气举反循环法成桩工艺在超深钻孔桩在砂性土层中的应用

2022-01-20王志权

中华建设 2022年1期

王志权

一、工程概况

安居南馨苑桩基础工程超深桩为塔楼部分桩基，钻孔深度73m，最小有效桩长60m，最大有效桩长90m。钻孔施工深度范围内的地质条件较为复杂，按自上而下的顺序依次有人工填土层、淤泥质土、含粘土砾砂、粉质粘、砾砂、砾质粘性土，基岩为燕山晚期花岗岩。根据现场地质条件，项目采用大直径嵌岩灌注桩钻进与清孔双反循环成桩的方法。

二、气举反循环二次清孔

钢筋笼及导管下放到位后，开始气举反循环二次清孔，以减少孔内的杂物堆积量。清孔应用的是密闭式送气系统，其核心组成包含螺杆式空气压缩机、灌注导管、送风管、接头弯管及泥浆胶管。其中，送风管由PVC材料制作而成，在该装置的下方配套配重块，带动管材下沉，待其实际位置达到灌注导管长度的2/3时，原本存在于导管内的泥浆与压缩空气接触，并均匀混合，在此作用下，相比于管外泥浆的密度和压力而言，管内的两项指标均更低，随之产生压力差，迫使管外泥浆携带孔底钻渣进入，经导管、泥浆管后开始外排，随后对该部分做沉淀处理，净化后的泥浆再次回流，循环运行，达到二次清孔的效果。工艺原理图如图1所示。

图1 气举反循环二次清孔原理

三、施工技术的应用要点

1.护筒埋设

无需埋设超长护筒，通常钢护筒埋设深度达到3～6m即可，此时孔壁的稳定性得到有效的保障。护筒原材料为Q345B钢板，厚度10mm，按照尺寸要求制作而得，内径略大于桩径250mm；长度的控制以地面为参照基准，要求护筒埋设到位后顶面超出地面500mm。

2.现场整理及钻机就位

准确划定钻机作业范围，清理该处的树根、建筑垃圾等不利于施工的杂物，并做平整、压实处理，以免钻机在运行时失稳；于钻机液压支架下方铺设钢板，扩大受力面积，以免因局部受力过大而导致钻机下陷；检查钻头中心，将其与护筒中心做对比分析，若在相同的铅垂线上，则满足要求，否则予以调整。

3.覆盖层合金钻头泵吸反循环钻进

（1）初始钻进

调整钻头，使其距孔底20～30cm；启用真空泵，向该装置内灌注足量的清水；开启真空管路，构成一条顺畅的气水流动通道，再启用真空泵，提供负压的工作环境；密切观察砂石泵的运行状态，其内部充满水后则随即关闭真空泵，并在该时刻同步启用砂石泵，使出口真空压力增加，超过0.2MPa即可开启出水控制阀，将原本聚积在管路内的泥水混合物排出，使其按照特定路径进入沉淀池，做净化处理，由此则构成反循环运行机制。在此前提下，开始慢速钻进。

钻进初期以慢速运行为宜，钻头在孔内搅拌造浆（暂不进尺），目的在于使地层中的细颗粒与泥浆的粘粒有效结合，形成完整、可靠的泥皮，发挥出护壁的作用。

（2）软弱土层及粘土层的钻进

根据地质勘察结果可知，桩孔上部覆土有软弱土层和粘土层，在该范围内钻进时采用的是单腰带三翼刮刀钻头，该装置的回转阻力较小，既有较强的切削性能，能够以较快的速度完成钻进作业。在单腰带片上设导向板（共四块，遵循的是对称布置的原则），以便控制钻进的垂直度。

钻进初期采取轻压慢转的方法，随钻进进尺的增加，到达粘性土层并且现场无异常状况后，加压钻进。施加钻压稳定在30～90kN，进尺6～10m/h。

（3）砂性土、强风化层的钻进

砂性土的自稳能力不足，在该处钻进时易由于外部扰动作用而塌孔；钻进深度范围内还分布强风化层，其对水较为敏感，遇水易软化。根据砂性土和强风化层的地质特性，采用双腰带四翼刮刀钻头钻进，此钻头的导向性较好，在钻进过程中可有效控制桩孔的垂直度，确保在特殊的地质条件下也能够快速完成钻进作业。

