旋挖钻孔桩沉渣产生原因及二次清孔工艺优化选择

1旋挖钻孔桩沉渣产生原因及清孔工艺优化选择雷斌叶坤李榛柴源（深圳市工勘岩土工程有限公司，广东深圳518026）[摘要]随着旋挖钻孔灌注桩的广泛应用，桩底沉渣过厚成为突出的质量通病。本文结合作者从事旋挖钻孔灌注桩的施工实践，分析了桩底沉渣过厚产生的原因，介绍了六种泥浆正循环、反循环、无循环清孔工艺方法，并对比分析了各种清孔工艺的特点，提出了旋挖桩清孔工艺的优化选择方法。[关键词]旋挖钻孔桩；孔底沉渣；清孔工艺；优化选择TheCausesoftheSedimentattheHoleBottomofRotatingExcavationDrillingPileandtheOptimalSelectionofHoleCleaningMethodBinLei,KunYe,ZhenLi,YuanCai（ShenzhenGongKanGeotechnicalEngineeringCo.Ltd,ShenzhenGuangdong518026）Abstract:Withthewidelyapplicationoftherotatingexcavationdrillingcast-in-placepile,theoverweightingsedimentattheholebottomisbecomingoneofthemostprominentqualityproblems.Thisarticlehasanalyzedthecausesoftheoverweightingsedimentattheholebottom,whichisbasedontheauthor'sconstructionpracticeexperienceofworkingonrotatingexcavationdrillingcast-in-placepile.Inaddition,italsointroducessixholecleaningmethodsincludingtheslurrydirectcirculation,theslurryreversecirculation,thenon-cycle,andsoon.Andbythecomparisonanalysisofalltheholecleaningmethods,authorgivesanoptimalselectionmethodofcleaningprocessintherotatingexcavationdrillingpile.Keywords:rotatingexcavationdrillingpile;sedimentattheholebottom;holecleaningmethods;optimalselection1引言旋挖钻机具有机电一体化、钻孔速度快、入岩能力强、综合成本低、机动灵活、绿色环保等显著特点，随着旋挖钻机整体性能的提升，以及旋挖钻具的不断改进，旋挖钻孔桩已广泛应用于桩基础工程施工。据不完全统计，目前在深圳及周边地区使用的旋挖钻机数量已超过上百台，完成的各类基桩数量已超过总量的40%，预计数年后其使用量还将大幅提高。深圳桩基市场中旋挖钻机的大量推广应用只是在近些年，一大批国内外各种品牌、大小吨位、型号的系列旋挖钻机同时在使用，如：三一重工SR220、280、360、420Ⅱ，中联重科ZR220、250、280、360A、420，土力机械SR60、65、70、80、100，宝峨BG20、25、30、40，徐工XR220、280、360、460，上海金泰SH25、30、36等，一大批重点项目的桩基工程均由旋挖桩机完成，如：国信金融大厦、中国人寿大厦、腾讯滨海大厦、百度大厦、阿里云大厦、阿里巴巴大厦、东门新苑、农科香堤绿洲家园、、动漫大厦、海王星辰大厦、百郦大厦等等。旋挖机的使用，加快了桩基施工进度，减少了泥浆使用量，节省了工程造价，提升了现场文明施工水平。旋挖钻机自动化水平高，适应能力强。