鉆孔樁施工氣舉反循環(huán)工藝淺析

□□ 楊超(中鐵大橋局股份有限公司 深圳分公司，廣東 深圳518002)

摘要：結(jié)合山西侯禹高速公路禹門口黃河大橋樁基礎(chǔ)施工，介紹了氣舉反循環(huán)工藝的工作原理，闡述了氣舉反循環(huán)工藝的技術(shù)要點(diǎn)及施工注意事項(xiàng)。氣舉反循環(huán)鉆孔工藝泥漿上返速度快，攜帶鉆渣能力強(qiáng)，具有鉆進(jìn)效率高、鉆頭壽命長的特點(diǎn)，可以解決大口徑、深孔樁基礎(chǔ)施工的難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：氣舉反循環(huán)；鉆孔樁；深孔樁

文章編號：1009-9441(2015)01-0019-03

中圖分類號：TU 473.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

作者簡介：楊超(1975-)，男，湖北漢陽人，工程師，2012年12月畢業(yè)于武漢理工大學(xué)建筑工程專業(yè)，現(xiàn)從事施工管理工作。

收稿日期：2014-12-01

引言

山西侯禹高速公路禹門口黃河大橋12～16號墩設(shè)計(jì)為矮塔斜拉橋，每個(gè)塔墩基礎(chǔ)由18根Φ2.0 m的鉆孔樁組成群樁基礎(chǔ)，樁基均為摩擦樁。13號主塔墩設(shè)計(jì)樁長80 m，14號主塔墩設(shè)計(jì)樁長87 m，實(shí)際最大孔深達(dá)91 m，為全橋最深的鉆孔樁。

橋位處地層主要為第四系沖積層，由砂層、黏性土層、卵礫石組成，水文和地質(zhì)條件復(fù)雜，樁基礎(chǔ)施工難度較大。

1鉆孔方案選擇

常用的反循環(huán)有泵吸反循環(huán)和氣舉反循環(huán)兩種。泵吸反循環(huán)是利用砂石泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓，將鉆桿內(nèi)的泥漿吸出，再通過泥漿溝流入孔內(nèi)形成循環(huán)。其優(yōu)點(diǎn)是用電功率小，在孔深較淺的樁基礎(chǔ)施工中排渣效率和鉆進(jìn)效率較高，但由于泥漿泵的吸程和流量限制，隨著孔深的不斷增加，泥漿上返速度、攜渣能力大幅度下降，在孔深>70 m時(shí)，由于孔內(nèi)泥漿置換能力差，造成鉆頭重復(fù)破碎，鉆進(jìn)和清孔效率低，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致二次清孔不徹底，孔底沉渣厚度超標(biāo)。因此，泵吸反循環(huán)適用于深度50 m左右的大直徑鉆孔樁施工。

氣舉反循環(huán)是采用往鉆桿內(nèi)注入壓縮空氣，鉆桿內(nèi)的泥漿與空氣充分混合后上浮形成循環(huán)，具有泥漿上返速度快、攜帶鉆渣能力強(qiáng)、鉆進(jìn)效率高、鉆頭壽命長、成孔質(zhì)量好等特點(diǎn)，尤其適合孔深和孔徑均較大的樁基礎(chǔ)施工。

考慮到禹門口黃河大橋樁基礎(chǔ)的孔徑和孔深，決定選用氣舉反循環(huán)鉆孔工藝。

2氣舉反循環(huán)的工作原理及主要設(shè)備

2.1　氣舉反循環(huán)的工作原理

氣舉反循環(huán)的工作原理是通過鉆桿外附著的風(fēng)管，將壓縮空氣送入泥漿面以下一定深度，然后注入到鉆桿內(nèi)腔中，內(nèi)腔中的壓縮空氣與泥漿充分混合，形成比重較小的泥漿、空氣混合物，該混合物沿鉆桿內(nèi)腔迅速上升，直至通過鉆桿頂端的出漿管排出孔外。在持續(xù)作用下，鉆桿內(nèi)壓縮空氣注入點(diǎn)以上的泥漿全部轉(zhuǎn)換成比重較小的水氣混合物，鉆桿內(nèi)外壓力失衡，鉆桿底部的泥漿攜帶鉆渣不斷被吸入鉆桿，然后上升排出，流入沉淀池。沉淀后的泥漿又通過泥漿溝重新流入孔內(nèi)，補(bǔ)充孔內(nèi)水頭高度。如此往復(fù)循環(huán)，達(dá)到置換泥漿、清除孔內(nèi)鉆渣的目的。氣舉反循環(huán)的工作原理如圖1所示。

