氣舉反循環清孔工藝在大直徑超長鉆孔灌注樁施工中的應用淺析

潘云

摘 要：鉆孔灌注樁施工中，樁底沉渣厚度直接影響鉆孔灌注樁的承載能力，因此清孔工藝的選擇尤為重要。以鐘祥漢江公路二橋主橋樁基施工為背景，在大直徑超長鉆孔灌注樁施工中，采用正循環式和氣舉反循環式兩種清孔方式進行對比，分析兩種清孔方式的工藝原理和施工工藝流程。結果表明，氣舉反循環式清孔工藝能有效壓縮清孔時間，提高成樁質量，從而合理壓縮工期，具備一定的經濟和推廣價值。

關鍵詞：氣舉反循環;大直徑;鉆孔灌注樁;沉渣

中圖分類號：U445.55 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0125-02

0 引言

近年來，伴隨著我國交通事業的飛速發展，各類橋梁的修建已經成為各種交通設施的重要組成部分。橋梁作為跨越江河湖海、深溝峽谷等障礙最重要的構筑物，是交通設施互聯互通的關鍵節點和樞紐工程，而各類大跨度橋梁的廣泛引用使得各種大直徑超長鉆孔灌注樁在橋梁施工中被普遍應用。鐘祥漢江公路二橋位于湖北省鐘祥市，漢江常水位下河寬約600余米，主橋設計為（95+2×160+95）m連續箱梁跨越，基礎地質情況為細砂層約為12m，卵石層、強風化泥巖和泥質粉砂巖約11m，余下地層為泥質粉砂巖、中風化泥巖，中風化泥巖作為主橋樁基礎持力層，主墩設計采用13根直徑為2.2m的大直徑樁基礎，其中11#墩、13#墩設計樁長為79m，12#墩設計樁長為81m，最大設計孔深92.5m，搭設鋼管貝雷架鉆孔平臺施工樁基礎，并選用機械化程度高，施工效率高，環保的旋挖鉆機進行樁基施工。

1 旋挖鉆施工工藝

主橋區域內中風化泥巖及中風化泥質粉砂巖最大抗壓強度為24.7MPa，因此選擇使用TR400C型旋挖鉆機進行鉆孔樁施工。鉆進過程采用膨潤土和黏土進行造漿護壁，防止塌孔，鉆進至設計深度后，根據旋挖鉆機的特點，提出鉆桿后靜置20分鐘，待孔內鉆渣沉淀后采用旋挖鉆機空轉鉆斗撈渣，安裝鋼筋籠，安裝導管，清孔，測量孔深及孔底沉渣厚度合格后灌注水下混凝土。

2 樁底沉渣厚度對鉆孔灌注樁承載力的影響

公路橋涵規范規定摩擦樁灌注混凝土前孔底沉渣厚度不超過15cm，端承樁灌注前沉渣厚度不超過5cm，沉渣厚度控制的好壞與否直接影響鉆孔灌注樁成樁質量，資料顯示孔底沉渣厚度過厚將導致單樁極限承載力降低11%～25%，同時也對樁身軸向力、樁側摩阻力有較大的影響[1]。當樁底沉渣厚度較大時，其承載性能降低，當樁體承受荷載達到一定程度后，導致沉渣發生壓縮變形，進而樁底產生較大位移，從而造成樁身與土體之間發生相對滑動，從而影響鉆孔樁承載力，樁底沉渣厚度大小不僅影響樁端阻力發揮，而且會影響樁側阻力發揮，尤其對距樁端20m以下范圍樁側阻力影響更大，沉渣厚度越大，樁側阻力發揮值越小，嚴重時側阻力僅為經驗值的一半[2]。因此，采取有效的清孔方式降低孔底沉渣厚度是控制成樁質量的重要環節之一。

