气举反循环清孔工艺在大直径超长钻孔灌注桩施工中的应用浅析

潘云

摘 要：钻孔灌注桩施工中，桩底沉渣厚度直接影响钻孔灌注桩的承载能力，因此清孔工艺的选择尤为重要。以钟祥汉江公路二桥主桥桩基施工为背景，在大直径超长钻孔灌注桩施工中，采用正循环式和气举反循环式两种清孔方式进行对比，分析两种清孔方式的工艺原理和施工工艺流程。结果表明，气举反循环式清孔工艺能有效压缩清孔时间，提高成桩质量，从而合理压缩工期，具备一定的经济和推广价值。

关键词：气举反循环;大直径;钻孔灌注桩;沉渣

中图分类号：U445.55 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）12-0125-02

0 引言

近年来，伴随着我国交通事业的飞速发展，各类桥梁的修建已经成为各种交通设施的重要组成部分。桥梁作为跨越江河湖海、深沟峡谷等障碍最重要的构筑物，是交通设施互联互通的关键节点和枢纽工程，而各类大跨度桥梁的广泛引用使得各种大直径超长钻孔灌注桩在桥梁施工中被普遍应用。钟祥汉江公路二桥位于湖北省钟祥市，汉江常水位下河宽约600余米，主桥设计为（95+2×160+95）m连续箱梁跨越，基础地质情况为细砂层约为12m，卵石层、强风化泥岩和泥质粉砂岩约11m，余下地层为泥质粉砂岩、中风化泥岩，中风化泥岩作为主桥桩基础持力层，主墩设计采用13根直径为2.2m的大直徑桩基础，其中11#墩、13#墩设计桩长为79m，12#墩设计桩长为81m，最大设计孔深92.5m，搭设钢管贝雷架钻孔平台施工桩基础，并选用机械化程度高，施工效率高，环保的旋挖钻机进行桩基施工。

1 旋挖钻施工工艺

主桥区域内中风化泥岩及中风化泥质粉砂岩最大抗压强度为24.7MPa，因此选择使用TR400C型旋挖钻机进行钻孔桩施工。钻进过程采用膨润土和黏土进行造浆护壁，防止塌孔，钻进至设计深度后，根据旋挖钻机的特点，提出钻杆后静置20分钟，待孔内钻渣沉淀后采用旋挖钻机空转钻斗捞渣，安装钢筋笼，安装导管，清孔，测量孔深及孔底沉渣厚度合格后灌注水下混凝土。

2 桩底沉渣厚度对钻孔灌注桩承载力的影响

公路桥涵规范规定摩擦桩灌注混凝土前孔底沉渣厚度不超过15cm，端承桩灌注前沉渣厚度不超过5cm，沉渣厚度控制的好坏与否直接影响钻孔灌注桩成桩质量，资料显示孔底沉渣厚度过厚将导致单桩极限承载力降低11%～25%，同时也对桩身轴向力、桩侧摩阻力有较大的影响[1]。当桩底沉渣厚度较大时，其承载性能降低，当桩体承受荷载达到一定程度后，导致沉渣发生压缩变形，进而桩底产生较大位移，从而造成桩身与土体之间发生相对滑动，从而影响钻孔桩承载力，桩底沉渣厚度大小不仅影响桩端阻力发挥，而且会影响桩侧阻力发挥，尤其对距桩端20m以下范围桩侧阻力影响更大，沉渣厚度越大，桩侧阻力发挥值越小，严重时侧阻力仅为经验值的一半[2]。因此，采取有效的清孔方式降低孔底沉渣厚度是控制成桩质量的重要环节之一。

3 清孔工艺选择

清孔是利用流动的泥浆卷起桩底的固体沉渣，带动沉渣上升，随着泥浆流动，固体沉渣随着泥浆一起排出，从而将沉渣逐渐清除。根据清孔设备和泥浆循环方向的不同一般分为正循环式清孔、泵吸反循环式清孔、气举反循环式清孔[3]，施工中正循环式清孔最为常见。

3.1 正循环换浆清孔工艺

正循环换浆清孔原理：把比重小于1.1的新鲜泥浆通过泥浆泵压入孔底，送到孔底的泥浆携带孔底沉渣经过灌注导管和孔壁之间的空间返回到地面，通过循环槽和沉淀池进行沉淀，最后进入泥浆池循环[4]。

优点：设备简单，仅需要泥浆泵和导管，无需额外增加设备。

缺点：清孔换浆时间长，过程中易因砂卵石和流沙层的出现而发生坍孔现象;泥浆泵清除孔底稍大卵石和泥块困难;如果泥浆泵的功率较小，将出现较大体积的沉渣悬浮固定在一定高度无法顺利排出的情况，同时随着孔深增加，泥浆泵的清孔能力会出现急剧下降;而对本项目桩基直径达2.2m，最大施工孔深达93m左右的大直径钻孔桩而言，在导管周围小范围内泥浆泵压入的泥浆产生较大流速可以带动沉渣，而距离导管较远位置的沉渣却极难被清除，孔底呈凹形，在施工中经常出现在桩孔四周测得沉渣厚度相差较大的情况，因此正循环清孔方式不适宜大直径和桩长较长的桩基清孔。

3.2 气举反循环清孔工艺

在导管安装完成后，桩身混凝土灌注前，将空压机的压缩空气，通过安装在导管内的风管压入孔内，泥浆经高压气流冲击，在导管内与泥浆混合后形成由空气、液体（泥浆）与固体（浮渣）混合的混合物。因混合物的密度小于导管内泥浆的密度，会在导管内上升，从而在导管内外形成负压，下部的泥浆在负压的作用下上升，底部孔外的泥浆不断补充进入导管内部，导管底部新进入的泥浆与高压气体形成浆气混合物后继续流动上升，由于导管的截面积远小于桩孔截面面积，所以在导管内形成了流速极大的泥浆流，泥浆携带废渣通过导管顶部排浆口喷出[5]。图1为气举反循环原理示意图。

