钻孔桩施工气举反循环工艺浅析

钻孔桩施工气举反循环工艺浅析

□□ 杨超(中铁大桥局股份有限公司 深圳分公司，广东 深圳518002)

摘要：结合山西侯禹高速公路禹门口黄河大桥桩基础施工，介绍了气举反循环工艺的工作原理，阐述了气举反循环工艺的技术要点及施工注意事项。气举反循环钻孔工艺泥浆上返速度快，携带钻渣能力强，具有钻进效率高、钻头寿命长的特点，可以解决大口径、深孔桩基础施工的难点。

关键词：气举反循环；钻孔桩；深孔桩

文章编号：1009-9441(2015)01-0019-03

中图分类号：TU 473.1

文献标识码：B

作者简介：杨超(1975-)，男，湖北汉阳人，工程师，2012年12月毕业于武汉理工大学建筑工程专业，现从事施工管理工作。

收稿日期：2014-12-01

引言

山西侯禹高速公路禹门口黄河大桥12～16号墩设计为矮塔斜拉桥，每个塔墩基础由18根Φ2.0 m的钻孔桩组成群桩基础，桩基均为摩擦桩。13号主塔墩设计桩长80 m，14号主塔墩设计桩长87 m，实际最大孔深达91 m，为全桥最深的钻孔桩。

桥位处地层主要为第四系冲积层，由砂层、黏性土层、卵砾石组成，水文和地质条件复杂，桩基础施工难度较大。

1钻孔方案选择

常用的反循环有泵吸反循环和气举反循环两种。泵吸反循环是利用砂石泵运转时产生负压，将钻杆内的泥浆吸出，再通过泥浆沟流入孔内形成循环。其优点是用电功率小，在孔深较浅的桩基础施工中排渣效率和钻进效率较高，但由于泥浆泵的吸程和流量限制，随着孔深的不断增加，泥浆上返速度、携渣能力大幅度下降，在孔深>70 m时，由于孔内泥浆置换能力差，造成钻头重复破碎，钻进和清孔效率低，严重时可能导致二次清孔不彻底，孔底沉渣厚度超标。因此，泵吸反循环适用于深度50 m左右的大直径钻孔桩施工。

气举反循环是采用往钻杆内注入压缩空气，钻杆内的泥浆与空气充分混合后上浮形成循环，具有泥浆上返速度快、携带钻渣能力强、钻进效率高、钻头寿命长、成孔质量好等特点，尤其适合孔深和孔径均较大的桩基础施工。

考虑到禹门口黄河大桥桩基础的孔径和孔深，决定选用气举反循环钻孔工艺。

2气举反循环的工作原理及主要设备

2.1　气举反循环的工作原理

气举反循环的工作原理是通过钻杆外附着的风管，将压缩空气送入泥浆面以下一定深度，然后注入到钻杆内腔中，内腔中的压缩空气与泥浆充分混合，形成比重较小的泥浆、空气混合物，该混合物沿钻杆内腔迅速上升，直至通过钻杆顶端的出浆管排出孔外。在持续作用下，钻杆内压缩空气注入点以上的泥浆全部转换成比重较小的水气混合物，钻杆内外压力失衡，钻杆底部的泥浆携带钻渣不断被吸入钻杆，然后上升排出，流入沉淀池。沉淀后的泥浆又通过泥浆沟重新流入孔内，补充孔内水头高度。如此往复循环，达到置换泥浆、清除孔内钻渣的目的。气举反循环的工作原理如图1所示。

2.2　主要设备

该桥主墩桩基础施工采用ZSD250型反循环回转钻机，该钻机为全液压动力，最大钻径2.5 m，最大钻深120 m，最大提升力为100 t。根据以往的施工经验，选用空压机出气量为12 m3/min、最大压力为1.0 MPa的电动空压机，可以满足施工要求。

3气举反循环工艺的技术要点

3.1　压缩空气注入点的深度要求

气水混合器的主要作用是将压缩空气送入孔内一定深度处的钻杆空腔内，从而在钻杆内形成水、气混合物。如果该处沉入水下深度过小，会造成钻杆内外的压力差过小，导致循环排量过小；如果沉入水下深度过大，则会增大空气压缩机的负荷，减小排气量，导致钻杆内泥浆上升速度下降，循环效率降低，需要采用更大型的空压机才能满足施工要求。

根据施工经验和力学计算，当混合器在0.55～0.65孔深处时效率较高，过浅或过深都会影响循环效率。

图1　气举反循环的工作原理

3.2　反循环最小孔深

由气举反循环原理可知，要建立泥浆循环，必须使孔底钻杆外压力大于钻杆内压力，才能将泥浆吸入钻杆。即：

h孔·γ泥>h混·γ泥+(h孔-h混+h出)·γ混

(1)