2.2　主要設(shè)備

該橋主墩樁基礎(chǔ)施工采用ZSD250型反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，該鉆機(jī)為全液壓動(dòng)力，最大鉆徑2.5 m，最大鉆深120 m，最大提升力為100 t。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，選用空壓機(jī)出氣量為12 m3/min、最大壓力為1.0 MPa的電動(dòng)空壓機(jī)，可以滿足施工要求。

3氣舉反循環(huán)工藝的技術(shù)要點(diǎn)

3.1　壓縮空氣注入點(diǎn)的深度要求

氣水混合器的主要作用是將壓縮空氣送入孔內(nèi)一定深度處的鉆桿空腔內(nèi)，從而在鉆桿內(nèi)形成水、氣混合物。如果該處沉入水下深度過小，會造成鉆桿內(nèi)外的壓力差過小，導(dǎo)致循環(huán)排量過?。蝗绻寥胨律疃冗^大，則會增大空氣壓縮機(jī)的負(fù)荷，減小排氣量，導(dǎo)致鉆桿內(nèi)泥漿上升速度下降，循環(huán)效率降低，需要采用更大型的空壓機(jī)才能滿足施工要求。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和力學(xué)計(jì)算，當(dāng)混合器在0.55～0.65孔深處時(shí)效率較高，過淺或過深都會影響循環(huán)效率。

圖1　氣舉反循環(huán)的工作原理

3.2　反循環(huán)最小孔深

由氣舉反循環(huán)原理可知，要建立泥漿循環(huán)，必須使孔底鉆桿外壓力大于鉆桿內(nèi)壓力，才能將泥漿吸入鉆桿。即：

h孔·γ泥>h混·γ泥+(h孔-h混+h出)·γ混

(1)

式中:h孔——最小孔深,m;

h混——混合器至孔底距離,m;

h出——鉆桿頂端出漿口至孔口距離,m;

γ泥,γ混——分別為泥漿和混合液的比重,取γ泥=1.15t/m3,γ混=0.6t/m3。

設(shè)混合器至孔底距離為3.8 m，鉆桿頂端出漿口至孔口距離為5 m，帶入(1)式計(jì)算得到最小孔深為9.25 m。

在開孔階段，考慮到需保證成孔質(zhì)量和孔壁穩(wěn)定，以及反循環(huán)的流量要求，通常在開孔階段采用正循環(huán)鉆進(jìn)，待孔深到25 m左右時(shí)開始使用反循環(huán)鉆進(jìn)。

3.3　壓縮空氣注入點(diǎn)位置調(diào)整

隨著孔深的不斷增加，孔深每增加9 m，壓力增加0.1 MPa?？紤]到空壓機(jī)性能的限制和工作效率，需要根據(jù)孔深和空氣壓縮機(jī)壓力調(diào)整混合器在泥漿中的位置，以充分發(fā)揮空壓機(jī)性能，保證孔底鉆渣能有效地排出。當(dāng)壓力達(dá)到0.8 MPa時(shí)，應(yīng)該提高混合器在孔中的高度，只要滿足沉沒比(混合器到孔口的距離/孔深)>0.55即可。

3.4　孔深與空氣壓力的關(guān)系

相對于泵吸反循環(huán)而言，氣舉反循環(huán)的鉆進(jìn)效率隨著孔深的增加而不斷提高。在不考慮管道阻力以及混合器的沉沒比固定在0.55的情況下，不同孔深時(shí)計(jì)算的鉆桿底部內(nèi)外壓力差如表1所示。

表1　鉆孔深度與鉆桿內(nèi)外壓力差關(guān)系

由表1可以看出，孔深在30～50 m時(shí)，壓力差較小，鉆進(jìn)效率較低，這時(shí)往往需要借助較大的沉沒比來增加鉆桿內(nèi)外的壓力差。而隨著孔深的不斷增加，鉆桿內(nèi)外的壓力差不斷增大，氣舉反循環(huán)的排漿量也隨之增加。

