張廣亮,劉建濤,2,陳益敏

(1.河南省地礦建設(shè)工程〈集團〉有限公司,河南鄭州 450007;2.河南省地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊,河南 鄭州 450007)

婁江特大橋深孔泵吸反循環(huán)工藝的改進

張廣亮1,劉建濤1,2,陳益敏1

(1.河南省地礦建設(shè)工程〈集團〉有限公司,河南鄭州 450007;2.河南省地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊,河南 鄭州 450007)

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施投入的加大,樁徑 1000～2000 mm、孔深 100～130 m的鉆孔灌注樁在各類工程中屢被采

用。泵吸反循環(huán)傳統(tǒng)上被用于孔深不超過 80 m的深孔,在京滬高鐵第六標段婁江特大橋鉆孔灌注樁施工中,通過

對現(xiàn)有的反循環(huán)鉆機進行改進,很大程度上提高了泵吸反循環(huán)的工作效率,順利地完成了孔深 131 m、樁徑 118 m樁孔的施工,產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益。

泵吸反循環(huán);大直徑;超深孔;灌注樁;鉆機改進

1 概述

近年來,隨著國民經(jīng)濟建設(shè)的迅猛發(fā)展,高速公路、高速鐵路、市政道路改擴以及建筑立體化趨向,路網(wǎng)密度越來越大,各式立交橋、跨河橋、高架橋等數(shù)量猛增。同時,基于安全考慮,設(shè)計要求和標準相應(yīng)提高。在軟弱巖土地層以鉆孔灌注樁為主要基礎(chǔ)設(shè)計的樁長和樁徑亦在不斷擴大,孔深 100～130 m的鉆孔灌注樁在各類工程中屢被采用。而目前工程中以氣舉反循環(huán)、正循環(huán)、旋挖鉆進為主要施工深孔的各型工程鉆機,因造價高、效率低、泥漿污染、深度、地層條件限制等,遠不能滿足市場的需求。泵吸反循環(huán)以消耗功率低、排渣效率高、成孔速度快、施工周期短,而被廣泛應(yīng)用于交通橋梁基礎(chǔ)。但隨著孔深增加,循環(huán)系統(tǒng)中各項阻力增加,使流量減小,排渣能力降低,鉆孔速度減慢。泵吸反循環(huán)多用于孔深不超過 70～80 m的樁基礎(chǔ)施工,因而制約了泵吸返循環(huán)的發(fā)展。如何提高泵吸反循環(huán)的工作效率,完成深孔施工,已成當務(wù)之急。

2009年 10月,筆者參與施工了京滬高鐵第六標段婁江特大橋鉆孔灌注樁基礎(chǔ)工程,樁孔孔深131 m,樁徑 118 m。采用黃海機械廠生產(chǎn)的 G M-20A型鉆機,“180 mm鉆桿,6BS-350型砂石泵。開始用反循環(huán)工藝施工,但因孔較深,超過 60 m后鉆進效率很低,稍微加壓就會出現(xiàn)反循環(huán)斷流現(xiàn)象?？咨畛^ 80 m后泵吸反循環(huán)難以形成,只能用正循環(huán)施工,效率極低。平均 7～8天成樁一根,電能、機械、人工消耗量增加,泥漿外運的成本也成倍增加。綜合各種因素考慮,我們決定采用大口徑鉆具施工,并同時對原有主動鉆桿、送水器的過水斷面進行改造。

在鉆機和水泵性能不變的情況下,采用 “245 mm鉆桿,改用通孔直徑 219 mm的主動鉆桿,增大了過水斷面,鉆進效率明顯提高。

2 泵吸反循環(huán)的工作原理

泵吸反循環(huán)是靠葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動能,達到一定的轉(zhuǎn)速形成真空,吸抽鉆桿內(nèi)的泥漿,使鉆桿內(nèi)產(chǎn)生負壓,而鉆桿外依然保持大氣壓力,因內(nèi)外壓力差產(chǎn)生循環(huán)液流。在大氣壓力作用下,處在鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙中的泥漿流向孔底,與鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進切割下來的巖渣混合形成泥漿的混合液,混合液經(jīng)鉆頭水口被吸入鉆桿內(nèi)腔,經(jīng)送水器—砂石泵—排渣管排入地面泥漿循環(huán)系統(tǒng),鉆渣經(jīng)泥漿池沉淀后,泥漿再補充回流到孔內(nèi),形成泵吸式反循環(huán)鉆進 (見圖1)。泵吸反循環(huán)具有孔壁穩(wěn)定性強、排渣效果好、鉆進效率高、清孔速度快、孔底干凈等優(yōu)點。

