連接多個(gè)吸渣管形成排渣網(wǎng)絡(luò)。環(huán)形串聯(lián)管上設(shè)抽漿接口管，接口管與泥漿泵的進(jìn)污端口之間通過嚴(yán)格密封的泥漿管道實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，確保了泥漿及鉆渣的順暢傳輸。

1.1.2泵吸反循環(huán)清孔裝置

在完成鉆孔作業(yè)并達(dá)到設(shè)計(jì)終孔深度后，提取出沖擊鉆設(shè)備，并替換為清孔裝置，執(zhí)行泵吸反循環(huán)清孔工序。清孔裝置核心組成包括漏斗狀的本體結(jié)構(gòu)，本體內(nèi)部布置骨架增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與強(qiáng)度。內(nèi)部骨架沿本體軸向配置的沉渣攪動(dòng)裝置，該裝置由中心固定軸、轉(zhuǎn)動(dòng)套管以及一系列轉(zhuǎn)動(dòng)葉片構(gòu)成。轉(zhuǎn)動(dòng)葉片隨轉(zhuǎn)動(dòng)套管的同步旋轉(zhuǎn)，對(duì)孔底沉積物進(jìn)行攪動(dòng)與破碎，提升清孔作業(yè)效率與質(zhì)量。

1.1.3其他裝置

其他裝置包括沖擊鉆鉆架、空壓機(jī)、泥漿泵及沉淀池。沖擊鉆鉆架作為核心驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)調(diào)控沖擊鉆頭的升降與沖擊鉆孔作業(yè)?？諌簷C(jī)通過高壓氣體輸送管道，向清孔系統(tǒng)的反向漏斗型腔室內(nèi)注入高壓氣體。高壓氣體經(jīng)由底部圓形管道上密布的微小噴孔釋放，直接作用于孔底，有效攪動(dòng)并清除沉積于孔底的顆粒雜質(zhì)。在鉆進(jìn)作業(yè)與排渣流程中，泥漿循環(huán)泵發(fā)揮關(guān)鍵作用，促使孔底的渣水混合物經(jīng)由排渣裝置、泥漿輸入管道進(jìn)入泵體，隨后被排放至泥漿沉淀池中以促進(jìn)泥漿的循環(huán)再利用。在清孔階段，泥漿泵通過泵吸作用，引發(fā)泥漿在清孔裝置內(nèi)部迅速上涌，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部上下兩層旋轉(zhuǎn)葉片的同步運(yùn)動(dòng)，攪動(dòng)孔底的沉積物，使其均勻懸浮于清水中，隨后被泥漿泵高效抽出。泥漿沉淀池作為系統(tǒng)的終端處理單元，實(shí)現(xiàn)了鉆渣的有效沉淀與清水資源的回收利用。

1.2操作方法

系統(tǒng)具體操作方法介紹如下。

1.2.1安裝裝置

裝置置于預(yù)設(shè)位置確保鉆進(jìn)作業(yè)精確執(zhí)行。另一側(cè)配置泥漿泵與沉渣池，沖擊鉆鉆架鋼絲繩末端繞過導(dǎo)向滑輪固定至沖擊鉆錘的頂端，泥漿泵進(jìn)污端口與排渣裝置出渣口之間，通過泥漿進(jìn)管實(shí)現(xiàn)無縫連接，泥漿泵的出污端口通過泥漿出管，以密閉方式連接至沉渣池的進(jìn)污口實(shí)現(xiàn)泥漿與沉渣的初步分離。在沉渣處理池中，為了進(jìn)一步提純泥漿并循環(huán)利用清水資源，設(shè)計(jì)了清水出口系統(tǒng)。該出口通過密閉連接的清水出管，將經(jīng)過沉淀處理的上層清水導(dǎo)向至待鉆孔位置，以補(bǔ)充鉆孔作業(yè)所需的水量。

1.2.2鉆進(jìn)排渣

沖擊鉆鉆架集成卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)控制鋼絲繩的收放運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)沖擊鉆錘進(jìn)行垂直方向的升降往復(fù)作業(yè)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)巖層的沖擊剝離與孔洞的形成。啟動(dòng)泥漿泵，沖擊鉆錘升降運(yùn)動(dòng)持續(xù)攪動(dòng)孔內(nèi)的渣水混合物，防止鉆渣迅速沉積。同時(shí)，排渣裝置通過進(jìn)渣孔抽吸孔內(nèi)的渣水混合物，經(jīng)由裝置內(nèi)部通道進(jìn)入泥漿進(jìn)管，由泥漿泵輸送至沉渣池中，實(shí)現(xiàn)鉆渣與泥漿的初步分離。鉆渣在沉渣池中逐漸沉淀，上層清水通過清水出管持續(xù)回流至鉆孔作業(yè)區(qū)域，保持鉆孔環(huán)境的穩(wěn)定與作業(yè)效率。

