软土地基正循环钻孔灌注桩二次清孔工艺选择及其最佳清孔时间研究

张 涛

(中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401121)

0 引言

软土地基地质条件下的钻孔灌注桩在施工时一般采用原土造浆。由于原土造浆的泥浆稳定性较差，孔内泥浆一旦停止循环，泥浆中悬浮的颗粒会在短时间内下沉造成沉积;另外，钻孔灌注桩在成孔后、灌注水下混凝土以前还要进行下放钢筋笼和导管2道工序，其时间间隔少则2 h，多则4～5 h或更长，在此时间内孔内泥浆中悬浮的颗粒势必大量下沉而使孔底沉渣厚度超出规定范围;同时，在下放钢筋笼的过程中可能会因为钢筋笼触碰孔壁造成孔壁局部坍塌，或刮带孔壁泥皮落至孔底，从而增大孔底沉渣厚度。因此，为保证钻孔灌注桩成桩质量，在灌注水下混凝土前必须进行二次清孔。目前，二次清孔工艺种类繁多，主要包括气举反循环法［1-2］、换浆法［3-6］、抽浆法［7-8］、喷射法［9］。目前，文献［1-9］主要是介绍软土地基地质条件下钻孔灌注桩二次清孔工艺，而对二次清孔时间的规律未进行深入研究。本文以南华分离式立体交叉隧道工程钻孔灌注桩施工为背景，结合软土地层互层多、黏聚力小、颗粒不均等特点，对二次清孔工艺的选择以及最佳清孔时间的规律性进行了探讨和研究，以获得软土地基条件下二次清孔时间的经验公式，为类似工程提供参考。

1 二次清孔工艺简述

在钻孔灌注桩进行二次清孔作业时，具体采用何种清孔工艺应根据设计要求、钻孔方法、机械设备和地质情况等因素来确定。一般来说，常见的钻孔灌注桩二次清孔工艺主要有以下几种。

1．1 抽浆法二次清孔工艺

在灌注水下混凝土的导管安装后，通过特制弯管将导管与吸泥泵连接，以导管作为吸泥管抽除孔底沉渣和较稠泥浆达到二次清孔的目的。二次清孔后只需将特制弯管拆除即可开始灌注水下混凝土，方便快捷，但需要配备吸泥泵、特制弯管等设备，故适用于泵吸式反循环回转钻孔灌注桩。另外使用此工艺清孔时容易引起孔壁塌孔，操作时需特别注意。

1．2 气举反循环二次清孔工艺

气举反循环是一种清孔效果较明显的清孔工艺。其清孔原理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。由于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。

由于返浆速度较大，气举反循环二次清孔工艺可以清运粒径为100～150 mm的石块，特别适用于岩基的钻孔灌注桩。综合来看，此工艺清孔速度快，清渣效果较好，但需要配备空压机、风管及气浆混合器等设备，且由于泥浆上返速度较快，其比较适用于岩基的孔桩，在土基特别是软土地基条件下的孔桩容易造成塌孔，故具有一定的局限性。

1．3 换浆法二次清孔工艺

采用此工艺进行二次清孔的方法是在导管上直接连接泥浆泵进行泥浆循环，用比重小的稀泥浆将桩孔内的沉渣和比重大、砂率高的浓泥浆置换掉，然后立即灌注水下混凝土。本工艺对正循环钻孔灌注桩来说，不需另加施工机具，且孔内仍为泥浆护壁，不易塌孔，适合软土地基条件下的钻孔灌注桩。缺点是清孔不太彻底，且清孔时间相对较长。若能把握好清孔时间并迅速进行水下混凝土灌注，该工艺能保证施工质量并体现其在土基或软土地基条件下钻孔灌注桩施工中的优越性。

1．4 喷射法二次清孔工艺

在灌注混凝土前对孔底进行高压射水或射风数分钟，使沉淀物飘浮后，立即灌注水下混凝土，以达到减少孔底沉渣的目的。此工艺清孔速度较快，但需要增加空压机等专用机械设备，且在沉渣粒径较大、沉渣厚度较大等情况下效果较差，一般较少采用。