但受不同钻机的机械性能、人员操作水平、现场技术管理能力等存在的差异，特别是受场地地层条件的影响，加之行业尚未编制相关旋挖钻孔桩施工技规范，没有形成系统的工法研究，施工过程中大量的旋挖成桩的质量问题也随之产生，桩底沉渣过厚2即是较普遍的质量通病之一。桩底沉渣超标或过厚对桩基质量将产生严重的影响，主要体现在：沉渣过厚严重制约桩端承载力的发挥和增大桩的沉降位移，对桩基上层建筑整体结构安全会造成巨大不良隐患。鉴于以上问题，现行桩基规范对钻孔灌注桩孔底沉渣厚度提出了明确要求。在《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）中，规定端承桩沉渣厚度≤50mm，摩擦桩沉渣厚度≤100mm，许多地方性行业规范也出台明确规定对此进行约束。然而在实际施工中，由于对旋挖钻机操作人员培训不够，现场技术管理人员对施工工序把握不严，特别是受复杂地层的影响，造成桩底沉渣超标问题依然严峻。因此，如何在旋挖钻孔桩施工过程中预防桩孔沉渣的产生，合理选择桩孔的二次清孔工艺，保证孔底沉渣满足设计和规范要求，成为困扰业界对旋挖钻机的客观评价和使用前景。本文结合深圳地区旋挖钻孔灌注桩施工情况，分析了旋挖桩孔底沉渣产生的原因，提出了几种有效的二次清孔方法，论述了不同清孔方法的特点，提出了综合优化选择的方法。2旋挖桩桩底沉渣原因分析及控制措施旋挖钻孔灌注桩桩底沉渣可能产生于旋挖钻机施工的钻进成孔、安放钢筋笼、灌注混凝土等多个环节中，分析认为沉渣产生的原因大致分为以下几类：2.1桩孔孔壁塌落2.1.1原因分析桩孔孔口填土层不稳定塌落孔内；泥浆比重过低，悬浮能力差；提升钻具太快，形成孔内向上的抽吸作用；提钻时孔内泥浆液面下降，未及时补充孔内泥浆；钻具提放刮碰孔壁；下放钢筋笼刮碰孔壁；终孔后未及时灌注砼，孔壁浸泡时间过长。2.1.2控制措施孔口安放钢护筒保护孔口，护筒长度根据地层条件，适当加长；加大泥浆比重，提高泥浆的粘度，减少孔底沉淀；控制旋挖每回次进尺，严禁钻筒打满提钻，避免抽吸现场；钻具提高孔口前，及时补充孔内泥浆，保持泥浆液面高度；钻具提放时保持对中，慢提、慢放，防止刮碰；下放钢筋笼保持对中、垂直；终孔后及时灌注桩身混凝土，减少辅助作业时间。2.2泥浆沉淀2.2.1原因分析泥浆性能参数不合格，护壁效果不佳；灌注前等待时间过长，泥浆发生沉淀；泥浆含砂率高。2.2.2控制措施配制合适参数的泥浆，并及时检测、调整泥浆性能；缩短灌注等待时间，避免泥浆沉淀；设置泥浆沉淀池或者泥浆分离器将泥浆中泥砂沉淀分离，并调整泥浆性能。2.3钻孔残留2.3.1原因分析钻具钻底变形或者磨损过大，渣土泄露生成沉渣；钻底结构本身限制，如钻齿布置高度、间距等原因造成渣土残留过多生成沉渣。2.3.2控制措施选用合适钻具，经常检查钻底结构；减小旋转底和固定底间隙；及时补焊保径条，更换磨损严重的边齿；合理调整钻齿布置角度、间距；增加清渣次数，减少桩底残留。32.4清孔工艺2.4.1原因分析清孔时的抽吸作用造成垮孔；清孔时泥浆性能不达标，沉渣无法携带出孔底；清孔工艺选择不合理，沉渣无法清除干净。2.4.2控制措施清孔时控制泵的抽吸力，减少对孔壁的冲击；清孔时换浆，并调整好泥浆性能指标；根据钻孔情况，选择适合的二次清孔工艺。3旋挖钻孔灌注桩二次清孔技术旋挖钻孔施工过程中应采取适当措施避免沉渣产生，在钢筋笼、灌注导管安放后，对沉渣过厚的桩孔，须选用合适的二次清孔工艺进行沉渣处理。二次清孔是在完成旋挖成孔、下入钢筋笼和灌注导管后，利用灌注导管清除孔底沉渣的关键工序。桩孔二次清孔工艺的合理选择，对清除孔底沉渣，保证桩身工程质量极其重要。目前，业内旋挖桩桩孔二次清孔技术按泥浆循环方式可分为以下三类：泥浆正循环清孔、反循环清孔和钻具无泥浆循环清孔。3.1泥浆正循环清孔3.1.1工艺原理泥浆正循环清孔工艺是普遍采用的一种清孔方式，是由泥浆泵泵送的泥浆经过胶管，与孔口的灌注导管连接，并把泥浆送到孔底；送到孔底的泥浆悬浮并携带孔底沉渣，再经过灌注导管与孔壁之间的环状空间返回地面，流入循环沟、沉淀池，然后进入泥浆池循环使用。