砂性土、强风化层钻进施工时，保持二档转速；而在砂土、砂砾层地质条件下钻进时，调整为一、二档转速；局部粉砂、砂土地层的地下水覆盖范围广、含量多，地层遇水后易失稳坍塌，为避免此类问题，采取低档慢速转进的作业方式，控制好钻压（60～120kN）和进尺（1～6m/h），在安全的环境中高效钻进成孔。

（4）钻杆的加接操作

加接钻杆前做好准备：先停止钻进，向上提升钻具，直至其与孔底相距80～100mm为止；为有效清理管道内的钻渣，要求泥浆循环5～8min。

起钻时加强防护，以免因控制不当而出现钻头剐蹭孔壁的情况；保证泥浆自流，严格控制孔内水头高度，充分维持孔壁的稳定性，以防坍塌。

4.硬岩全断面滚刀钻头反循环钻进

在硬岩处钻进时，采用滚刀钻头，做到一次成孔。考虑到硬岩处钻进难度较大的特点，在钻头前端配备12个滚刀头，联合应用。

钻进过程中，滚刀产生剪切与拉伸作用，持续将岩渣剥离母岩，经一段时间后，得到粒径约为2cm的岩渣；有效清理钻进时产生的岩渣，即利用大泵量泵吸反循环泥浆携带出孔。

硬岩的钻进采取一档液压加压钻进的模式，适当加大砂石泵的流量，钻压120～240kN，进尺0.2～0.6m/h，并且全程钻速不超过1r/min。

5.泵吸反循环一次清孔

终孔后，安排泵吸反循环一次清孔，采取此项措施减少钻渣沉淀量，为后续的二次清孔创设良好的条件（若一次清孔效果较差，则会明显加大二次清孔的难度）。具体作业要点为：向上提钻30～50cm，在大流量砂石泵抽吸作用下，使孔底部的泥浆携带沉渣向外排出，该部分沉渣于沉淀池内得到净化处理，产生性能较好的泥浆，进而继续流向桩孔内，形成循环流动通道，保证桩孔液面的稳定性。

6.钢筋笼的吊装

设备为履带式起重机，由其将钢筋笼吊装至指定位置。考虑到钢筋笼直径偏大的情况，一次吊装的可操作性不足，因此划分为多个24m长的节段，有序将各节段下放到位；为使钢筋笼维持稳定，在每节段的两端设三角临时固定撑。

各节钢筋笼下放到位后，用笼体限位装置对孔口做固定处理，增强钢筋笼的稳定性。

7.密闭式气举反循环二次清孔

向导管内置入PVC送风管，直至管的下端到达导管底部2/3处为止；适配三通弯接头，使PVC送风管的上端与空压机连接。三通弯头与导管则用螺纹连接，保证严密性。

在距离泥浆池50cm的位置安装孔口消压装置，调整出浆口的位置，使其朝向泥浆池方向；再做连接处理，使进浆口与循环泥浆胶管末端紧密连接；若前述准备工作无误，则启用空压机，开始二次清孔。

清孔结束后，用标准绳测量沉渣厚度以及泥浆指标，判断是否达到要求，若有不足之处，则再次清孔、检测，直至各项实测结果均满足要求为止。

8.混凝土灌注施工

（1）桩径是决定初灌量的关键因素，因此根据各桩体的桩径展开计算，得到合适的初灌量，制备适量的浆液；准备8～10m3初灌斗，先做湿润处理，用吊车将其吊运至孔口，调整好初灌斗的姿态，使其有效对准灌注导管，以便卸入混凝土，进行灌注施工。

（2）隔水塞采用的是球胆装置，分阶段操作：初灌前，向导管内放入隔水塞，盖上导管口盖板，开始倒入混凝土；灌注过程中，严格控制罐车出料口的位置，使其能够对准灌注斗；罐车混凝土快速卸料，将混凝土转至料斗内，完成初灌。为顺利推进混凝土灌注施工进程，准备足量的预拌混凝土，连续灌注，期间根据施工进度适时拔管，使导管埋深始终稳定在2～6m。