3 清孔工藝選擇

清孔是利用流動的泥漿卷起樁底的固體沉渣，帶動沉渣上升，隨著泥漿流動，固體沉渣隨著泥漿一起排出，從而將沉渣逐漸清除。根據清孔設備和泥漿循環方向的不同一般分為正循環式清孔、泵吸反循環式清孔、氣舉反循環式清孔[3]，施工中正循環式清孔最為常見。

3.1 正循環換漿清孔工藝

正循環換漿清孔原理：把比重小于1.1的新鮮泥漿通過泥漿泵壓入孔底，送到孔底的泥漿攜帶孔底沉渣經過灌注導管和孔壁之間的空間返回到地面，通過循環槽和沉淀池進行沉淀，最后進入泥漿池循環[4]。

優點：設備簡單，僅需要泥漿泵和導管，無需額外增加設備。

缺點：清孔換漿時間長，過程中易因砂卵石和流沙層的出現而發生坍孔現象;泥漿泵清除孔底稍大卵石和泥塊困難;如果泥漿泵的功率較小，將出現較大體積的沉渣懸浮固定在一定高度無法順利排出的情況，同時隨著孔深增加，泥漿泵的清孔能力會出現急劇下降;而對本項目樁基直徑達2.2m，最大施工孔深達93m左右的大直徑鉆孔樁而言，在導管周圍小范圍內泥漿泵壓入的泥漿產生較大流速可以帶動沉渣，而距離導管較遠位置的沉渣卻極難被清除，孔底呈凹形，在施工中經常出現在樁孔四周測得沉渣厚度相差較大的情況，因此正循環清孔方式不適宜大直徑和樁長較長的樁基清孔。

3.2 氣舉反循環清孔工藝

在導管安裝完成后，樁身混凝土灌注前，將空壓機的壓縮空氣，通過安裝在導管內的風管壓入孔內，泥漿經高壓氣流沖擊，在導管內與泥漿混合后形成由空氣、液體（泥漿）與固體（浮渣）混合的混合物。因混合物的密度小于導管內泥漿的密度，會在導管內上升，從而在導管內外形成負壓，下部的泥漿在負壓的作用下上升，底部孔外的泥漿不斷補充進入導管內部，導管底部新進入的泥漿與高壓氣體形成漿氣混合物后繼續流動上升，由于導管的截面積遠小于樁孔截面面積，所以在導管內形成了流速極大的泥漿流，泥漿攜帶廢渣通過導管頂部排漿口噴出[5]。圖1為氣舉反循環原理示意圖。

優點：清孔速度快，效果好，對大塊泥塊、鵝卵石清除徹底，沉渣厚度可以控制在設計、規范要求范圍內。

4 氣舉反循環清孔工藝技術參數及施工要點

4.1 氣舉反循環清孔工藝技術參數選擇

氣舉反循環清孔時所需風壓P的計算：

P=γ·H1/1000+ΔP

式中：γ為泥漿密度，一般取12kg/m3;H為風管安裝深度（m），一般取孔深的0.6倍;ΔP為供氣管道壓力損失，一般取0.05～0.1MPa。

根據計算所需最大風壓為0.75MPa，施工現場配備DSR-100AZ直聯螺桿式空壓機，最大風量11.6m3/min，最大排氣壓力1.0MPa，以滿足清孔時所需風壓。