式中:h孔——最小孔深,m;

h混——混合器至孔底距离,m;

h出——钻杆顶端出浆口至孔口距离,m;

γ泥,γ混——分别为泥浆和混合液的比重,取γ泥=1.15t/m3,γ混=0.6t/m3。

设混合器至孔底距离为3.8 m，钻杆顶端出浆口至孔口距离为5 m，带入(1)式计算得到最小孔深为9.25 m。

在开孔阶段，考虑到需保证成孔质量和孔壁稳定，以及反循环的流量要求，通常在开孔阶段采用正循环钻进，待孔深到25 m左右时开始使用反循环钻进。

3.3　压缩空气注入点位置调整

随着孔深的不断增加，孔深每增加9 m，压力增加0.1 MPa。考虑到空压机性能的限制和工作效率，需要根据孔深和空气压缩机压力调整混合器在泥浆中的位置，以充分发挥空压机性能，保证孔底钻渣能有效地排出。当压力达到0.8 MPa时，应该提高混合器在孔中的高度，只要满足沉没比(混合器到孔口的距离/孔深)>0.55即可。

3.4　孔深与空气压力的关系

相对于泵吸反循环而言，气举反循环的钻进效率随着孔深的增加而不断提高。在不考虑管道阻力以及混合器的沉没比固定在0.55的情况下，不同孔深时计算的钻杆底部内外压力差如表1所示。

表1　钻孔深度与钻杆内外压力差关系

由表1可以看出，孔深在30～50 m时，压力差较小，钻进效率较低，这时往往需要借助较大的沉没比来增加钻杆内外的压力差。而随着孔深的不断增加，钻杆内外的压力差不断增大，气举反循环的排浆量也随之增加。

3.5　二次清孔

在灌注水下混凝土前，应对孔底进行二次清孔，以减小孔底沉渣厚度，保证成桩质量。清孔同样采取气举反循环工艺进行，在导管内插入1根风管，将压缩空气送至0.6倍孔深处即可。在导管顶端接出浆管，将排出的泥浆送至沉淀池中。

4气举反循环工艺施工注意事项

(1)气举反循环工艺对钻杆的气密性要求较高。如果钻杆接头气密不严，会导致压缩空气从钻杆中部泄漏，造成压力损失，降低循环效率，严重时可能造成钻杆内压力差不足，导致泥浆循环失败。因此，在钻机开钻之前必须对每套钻杆进行气密性试验。在连接钻杆时，需将法兰圆盘的接触面清理干净，防止因接缝处夹有残留的污泥导致钻杆连接质量不佳，钻杆法兰的连接螺栓应拧紧。如果孔内泥浆冒泡严重，应及时停止循环，提钻进行检查，防止气流刺坏钻杆或孔壁。

(2)压缩空气注入点的深度要合适。压缩空气注入点(即气水混合器的位置)安装在0.55～0.65倍的孔深时效率最高。遇出浆量减少或空压机负荷增大时，应注意调整注入点的位置。

(3)在下放钻杆时，不应直接将钻头放到孔底，而应在接近孔底时先开动空压机建立循环，然后开动钻机旋转钻头缓慢下放，以免孔底沉淀的钻渣堵塞钻头进浆孔。

(4)在钻进过程中，应根据泥浆排渣情况控制钻进速度，钻渣较少时可适当增加钻压，反之则应减小钻压，以提高钻孔效率。

(5)气举反循环钻孔工艺在孔深较浅时钻进效率低，相对于正循环或泵吸反循环工艺，使用的设备较多，能耗较大，工艺复杂，当孔深在50 m以上时才能发挥其效率。因此，气举反循环钻孔工艺适合于孔深>50 m的钻孔桩施工。

(6)在漏水地层或地下水贫乏的地区施工时，应有充足的水源供给，才能保证气举反循环的正常钻进。通常要求泥浆池与孔内连通并不断补给，不能使循环液断流。必要时，采用泥浆泵向孔内补充泥浆。

5结语

气举反循环钻孔工艺的泥浆上返速度快，携带钻渣能力强，具有钻进效率高、钻头寿命长的特点，很好地解决了大口径、深孔桩基础施工中泥浆上返速度慢、钻渣不能及时带出、孔底钻渣重复破碎的现象，提高了钻孔效率。同时，采用该工艺清孔能更彻底地清除孔底沉淀，且清孔速度快，可缩短工期，降低施工成本，提高桩基质量。

参考文献：

[1] 刘涛，杨敏.钻孔灌注桩气举反循环成孔工艺质量控制[J].施工技术，2014(13)：11-14.

[2] 张文庆.气举反循环钻进工艺选用原则及建议[J].西部探矿工程，2014(2)：46-48.

[3] 毛亮坤.气举反循环法在百米超长钻孔桩施工中的应用[J].铁道标准设计，2009(S0)：89-91.

(编辑盛晋生)