桩基工程护筒气举清理法

李永升，王 欣

（1.中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）



桩基工程护筒气举清理法

李永升1，王 欣2

（1.中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

本文以某集装箱码头桩基工程为例，通过桩基工程钢护筒清砂工艺的方案选择过程，采用“气举法”进行护筒的清泥砂工艺，该工艺具有投入小，效率高，操作简单的特点，为打桩施工的顺利实施提供了保障。

高桩码头；气举法；护筒

引 言

港口水工项目采用陆上打桩施工，桩基工程的施工进度直接决定了码头总工期，为保证桩基的进行速度，直桩打设由于钢管桩长度较长，为避免振动锤直接起吊立桩时，连接钢管桩与振动锤的单侧钢丝绳受剪发生破坏，需在直桩区域打设护筒先进行立桩后振动锤进行拿桩。可采用“气举法”将护筒内泥沙冲起，利用大气压差将泥沙等排至桩外的工艺，操作简便，效率高，为打桩施工的安全、顺利实施提供了保障。

1 工程概述

示例工程码头结构形式为梁板式高桩码头，码头全长320 m，宽48 m，码头桩基为φ700 mm、φ800 mm和φ900 mm三种规格的钢管桩，最大桩长为45 m，总数626根，其中斜桩为152根，直桩474根，斜桩采用150T履带吊配导向架吊冲击锤直接打设工艺，直桩采取吊打工艺。

桩基工程为码头工程的第一步，其施工进度直接决定了码头整体的施工进度，直桩打设由于钢管桩长度较长，打设时，为避免出现振动锤夹桩直接起吊立桩，起吊角度过大，振动锤夹具受力过大，与钢管桩接触面发生滑移，导致连接钢管桩与振动锤的单侧钢丝绳受剪发生破坏的情况［1］，需要在周边非桩位位置采用先打设临时护筒，再将护筒内泥沙清理后在桩内立桩的方式，以便于使用振动锤夹桩后进行插桩。通过计算，最大桩径900 mm的钢管桩插入护筒内7 m时，即可满足稳定性要求，即钢管桩立桩后不可能倾覆。因为如何清理护筒内超过7 m深度的泥沙以满足立桩条件，是制约直桩打桩安全、按期完工的关键。

2 清孔方案比选

2.1 钻孔清孔法

由于护筒内土质为泥沙，从钻孔资料反映的物理力学指标看，强度较低，比较松散。可以使用回旋钻或者旋挖钻等设备，先将护筒内的泥沙铰碎，然后通过泥浆循环的方式进行清孔，此方案需调遣各种设备，投入费用大，施工较为复杂，施工时间长，且循环清孔不容易达到海外工程的环保要求。

2.2 气举清理法

使用离心泵、空压机等小型设备，将护筒内土质冲起，利用大气压差将泥沙等排至桩外。采用“气举法”进行护筒的清泥砂工艺，该工艺具有投入小，效率高，操作简单的特点。

通过比选，确定采用气举法进行桩内清孔施工。

3 技术原理及性能指标

通过空压机排气来降低出气孔的风压，通过水的压力使管口形成井喷的方法（见图1）。离心泵抽取海水通过冲水管引入庄内形成高压射流，将泥砂冲起，同时补充桩内海水，保持水位差。空压机供气孔通过软管连接高压钢管进入排砂管下口附近，在管内和管外形成强大气压差，泥砂顺管被冲出桩外［2］。

图1　气举法施工示意

3.1 验算依据［3］

吸砂设备匹配合理性验算取临界值：管内外压力平衡时存在如下关系：

式中：ρ混为正常吸砂过程中排砂管内混合物密度；hf为沿程水头损失；hb为弯头局部水头损失。

式中：m混为混合物质量；v混为混合物获得的平均速度。

3.2 验算过程

1）混合物的平均流速

式中：V混为每分钟排出混合物的流量。

经施工分析，吸砂过程中，设备排出的混合物流量为 1.2 m3/min。排砂管直径为 125 mm，r=0.062 5 m，则混合物的平均流速为：v混=1.2/（3.14×0.125×0.125×60）=0.41 m/s。

2）混合物密度ρ混

式中：泥浆密度取ρ砂=2 g/cm3；海水密度为ρ海水=1.03 g/cm3；离心泵流量为 70 m3/h；v海水=70/60=1.17 m3/min；V砂=V混-V海水=1.2-1.17=0.03 m3/min。

空压机供气系数取 0.8，带入（4）式中，得ρ混=0.15 g/cm3。

3）求沿程水头损失hf

管断面为圆形，用公式：

式中：hf为沿程水头损失，f为圆管摩阻系数，f=8gn2/R1/3，R1为水力半径，R=D/4，n为糙率系数，查表取0.014；D为圆管直径，取125 mm；L为沿程长度，取L=10 m。

把以上数值带入（5）中，求得 hf=0.033 m。

4）求弯头局部水头损失hb

式中：fb1、fb2为损失系数，fb1查表取0.32，弯管角度θ=90º时，fb2=1。

把相关数值带入式（6）得 hb=0.003 m，故hf+hb=0.036 m。

把h0和hf+hb带入压力平衡公式得：

因此，h水位差=0.15（10+0.036）/1.03=1.46 m。

在一台9 m3空压机供气、1台70 m3/h离心泵供水情况下，当桩内水位高差大于1.46 m时，抽砂高度可达到10 m，可以满足超过7 m深度要求。

4 工艺流程及操作要点

4.1 主要工艺流程

设备准备、护筒加工→护筒打设→清孔→立桩及插桩→钢管桩打设施工→护筒拆除。

4.2 操作要点

1）护筒打设

根据整个码头的所有桩位的平面位置，需在桩位周边不同位置打设共 30次临时护筒（见图2），然后进行清孔，以满足所有直桩立桩要求。使用振动锤进行护筒打设，将10 m长钢护筒直接打设至少7 m深度。

