軟土地基正循環鉆孔灌注樁二次清孔工藝選擇及其最佳清孔時間研究

張 濤

(中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401121)

0 引言

軟土地基地質條件下的鉆孔灌注樁在施工時一般采用原土造漿。由于原土造漿的泥漿穩定性較差，孔內泥漿一旦停止循環，泥漿中懸浮的顆粒會在短時間內下沉造成沉積;另外，鉆孔灌注樁在成孔后、灌注水下混凝土以前還要進行下放鋼筋籠和導管2道工序，其時間間隔少則2 h，多則4～5 h或更長，在此時間內孔內泥漿中懸浮的顆粒勢必大量下沉而使孔底沉渣厚度超出規定范圍;同時，在下放鋼筋籠的過程中可能會因為鋼筋籠觸碰孔壁造成孔壁局部坍塌，或刮帶孔壁泥皮落至孔底，從而增大孔底沉渣厚度。因此，為保證鉆孔灌注樁成樁質量，在灌注水下混凝土前必須進行二次清孔。目前，二次清孔工藝種類繁多，主要包括氣舉反循環法［1-2］、換漿法［3-6］、抽漿法［7-8］、噴射法［9］。目前，文獻［1-9］主要是介紹軟土地基地質條件下鉆孔灌注樁二次清孔工藝，而對二次清孔時間的規律未進行深入研究。本文以南華分離式立體交叉隧道工程鉆孔灌注樁施工為背景，結合軟土地層互層多、黏聚力小、顆粒不均等特點，對二次清孔工藝的選擇以及最佳清孔時間的規律性進行了探討和研究，以獲得軟土地基條件下二次清孔時間的經驗公式，為類似工程提供參考。

1 二次清孔工藝簡述

在鉆孔灌注樁進行二次清孔作業時，具體采用何種清孔工藝應根據設計要求、鉆孔方法、機械設備和地質情況等因素來確定。一般來說，常見的鉆孔灌注樁二次清孔工藝主要有以下幾種。

1．1 抽漿法二次清孔工藝

在灌注水下混凝土的導管安裝后，通過特制彎管將導管與吸泥泵連接，以導管作為吸泥管抽除孔底沉渣和較稠泥漿達到二次清孔的目的。二次清孔后只需將特制彎管拆除即可開始灌注水下混凝土，方便快捷，但需要配備吸泥泵、特制彎管等設備，故適用于泵吸式反循環回轉鉆孔灌注樁。另外使用此工藝清孔時容易引起孔壁塌孔，操作時需特別注意。

1．2 氣舉反循環二次清孔工藝

氣舉反循環是一種清孔效果較明顯的清孔工藝。其清孔原理是利用空壓機的壓縮空氣，通過安裝在導管內的風管送至樁孔內，高壓氣與泥漿混合，在導管內形成一種密度小于泥漿的漿氣混合物，漿氣混合物因其比重小而上升，在導管內混合器底端形成負壓，下面的泥漿在負壓的作用下上升，并在氣壓動量的聯合作用下，不斷補漿，上升至混合器的泥漿與氣體形成氣漿混合物后繼續上升，從而形成流動。由于導管的內斷面積大大小于導管外壁與樁壁間的環狀斷面積，便形成了流速、流量極大的反循環，攜帶沉渣從導管內反出，排出導管以外。

由于返漿速度較大，氣舉反循環二次清孔工藝可以清運粒徑為100～150 mm的石塊，特別適用于巖基的鉆孔灌注樁。綜合來看，此工藝清孔速度快，清渣效果較好，但需要配備空壓機、風管及氣漿混合器等設備，且由于泥漿上返速度較快，其比較適用于巖基的孔樁，在土基特別是軟土地基條件下的孔樁容易造成塌孔，故具有一定的局限性。

1．3 換漿法二次清孔工藝

采用此工藝進行二次清孔的方法是在導管上直接連接泥漿泵進行泥漿循環，用比重小的稀泥漿將樁孔內的沉渣和比重大、砂率高的濃泥漿置換掉，然后立即灌注水下混凝土。本工藝對正循環鉆孔灌注樁來說，不需另加施工機具，且孔內仍為泥漿護壁，不易塌孔，適合軟土地基條件下的鉆孔灌注樁。缺點是清孔不太徹底，且清孔時間相對較長。若能把握好清孔時間并迅速進行水下混凝土灌注，該工藝能保證施工質量并體現其在土基或軟土地基條件下鉆孔灌注樁施工中的優越性。