圖 1 泵吸反循環(huán)工作示意圖

3 泵吸反循環(huán)的相關(guān)參數(shù)分析

以 6BS-350型反循環(huán)泵為例,其主要參數(shù)為泵量、功率、吸程、揚程、工作效率。

3.1 泵量

6BS-350型砂石泵泵量可達 350 m3/h。需要特別提醒的是,并不是砂石泵的泵量越大越好,要根據(jù)鉆桿的過水斷面和孔徑來確定。鉆桿的過水斷面小,易形成氣蝕不上水;過水斷面大,上返速度慢鉆渣不能有效帶出孔外?？讖酱髸r鉆進效率太低,孔徑小時,回流泥漿的下流速度 >0105 m/s時,易沖刷孔壁,破壞泥漿護壁層,引起塌孔事故。

3.2 揚程

6BS-350型反循環(huán)泵的揚程可達 25 m,在鉆孔施工時,循環(huán)系統(tǒng)在地表布置,對揚程的要求不高,在選擇方面,可以不做要求。

3.3 電機功率和轉(zhuǎn)速

6BS-350型砂石泵配 37 kW6極電機,轉(zhuǎn)速可達 980 r/min,因此功率較大,抽吸能力也強。

3.4 吸程

砂石泵的吸程一般為 715 m,這只是純理論數(shù)據(jù)。在實際施工中,和循環(huán)通徑、密封程度、泥漿密度、泵量和電機功率等有密切關(guān)系,因受此綜合因素的影響,砂石泵的真空吸程一般情況下不大于 615 m。

所以,在安裝鉆機時,盡量縮小泥漿面與水龍頭頂端的高差來降低真空吸程的高度,達到提高工作效率的目的。另外,根據(jù)圖 2所示,砂石泵的安裝位置越低,效率應(yīng)該越高,但當孔深較大時,其影響是很小的。

圖 2 砂石泵示意圖

綜上所述,砂石泵的工作效率,是由多種復(fù)雜的因素決定,所以通常按 70%計算機械效率。

4 影響泵吸反循環(huán)工作效率的主要外因

泵吸反循環(huán)的工作效率除受砂石泵自身各主要參數(shù)制約外,還受許多外界因素的影響。

仍以 6BS-350型砂石泵為例:功率 37 kW,按工作效率 70%計算時,泵量 235 m3/h,真空吸程 <7 m。

4.1 循環(huán)系統(tǒng)的過水斷面和泥漿在鉆桿內(nèi)的上升速度

從實驗得知,鉆渣在泥漿中的自由落體速度,因泥漿的密度、鉆渣的質(zhì)量和密度而有快慢不同,一般下沉初始速度為 015～019 m/s。由此可推理只要泥漿在鉆桿內(nèi)的上升速度大于鉆渣的自由下落速度,就應(yīng)當能排除鉆渣,上升速度大于下落速度 2～3倍時,就可將較大塊的鉆渣排除孔外,如鉆桿過水斷面太大,泥漿在鉆桿內(nèi)的上返速度小于鉆渣的沉降速度,則不能形成有效進尺。那么,是否上升速度越快效率就越高呢?單從理論上分析應(yīng)該是這樣的,但在實際施工中并非如此。因為流速越大鉆桿內(nèi)壁產(chǎn)生的側(cè)摩阻力也越大,砂石泵消耗的功率也越大,特別當鉆渣量較大時,會堵塞鉆頭進渣口或鉆桿,砂石泵就會因瞬間供水不足而產(chǎn)生氣蝕中斷循環(huán)。所以,綜合以上因素并對照表 1可以看出:當泵量在 235 m3/h時,鉆桿規(guī)格以 “245 mm ×14 mm為宜。

