气举反循环清孔工艺

钻孔灌注桩气举反循环清孔工艺[摘要]：钻孔灌注桩因机具设备简便、施工方便，成孔质量可靠，施工费用低等原因，被广泛地应用于高层建筑、公路桥梁等工程的基础工程。钻孔灌注桩沉渣的清理是控制桩身质量的关键，传统的钻孔灌注桩施工为正循环钻进、正或反循环清孔成孔工艺，而近几年在浙江一带出现钻孔灌注桩气举反循环清孔工艺，其清孔效果远好于一般清孔工艺。本文就此介绍气举反循环清孔工艺的运用，并比较对工程质量以及经济效益带来的影响。[关键词]：钻孔灌注桩气举反循环二次清孔一、钻孔灌注桩工艺：传统的钻孔灌注桩多采用回转钻成孔灌注桩、潜水电钻成孔灌注桩。成孔前先安装钢板护筒，以作保护孔口、定位导向、维护泥浆面、防止塌方用。钻机就位后开始钻孔，钻孔时电机带动导管、导管根部钻头旋转，破坏土层结构，形成钻渣。钻孔应采用泥浆护壁措施，防止塌孔。现场须设置泥浆池，泥浆通过泥浆泵吸入导管，从导管底部排出，带动钻渣向上从桩孔中溢出，再排入沉淀池。钻孔施工至设计标高时，立即进行第一次清孔。第一次清孔时，一般采用循环换浆法，反复用泥浆循环清孔，清空过程中必须及时补充泥浆，并保持浆面稳定。孔中土颗粒、岩石屑等钻渣随浆液溢出孔外，以达到第一次清理沉渣目的。清渣完成后，安装钢筋笼，在浇筑砼前须进行第二次清孔。第一次清孔属于正循环清孔方法，本文主要探讨第二次清孔工艺。二、正、反循环清孔工艺介绍：1、正循环清孔工艺第二次正循环清孔采用循环灌浆法，让钻头在原位继续转动，通过导管注入清水，控制泥浆密度在10KN/m3以下；对于孔壁土层性能差、不稳定的则注入泥浆（泥浆密度11.5~12.5KN/M3）。注入冲洗液携带钻渣后进入钻杆与孔壁形成的环闭空间上返，排出桩孔以外，以达到沉渣清理效果。简单的说，正循化清孔的定义就是沉渣从导管外溢出的清渣工艺。2、反循环清孔工艺从前文所述、顾名思义，反循环清孔的定义就是沉渣从导管内排出的清渣工艺。反循环清孔工艺有多种，一般有泵吸法、空气吸泥机法等种。近年来出现的气举反循环法相对工艺更为简单，清孔效果明显，推广较快。气举反循环清孔是利用空压机的压缩空气，通过安装在导管内的风管送至桩孔内，高压气与泥浆混合，在导管内形成一种密度小于泥浆的浆气混合物，浆气混合物因其比重小而上升，在导管内混合器底端形成负压，下面的泥浆在负压的作用下上升，并在气压动量的联合作用下，不断补浆，上升至混合器的泥浆与气体形成气浆混合物后继续上升，从而形成流动，因为导管的内断面积大大小于导管外壁与桩壁间的环状断面积，便形成了流速、流量极大的反循环，携带沉渣从导管内反出，排出导管以外。3、气举反循环清孔工艺设备比较反循环工艺较正循环工艺而言，增加空压机一台、风管一套。该风管在二次清孔时安装在导管内，故导管上部相应增加连接阀门，风管下部是气浆混合器。反循环工艺导致沉渣从导管内反出，导管上部增加三通一套，排至接渣篮。相对其它反循环清孔工艺，气举反循环工艺的送风管安装在导管内，不像其它反循环清孔工艺在导管外安装风管，减少拔出风管时与钢筋笼牵挂的危险、更保护泥浆护壁，且气浆混合器制作简单，操作更为方便，故更适用于小孔径（直径500-800）钻孔灌注桩。因气举反循环工艺特点，钻孔灌注桩第一次清孔时并不适用气举反循环清孔工艺了。否则，须逐节拔出导管，再安装风管，待第一次清空完成后，再次拔出、拆除导管与风管，待钢筋笼就位后，再二次安装风管进行第二次清孔。这样的后果是增加了作业时间，且由于反循环二次清孔效果较好，这样做也显得毫无必要。三、气举反循环清孔工艺操作要领1、导管下放深度以出浆管底距沉淤面300～400mm为宜，风管下放深度一般以气浆混合器至泥浆面距离与孔深之比的0.55～0.65来确定。2、主要参数：空压机的风量6～9m3/min，导管出水管直径＞Φ200mm，送风管直径（水管）Φ25mm，浆气混合器用Φ25mm水管制作，在1m左右长度范围内打6排孔、每排4个Φ8mm孔即可。