潜水钻桩芯吸泥设备的持续改进

樊倩　李宝闯

【摘 要】唐山乐亭菩提岛 海上风电场300兆瓦 示范工程 高桩混凝土风机基础土建施工A标段的桩基工程桩芯吸泥，由于采用常规的正循环潜水钻水机排泥已无法满足该工程进度需要，项目部通过技术创新，采用正反循环相结合的方式进行桩芯吸泥，大大提高了工作效率，取得了较好成效，值得类似的海上桩芯吸泥工程借鉴。

【Abstract】In the 300 MW demonstration project of Laoting Puti Island Offshore Wind Farm in Tangshan， the pile core suction of pile foundation engineering in section A of civil construction of high-pile concrete fan foundation uses the conventional positive circulation diving drill to discharge the sludge， which can no longer meet the normal process of the project. Through technological innovation， the project department adopts the method of combining positive and negative circulation to suck mud in pile core， which has greatly improved the working efficiency and achieved good results. It is worthy of reference for similar offshore pile core mud suction projects.

【关键词】桩芯吸泥; 技术创新;正反循环

【Keywords】 suction pile core; technological innovation; positive and negative circulation

【中图分类号】TU761.5                                 【文献标志码】A                                【文章编号】1673-1069（2019）02-0172-02

1 引言

唐山乐亭菩提岛海上风电场300MW示范工程，由河北建投集团出资进行建设，风电场场址位于渤海湾北岸河北省唐山市乐亭县海域。风机基础采用高桩混凝土承台结构形式，每台风机基础均含有8根斜率为5：1的工程桩，直径为2m，均匀呈放射状布置在以承台中心为圆心的圆周上，工程桩截除桩头后，桩顶标高均为+2.2m，需要安装钢筋笼并浇筑桩芯混凝土。浇筑混凝土之前，需要将桩芯内的泥土进行挖除，吸泥深度达到20m。

2 原工艺介绍

针对本工程，项目研发了正循环桩芯吸泥施工工艺，正循环回转钻成孔由钻机回转装置带动钻杆和钻头回转切削破碎岩土，由泥浆泵通过钻杆输进泥浆，泥浆沿孔壁上升，从孔口溢浆孔溢出流入泥浆池经沉淀处理返回循环池。该工艺主要涉及以下操作步骤。

2.1 平台搭设

因钢管桩处于晃动之中，且潜水钻钻机设备自重相对较大，因此需要一个稳固的施工平台来进行该项工程。使用型钢将钢管桩一一连接进行加固，并使用钢梁和透空的钢筋网形成施工平台。

2.2 初步清孔

对前期落入杂物的钢管桩桩芯进行清理，落入大件物品的，如桩头、钢筋、钢板等物品，可以将水抽干，直接由人下至桩底部进行取出。对于小件物品，可在安装完钻机后采用抓斗进行抓出。清孔需注意施工安全。

2.3 钻机安装

首先安放钻头，将钻头通过挂钩稳定放在桩顶处，然后搭设两根56a双拼工字钢钢梁，平稳放在夹桩钢梁上，将钻机设备稳定放在56a双拼工字钢之上，然后连接钻杆与钻头，粗略定位后使用钻机底座四角的液压顶进行精调，避免在钻进过程中钻杆与钢桩轴线不同心发生晃动、卡钻现象。共设置水泵两组，一组为潜水钻供给清水，直接采用潜水泵或自吸泵抽取海水即可;另一组水泵用于由桩内排出泥浆。

三翼钻头直径为1.85m，该尺寸可以保证钻头不会与桩壁摩擦过多，同时也可以将整个桩内含泥断面钻净，不会发生残留以及坍塌埋钻问题。

2.4 钻进

钻机安装完毕后，先打开供水泵，待发现桩内水面上涨后打开排水泵，调节供水量和排水量，使桩内水位达到一个相对平稳的状态。

打开钻机向下钻进，开始时应上下提拉钻机进行试钻，严禁钻机下降过快，避免出现剧烈晃动或者卡钻现象。随钻进过程适时加长钻杆，钻进过程中若发现异物造成卡钻现象，可先将钻机提出，使用抓斗进行抓除。

控制供水量和排水量，避免桩芯内浊度过大发生淤积埋钻现象，钻出的泥浆应及时使用泥浆泵排出桩外，并用清水补充桩内水位。

因钻机钻头为三角形，达到设计的高程后应适当超深，避免底部混凝土在设计深度范围内达不到设计断面。

2.5 泥沙分离

鉴于泥沙比重较大，通过水力旋流器将泥沙进行分离，将颗粒较大的沙和砾石排出，将颗粒较细的泥浆重新导入泥浆池，循环利用，从而进一步防止桩内出现沉渣，确保桩芯吸泥质量。鉆孔深度达到设计要求后，逐步替入清水进行循环，减小桩内泥浆密度，从而达到清孔效果，直至水利旋流器没有泥沙排出以及桩内泥浆呈现清澈状态，最后用抽水泵将积水抽出。至此，桩芯取泥工作全部完成。