表 1 不同規(guī)格鉆桿的泥漿上返流速

4.2 泥漿密度

按孔深 100 m計算,得出不同泥漿密度下泥漿在鉆桿內(nèi)的摩阻力,見表 2。

表 2 不同泥漿密度下泥漿在鉆桿內(nèi)的摩阻力

從表 2可以看出:泥漿密度越大,其在鉆桿內(nèi)上升時的摩阻力越大,鉆進效率就越低。當泥漿密度>1125 kg/L時,反循環(huán)系統(tǒng)很難啟動,即使勉強打開,稍有進尺,就會因產(chǎn)生氣蝕停止運轉(zhuǎn),因此反循環(huán)施工過程中,只要能滿足孔壁穩(wěn)定,降低孔內(nèi)泥漿密度,是提高鉆進效率的重要手段。

4.3 孔深

當泥漿密度為 1110 kg/L時,經(jīng)計算得出不同孔深條件下的側(cè)摩阻力,如表 3。

表 3 不同孔深條件下的側(cè)摩阻力

根據(jù)表 3可知:孔越淺,砂石泵的真空吸程余量越大,效率也就越高,當孔深 >160 m時,普通砂石泵很難啟動工作,需要配備其他增壓設(shè)備或采取有效增壓措施。

4.4 泥漿循環(huán)池的大小

當反循環(huán)系統(tǒng)啟動進尺后,鉆渣排放進入泥漿循環(huán)池,經(jīng)過多級沉淀后,泥漿再返流入孔內(nèi)。因此,泥漿池越大,泥漿反流速度越慢,鉆渣沉淀越徹底,返流泥漿的含渣量越少,鉆進效率就會越高。反之,泥漿池太小,鉆渣不能沉淀,就會返流入孔內(nèi),參與多次循環(huán)而影響鉆進效率。所以,在施工現(xiàn)場條件允許時,可在出渣池和孔位之間另挖一個二級沉淀池,這樣效率會更高。

4.5 密封

(1)泥漿面以下部分的密封,即鉆桿各法蘭盤連接處的密封,如密封不嚴,反循環(huán)啟動后,雖然出渣口泵量正常,但補充的泥漿不完全以鉆桿底部進渣口吸入,而是有一部分從中途鉆桿松動處吸入,進入量的多少,視連接的松動程度而定,形成“假象反循環(huán)”,影響進尺效率。特別是在砂層中鉆進時,極易造成埋鉆后果。因此,施工人員一定要經(jīng)常檢查出渣量與底層和進尺量是否相符。

(2)泥漿面以上部分的密封,即砂石泵出渣口至泥漿面之間泵體水龍頭及各接頭是否有漏氣、漏漿現(xiàn)象。特別要注意連接水龍頭和砂石泵的高壓吸引管,有無重皮、破損、堵塞和聲音異常,一經(jīng)發(fā)現(xiàn),就要及時處理。

4.6 地層變化和進尺控制

泵吸反循環(huán)正常啟動后,操作人員要根據(jù)地層變化情況,合理控制進尺,既要保證均勻、滿負荷的出渣量,又不至于使其停止運轉(zhuǎn),是提高效率的關(guān)鍵所在。一般有經(jīng)驗的操作人員時刻盯緊出渣口水量大小變化,不斷總結(jié)經(jīng)驗,來做相應(yīng)的調(diào)整,粘土層要高速小壓力,砂層和卵礫石地層低速慢轉(zhuǎn),嚴防出渣量控制不勻,忽大忽小,造成氣蝕,使反循環(huán)停止工作。特別在松散及易塌地層鉆進時,如果反復(fù)啟動反循環(huán),輕者造成擴徑,重時會造成塌孔事故。

