泵吸反循環成孔工藝在砂質軟土地基中的應用研究*

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 工程背景

昆山市中環快速化改造工程地處長三角太湖沖積平原地區，地層中含砂率極高，自地面以下約15 m范圍內為黏土層和粉質黏土層，具有較好的自然造漿能力，但自15 m范圍以下，粒級在0.075～0.25 mm的細砂含砂率約為40%，黏粒含量僅為3%～5%，其余為粉細砂并局部夾有塊狀砂巖，須人造泥漿施工。

根據工程的實際情況，可選擇旋挖鉆機、正循環成孔反循環清孔、反循環成孔的施工工藝，采用反循環成孔可有效地縮短成孔時間，確保泥漿的攜渣能力，減少對孔壁的擾動，保證成孔的質量。

2 工藝概述

泵吸反循環是通過砂石泵的抽吸作用，在鉆桿內腔形成負壓，在孔內液柱和大氣壓的作用下，孔壁與環狀空間的沖洗液流向孔底，將鉆頭切削下來的鉆渣帶進鉆桿內腔，再經過砂石泵排至地面沉淀池內；沉淀鉆渣后，沖洗液流向孔內，形成反循環。

試成孔設備選用GPS-20型回旋鉆機和4PL-B立式砂石泵（圖1），鉆頭采用單腰帶三翼鉆頭，直徑不小于設計樁徑。泥漿系統采用人工造漿和自然造漿相結合方法，含砂率不超過4%，膠體率95%以上，泥漿相對密度1.05～1.15，黏度18～24 s。

圖1 反循環成孔設備

采用反循環鉆進成孔施工工藝成孔時，嚴格按照操作規程減壓低速（最低擋）鉆進，保證開孔的垂直度，并減少對孔底的擾動。

3 施工過程的控制[1-4]

為有效利用淺層土的造漿能力，減少自拌泥漿量，在上部約10 m深度鉆進時，采用正循環自然造漿的方式成孔，利用泥漿開孔，并根據泥漿參數情況隨鉆進逐漸加水，將產生的泥漿經除砂器除砂并三級沉淀后回抽至鉆孔，同時將部分自造泥漿抽至貯漿池。當鉆進深度達到約10 m時（根據鉆孔部位的地質資料和泥漿參數確定，一般控制在3 節鉆桿），改用反循環成孔。

反循環成孔的泥漿參數主要應滿足泥漿護壁的要求，孔底沉渣靠鉆桿內的高速流動的泥漿帶出，不必考慮泥漿的攜渣能力，相反，孔底的泥漿黏度有利于粉細砂在泥漿循環過程中的沉淀。根據地質情況和試成孔的結果，在反循環成孔過程中，入孔泥漿黏度控制在18～19 s，含砂率控制在2%左右，相對密度控制在1.1左右。

反循環開鉆前將鉆頭提高至距離孔底（反循環成孔深度）30～50 cm，將孔內注滿泥漿，打開真空管路使氣水暢通，然后啟動真空泵產生負壓，待泥漿泵充滿水時關閉真空泵，立即啟動泥漿泵。當泥漿泵出口真空壓力達到0.2 MPa以上時，打開出水控制閥，把管路中的泥水混合物排到沉淀池（圖2），形成反循環，啟動鉆機慢速開始鉆進。

由于反循環成孔過程中，鉆頭只需將孔底土層擾動，孔底的渣土即隨泥漿流抽出，因此應嚴格控制鉆進速度和鉆壓，防止鉆進后出現頸縮現象。原則上全部采用吊鉆的方式以低擋鉆進，進尺速度控制在每節鉆桿鉆進約40 min，遇到含砂巖土層時，采用暫停進尺，充分排渣的方式減少巖塊堵鉆現象的發生（圖3）。

