大直徑超深樁基泥漿凈化裝置清孔施工技術(shù)

徐同良 梁 偉

(1.東平湖管理局梁山黃河河務(wù)局，山東 濟(jì)寧 272000；2.東平湖管理局東平管理局，山東 泰安 271000)

八里灣船閘是京杭運河續(xù)建工程濟(jì)寧—東平湖段的重要組成部分，是連接南四湖與東平湖航線的重要梯級船閘。該船閘設(shè)在東平湖新湖區(qū)范圍內(nèi)，是航道進(jìn)入東平湖老湖區(qū)的通航建筑物。擬建場區(qū)地下水埋藏較淺，屬第四系孔隙潛水，水位年變化幅度不大。主要含水層為粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中砂及裂隙黏土。評價區(qū)位于華北地震區(qū)華北平原地震亞區(qū)邢臺—河間地震帶內(nèi)，該地震帶具有地震活動強度大、頻率低的特點，震源深度較淺，一般為10～30km。

項目施工中，上游靠船墩基礎(chǔ)采用氣舉反循環(huán)鉆機配合泥漿凈化裝置清孔施工工藝，加快了施工進(jìn)度，提高了施工質(zhì)量。大直徑超深鉆孔灌注樁以其承載能力高、工藝成熟、對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點，近年來得到廣泛應(yīng)用，但成樁質(zhì)量難以控制，有時會出現(xiàn)縮徑、孔底沉渣過厚、樁身混凝土離析等質(zhì)量事故，導(dǎo)致樁基的承載能力和摩擦力較低甚至不符合規(guī)范要求。樁基清孔工藝是決定清除孔底沉渣效果的主要因素，因而也是樁基質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁施工采用正循環(huán)鉆進(jìn)、正或反循環(huán)清孔成孔工藝，而氣舉反循環(huán)清孔工藝其清孔效果遠(yuǎn)好于一般清孔工藝。針對卵石混細(xì)中砂、粉細(xì)砂、細(xì)中砂、中粗砂、圓礫混中粗砂層復(fù)雜地質(zhì)條件下的大直徑超深樁基，采用氣舉反循環(huán)結(jié)合泥漿凈化裝置清孔濾砂新技術(shù)，可取得更好的效果。

1 施工工藝特點

氣舉反循環(huán)結(jié)合泥漿凈化裝置清孔濾砂新技術(shù)具有以下工藝特點：

a.泥漿凈化裝置結(jié)合氣舉反循環(huán)鉆機在鉆進(jìn)及清孔的過程中能提高鉆孔作業(yè)的效率，保證泥漿的性能指標(biāo)以及孔壁穩(wěn)定，避免塌孔事故，同時可有效清除孔底沉渣、降低泥漿含砂率。常規(guī)的鉆孔施工一次清孔完成后泥漿含砂率在1%～2%之間，而泥漿凈化裝置可將泥漿含砂率降低到0.5%以下。

b.氣舉反循環(huán)鉆機施工速度快，單機每臺班(8h)可挖孔80～100m3；成孔垂直度高，垂直度可達(dá)1/300以上。

c.施工設(shè)備占地面積小、施工動荷載小，鉆機自重小，施工過程中無振動，孔壁穩(wěn)定性高。

d.泥漿的充分凈化有利于減少卡鉆事故、提高造孔質(zhì)量；對土渣的有效分離有利于提高造孔工效。

e.泥漿的重復(fù)使用有利于節(jié)約造漿材料，降低施工成本；泥漿的閉路循環(huán)方式及較低的渣料含水率有利于減少環(huán)境污染。

2 施工工藝原理

氣舉反循環(huán)清孔是將空壓機的壓縮空氣，通過安裝在導(dǎo)管內(nèi)的風(fēng)管送至樁孔內(nèi)，高壓氣體與泥漿混合，在導(dǎo)管內(nèi)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(dǎo)管內(nèi)混合器底端形成負(fù)壓，下面的泥漿在負(fù)壓的作用下上升，并在氣壓動量的聯(lián)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(xù)上升，從而形成流動，因為導(dǎo)管內(nèi)斷面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于導(dǎo)管外壁與樁壁間的環(huán)狀斷面積，便形成了流速、流量極大的反循環(huán)，攜帶沉渣從導(dǎo)管內(nèi)反出，排出導(dǎo)管以外。

采用氣舉反循環(huán)鉆機施工的大直徑超深鉆孔灌注樁，其清孔方式為：一次清孔由氣舉反循環(huán)鉆機動力頭出漿管與泥漿凈化裝置配合，過濾掉泥漿中的渣土及大顆粒砂粒后，泥漿通過回漿管返回孔內(nèi)；二次清孔時將鉆機移走，安放鋼筋籠、安裝灌注導(dǎo)管，泥漿凈化裝置與導(dǎo)管連通，啟動空壓機，打開送氣開關(guān)進(jìn)行二次清孔。目前這種清孔工藝可使泥漿含砂率控制在0.4%～0.6%。