3、开始送风时应先孔内送浆（补浆），停止清孔时应先关气后断浆。清孔过程中，特别要注意补浆量，严防因补浆不足（水头损失）而造成塌孔。4、送风量应从小到大，风压应稍大于孔底水头压力，当孔底沉渣较厚、块度较大，或沉淀板结时，可适当加大送风量，并摇动出水管（导管），以利排渣。5、随着钻渣的排出，孔底沉淤厚度较小，出水管（导管）应同步跟进，以保持管底口与沉淤面的距离。6、清孔后，孔内泥浆比重应小于1.20，粘度18～20s，孔底沉渣厚度≤5cm。7、反循环法清孔时所需风压P的计算。P=γs·h0/1000+ΔPγs——泥浆比重（KN/m3），一般取1.2h0——混合器沉没深度（m）ΔP——供气管道压力损失，一般取0.05～0.1MPa四、气举反循环清孔速度气举反循环与正循环在沉渣的冲洗、上返流速存在巨大差异。气举反循环冲洗液携带钻渣后迅速进入过水断面较小的钻杆内腔，可以获得比正循环高出数倍的上返速度。根据钻探水力学原理，冲洗液在钻孔内的上返速度是钻渣颗粒群悬浮速度的1.2-1.3倍，即Va=（1.2-1.3）Vs。反循环清孔至钻渣在导管内运动，使形态各异的钻渣群在有限的空间作悬浮运动，上升速度较快。由于返浆速度较大，以内径200mm的导管为例，粒径约100-150mm的石块也能清运出来。这一优点和泵吸反循环清孔工艺相类似，但是泵吸法循环系统复杂，砂石泵故障多是主要缺点；这一优点是空气吸泥机法所不能比拟的，一般通过空气吸泥机法清孔，由于空气混合室构造、送风管距孔底距离较近等原因，只能清出约50mm粒径的石子。而正循环清孔，冲洗液携带钻渣后进入钻杆与孔壁形成的环形空间上返，由于冲洗液上返断面面积大，上返速度较慢，因此可能部分比重较大渣层颗粒会回落，须反复循环清孔，耽搁时间。在选用基岩作持力层时，这种情况显得尤为明显。本单位施工的的某高层建筑桩基施工验证了上述观点。该工程设计为直径1000钻孔灌注桩，持力层为基岩，桩基入岩深度1300，设计选3根桩试桩，做破坏试验。当时对第一根桩、第二根桩有意作了对比试验。第一根桩二次清孔时不安装风管，清孔2小时后，再安装风管，20分钟内，又清理出石渣26kg；第二根桩二次清孔时，安装风管清孔，30分钟内清理完成，对比效果明显。五、气举反循环清孔质量通过上述试验已表明，气举反循环清孔由于返浆速度快，清渣效果较好，沉渣层较薄，而沉渣层厚度大小与单桩承载力高低密切相关。还是以上述的高层建筑桩基为例，该工程3根装在试桩时极限承载力均达到14500KN以上，这在浙江湖州市一带是较为罕见的。该工程桩基施工完成后，对桩身质量进行钻芯取样检查，其沉渣厚度在20mm以内，也证明了这一点。从另一角度，在桩基持力层为基岩的前提下，正循环为了有效的排渣，选用的泥浆（冲洗液）密度较高、浓度较大，势必造成孔内压力大，对孔壁四周作用力也大，孔壁四周泥皮较厚，降低了孔四周摩阻力，也降低了单桩承载力。故从质量角度来看，应推荐气举反循环清孔工艺。六、经济效果分析表面上看，气举反循环工艺增加了设备，增加了工程成本，其实不然，下面从几个方面分析经济效果。1、沉渣厚度减小，提高单桩承载力，优化桩径，降低工程造价。单桩承载力的大小，取决于桩周土的摩阻力与桩底端承力，气举反循环清孔过程中形成的泥皮较薄从而使摩阻力增大，桩底沉渣清除较为彻底，无软弱层从而提高桩的端承力，按试桩结果设计时，势必降低桩基工程成本。2、清渣速度快，缩短工期，降低施工成本。钻孔灌注桩桩基采用气举反循环法清孔施工时，每根桩清孔约减少2个小时时间，提高了劳动生产率，加快设备周转周期，直接降低了工程施工成本。3、清渣速度快，泥浆排放量减少，减少环境污染，降低施工清运处理成本。根据预算定额，废浆排运费约占工程成本8%-10%，每根桩减少2小时排放时间，且气举反循环法清孔渣分离容易，以笔者施工的30米深钻孔灌注桩为例，泥浆排放成本相比以前下降约5%。