正循环二次清孔工艺原理见图1示。图1正循环二次清孔原理示意图43.1.2清孔操作注意事项泥浆正循环清渣运行时须注意以下事项：（1）选择合适的泥浆泵，泥浆流量过大，对孔壁冲刷大，容易塌孔；泥浆流量小，沉渣上升速度慢，清渣效果差，耗费时间长。实际施工中，流量、扬程作为选择泥浆泵的依据，可根据桩孔直径大小配制功率在12～30KW之间的3PN泥浆泵。（2）减少管道接口，避免管道直径剧烈变化、运行方向剧烈变化，减小泥浆循环系统中的沿程阻力和局部阻力消耗。（3）泥浆循环过程中，泥浆循环系统中含有较多的粗颗粒或岩渣，会反复循环带入孔内，影响清孔效果。应定期对沉淀池、泥浆池废渣进行清理，可加大、加长泥浆循环沟，并派专人沟内捞渣。（4）清孔过程中，根据清渣效果适时上下提放、左右移动导管，加快扰动孔底沉渣，以达到快速清渣的效果。3.2泥浆旋流器正循环清孔3.1.1工艺原理为减少正循环二次清孔过程中泥浆中粗颗粒含量大，提高泥浆性能指标，缩短清孔时间，提升清孔效果，在泥浆正循环清孔系统中，引进了泥浆旋流器辅助清孔，即：在泥浆泵泵送泥浆入孔底的胶管上，在地面串联泥浆旋流器，在泥浆被泵入孔底前将泥浆中的粗颗粒排出，预先进行浆渣有效分离，保证优质泥浆进入孔底，减少岩渣的重复带入，并有效地提高了泥浆的携渣能力，大大缩短清孔时间，既提高工效，又保证清孔效果。泥浆旋流器二次清孔工艺平面布设见图2示。图2旋流器二次清孔原理示意图53.1.2清孔操作注意事项泥浆旋流器正循环二次清孔凭借旋流装置对泥浆进行有效分离，其操作简便、分离效果好，是普通泥浆正循环清孔系统的升级工艺，是我公司拥有的实用新型专利技术，同时被评为2011年度深圳市工程建设市级工法、广东省工程建设省级工法，具有实用性、有效性，为二次清孔提供了新的可靠选择。泥浆旋流器正循环二次清孔时应注意：（1）派专人负责旋流器工作状态，观察排渣口是否堵塞；如出现旋流器进口部分吸入块石、牡蛎壳、水泥块等较大异物时，会使进浆速度降低，应及时清除。（2）如果旋流器进口泥浆中的固相粗颗粒含量过高，或底流口阀门调节过小，会使旋流器过载，会导致底流口堵塞，可通过调节底部阀门，以保持底部排渣通畅。（3）旋流器出渣口设置专门的排渣池，并及时进行清理排渣。（4）旋流器的选择应与泥浆泵量相匹配。3.3泵吸反循环二次清孔3.3.1工艺原理为保证清孔满足设计和规范要求，对大桩、深桩通常的做法是采用泥浆泵吸反循环工艺。泵吸反循环二次清孔是利用砂石泵的抽吸作用，在灌注导管内腔造成负压状态，在大气压力作用下，处在灌注导管与孔壁之间环状空间中的泥浆流向孔底，被吸入灌注导管内腔，随即上升至地面泥浆循环系统，经泥浆沉淀池沉淀处理后，再由泥浆池、泥浆循环沟流入孔内。泵吸反循环二次清孔工作原理见图3示。图3泵吸反循环二次清孔原理示意图砂石泵63.3.2清孔操作注意事项采用泵吸反循环二次清孔具有抽吸能力强、清孔时间短、孔底干净的特点，但清孔时需注意：（1）清孔时需增加6BS反循环砂石泵，整体循环系统管路布设较复杂，反循环现场操作专业性较强，真空度的形成具有一定的难度。（2）由于泵吸反循环砂石泵流量可达180m3/h，抽吸能力超强，形成的负压对孔壁稳定有一定的影响，对深厚淤泥、砂层厚的桩孔，应控制反循环流量。（3）清孔时，应注意保持护筒内泥浆面的水头高度，保持回流入孔内的泥浆量与抽吸量平衡一致。泵吸反循环泥浆使用量较大，需控制好泥浆的性能和参数，做好废浆废渣的处理。3.4气举反循环处理方法3.4.1工艺原理气举反循环清孔是在导管内安插一根长约2/3孔深的镀锌管将高压空气送入导管内2/3孔深处，与导管内泥浆混合，经充气后在导管内产生低压区，连续充气导管内外压差不断增大，当达到一定的压力差后，平衡打破，则迫使泥浆在高压作用下从导管内上返喷出，同时孔底岩渣被高速泥浆携带从导管上返喷出孔口。气举反循环原理如下图4示。图4气举反循环二次清孔原理示意图3.4.2清孔操作注意事项气举反循环二次清孔工艺压力差大，流速