每臺鉆機配備一臺泥漿凈化裝置，氣舉反循環(huán)鉆機出渣管與泥漿循環(huán)器(除砂箱)相連，一側(cè)安裝15kW的泥漿泵，另一側(cè)安裝旋流分離器。除砂箱能將泥漿中的渣土及大顆粒砂粒分離出來；泥漿泵高速循環(huán)泥漿產(chǎn)生切向速度將泥漿送入旋流分離器；旋流分離器使泥漿在離心力的作用下與砂粒分離。

泥漿凈化裝置是現(xiàn)代鉆孔設(shè)備不可缺少的重要組成部分，它能實現(xiàn)泥漿的凈化、循環(huán)等功能。解決了泥漿中含砂量高、鉆孔沉渣厚、清孔周期長等難題，保證了樁基施工質(zhì)量與進(jìn)度。

2.1 泥漿凈化裝置構(gòu)造

泥漿凈化裝置構(gòu)造見圖1，旋流分離器原理見圖2。

圖1 泥漿凈化裝置構(gòu)造 (單位：cm)

圖2 旋流分離器原理(單位：cm)

2.2 泥漿凈化裝置原理

泥漿凈化裝置由除砂箱、泥漿泵、旋流分離器、泥漿管道等組成，通過與氣舉反循環(huán)鉆機的鉆桿形成循環(huán)回路，保證了泥漿性能指標(biāo)，提高了鉆孔作業(yè)的效率和安全性。

泥漿凈化裝置循環(huán)的工作原理是樁基在鉆進(jìn)過程中孔內(nèi)鉆渣在氣壓作用下由鉆桿經(jīng)動力頭連接管進(jìn)入刮泥器,再經(jīng)0.5cm×0.5cm的篩網(wǎng)篩除后，超過0.5cm×0.5cm泥塊及卵石(固相顆粒)進(jìn)入渣箱，泥漿直接流入除砂箱。流入除砂箱的部分泥漿通過回漿口1、回漿口2流回孔內(nèi)，另一部分則通過泥漿循環(huán)入口進(jìn)入泥漿泵中循環(huán)。進(jìn)入泥漿泵的泥漿在經(jīng)過泥漿泵循環(huán)后，通過旋流器進(jìn)漿管沿旋流分離器切線方向進(jìn)入容器中,泥漿在離心力作用下高速旋轉(zhuǎn),細(xì)砂沉積在底部，經(jīng)人工打開除砂閥門由除砂口流出,含砂率較低的泥漿從旋流器出漿口流出，重新回到孔內(nèi)。此循環(huán)過程由鉆孔施工開始一直到一次清孔結(jié)束，每隔2h工人操作平臺清理篩網(wǎng)，防止篩網(wǎng)堵塞。

旋流分離器根據(jù)離心沉降和密度差的原理，當(dāng)泥漿在一定壓力下從旋流分離器進(jìn)漿口以切向進(jìn)入設(shè)備時，會產(chǎn)生強烈的旋轉(zhuǎn)運動，由于泥漿與砂密度不同，在離心力、向心浮力、流體曳力作用下，使密度低的泥漿上升，由旋流分離器出漿口排出，密度大的砂粒沉降到底部并由排砂口排出，從而達(dá)到有效除砂的目的。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程見圖3。

圖3 施工工藝流程

3.2 施工工藝流程中的操作要點

地質(zhì)條件復(fù)雜情況下的大直徑超深鉆孔灌注樁，因鉆機施工中泥漿可以平衡孔壁巖石側(cè)壓力，防止孔壁坍塌、抑制地下水、平衡地層流體壓力、清洗孔底攜帶巖屑等，所以泥漿是保證孔壁穩(wěn)定的重要因素。根據(jù)氣舉反循環(huán)鉆機施工工藝特點，采用優(yōu)質(zhì)膨潤土造漿或外購泥漿。膨潤土泥漿采用攪拌機拌制,通過凈化處理，泥漿循環(huán)使用。

鉆進(jìn)過程中泥漿如有損耗、漏出，應(yīng)及時補充漿液，泥漿補充采用泥漿凈化裝置回漿方式，其速度以保證液面始終在護(hù)筒面以上為標(biāo)準(zhǔn)，否則有可能造成塌孔，影響成孔質(zhì)量，并按時檢查泥漿指標(biāo)，遇土層變化應(yīng)增加檢查次數(shù)，適當(dāng)調(diào)整泥漿指標(biāo)。

3.2.1 鉆孔過程泥漿循環(huán)

鉆孔過程中孔內(nèi)鉆渣在氣壓作用下由鉆桿經(jīng)動力頭連接管進(jìn)入刮泥器,再經(jīng)0.5cm×0.5cm的篩網(wǎng)篩除后，超過0.5cm×0.5cm泥塊及卵石(固相顆粒)進(jìn)入渣箱而泥漿直接流入除砂箱。流入除砂箱的部分泥漿通過回漿口1、回漿口2流回孔內(nèi)，另一部分則通過泥漿循環(huán)入口進(jìn)入泥漿泵中循環(huán)。