4.7 鉆頭形式

反循環(huán)鉆頭,原則上要求簡單實用。錐度≮90°,但施工復(fù)雜和承載力較大的地層時,還要特別注意其牢固抗扭。一般情況下,可用三翼或四翼刮刀鉆頭;在卵礫石及風(fēng)化巖中鉆進時,可用四翼或六翼環(huán)形鉆頭。鉆頭尖可采用二翼、三翼或四翼,同樣錐度要小,甚至沒有錐度,以保證進渣口空間,使鉆渣及時排除。

5 工程實踐

在充分了解泵吸反循環(huán)的工作原理、砂石泵的各主要技術(shù)參數(shù)及性能后,根據(jù)多年的施工經(jīng)驗,總結(jié)了影響泵吸反循環(huán)工作效率的各種內(nèi)因和外因,優(yōu)化整個系統(tǒng)的匹配。利用現(xiàn)有扭矩 40 kN·m的G M-20A型工程鉆機,配置 6BS-350型砂石泵組,水龍頭通徑由 150 mm換成 219 mm,鉆桿由 “180 mm改為 “245 mm,主動鉆桿通徑由 150 mm改為219 mm,同時對鉆頭型式也作了相應(yīng)改造,經(jīng)投入試用效果非常明顯,見表 4。

表 4 反循環(huán)鉆進不同口徑鉆具施工效率對比表

6 結(jié)論與建議

(1)經(jīng)過對泵吸反循環(huán)施工設(shè)備及工藝的改進,在超深孔大直徑灌注樁施工中取得了良好的施工效果及經(jīng)濟效益。

(2)實踐證明,對泵吸反循環(huán)施工設(shè)備及工藝的改進在超深孔大直徑灌注樁施工中是成功可行的,為超深孔大直徑灌注樁施工積累了施工經(jīng)驗。

(3)該工程的成功實施突破了泵吸反循環(huán)鉆孔灌注樁施工工藝僅適用于孔深 <80 m樁的有關(guān)界定,采用該工藝的經(jīng)濟效益顯著。

對一種新鮮事物的認識,從無知到有知,只有不斷總結(jié),善于探索,才能不斷的進步。泵吸反循環(huán)施工工藝,經(jīng)近多年的發(fā)展,特別在保證成樁質(zhì)量,顯著提高樁基承載力方面,已得到人們的普遍認同。但隨著孔深和樁徑的不斷加大、各種地質(zhì)條件也是千差萬別,如何進一步改進反循環(huán)的施工工藝、提高鉆進效率,更好的為國民經(jīng)濟建設(shè)服務(wù),涉及到很多學(xué)科,誠愿各方面專家不吝賜教指導(dǎo)并提供更好的產(chǎn)品及工藝。

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I mprovement on Deep Hole Pump2suction Reverse C irculation Technology in SuperLarge Bridge

ZHANG Guang-liang1,LIU Jian-tao1,2,CHEN Yi-m in1(1.Henan Geological&Mineral Resources Construction Engineering〈Group〉Co.,Ltd.,Zhengzhou Henan 450007,China;2.No.2 Hydrogeology and Engineering Geology Team,Henan Provincial Bureau of Geo2exploration andMineralDevelopment,Zhengzhou Henan 450007,China)

The bored2grouting pile with diameter of 1000～2000 mm and depth of 100～130 m are often used in various projects.Pump2suction reverse circulation was traditionally used in the hole notmore than 80 m deep,but by the improve-ment on the existing reverse circulation drill,the efficiency of pump2suction reverse circulation was greatly improved with pile hole of 118 m in diameter and 131 m in depth finished.

pump-suction reverse circulation;large diameter;ultra-deep hole;grouting pile;drilling rig improvement

TU473.1+4

A

1672-7428(2011)06-0047-04

2010-11- 23;

2011-06-10

張廣亮(1955-),男 (漢族),河南衛(wèi)輝人,河南省地礦建設(shè)工程 (集團)有限公司工程師、一級建造師,探礦工程專業(yè),從事地基與基礎(chǔ)的施工與管理工作,河南省鄭州市互助路 25號,hnljt@163.com。