气举反循环清孔工艺在特殊地质桩基施工中的应用

气举反循环清孔工艺在特殊地质桩基施工中的应用

王胜   

身份证号：140105198408110014

摘要：本文通过县道X806线及村道C441线公路改造工程桩基清孔过程，结合广东地区实例，分析了气举反循环清孔的技术原理，阐述了几类桩基清孔方式的适用条件及工作机理，并对捞渣换浆、正循环、反循环、气举反循环等方式的沉渣洗冲效率、出渣能力等进行对比，证明了气举反循环清孔在特殊地质桩基施工中的优势。

关键词：气举反循环; 清孔; 特殊地质; 施工工艺

1.工程概况

云浮县道X806线及村道C441线公路改造工程为公路提升改造工程，位于广东省云浮市，根据建设单位要求，总体计划计划工期：180天，其中，桥梁工程工期30天。本文以水岩桥为例分析，水岩桥按原桥位左幅拼宽5m，斜度30°，桩基桩长20-23m。

2.工程特点与施工方案优选

2.1 工程特点

本项目桩基所在地，地下水位较高，区域地质竖向分布状况为：地表分布细沙和低塑性粘土，其下为第四系冲洪积圆砾并夹细沙透镜体（见表1），因此，该地质条件下遇水后极不稳定且易坍塌，钻孔桩施工过程必须注重施工效率和清孔质量以确保桩基质量。基于项目的特殊地质和施工设计要求，本工程桥梁施工面临以下重难点：①地质情况特殊，流沙圆砾层较厚，旋挖钻施工桩底容易残留较厚沉渣；②成孔下放钢筋笼过程中对孔壁的扰动极易造成孔壁塌落；③当地水源中Cl－、Mg2+ 、Ca2+含量高，导致泥浆悬浮能力差和出渣困难；④桥梁施工的节点工期较紧；⑤桩基施工质量验收严格（全部采用声波检测）。所以，为应对特殊地质条件下桩基施工的难度和高标准的施工质量要求，必须采用一种设备简单可靠、清孔效率和清孔质量高的桩基清孔方法。

表1  桥梁桩基区域典型地质特征

2.2 施工方案比较

基于本项目桩基工程面临的不良地质条件和高标准桩基施工要求，对常用的桩基清孔方法进行了方案比选：

（1）捞渣换浆清孔法

原理：在终孔后用捞碴筒清孔，捞到用手摸泥浆无2~3mm大的颗粒，再把钻头绑一根高压胶管放到孔底，泥浆泵循环泥浆，在沉淀池中沉淀沙和泥块等沉渣。同时注入符合要求的泥浆，直到孔內全部泥浆各项指标清到符合要求为止。

优点：设备简单、操作简便。

缺点：此法只适合成孔后到下钢筋笼前时间段清孔（避免捞渣筒拖挂钢筋笼）；清孔时间较长（一般在3h左右），清孔效率和质量不高。

（2）正循环换浆清孔法

原理：通过泥浆泵把调制好符合要求的泥浆压入孔底，送到孔底的泥浆悬浮并携带孔底沉渣经灌注导管和孔壁之间的空间返回地面流入循环槽、沉淀池，后进入泥浆池循环。

优点：设备简单仅需要泥浆泵和导管，无需额外设备。

缺点：清孔换浆时间一般为4~10h，时间较长极易在砂卵石层和流沙层出现塌孔现象；泥浆泵较难清除孔底稍大的卵石和泥块；随孔深增加,砂石泵的清孔能力会出现急剧下降，不适宜大孔径和桩长较长的桩基清孔；泥浆需求量较大。

（3）反循环换浆清孔法

原理：采用砂石泵的抽吸作用在灌注导管内腔形成负压，在大气压力作用下，处在灌注导管与孔壁之间环状空间内的泥浆流向孔底，被吸入灌注导管内腔，随导管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。

优点：抽吸能力强、清孔时间较短、清孔干净。

缺点：砂石泵抽吸能力强形成的负压易造成孔壁坍塌；泥浆需求量最大；不适宜含流沙和砂卵石地层；需另外购买合适的砂石泵。

（4）气举反循环清孔法

原理：气举反循环又称压气反循环，是通过空气压缩机在特定深度向管内注入压缩空气，与沉渣和泥浆混合后在导管内形成“视比重”比泥浆还要轻的气、沙、浆混合物，导致导管内外形成较大的压力差，导管外侧的泥浆压力推动导管内侧的气、沙、浆混合物与底部泥浆一起沿导管上升并排出导管（见图1），从而达到清除桩底沉渣的效果，排出的泥浆经过除沙及沉淀后回灌至桩孔内，从而形成完整的泥浆循环系统。

优点：清孔速度快一般仅需25-30分钟，大块的泥块清孔效果好。

图1  气举反循环清孔原理

综上，基于本项目的特殊地质条件，传统清孔方式因施工效率低和清孔效果不佳，增加了桩基施工的风险。相比，气举反循环清孔法具有清孔速度快、清孔效果好、机具简单和操作简便等优点，因此本项目地质区域桩基采用气举反循环法施工。