图2　临时护筒位置布置

2）清孔作业

安装空压机导管及出水管。空压机导管伸进出水管中，将空压机管与出水管绑扎在一起，使用吊机将出水管送入打好的护筒内，将离心泵管道安装在导管内。使出水管距离底面约30 cm，排泥砂效果最好。

启动离心泵向套筒内冲水，启动空压机使设备开始工作，当出水管不断有砂输出是则说明开始工作。出水管随着砂面的降低同时降低高度，保证砂能与水一同喷出出水管道。气举法现场施工工况（见图3）。

图3　气举法清孔工作

3）立桩及插桩

护筒内砂清除完成后，100T履带吊起吊钢管桩，缓慢下放至护筒内，使钢管桩处于垂直，并使用导向架上设置的螺旋螺栓，将钢管桩固定，此时解除100 t起吊钢丝绳，开始起吊振动锤，缓慢起吊振动锤至钢管桩顶部，使钢管桩顶部进入夹具，校核垂直度，无问题后进行夹头加压，直至钢管桩垂直稳定（见图4）。

图4　使用100T履带吊将钢管桩插入护筒内

4）钢管桩打设

插桩稳定后，可进行钢管桩沉桩作业。直桩采用吊打工艺，150T履带吊吊液压冲击锤进行定位压锤后进行锤击，满足设计要求的停锤标准后完成锤击作业［4］。

5）护筒拆除

当周边直桩全部完成打设后，可进行护筒拆除。护筒拆除时，使用振动锤夹住钢护筒，慢慢振动拔出，完成拆除作业。

5 实施效果及应注意问题

5.1 实施效果

1）该项目采用气举法完成了整个项目桩基工程30次临时护筒清孔工作，为所有474根钢管桩直桩的立桩、插桩以及打桩施工提供了保障，加快了清孔施工进度，与回旋钻、旋挖钻或人工清理相比，可缩短工期1/5。

2）该项目采用气举法进行桩基工程护筒清孔，该方法施工容易，操作简单，安全性好。

3）该项目采用气举法进行桩基工程临时护筒清孔，共完成30次清孔工作，该施工方法投入小，效率高，与使用回旋钻或旋挖钻等大型设备清孔相比，节约费用约10万美元。

5.2 施工中需注意的问题

1）高压进气管在最端部最好不使用开口供气，改为多个透气孔，以免护筒内的珊瑚等固状块体落入管口，将管口封堵，改为气孔后，供气孔被堵的几率降低，但偶尔也会被泥浆颗粒堵住，堵住后，需吊离出护筒进行清理。

2）出水管为铁管，长度较长，在吊入吊出时护筒时需注意避免发生磕碰，以免造成出水管变形，影响排泥沙效率。

3）清孔完成后，需及时清理出水管内壁附着物，防止淤泥干硬后影响下次清孔效率，其他设备需及时维护到位，以便下次使用。

6 结 语

通过某集装箱码头的打桩施工实践，验证了气举法施工清孔工艺在打桩工艺实施中的有效作用，在没有投入大量设备的情况下完成了护筒清孔工作，为所有直桩的立桩、插桩、沉桩施工提供了保障，节约了施工成本，且大大提高了施工效率，保证了项目按期履约，工程质量得到了业主和监理的一致认可。

经过综合比较，采用“气举法”进行护筒的清泥砂工艺更具有优势，该工艺具有投入小，效率高，操作简单的特点，相对于人工清理，更具有安全性；相对于回旋钻、旋挖钻清理，更具有操作性，为打桩施工的顺利实施提供了保障。使用“气举法”进行护筒的清泥砂工艺是完全可行的，今后可以广泛应用到高桩码头及其他类似工程桩基施工领域。

［1]交通部第一航务工程局. 港口工程施工手册［M］. 北京: 人民交通出版社， 1994.

［2]唐研， 苏桂全， 杨建岭. 气举法在曹妃甸矿石码头大直径超深钢管桩清除桩心土中的应用［J］. 中国港湾建设， 2006（02）: 53-56.

［3]朱明有. 空压机反吸泥法在洋山深水港工程中的应用［J］. 水运工程， 2003（11）: 28-32.

［4]JTS167-4-2012 港口工程桩基规范［S］.

Air-Lift Method for Casing Interior Cleaning During Pile Construction

Li Yongsheng1，Wang Xin2
（1.No.2 Engineering Co.， Ltd. of CCCC First Harbor Engineering Co.， Ltd.， Qingdao Shandong 266071， China；2.CCCC First Harbor Engineering Co.， Ltd.， Tianjin 300461， China）

The “gas lift disposal method” is determined for clearing silt in casing during the method selection process in the container terminal project. The method has a small investment， high efficiency， easy to operate features for the smooth implementation of piling construction and to provide a guarantee for smooth construction progress.

high pile wharf； gas lift method； casings

U655.4

A

1004-9592（2016）03-0067-03

10.16403/j.cnki.ggjs20160317

2016-04-07

李永升（1983-），男，工程师，主要从事港口码头、内河船闸、公路桥梁建设等工作。