七、总结通过以上分析，从工期、质量、环保、经济等多角度分析，钻孔灌注桩气举反循环二次清孔施工工艺值得推广，其在桩基持力层为基岩、孔径在500-800mm钻孔灌注桩施工中的优越性更是其他工艺无法比拟的。大口径气举反循环钻进成孔过程故障判断大口径气举反循环钻进成孔过程故障判断目前，大口径钻孔灌注桩在重大基础工程中得到了广泛的应用。由于大口径钻孔灌注桩为隐蔽工程及其施工工艺的复杂性，故在施工中，风险是相当大的。大口径钻孔灌注桩的施工施工分三大步骤---成孔、钢笼制作与安装、混凝土灌注。其中以成孔过程中事故发生率相对较大。为此，在成孔施工中如何及时判断故障的发生并及时处理在大口径钻孔灌注桩施工中是至关重要的。鉴于大口径钻孔灌注桩成孔孔径大、钻孔深等特点，施工一般都采用气举反循环工艺方法。根据这几年来，从事大口径的经验及通过各方面的调查，就总结了大口径钻孔灌注桩成孔过程中钻具裂隙的判断、孔壁稳定性的判断和孔内障碍物的判断方法作如下总结。1.钻具裂隙的判断序号钻具部位现象裂隙部位检验方法备注1孔内液面以上钻具钻杆外壁漏气外壁①眼睛观察反循环排渣口出气不出水、空压机气压明显偏低②内壁或水龙头观察空压机及出渣口反循环排渣口出水较少气量较大、空压机气压较小内壁或密封圈观察空压机及出渣口气室离钻头底距离太短的情况下也可能造成此现象2孔内液面至气室段钻具孔内有围绕钻杆中心的气泡(气泡主离钻杆中心较近)外壁(离液面较近)悬吊钻具重新起动空压机观察钻孔液面气泡的大小及密集程度决定裂隙的大小（气室离钻头底距离太短的情况下也可能造成此现象）孔内有围绕钻杆中心的气泡(气泡均布钻孔液面)外壁(离气室较近)悬吊钻具重新起动空压机观察钻孔液面反循环排渣口出水量偏小、空压机气压内壁(离气观察空压机及出渣偏小(出渣口有时有少量气出现)室较近)口反循环排渣口出水量小、气量较大、空压机气压偏小内壁(离液面较近)观察空压机及出渣口3气室以下至孔底段钻具施工中如果在此段钻具出现裂隙是很难判断的，为此施工前应做好以下三点：1.尽量减少此段钻具2.下钻前,对此段钻具进行加固3.上下提钻时加强检查①在气举反循环成孔的钻杆一般为双壁钻杆或单壁钻杆外有两根送气管。上述的外壁指双壁钻杆的外壁或单壁钻杆的送气管。②空压机气压明显偏低是指空压机的实际压力与钻进中气室在该段埋深形成反循环所需空气压力之间的压力差比较悬殊。2.孔壁稳定性的判断序号判断指标现象稳定性的判断原因备注1渣粒出渣量比钻孔进尺计算量严重偏多不稳定局部孔壁坍塌出渣量比钻孔进尺计算量严重偏少不稳定地层松散出现孔洞出渣量与钻孔进尺计算量基本相符稳定地层稳定、孔径正常渣粒破碎严重稳定地层较致密渣粒基本无破碎不稳定地层松散2泥浆泥浆粘度急速变小不稳定孔壁松散、泥浆漏失、地层水侵入粘度变大或不变稳定无地层水侵入及泥浆漏失泥浆漏失严重不稳定地层裂隙或松散泥浆基本无漏失稳定地层密实无裂隙3钻进状况钻进速度相对较快不稳定地层相对松散钻进速度相对较慢稳定地层相对致密钻头晃动剧烈不稳定地层阻力较小、有扩孔可能钻头基本无晃动稳定无扩孔情况上述是从单个现象来判断孔壁的稳定，但实际过程中个别现象可能是其它问题造成的假象，故问题分析时应结合所有现象综合考虑分析孔壁的稳定性。3.孔内障碍物的判断序号障碍物现象备注1孔内有障碍物①.钻机扭矩应力突然增大当任何一种现象比较明显且频繁持续发生时，都可能是孔内障碍物造成。②.钻机电流负荷增大③.钻机抖动剧烈④.钻杆偏离中心、间断性崩跳转动⑤.钻头、钻杆堵塞⑥.渣粒有铁屑或非岩土层物质⑦空压机压力与气室埋深计算压力严重不符2孔内无障碍物无上述①②③④⑤⑥⑦现象上述三种事故判断方法在一般情况下具有一定的指导作用，但遇到特殊情况时，应根据成孔的特殊环境或施工条件加以综合分析。