1．4 噴射法二次清孔工藝

在灌注混凝土前對孔底進行高壓射水或射風數分鐘，使沉淀物飄浮后，立即灌注水下混凝土，以達到減少孔底沉渣的目的。此工藝清孔速度較快，但需要增加空壓機等專用機械設備，且在沉渣粒徑較大、沉渣厚度較大等情況下效果較差，一般較少采用。

2 二次清孔工藝選擇

軟土地基正循環鉆孔灌注樁包含軟土地基和正循環鉆孔2個要素。軟土地基意味著鉆孔、清孔過程中易塌孔，需要濃泥漿護壁，特別是在清孔時不能使用激烈的清孔方式;正循環鉆孔則決定了施工現場所具備的施工機具。根據各種二次清孔工藝的特點，結合軟土地基正循環鉆孔灌注樁所具備的2大要素，從經濟性、適用性以及清孔效果等方面進行了考慮。

1)經濟性。換漿法二次清孔工藝所采用的清孔機具與正循環鉆孔灌注樁的施工機具相同，不需要另外增加施工機具，而其他清孔方式均需額外增加專用的清孔機具，因此節約了額外的機具使用費。

2)適用性。抽漿法和氣舉反循環二次清孔工藝均屬較激烈的清孔方法，在軟土地基鉆孔灌注樁中使用容易引起塌孔;而軟土地基中的地層大部分分布有粉細砂層，經過此種地層的鉆孔灌注樁易坍塌且泥漿中懸浮的砂粒較多，終孔清孔后至導管安裝完畢的這一段時間內沉淀的沉渣較厚，用噴射法亦不適合。

3)清孔效果。只要清孔時間能夠掌握好，換漿法二次清孔工藝的清孔效果與其他清孔方式無異。

綜上所述，軟土地基正循環鉆孔灌注樁二次清孔施工時選擇換漿法二次清孔工藝較為合適。

3 二次清孔時間研究

在軟土地基正循環鉆孔灌注樁采用換漿法進行二次清孔時，若二次清孔的時間過短，孔內沉渣和大比重泥漿未完全置換出孔外，會造成孔內泥漿比重和沉渣量超標，影響成樁質量;若二次清孔的時間過長，則成樁時間相應較長，施工進度將會受到很大影響，且軟土地基條件下的鉆孔灌注樁可能會因為過久處于低濃度泥漿護壁的狀態下而發生局部坍塌，嚴重影響成樁質量。另外，由于不能確定二次清孔何時完成，在清孔過程中需要頻繁進行泥漿比重和沉渣厚度檢驗，大大增加了勞動強度，降低了工作效率。經驗表明，換漿法二次清孔的時間有一個最佳的時間點，離這個時間點過早或過晚結束清孔均不利于保證二次清孔的質量;因此，研究確定這樣一個有規律的二次清孔時間的經驗值或者經驗公式對于保證成樁質量、降低勞動強度和提高工作效率具有特別重要的意義。

經深入到佛山市順德快速干線高富路南華分離式立體交叉隧道的施工現場進行調查，發現影響換漿法二次清孔時間的主要因素有樁長、孔徑和泥漿泵流量。調查時觀察、記錄正在施工的每一根鉆孔灌注樁自開鉆到成樁的全過程，并在二次清孔時加大試驗檢測的頻率，以保證準確掌握二次清孔工作的時間點。為了進一步弄清楚各影響因素與二次清孔時間的關系，進行了以下統計分析工作。

3．1 樁長與二次清孔時間的關系

在現場選定一批樁長有比較性的鉆孔樁，采用相同的設備進行施工，然后根據成樁后的混凝土用量推算出每根樁的擴孔率(南華分離式立體交叉隧道工程所有鉆孔灌注支護樁設計均為φ100 cm鉆孔灌注樁，其孔徑的差別反映為擴孔率不同)，再對擴孔率相近的鉆孔樁二次清孔時間進行統計、比較、分析。樁長與二次清孔時間的關系如表1所示。

表1 樁長與二次清孔時間的關系Table 1 Relationship between pile length and secondary borehole cleaning duration

