正循環鉆進反循環清孔工藝在鉆孔灌注樁穿越超厚砂層施工中的應用

張海寶，喻 濤，毛曉晴，鐘 斌，鄭生機

(中建三局基礎設施建設投資有限公司，湖北 武漢 430065)

鉆孔灌注樁作為樁基礎具有適用性強、承載力高、施工便捷的特點，正被應用于越來越多的項目建設中。鉆孔灌注樁在施工中常常面臨復雜的地質條件，如超厚砂層。

鉆孔灌注樁成孔工藝的好壞直接影響樁基礎的質量，穿越超厚砂層施工面臨塌孔、頸縮、沉渣過厚等施工難點。本文結合武漢東四環線橋梁工程鉆孔灌注樁施工，在吸收正循環、反循環成孔和清孔優點的基礎上，提出了一種正循環回旋鉆機鉆進成孔，終孔后采用空壓機進行反循環清孔的工藝，該工藝彌補了單獨采用一種方式成孔、清孔的缺點和不足，提高了穿越超厚砂層施工的成樁質量，加快了施工進度。

1 工程概況

1.1 總體概況

武漢市東四環線化工互通立交起止樁號為K6+444.7—K8+585.214，主線100%高架，共設匝道橋8座，匝道橋梁全長1 802.7m。橋梁上部結構為預制T梁及現澆箱梁，下部結構為柱式墩柱+肋板臺，鉆孔灌注樁共計706根。

橋梁樁基為鉆孔灌注樁，按摩擦樁設計，樁基混凝土采用C30混凝土，樁徑1.2～2m，樁長43～52m，砂層厚度均在20m以上，屬超厚砂層，樁基成孔過程中易出現塌孔、頸縮、沉渣厚度過厚等問題。

1.2 主要地層情況描述

本工程表層土為淤泥，其下一般為淤泥質黏土、粉質黏土、粉砂、粉細砂，底部基巖為強風化泥質粉砂巖。根據地層巖性特征，分述如下：①層淤泥 褐灰色，流塑狀態，分布于塘、湖表層，層厚0.5～2m，工程力學性質差；②1層淤泥質黏土 黃灰～灰褐色，流塑狀態，層厚2～8m，埋深較淺；②2層粉質黏土 灰褐色為主，軟塑狀態，土質較均勻，層厚0～11m，間斷分布；③1層粉砂 青灰色，稍密，層厚2～11m，局部夾薄層狀粉土或黏性土，廣泛分布；③2層粉細砂 青灰色，中密，層厚13～22m，廣泛分布；③3層礫砂 青灰色，中密～密實，層厚1～12m，間斷分布；⑤1層強風化泥質粉砂巖 紅褐色，泥砂質結構，分布廣泛。

2 穿越超厚砂層成孔工藝的比選和確定

2.1 穿越超厚砂層成孔工藝比選

鉆孔灌注樁的成孔工藝較多，目前常用的成孔工藝的適用條件及優缺點如表1所示。

表1 常用成孔工藝的適用條件及優缺點

表2 常用清孔工藝的主要優缺點

在穿越超厚砂層時，采用反循環回旋鉆機施工，由于砂石泵的抽吸作用，當施工速度較快時，極易導致塌孔；采用沖擊鉆施工，不僅施工速度慢、施工質量不易控制，而且由于頻繁提拉鉆頭，導致水位差不斷變化，也易發生塌孔；旋挖鉆機成本較高，但在軟土和砂層中掏渣效果較差。正循環回旋鉆機在施工中通過將泥漿壓入鉆桿底部，利用泥漿上浮攜渣，上浮后的泥漿經沉淀后再次壓入孔中，能始終保持相對穩定的水頭高度和泥漿密度，不存在真空負壓，適合穿越超厚砂層施工。

2.2 穿越超厚砂層清孔工藝比選(見表2)