优点：清孔速度快，效果好，对大块泥块、鹅卵石清除彻底，沉渣厚度可以控制在设计、规范要求范围内。

4 气举反循环清孔工艺技术参数及施工要点

4.1 气举反循环清孔工艺技术参数选择

气举反循环清孔时所需风压P的计算：

P=γ·H1/1000+ΔP

式中：γ为泥浆密度，一般取12kg/m3;H为风管安装深度（m），一般取孔深的0.6倍;ΔP为供气管道压力损失，一般取0.05～0.1MPa。

根据计算所需最大风压为0.75MPa，施工现场配备DSR-100AZ直联螺杆式空压机，最大风量11.6m3/min，最大排气压力1.0MPa，以满足清孔时所需风压。

4.2 气举反循环清孔施工要点

（1）清孔设备安装时，应将堵头板、送风管接头安装紧密，确保不漏气、管路畅通，否则会直接影响清孔效果。（2）导管管底距沉渣面30～50cm，风管在导管内下放深度控制在孔深的0.6左右，风管底部1m范围内打开孔，圆周方向4排，直径8mm，每排5个，间距20cm。（3）开启空压机前应先往桩孔内补足泥浆，清孔完成后，先关闭空压机，再停止补浆。在清孔时，由于孔底部存在较大负压，应及时补浆，保持孔内水头高度，避免因补浆不及时导致坍孔。（4）空压机的送风量应该逐渐增加，桩底沉渣较厚时，应当增加空压机风量，同时上下晃动导管，使沉渣更容易排出。必要时，可以采用榔头敲击导管，减少堵塞的可能性。（5）当孔底沉渣排出一段时间后，应当及时调整导管高度，以确保导管距离孔底沉渣顶面的高度不变。（6）孔口的用以滤筛沉渣的筛网应及时清理，防止沉渣重新流入孔内。（7）在清孔过程中，要随时采用泥浆三件套测定泥浆指标，防止发生坍孔事故。（8）清孔完成后，孔内的泥浆比重应处于1.03～1.1，黏度17～20s，含砂率<2%，孔底沉渣厚度≤15cm[6]。（9）清孔完成后应在10min后在进行水下混凝土灌注，对导管及孔内气压进行自然缓压，使导管内与孔内气压持平，防止导管内负压造成混凝土灌注时气压逆推混凝土堵管。

5 气举反循环清孔工艺运用效果

（1）正循环换浆清孔过程中，部分浓度高、密度大的沉渣，无法彻底清除，在混凝土灌注时随着混凝土面升高随之上升，从而增大了混凝土灌注阻力，这种现象在混凝土灌注临近结束时特别明显，通过观察，此时孔内排出的泥浆，密度浓度明显增加，流动困难，偶尔有大块的絮状泥块出现，若处理不及时很容易伴随导管上下提升而被裹入混凝土中，从而造成桩头混凝土质量差、强度低、桩身夹泥等种种质量问题，而采用举反循环清孔工艺后，一般直径在10cm以内的鹅卵石或泥块也可以从孔底清出，沉渣少，混凝土灌注顺畅，成桩质量明显提高。（2）由于采用正循环换浆清孔达不到设计沉渣厚度要求，经常出现孔底导管位置沉渣符合要求而四周沉渣厚度超标，甚至引桥部分桩基检测结果显示桩底沉渣过厚的情况，在更换设备采用气举反循环清孔工艺后，孔底沉渣厚度最终符合设计要求，超声波检测结果显示桩底无沉渣过厚情况出现。（3）项目施工初期，全桥桩基均采用正循环换浆清孔施工工艺，清孔时间达8～10h，后期采用气举反循环清孔工艺后压缩至1～2h左右;引桥桩基采用气举反循环清孔工艺后清孔时间也从5～6h压缩至1h以内，大大缩短了清孔时间，降低了塌孔、缩孔风险，提高了混凝土灌注效率，从而保证了桩身质量，避免后期因桩基承载力不合格导致的处理费用，同时采用气举反循环二次清孔工艺后，泥浆清运成本也得到了降低。

6 结语

工程实践证明，在大直径超长钻孔灌注桩施工中，气举反循环清孔工艺具有清孔效率高，效果好的显著优势，有效确保了连续梁主桥桩基施工质量，同时由于施工效率的提高也为本项目合理压缩了工期，从而压缩了项目施工成本，带来了一定的施工效益，结合本项目形成的有关气举反循环清孔工艺，可为后续大直径，超长桩长桩基施工提供施工参考。

参考文献

[1] 吴立春，王伟.桩底沉渣对钻孔灌注桩承载力影响的试验研究[J].工程勘察，2009（S2）：351-355.

[2] 曹俊楠.含缺陷桩的桩基础竖向承载力与沉降的实用分析方法[D].天津大学，2012.

[3] 史佩栋.实用桩基工程手册[M].北京：中國建筑工业出版社，1999：1-959.

[4] 史佩栋桩基工程手册：桩和桩基础手册[M].北京：人民交通出版社，2008.

[5] 刘磊，刘晓青，张飞.复杂地质条件下的超长桩施工技术[J].建筑施工，2010，32（11）：1126-1129.

[6] JTG/T F50-2011.公路桥涵施工技术规范[S].