由表1可知:鉆孔灌注樁的二次清孔時間與樁長基本上成正比例變化。

3．2 孔徑與二次清孔時間的關系

在現場選定一批樁長相同的鉆孔樁，采用相同的設備進行施工，然后根據成樁后的混凝土用量推算出每根樁的擴孔率，再選取擴孔率有比較性的鉆孔樁的二次清孔時間進行統計、比較、分析。前面已經提到，南華分離式立體交叉隧道工程中的孔徑變化是以擴孔率來反映的，而與擴孔率直接對應的是孔的橫斷面面 積，也就是說，與二次清孔時間更直接對應的是各種不 同孔徑下的樁孔的橫斷面面積。為了更直接地反映孔 徑與二次清孔時間的關系，需要引入環空面積［2］的概 念:環空面積=孔的橫斷面面積-導管的橫斷面面積(南華分離式立體交叉隧道工程所用的導管直徑為25 cm)。擴孔率與二次清孔時間的關系如表2所示。

表2 擴孔率與二次清孔時間的關系Table 2 Relationship between borehole expansion rate and secondary borehole cleaning duration

由表2可知:鉆孔灌注樁的二次清孔時間與環空面積基本上成正比例變化。

3．3 泥漿泵流量與二次清孔時間的關系

在現場選定一批樁長相同的鉆孔樁，采用不同的泥漿泵進行施工，然后根據成樁后的混凝土用量推算 出每根樁的擴孔率，再對擴孔率相近的鉆孔樁二次清 孔時間進行統計、比較、分析。泥漿泵流量與二次清孔 時間的關系分析情況如表3所示。

表3 泥漿泵流量與二次清孔時間的關系Table 3 Relationship between slurry pump discharge rate and secondary borehole cleaning duration

由表3可知:鉆孔灌注樁的二次清孔時間與泥漿泵流量成反比例變化。

4 總結經驗公式

根據以上統計分析可以知道，二次清孔時間與樁長和由孔徑決定的環空面積成正比例變化，與泥漿泵流量成反比例變化。故先簡單歸納出二次清孔時間的經驗公式為

式中:T為二次清孔時間;L為鉆孔灌注樁長度;S為鉆孔灌注樁成孔后進行二次清孔時的環空面積;Q為泥漿泵的流量。

將現場數據代入式(1)進行驗證(考慮泥漿泵的實際流量約為額定流量的80%)，如表4所示。

由表4可知，公式中應有一個常量系數。考慮到第1次清孔程度、地質條件不同及施工經驗等因素影響，應賦予這些因素一個時間加成值(假定為t值)，故上述常量

系數應小于表中所列的比例值，決定取值為1．5。綜上，得出二次清孔時間的經驗公式為

5 實踐應用

根據南華分離式立體交叉隧道工程中已完成施工的鉆孔灌注樁的統計資料，取軟土地基地質條件下的其他因素t為2 min，并以擴孔率的平均值1．18計算本工程的平均環空面積為S=π×0．52×1．18-π×0．1252=0．88 m2，然后將數值代入經驗公式，計算出尚未施工的鉆孔灌注樁的二次清孔時間，再與實際施工時剛好完成二次清孔工作的時間進行比較，以驗證公式的正確性。二次清孔經驗公式驗證如表5所示。

表4 二次清孔計算時間與實際時間的關系Table 4 Calculated secondary borehole cleaning duration and actual secondary borehole cleaning duration

表5 二次清孔經驗公式驗證表Table 5 Verification of empirical formula for secondary borehole cleaning duration

由表5可見，該經驗公式具有較高的準確性，可以用來指導施工。

6 結論與討論

通過對南華分離式立體交叉隧道工程鉆孔灌注樁二次清孔時間的分析和施工實踐，得出經驗公式T=1．5LS/Q+t。其中，t值應根據第1次清孔程度、地質條件不同以及施工經驗等因素的變化情況進行賦值。鉆孔灌注樁施工過程中，尤其是樁基數量比較多的時候，掌握一個有規律的二次清孔時間的經驗值，對保證成樁質量、降低勞動強度和提高工作效率具有特別重要的實際意義。由于換漿法清孔原理的一致性，該經驗公式不僅僅適用于軟土地基條件下的鉆孔灌注樁，其對于其他多種地質條件下采用換漿法進行二次清孔的鉆孔灌注樁的現場施工亦具有一定的指導意義。

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