沖擊鉆錘在鉆進(jìn)過程中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不僅確保了對(duì)孔底巖面的有效沖擊，還通過攪動(dòng)孔內(nèi)混合物維持了鉆渣的懸浮狀態(tài)，這一機(jī)制顯著減少了鉆渣在孔底的沉積量。泥漿泵的吸力作用，則進(jìn)一步確保了鉆渣被有效清除，使每次沖擊鉆錘的落地都能作用在新鮮未受污染的巖面上，從而極大地提升了鉆孔作業(yè)的速度與效率。

1.2.3泵吸反循環(huán)清孔

完成鉆孔作業(yè)后隨即清孔，先將沖擊鉆錘從孔內(nèi)提出，并拆卸泥漿進(jìn)管，泥漿進(jìn)管的進(jìn)口端與清孔裝置的排渣孔進(jìn)行密封連接，清孔裝置的進(jìn)氣口通過高壓氣體管與空壓機(jī)緊密相連。隨后，將清孔裝置置于孔底，在沉渣池上方連接清水出管構(gòu)建循環(huán)回路。啟動(dòng)泥漿泵與空壓機(jī)，將漏斗內(nèi)部積聚的渣水混合物排出，使外部清水通過裝置底部預(yù)留區(qū)域流入漏斗，實(shí)現(xiàn)清水的持續(xù)補(bǔ)給?？諌簷C(jī)產(chǎn)生的高壓氣體通過清孔裝置噴出，將新流入的清水與孔底殘留的鉆渣充分混合，這一過程中，清水?dāng)y帶鉆渣，隨后被泥漿泵再次吸走，通過既定的流體路徑排至沉渣池進(jìn)行固液分離。

上述循環(huán)過程不斷重復(fù)，直至孔底達(dá)到無沉渣狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的清孔作業(yè)。此過程不僅顯著提升了成樁作業(yè)的整體質(zhì)量，還通過精準(zhǔn)控制與高效清排機(jī)制，確保了樁基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。

2工程實(shí)例分析

冷水河大橋位于鄖西縣六郎鄉(xiāng)壕渠村二組北側(cè)，橋梁起訖樁號(hào)為K0+011～K0+213，全長(zhǎng)202m，橋面縱坡為2.142%，橫坡為雙向2%。主橋上部構(gòu)造為（52+90+52）m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)梁，箱梁斷面采用單箱單室。下部構(gòu)造橋墩墩身采用雙肢等截面實(shí)心薄壁墩，1號(hào)橋墩高20.006m、2號(hào)橋墩高21.933m?；A(chǔ)采用樁徑2.5m的鉆孔灌注樁，每墩共4根樁，1號(hào)橋墩樁基礎(chǔ)長(zhǎng)52m、2號(hào)橋墩樁基礎(chǔ)長(zhǎng)55m。橋臺(tái)采用重力式U型擴(kuò)大基礎(chǔ)。本橋樁基總計(jì)8根?；挥趦A斜裸露的巖面上，覆蓋層較薄，施工最大水深約40m。

本項(xiàng)目冷水河大橋由于處于庫區(qū)，為減少對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的破壞，在采用新型鉆孔灌注樁無泥漿清水成空施工系統(tǒng)之后，有效地減少了鉆渣在孔底的沉渣，確保了每次錘頭落地新鮮的巖面上，有效提升了鉆進(jìn)的速度。

3結(jié)語

（1）本文提出了一種新型的鉆孔灌注樁清水鉆孔施工系統(tǒng)與方法，該系統(tǒng)將泵吸反循環(huán)與沖擊鉆成孔結(jié)合，克服了巖層只能用沖擊鉆施工，而沖擊鉆必須用泥漿來懸浮鉆渣的弱點(diǎn)，利用泵吸反循環(huán)解決了沖擊鉆在無泥漿情況下，鉆進(jìn)和清孔兩個(gè)過程中的排渣問題。

（2）無泥漿成孔，孔內(nèi)載體為清水，在鉆進(jìn)過程中無泥漿排放，有利于環(huán)境保護(hù)。同時(shí)，由于孔內(nèi)載體為清水，所有細(xì)小顆粒都會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)沉入孔底，在鉆進(jìn)排渣過程中，須及時(shí)從孔內(nèi)抽出渣水混合物，鉆錘的每一次錘擊都將直接錘擊新鮮的巖面，提高了鉆進(jìn)速度。

（3）終孔后通過清孔裝置可一次性徹底清除孔底沉渣，避免了利用泥漿成孔中的二次清孔，同時(shí)由于孔內(nèi)載體為清水在混凝土灌注的過程中可以有效避免斷樁和夾渣的問題。

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