本項目終孔后至鋼筋籠安裝完成間至少間隔5h，即使終孔后利用鉆機一次清孔，將沉渣控制在合理范圍內，經過5h后，在水壓和泥漿雙重作用下，沉渣厚度在該段時間內可由10cm增長至50～100cm，必須進行二次清孔。對比兩種清孔工藝，若繼續采用正循環清孔，因孔底沉渣層厚，沉渣僅依靠泵入泥漿的上浮力攜渣，泥漿從斷面較小的導管進入斷面大的樁孔中，上返速度慢，沉渣中密度大的顆粒物會回落，需反復循環清孔，清孔持續時間長，且清孔質量難以保證。若采用反循環清孔，因導管斷面遠遠小于導管與樁孔間的環狀斷面，在空壓機抽吸負壓的作用下，形成了上返速度極快、流量極大的氣漿混合物，沉渣隨氣漿混合物從導管中排出，清孔時間短，清孔效果好。

2.3 穿越超厚砂層成孔與清孔工藝組合

通過分析，在吸收上述工藝特點的基礎上，最終確定穿越超厚砂層鉆孔灌樁樁施工采用正循環鉆進反循環清孔相結合的工藝，該工藝解決了穿越超厚砂層施工中塌孔、沉渣過厚的技術難點，同時也可保證工程質量和進度，通過試樁工藝試驗和總結關鍵控制技術后在工程中得到大量應用。

3 正循環鉆進反循環清孔工藝試驗及驗證

3.1 正循環鉆進反循環清孔工藝試驗

對東四環線第三合同段主線橋左幅2，4號墩樁基成孔工藝進行試驗，該橋地質如圖1所示。樁長45m，樁徑1.8m，樁體需穿越約20.7m厚砂層施工。為驗證穿越超厚砂層組合工藝的可行性，試樁分別采用DJ1500型正循環回旋鉆機和FXZ350型反循環回旋鉆機施工，其中2-1號樁基采用反循環回旋鉆施工，2-3號樁基采用正循環鉆進+反循環清孔，4-1號樁基采用正循環鉆進+正循環清孔。試樁過程數據如表3所示。

試樁過程中，2-1號樁基鉆進速度快，在4.5h內鉆進了8m，穿越砂層施工時，雖然鉆機操作人員根據經驗適當降低了鉆進速度，但由于該處砂層密實度差，在抽吸負壓作用下仍出現塌孔，只能回填后采用其他方式鉆進。2-3，4-1號樁基鉆進成孔時間約27h，平均每小時進尺2m，穿越砂層施工時，及時調整了泥漿濃度，未出現塌孔。2-3號樁基終孔后采用空壓機進行反循環清孔，在1.5h時間內將孔底沉渣清至11cm；4-1號樁基采用泥漿泵進行正循環清孔，二次清孔7h，沉渣厚度仍有16cm。

圖1 試樁地質情況

表3 試樁過程數據

從以上數據不難看出，采用正循環鉆進反循環清孔工藝，在保證平穩穿越超厚砂層施工的基礎上，縮短了二次清孔時間，施工效率高，成孔質量好。

3.2 試樁質量試驗驗證

為了評價采用正循環鉆進反循環清孔工藝施工的鉆孔灌注樁的成樁質量，樁基成孔工藝結束后，對2-3，4-1號2根樁基分別進行了聲波透射法和鉆孔取芯試驗。聲波透射法試驗結果顯示，2根樁均為I類樁。取芯結果顯示2根試樁混凝土強度均滿足要求，但2-3號樁基樁底與基巖間基本無沉渣，沉渣厚度控制得更好。

3.3 正循環鉆進反循環清孔工藝試驗及驗證結論

反循環鉆進施工不適用于穿越超厚砂層施工，采用正循環鉆進反循環清孔和正循環鉆進正循環清孔2種工藝的成樁質量均滿足設計和規范要求，但反循環清孔的清孔效率遠遠高于正循環。

4 正循環鉆進反循環清孔工藝關鍵控制技術

4.1 正循環鉆進速度控制

1)正循環鉆進應根據不同土層采用不同的鉆進參數、鉆進速度，如表4所示。

2)鉆進過程中應勤掏渣、多記錄，根據掏渣結果與地質勘察進行比對，不得完全根據地質勘察結果控制轉速。

表4 不同地層鉆進參數、鉆進速度

3)當掏渣巖樣中砂含量顯著增高，而地質勘察結果顯示與砂層仍有一定距離時，宜將鉆機轉速控制在40r/min，鉆進速度控制在2.5m/h，加密掏渣取樣頻率，根據取樣結果判定是否提前進入砂層，合理調整鉆進速度。