2.6 原工艺特点分析

采用正循环潜水钻进行桩芯吸泥，完成一根桩的吸泥时间大约是24h，其中钻机定位需要1～2h，钻孔需要4～5h，循环清孔13～16h，提钻需要1～2h，施工效率相对较低，对工程工期制约较大。

如果按照原有工艺继续进行桩芯吸泥，施工效率很难满足后续各个工序的正常进行，从而可能导致整个工程工期的延误。项目部各领导开始组织开展工艺研讨会，积极发言，集思广益，以便确定出切实可行的桩芯吸泥施工工艺[1]。

对现有吸泥工艺进行分析，其存在的弊端如下：①采用泥沙分离的方式进行排泥，需要多次向桩内注入泥浆，存在必要的“返工”现象，造成了时间浪费;②吸泥过程中需要不间断地向桩内注入清水，用来稀释桩内泥沙混合物和泥浆，造成排泥需要的托举力逐渐变小，施工效率逐渐降低，最后需要将黏稠度很低的泥浆整体排出;③水举排泥，向上托举的速度相对较慢，必然在桩内壁形成“壁挂”，最终形成回淤沉渣，如想排泥深度达到设计要求，必然要加深潜水钻钻入深度来弥补沉渣量。这就增加了吸泥的工作量。

3 工艺改进及效果评价

针对原存在的问题，借鉴绞吸式挖泥船的工作原理，大胆进行工艺改进。详细内容如下：

利用潜水钻导向架的空间结构，对其进行改进和改造，在原有钻机上增加一台大流量、高扬程且能适应高泥浆比重的潜污泵。此法利用潜污泵的抽泥功能，将桩内搅起的泥沙排出桩外，同时排出桩内积水，大大减少了工作时间。施工原理如图1所示。

工艺创新之后，立即投入到正常施工中，取得了事半功倍的效果。随着吸泥工艺的不断提升以及对各个工序的熟练掌握，大大提高了桩芯吸泥的工作效率，钻机定好位之后，开始钻孔，钻孔过程中，随循环水降低泥浆密度，随用污水泵向外抽取泥浆。通过对桩芯孔深的实测记录，基本上没有沉渣沉降，提高了吸泥质量，所以吸泥孔深也不用超深，按设计孔深吸泥即可，从而减少了桩芯混凝土的浇筑量。这样一来，完成一根桩的吸泥时间更是从24h降到了6h左右，工作效率提高了将近4倍，既为后续工作留出了充足的时间，也大大节约了成本。

试验完成后，项目部对改进前后的工艺进行工效、质量检查以及成本核算。 ①通过改进，剔除了旋流器的泥沙分离过程及多次注入泥浆的排沙过程，大大减少吸泥工作时间。②改造后仍需要向桩内注入清水对泥沙浆进行稀释，但最后水和泥浆同时排出，不必使用其他水泵单独进行排水。③使用潜污泵后，避免了大范围壁挂、沉渣现象，降低了潜水钻的钻入深度，减少了排泥的工作量，进一步节约了排泥的时间。④通过工艺改造，使施工效率的大幅提升，大大节省船机、人工费用，实现了降本增效的目的，降低工程工期风险和环境影响。

本工程共需要进行120根钢管桩的桩芯吸泥工作。通过工艺改进，桩芯吸泥综合单价由214.2元/m3降低至55.1元/m3，节省的费用为：（214.2-55.1）×62.8×120/10000=119.9万元。

此外，由于对潜水钻水举法桩芯排泥工艺的改造革新，使本工程整体施工进度比计划提前了25天，大大降低项目部后续施工的进度压力。根据合同文件，工期每提前或滞后1天的奖罚力度为合同总额的1‰（即20.5万/天），间接节省的成本可达到500余万元。

4 结论

大胆创新，提质增效，风电场工程桩的桩径大、吸泥深，通过不断对桩芯吸泥工艺进行改进，最终实现了正反循环相结合的吸泥工艺，确保了工程质量，提高了工作效率，缩短了工期，同时节约了成本。

【参考文献】

【1】宋世杰，欒国栋.潜水钻机在软弱地层钻孔灌注桩中的应用[J].地质装备，2014，15（04）：39-41.