2 二次清孔工艺选择

软土地基正循环钻孔灌注桩包含软土地基和正循环钻孔2个要素。软土地基意味着钻孔、清孔过程中易塌孔，需要浓泥浆护壁，特别是在清孔时不能使用激烈的清孔方式;正循环钻孔则决定了施工现场所具备的施工机具。根据各种二次清孔工艺的特点，结合软土地基正循环钻孔灌注桩所具备的2大要素，从经济性、适用性以及清孔效果等方面进行了考虑。

1)经济性。换浆法二次清孔工艺所采用的清孔机具与正循环钻孔灌注桩的施工机具相同，不需要另外增加施工机具，而其他清孔方式均需额外增加专用的清孔机具，因此节约了额外的机具使用费。

2)适用性。抽浆法和气举反循环二次清孔工艺均属较激烈的清孔方法，在软土地基钻孔灌注桩中使用容易引起塌孔;而软土地基中的地层大部分分布有粉细砂层，经过此种地层的钻孔灌注桩易坍塌且泥浆中悬浮的砂粒较多，终孔清孔后至导管安装完毕的这一段时间内沉淀的沉渣较厚，用喷射法亦不适合。

3)清孔效果。只要清孔时间能够掌握好，换浆法二次清孔工艺的清孔效果与其他清孔方式无异。

综上所述，软土地基正循环钻孔灌注桩二次清孔施工时选择换浆法二次清孔工艺较为合适。

3 二次清孔时间研究

在软土地基正循环钻孔灌注桩采用换浆法进行二次清孔时，若二次清孔的时间过短，孔内沉渣和大比重泥浆未完全置换出孔外，会造成孔内泥浆比重和沉渣量超标，影响成桩质量;若二次清孔的时间过长，则成桩时间相应较长，施工进度将会受到很大影响，且软土地基条件下的钻孔灌注桩可能会因为过久处于低浓度泥浆护壁的状态下而发生局部坍塌，严重影响成桩质量。另外，由于不能确定二次清孔何时完成，在清孔过程中需要频繁进行泥浆比重和沉渣厚度检验，大大增加了劳动强度，降低了工作效率。经验表明，换浆法二次清孔的时间有一个最佳的时间点，离这个时间点过早或过晚结束清孔均不利于保证二次清孔的质量;因此，研究确定这样一个有规律的二次清孔时间的经验值或者经验公式对于保证成桩质量、降低劳动强度和提高工作效率具有特别重要的意义。

经深入到佛山市顺德快速干线高富路南华分离式立体交叉隧道的施工现场进行调查，发现影响换浆法二次清孔时间的主要因素有桩长、孔径和泥浆泵流量。调查时观察、记录正在施工的每一根钻孔灌注桩自开钻到成桩的全过程，并在二次清孔时加大试验检测的频率，以保证准确掌握二次清孔工作的时间点。为了进一步弄清楚各影响因素与二次清孔时间的关系，进行了以下统计分析工作。

3．1 桩长与二次清孔时间的关系

在现场选定一批桩长有比较性的钻孔桩，采用相同的设备进行施工，然后根据成桩后的混凝土用量推算出每根桩的扩孔率(南华分离式立体交叉隧道工程所有钻孔灌注支护桩设计均为φ100 cm钻孔灌注桩，其孔径的差别反映为扩孔率不同)，再对扩孔率相近的钻孔桩二次清孔时间进行统计、比较、分析。桩长与二次清孔时间的关系如表1所示。

表1 桩长与二次清孔时间的关系Table 1 Relationship between pile length and secondary borehole cleaning duration