3.2.2 一次清孔除砂

進(jìn)入泥漿泵的泥漿在經(jīng)過泥漿泵循環(huán)后，通過旋流器進(jìn)漿管沿旋流分離器切線方向進(jìn)入容器中,泥漿在離心力作用下高速旋轉(zhuǎn),細(xì)砂沉積在底部經(jīng)除砂閥門流出,含砂率較低的泥漿從旋流器出漿口流出，重新回到孔內(nèi)。

從鉆孔施工開始直至一次清孔結(jié)束泥漿凈化器配合氣舉反循環(huán)鉆機一直循環(huán)。在終孔后，及時進(jìn)行清孔，采用鉆機氣舉法自行換漿清孔，即用新拌泥漿置換孔內(nèi)高濃度泥漿，使孔內(nèi)泥漿比重、黏度、含砂率等指標(biāo)滿足要求。清孔時將鉆具提離孔底30～50cm，緩慢旋轉(zhuǎn)鉆具，經(jīng)泥漿凈化器補充優(yōu)質(zhì)泥漿，進(jìn)行反循環(huán)清孔，同時保持孔內(nèi)水頭，防止塌孔。

3.2.3 二次清孔除砂

一次清孔完成后，將氣舉反循環(huán)鉆機吊至下一樁基定位。在該樁基進(jìn)行鋼筋籠下放，然后安裝導(dǎo)管，導(dǎo)管與空壓機連接，泥漿凈化器與導(dǎo)管連通，啟動空壓機、打開送氣開關(guān)進(jìn)行二次清孔，二次清孔完成后拆除泥漿凈化器。

3.3 其他操作要點

a.須對清孔所使用的每套導(dǎo)管進(jìn)行氣密性試驗，與鉆桿的氣密性試驗類似，氣密性達(dá)到要求后才可進(jìn)行下一道工序。

b.導(dǎo)管下放深度以導(dǎo)管底端距離孔底淤泥面300～500mm為宜，風(fēng)管下端接氣水混合氣，下放至與泥漿面距離為孔深55%～65%位置。

c.空壓機開始送風(fēng)時應(yīng)先向孔內(nèi)補漿，嚴(yán)禁未補漿時空壓機送風(fēng)，此誤操作會導(dǎo)致樁孔漿液面瞬間下降，無法保證水頭壓力，進(jìn)而造成坍孔。清孔過程中，實時控制補漿量，嚴(yán)防補漿不足。清孔完畢后應(yīng)先關(guān)氣后斷漿。

d.送風(fēng)量應(yīng)由小到大，風(fēng)壓稍大于孔底水頭壓力，當(dāng)孔底出現(xiàn)沉渣較厚、塊較大或沉淀板結(jié)時，可適當(dāng)加大送風(fēng)量，并搖動導(dǎo)管，以便排渣。

e.隨著鉆渣的排出，孔底沉淤厚度較小，導(dǎo)管應(yīng)同步跟進(jìn)，保持導(dǎo)管底與沉淤面的距離始終在合適范圍。

f.由于氣舉反循環(huán)流速較快，為保證孔壁穩(wěn)定，需及時補充新鮮泥漿，保持孔內(nèi)水頭高度，防止造成塌孔。

3.4 成孔檢測

清孔過程中和結(jié)束時應(yīng)測量泥漿指標(biāo)，清孔結(jié)束時應(yīng)測定孔底沉渣，沉渣厚度小于100mm。清孔后孔內(nèi)泥漿指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 清孔后孔內(nèi)泥漿指標(biāo)參數(shù)

樁基清孔后采用灌注樁檢測系統(tǒng)(JJC-1EG)檢孔，主要檢測孔深、孔徑、傾斜度等。成孔檢測現(xiàn)場場景及檢測系統(tǒng)見圖4～圖5。

圖4 灌注樁成孔檢測系統(tǒng)

圖5 成孔檢測

4 結(jié) 語

本項施工技術(shù)已成功應(yīng)用于山東黃河?xùn)|平湖工程局承建的八里灣船閘工程C標(biāo)段、敬亭圩泵站和施工進(jìn)場道路施工。通過實踐應(yīng)用證明，泥漿凈化裝置結(jié)合氣舉反循環(huán)鉆機在鉆進(jìn)及清孔的施工過程中能提高鉆孔作業(yè)效率，保證泥漿的性能指標(biāo)，保證孔壁穩(wěn)定，避免塌孔事故，同時有效清除孔底沉渣、降低泥漿含砂率。較普通氣舉反循環(huán)結(jié)合泥漿凈化池清孔施工，提高了施工效率，保證了施工質(zhì)量，縮短了施工工期，減少了施工成本，且安全環(huán)保，社會和經(jīng)濟(jì)效益較好，具有很好的應(yīng)用推廣前景。