圖2 成孔后沉淀池內沉渣

圖3 成孔過程中抽出的巖塊

為確保成孔過程中的泥漿有效補給（此為反循環施工控制的重點之一），宜采用泥漿沉淀后自流回孔內，適時補充泥漿的方式進行成孔。

在鉆進過程中，每5 m進尺應對泥漿性能進行測試，并及時調整泥漿指標，確保成孔過程中的泥漿穩定性。

在成孔過程中，泥漿池循環溝應經常疏通，泥漿池應定期清理沉渣，并及時外運。

終孔后立即進行清孔，將鉆錐提起30～50 cm，并保持泥漿的正常循環，將相對密度1.05～1.15的泥漿流入孔內，將鉆孔內懸浮較多的泥漿換掉，清孔時間根據泥漿相對密度及清孔過程中測量沉淀厚度來定。清孔過程中必須設有專人撈取鉆渣，加快清孔的速度。清孔時間以換完孔內原漿為準，并隨時作泥漿指標檢測，取樣宜從排漿口進行，泥漿指標同原漿。清孔時護筒中泥漿水位應注意保持穩定，以防止鉆孔的任何塌陷。清孔時孔內水位要高出地下水位0.5 m以上。

清孔完成后，及時提出鉆桿，并對成孔后的孔徑情況、泥漿參數等進行自檢，自檢合格后及時下放鋼筋籠。

由于樁徑較大，孔口焊接時須保證至少有3 名焊工同時焊接，或采用直螺紋孔口連接的方式，減少鋼筋籠下放時間，同時，對樁長大的部位，采取2 節鋼筋籠地面拼接整體吊裝的方式大大減少下籠時間。對有超聲波檢測管的工程樁，須保證超聲波管的固定牢固和連接密閉性，并在安裝完成后注滿清水。對鋼筋籠的每節接頭，在連接完成后均須留下影像資料，以備檢查連接質量。

鋼筋籠下放完成后，應立即下放導管，并利用導管進行二次清孔，二次清孔采用反循環工藝（泵吸或氣舉反循環），以出口泥漿參數達到設計要求為準。

二次清孔后，在30 min內開始澆筑混凝土，混凝土初灌量經計算確定，并應保證連續澆筑，在澆筑過程中，經孔內泥漿抽至儲漿池內做后續施工使用。最后階段被混凝土污染的泥漿直接抽至廢漿池外運。混凝土澆筑完成后，及時檢測超聲波管的完好性，發生堵管現象及時處理或在相鄰樁位重新布設。

4 成孔質量控制重點[5,6]

開始鉆進時保持低擋慢速鉆進，剛開鉆時泥漿相對密度有一個相對穩定的時期，每隔30 min檢測泥漿指標并及時調整；根據鉆桿進尺，當鉆頭接近護筒底部時，要特別注意將鉆進速度放至最慢擋位且調整泥漿相對密度，使護筒底部有足夠的泥漿護壁，防止護筒底部薄弱環節出現坍孔。在鉆進過程中要控制進尺，輕壓、低擋慢速進行，施工中將鉆頭適當提起，防止出現鉆頭及鉆桿的質量全部靠孔底承受，形成擴孔。接鉆桿前，待泥漿循環2～3 min后，并使反循環系統延續工作至孔底沉渣基本排凈，然后關閉泥漿泵，將鉆頭提離孔底，再加接鉆桿。此時需要仔細檢查鉆桿接頭的磨損及密封情況，以防止漏氣、漏水。

鉆進中不得隨意提動鉆具，孔壁不穩定地層提升作業時一定要采取回灌措施，保持水頭高度以防坍孔。鉆進過程中要經常檢查鉆機的水平情況，以此保證鉆桿的垂直度，確保成孔質量。

保持孔內水位并經常檢查泥漿相對密度。在鉆進過程中，始終保持孔內水位高于地下水位0.5 m以上。并控制鉆進，及時排渣、排漿，現場采用泥漿泵排漿，多余泥漿采用泥漿泵抽至泥漿池中循環利用，防止污染河水。

接換鉆桿或因其他原因短時停鉆再次開鉆時，應按開孔時處理。若因特殊原因長時間停鉆時，應提出鉆頭。接換鉆桿或提升鉆頭應平穩，防止沖撞護筒和護壁。

鉆孔作業應分班連續進行，并詳細填寫施工記錄，交接班時應交待鉆進情況及下一班注意事項。

經常對鉆孔泥漿進行檢測和試驗，不合要求時應隨時改正。要經常注意地層情況，在地層變化處均應撈取渣樣，判斷后記入記錄表中并與地質剖面圖核對。