4.2 氣舉反循環清孔施工要點

（1）清孔設備安裝時，應將堵頭板、送風管接頭安裝緊密，確保不漏氣、管路暢通，否則會直接影響清孔效果。（2）導管管底距沉渣面30～50cm，風管在導管內下放深度控制在孔深的0.6左右，風管底部1m范圍內打開孔，圓周方向4排，直徑8mm，每排5個，間距20cm。（3）開啟空壓機前應先往樁孔內補足泥漿，清孔完成后，先關閉空壓機，再停止補漿。在清孔時，由于孔底部存在較大負壓，應及時補漿，保持孔內水頭高度，避免因補漿不及時導致坍孔。（4）空壓機的送風量應該逐漸增加，樁底沉渣較厚時，應當增加空壓機風量，同時上下晃動導管，使沉渣更容易排出。必要時，可以采用榔頭敲擊導管，減少堵塞的可能性。（5）當孔底沉渣排出一段時間后，應當及時調整導管高度，以確保導管距離孔底沉渣頂面的高度不變。（6）孔口的用以濾篩沉渣的篩網應及時清理，防止沉渣重新流入孔內。（7）在清孔過程中，要隨時采用泥漿三件套測定泥漿指標，防止發生坍孔事故。（8）清孔完成后，孔內的泥漿比重應處于1.03～1.1，黏度17～20s，含砂率<2%，孔底沉渣厚度≤15cm[6]。（9）清孔完成后應在10min后在進行水下混凝土灌注，對導管及孔內氣壓進行自然緩壓，使導管內與孔內氣壓持平，防止導管內負壓造成混凝土灌注時氣壓逆推混凝土堵管。

5 氣舉反循環清孔工藝運用效果

（1）正循環換漿清孔過程中，部分濃度高、密度大的沉渣，無法徹底清除，在混凝土灌注時隨著混凝土面升高隨之上升，從而增大了混凝土灌注阻力，這種現象在混凝土灌注臨近結束時特別明顯，通過觀察，此時孔內排出的泥漿，密度濃度明顯增加，流動困難，偶爾有大塊的絮狀泥塊出現，若處理不及時很容易伴隨導管上下提升而被裹入混凝土中，從而造成樁頭混凝土質量差、強度低、樁身夾泥等種種質量問題，而采用舉反循環清孔工藝后，一般直徑在10cm以內的鵝卵石或泥塊也可以從孔底清出，沉渣少，混凝土灌注順暢，成樁質量明顯提高。（2）由于采用正循環換漿清孔達不到設計沉渣厚度要求，經常出現孔底導管位置沉渣符合要求而四周沉渣厚度超標，甚至引橋部分樁基檢測結果顯示樁底沉渣過厚的情況，在更換設備采用氣舉反循環清孔工藝后，孔底沉渣厚度最終符合設計要求，超聲波檢測結果顯示樁底無沉渣過厚情況出現。（3）項目施工初期，全橋樁基均采用正循環換漿清孔施工工藝，清孔時間達8～10h，后期采用氣舉反循環清孔工藝后壓縮至1～2h左右;引橋樁基采用氣舉反循環清孔工藝后清孔時間也從5～6h壓縮至1h以內，大大縮短了清孔時間，降低了塌孔、縮孔風險，提高了混凝土灌注效率，從而保證了樁身質量，避免后期因樁基承載力不合格導致的處理費用，同時采用氣舉反循環二次清孔工藝后，泥漿清運成本也得到了降低。

6 結語

工程實踐證明，在大直徑超長鉆孔灌注樁施工中，氣舉反循環清孔工藝具有清孔效率高，效果好的顯著優勢，有效確保了連續梁主橋樁基施工質量，同時由于施工效率的提高也為本項目合理壓縮了工期，從而壓縮了項目施工成本，帶來了一定的施工效益，結合本項目形成的有關氣舉反循環清孔工藝，可為后續大直徑，超長樁長樁基施工提供施工參考。

參考文獻

[1] 吳立春，王偉.樁底沉渣對鉆孔灌注樁承載力影響的試驗研究[J].工程勘察，2009（S2）：351-355.

[2] 曹俊楠.含缺陷樁的樁基礎豎向承載力與沉降的實用分析方法[D].天津大學，2012.

[3] 史佩棟.實用樁基工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1999：1-959.

[4] 史佩棟樁基工程手冊：樁和樁基礎手冊[M].北京：人民交通出版社，2008.

[5] 劉磊，劉曉青，張飛.復雜地質條件下的超長樁施工技術[J].建筑施工，2010，32（11）：1126-1129.

[6] JTG/T F50-2011.公路橋涵施工技術規范[S].