4)確定鉆頭已進入砂層時，宜輕壓慢轉，泥漿泵不得全泵量沖孔，可通過適當增加泥漿濃度提高攜渣效果。

5)確定鉆頭已穿越砂層時，勻速提升鉆機轉動速度，泥漿泵全泵量沖孔，加速換漿，利用強風化泥質粉砂巖中相對穩定的孔壁迅速鉆進，縮短終孔時間。

4.2 穿越砂層泥漿性能控制

1)穿越砂層施工的鉆孔灌注樁宜采用膨潤土造漿，不同樁徑的膨潤土含量不同，1.5m及1.5m以下樁徑，膨潤土含量宜控制在7%～7.5%；1.8，2.0m樁徑，膨潤土含量宜控制在8.5%～9.5%。

2)整個施工過程中應進行泥漿性能的動態監測，每次掏渣取樣的同時進行泥漿性能檢測，同時對泥漿密度、含砂率、黏度等關鍵指標做好記錄。

3)穿越砂層施工前，泥漿密度可依據經驗取值，泥漿相對密度控制在1.15～1.25，含砂率<4%，黏度20～24s。

4)根據掏渣結果對比地質勘察結果，確定即將進入砂層或已進入砂層施工時，及時向泥漿池中投入膨潤土，持續換漿，穿越砂層施工泥漿相對密度控制在1.3～1.35，含砂率<2%，黏度25～28s。

5)穿越砂層施工時泥漿密度持續下降，此時應適當添加膨潤土以增加泥漿密度，增強護壁效果，膨潤土每5m添加量宜控制在4%為最佳，同時膨潤土不得無限制添加，一是成本將繼續增加，二是泥漿密度過大將增大泥皮厚度，后期降低樁基承載力。

6)穿越砂層施工過程中，流入沉淀池的泥漿含砂率較高，沉淀池可就地開挖也可采用鋼板制作的沉淀箱，但沉淀池在進行尺寸設計時應充分滿足砂礫沉淀所需的尺寸要求。

4.3 反循環清孔時間、清孔工藝控制

1)一次清孔仍以正循環清孔為主，終孔后至鋼筋籠安裝前不得提鉆，保持鉆頭低速轉動，泥漿泵全泵量沖孔，保證泥漿始終循環排渣，避免提鉆至鋼筋籠安裝間隔時間過長，泥漿再次沉淀，引起沉渣膠結或塌孔。

2)鋼筋籠安裝應選用操作熟練的施工班組，優化工序時間，盡量縮短一次清孔與二次清孔時間。

3)進行反循環清孔前應測量一次沉渣厚度，以此作為導管下放深度的參考，導管應高出沉渣面30～40cm為宜。

4)反循環清孔時應先向孔內補漿再送風，清孔結束時應先關閉空壓機再斷漿。

5)空壓機開始送風時應從大到小，風壓略大于孔底的水頭壓力，當遇到沉渣較厚或沉渣整體膠結時，可適當增大風壓，晃動出漿管，以利于清孔。

6)當沉渣較厚時，隨著沉渣厚度的減小，應適當下放導管，保持導管與沉渣面距離。

7)反循環清孔時，施工過程中清孔速度快，對于50cm厚沉渣，一般清孔1h為宜，具體可結合沉渣厚度適當調整清孔時間，但清孔時間宜≤2h，否則孔內持續受負壓影響，易發生塌孔，繼而影響整根樁基施工質量。

8)反循環清孔后泥漿相對密度控制在1.03～1.1，黏度17～20s，含砂率<2%，清孔各項指標合格后立即組織混凝土灌注。

5 結語

武漢東四環線通過工藝比選和試樁試驗，確定了采取正循環鉆進反循環清孔的工藝穿越超厚砂層施工，過程中總結出鉆進速度控制、泥漿性能控制、清孔時間、清孔工藝控制等一系列關鍵控制技術。主線橋所有鉆孔灌注樁已采用該工藝順利完成施工，經第三方樁基完整性檢測，Ⅰ類樁比例達到98%以上，施工質量好，施工進度快。

正循環鉆進反循環清孔工藝在東四環線鉆孔灌注樁穿越超厚砂層施工中取得成功，在當前建設環境下具有一定的推廣價值，可供具有相似地質條件的工程項目借鑒，但在施工中應嚴格關鍵技術的控制，強化施工組織，以確保工程質量和工程進度。