由表1可知:钻孔灌注桩的二次清孔时间与桩长基本上成正比例变化。

3．2 孔径与二次清孔时间的关系

在现场选定一批桩长相同的钻孔桩，采用相同的设备进行施工，然后根据成桩后的混凝土用量推算出每根桩的扩孔率，再选取扩孔率有比较性的钻孔桩的二次清孔时间进行统计、比较、分析。前面已经提到，南华分离式立体交叉隧道工程中的孔径变化是以扩孔率来反映的，而与扩孔率直接对应的是孔的横断面面 积，也就是说，与二次清孔时间更直接对应的是各种不 同孔径下的桩孔的横断面面积。为了更直接地反映孔 径与二次清孔时间的关系，需要引入环空面积［2］的概 念:环空面积=孔的横断面面积-导管的横断面面积(南华分离式立体交叉隧道工程所用的导管直径为25 cm)。扩孔率与二次清孔时间的关系如表2所示。

表2 扩孔率与二次清孔时间的关系Table 2 Relationship between borehole expansion rate and secondary borehole cleaning duration

由表2可知:钻孔灌注桩的二次清孔时间与环空面积基本上成正比例变化。

3．3 泥浆泵流量与二次清孔时间的关系

在现场选定一批桩长相同的钻孔桩，采用不同的泥浆泵进行施工，然后根据成桩后的混凝土用量推算 出每根桩的扩孔率，再对扩孔率相近的钻孔桩二次清 孔时间进行统计、比较、分析。泥浆泵流量与二次清孔 时间的关系分析情况如表3所示。

表3 泥浆泵流量与二次清孔时间的关系Table 3 Relationship between slurry pump discharge rate and secondary borehole cleaning duration

由表3可知:钻孔灌注桩的二次清孔时间与泥浆泵流量成反比例变化。

4 总结经验公式

根据以上统计分析可以知道，二次清孔时间与桩长和由孔径决定的环空面积成正比例变化，与泥浆泵流量成反比例变化。故先简单归纳出二次清孔时间的经验公式为

式中:T为二次清孔时间;L为钻孔灌注桩长度;S为钻孔灌注桩成孔后进行二次清孔时的环空面积;Q为泥浆泵的流量。

将现场数据代入式(1)进行验证(考虑泥浆泵的实际流量约为额定流量的80%)，如表4所示。

由表4可知，公式中应有一个常量系数。考虑到第1次清孔程度、地质条件不同及施工经验等因素影响，应赋予这些因素一个时间加成值(假定为t值)，故上述常量

系数应小于表中所列的比例值，决定取值为1．5。综上，得出二次清孔时间的经验公式为

5 实践应用

根据南华分离式立体交叉隧道工程中已完成施工的钻孔灌注桩的统计资料，取软土地基地质条件下的其他因素t为2 min，并以扩孔率的平均值1．18计算本工程的平均环空面积为S=π×0．52×1．18-π×0．1252=0．88 m2，然后将数值代入经验公式，计算出尚未施工的钻孔灌注桩的二次清孔时间，再与实际施工时刚好完成二次清孔工作的时间进行比较，以验证公式的正确性。二次清孔经验公式验证如表5所示。

表4 二次清孔计算时间与实际时间的关系Table 4 Calculated secondary borehole cleaning duration and actual secondary borehole cleaning duration

表5 二次清孔经验公式验证表Table 5 Verification of empirical formula for secondary borehole cleaning duration

由表5可见，该经验公式具有较高的准确性，可以用来指导施工。

6 结论与讨论

通过对南华分离式立体交叉隧道工程钻孔灌注桩二次清孔时间的分析和施工实践，得出经验公式T=1．5LS/Q+t。其中，t值应根据第1次清孔程度、地质条件不同以及施工经验等因素的变化情况进行赋值。钻孔灌注桩施工过程中，尤其是桩基数量比较多的时候，掌握一个有规律的二次清孔时间的经验值，对保证成桩质量、降低劳动强度和提高工作效率具有特别重要的实际意义。由于换浆法清孔原理的一致性，该经验公式不仅仅适用于软土地基条件下的钻孔灌注桩，其对于其他多种地质条件下采用换浆法进行二次清孔的钻孔灌注桩的现场施工亦具有一定的指导意义。

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