3.气举反循环清空施工工艺

3.1气举反循环清孔施工设备

结合气举反循环法施工特点和本项目实际，通过购买专用设备和现场自制特殊器具形成了一套适用气举反循环的施工设备（见表2）。其中，需要空压机一台、风管一套（由普通镀锌钢管组成）（见图2），导管上部安装堵头且堵头顶面位置需开设一个直径30mm的圆孔（见图3），同时，为方便风管进入，导管顶端侧面需开设一个Φ300mm的排浆孔。风管在清孔时通过堵头上的小圆孔安装在导管内，其下部安装气浆混合器，并且气浆混合器（由Φ25mm普通镀锌钢管制作）在靠近下端1m长度范围内打排孔、每排3个Φ8mm孔，间距5cm（见图4）。

表2  气举反循环施工设备配置

图2  风管          图3  堵头           图4  气浆混合器

3.2气举反循环施工流程

气举反循环清孔施工主要分为施工准备、设备安装、设备调试、施工阶段和设备拆除5个阶段。其中，施工准备主要是空压机、泥浆泵、风管、导管和气浆混合器等设备的准备；设备安装主要是下导管、风管、气浆混合器、连接风管和排渣管；设备调试主要确定空压机的送风量和气浆混合器的合适位置调试。本项目气举反循环清孔施工流程如图5所示。

图5  气举反循环清孔施工流程

3.3气举反循环操作要点

（1）清孔机具安装时，仔细检查接头处是否漏气和管路是否畅通，否则直接影响清孔效果。

（2）导管管底距沉渣面30cm～50cm，风管底部产生泥浆气体混合物的位置距离孔内泥浆的深度是孔深的35％—45％。

（3）先往桩孔内补充泥浆才可打开空压机输入高压空气，清孔完成后先关闭空压机再停止补充泥浆。清孔时，由于桩孔底部抽吸负压较大应及时使用泥浆循环槽或者泥浆泵对孔内进行补浆，避免因补充的泥浆不足导致塌孔。

（4）空压机的送风量应慢慢加大，压力比孔底水头压力稍大即可。当桩底沉渣较厚时，应加大空压机送风量并上下晃动导管，使沉渣更容易排出。

（5）当孔底沉渣排出部分后，导管距孔底的距离增大时应把导管下放，以保证导管距离孔底沉渣表面的深度不变。

（6）孔口的泥浆过滤筛网应及时清除，防止因溢满或措施不力使沉渣重新流入孔内造成清孔失败。

（7）清孔完成后，孔内的泥浆比重应处于1.13-1.17，粘度18～20s，孔底沉渣厚度≤5cm。

4.气举反循环清孔特点

4.1清孔速度快

气举反循环在孔底沉渣的冲洗和向上返流时的速度快。在气举反循环工作中，泥浆携带大量的沉渣迅速流入断面较小的导管内部后上升速度会显著加快且返浆速度变大，通过内径300mm的导管，粒径10cm左右的泥块也能清运出来。针对水岩桥23m左右桩长来说，从下放钢筋笼到具备灌注混凝土条件的时间间隔仅25-30分钟（见表3）。因此，相比于传统清孔方法，气举反循环的清孔速度优势突出。

表3  气举反循环桩基施工时间控制（以水岩桥桩基为例）

4.2清孔操作简单、效果好

气举反循环清孔时，在导管内安装风管和气浆混合器，避免了钢筋拖挂风管的危险、不会破坏孔内的泥浆护壁，直接利用导管作为排渣管，设备安装操作简便，工序转换快，提高了施工效率。一般10cm以内直径的卵石或泥块也可以从孔底清出，十分符合项目特殊地质条件的清孔要求。

4.3施工效益和质量较好

相比其它清孔工艺，气举反循环清孔所需相关机具除空压机和泥浆泵外，大部分可自制，简单且成本较低；同时，通过清孔时间的大幅缩短有效的降低了塌孔风险保证了施工质量。结合工程实践，平均每根桩基清孔时间约28分钟，比其它清孔工艺至少节约30分钟（见表4）。满足质量要求下，可大幅缩短工期，提升施工成本效益。该项目桩基均采用气举发循环清孔工艺，单台钻机完成3根/天。桩基完成后的声波检测结果全部合格均为A类桩。

表4  不同桩基清孔工艺的清孔时间

5.结语

通过气举反循环清孔法在本项目中的成功实践，表明该法适用于流沙圆砾层构成的特殊地质条件下的桩基清孔施工，具有沉渣洗冲效率高、出渣能力强、施工操作简单的显著优势。同时，结合本项目形成的有关气举反循环施工设备配置、施工工艺流程和施工操作要点可为气举反循环在桩基施工中清孔工艺提供借鉴，未来还需要结合工程实践形成更系统的施工控制参数并形成完善的施工工艺。

参考文献

[1]气举反循环清孔在桥梁桩基工程中的应用.交通世界. 2022(20) 林文宝