3.5　二次清孔

在灌注水下混凝土前，應(yīng)對孔底進(jìn)行二次清孔，以減小孔底沉渣厚度，保證成樁質(zhì)量。清孔同樣采取氣舉反循環(huán)工藝進(jìn)行，在導(dǎo)管內(nèi)插入1根風(fēng)管，將壓縮空氣送至0.6倍孔深處即可。在導(dǎo)管頂端接出漿管，將排出的泥漿送至沉淀池中。

4氣舉反循環(huán)工藝施工注意事項(xiàng)

(1)氣舉反循環(huán)工藝對鉆桿的氣密性要求較高。如果鉆桿接頭氣密不嚴(yán)，會導(dǎo)致壓縮空氣從鉆桿中部泄漏，造成壓力損失，降低循環(huán)效率，嚴(yán)重時(shí)可能造成鉆桿內(nèi)壓力差不足，導(dǎo)致泥漿循環(huán)失敗。因此，在鉆機(jī)開鉆之前必須對每套鉆桿進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。在連接鉆桿時(shí)，需將法蘭圓盤的接觸面清理干凈，防止因接縫處夾有殘留的污泥導(dǎo)致鉆桿連接質(zhì)量不佳，鉆桿法蘭的連接螺栓應(yīng)擰緊。如果孔內(nèi)泥漿冒泡嚴(yán)重，應(yīng)及時(shí)停止循環(huán)，提鉆進(jìn)行檢查，防止氣流刺壞鉆桿或孔壁。

(2)壓縮空氣注入點(diǎn)的深度要合適。壓縮空氣注入點(diǎn)(即氣水混合器的位置)安裝在0.55～0.65倍的孔深時(shí)效率最高。遇出漿量減少或空壓機(jī)負(fù)荷增大時(shí)，應(yīng)注意調(diào)整注入點(diǎn)的位置。

(3)在下放鉆桿時(shí)，不應(yīng)直接將鉆頭放到孔底，而應(yīng)在接近孔底時(shí)先開動(dòng)空壓機(jī)建立循環(huán)，然后開動(dòng)鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)鉆頭緩慢下放，以免孔底沉淀的鉆渣堵塞鉆頭進(jìn)漿孔。

(4)在鉆進(jìn)過程中，應(yīng)根據(jù)泥漿排渣情況控制鉆進(jìn)速度，鉆渣較少時(shí)可適當(dāng)增加鉆壓，反之則應(yīng)減小鉆壓，以提高鉆孔效率。

(5)氣舉反循環(huán)鉆孔工藝在孔深較淺時(shí)鉆進(jìn)效率低，相對于正循環(huán)或泵吸反循環(huán)工藝，使用的設(shè)備較多，能耗較大，工藝復(fù)雜，當(dāng)孔深在50 m以上時(shí)才能發(fā)揮其效率。因此，氣舉反循環(huán)鉆孔工藝適合于孔深>50 m的鉆孔樁施工。

(6)在漏水地層或地下水貧乏的地區(qū)施工時(shí)，應(yīng)有充足的水源供給，才能保證氣舉反循環(huán)的正常鉆進(jìn)。通常要求泥漿池與孔內(nèi)連通并不斷補(bǔ)給，不能使循環(huán)液斷流。必要時(shí)，采用泥漿泵向孔內(nèi)補(bǔ)充泥漿。

5結(jié)語

氣舉反循環(huán)鉆孔工藝的泥漿上返速度快，攜帶鉆渣能力強(qiáng)，具有鉆進(jìn)效率高、鉆頭壽命長的特點(diǎn)，很好地解決了大口徑、深孔樁基礎(chǔ)施工中泥漿上返速度慢、鉆渣不能及時(shí)帶出、孔底鉆渣重復(fù)破碎的現(xiàn)象，提高了鉆孔效率。同時(shí)，采用該工藝清孔能更徹底地清除孔底沉淀，且清孔速度快，可縮短工期，降低施工成本，提高樁基質(zhì)量。

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(編輯盛晉生)