鉆孔灌注樁的清孔方法及應用研究

高 強， 王 勇， 郎 繼 堯

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

鉆孔灌注樁廣泛應用于房屋建筑基礎、邊坡支護、鐵路、公路和城市橋梁等基礎建設工程，其具有抗震性能強、承載力大、地層適應性強的優點。由于鉆孔灌注樁是一種隱蔽性較高的地下工程，其施工質量在很大程度上決定了上層建筑的整體質量，因此，施工過程中一定要控制好各個環節的質量。而清孔作為鉆孔灌注樁施工的一道關鍵工序，其質量的優劣直接影響到澆筑、樁基承載力等，意義重大。

老中鐵路第Ⅴ標第Ⅰ分部明松楠松河特大橋鉆孔灌注樁工程普遍存在巖溶(喀斯特地貌)、砂土液化、松軟土等不良地質及特殊巖土。基礎為灰巖，硬度大，巖溶形態發育以地表溶溝、溶槽、溶蝕洼地等為主，巖溶中等-強烈發育，隱伏性巖溶發育，巖層中存在一定規模的溶洞、溶隙，溶洞填充物多為細砂；樁徑為1.25 m和1 m兩種，設計樁長6～53 m，均為柱樁。采用沖擊鉆鉆孔，泥漿正循環清孔方法清孔。介紹了清孔方法的選擇情況。

2 常用的清孔方法

常用的清孔方法有掏渣法、正循環、反循環(氣舉、泵吸)等，各種方法可以單一使用，也可組合使用。不同的清孔方式均有其優缺點及適用性，因此，一定要結合地質情況、技術要求、經濟效益等因素綜合對比，選用最適宜的清孔方式。筆者對其進行了逐一分析。

2.1 掏渣法清孔

掏渣法清孔是一種通過抽筒或撈砂斗直接清除孔底的沉渣并在孔口補充新鮮泥漿以保證槽孔穩定的清孔方法。該方法操作簡單，可快速清理孔底沉渣。

抽筒掏渣一般應用于沖擊鉆成孔，抽筒具有一定的重量，底部設有內開活門，其利用自身重力壓入孔底渣漿中，通過流體壓力擠壓開活門、在孔底反復上下提拉幾次由孔底濃漿置換抽筒內的清漿，然后提出孔口。

撈砂斗一般應用于旋挖鉆成孔，在其鉆進至設計孔深后將撈砂斗(帶擋板)留在孔底并機械旋轉數圈，將孔底的沉渣盡量裝入斗內，然后提出孔口。

采用掏渣法清孔，泥漿中的細砂不能清理出來，對于含砂較多的地層、孔深較大的灌注樁不適合采用掏渣法清孔除渣。

2.2 正循環法清孔

正循環一般有兩種方法：一種是下設供漿管到孔底，供漿管不斷輸入新鮮泥漿，泥漿攜砂從孔口返出，一般在沖擊鉆機成孔且掏渣法不能滿足施工要求時采用；一種是下設撈砂筒及鉆桿，使泥漿攜砂從孔口返出或從撈砂筒抽出，一般為正循環旋轉鉆機采用(圖1)。

正循環清孔的關鍵是通過加大泥漿比重、增加供漿量、減少沉渣粒徑、增加漿液的沖擊面積及上升速度來增加出渣效果。

2.3 反循環法清孔

反循環法清孔是將沉渣從漿管內排出的清孔工藝，包括氣舉反循環和泵吸反循環。氣舉反循環可以應用于各種成孔機械，而泵吸法則多用于反循環旋轉鉆機。

圖1 正循環清孔用噴氣組件示意圖

2.3.1 氣舉反循環清孔

氣舉反循環清孔是利用空壓機的壓縮空氣、通過安裝在漿管內(外)的風管送至樁孔內，高壓氣與泥漿混合在導管內形成一種密度小于泥漿的漿氣混合物，漿氣混合物因其比重小而上升，在漿管內混合器的底端形成負壓，下面的泥漿在負壓的作用下不斷上升并在氣壓動量的聯合作用下不斷補漿，上升至混合器的泥漿與氣體持續形成氣漿混合物后繼續上升，進而形成漿液循環。由于漿管的內斷面積大大小于漿管外壁與樁壁間的環狀斷面積，形成了流速、流量極大的反循環，所攜帶的沉渣從漿管內返出排出孔外(圖2)。

氣舉反循環清孔一般采取自上而下、逐步清孔的方式。漿管的下放深度為出漿管底距沉淤面30～40 cm、風管的下放深度一般為氣漿混合器至泥漿面距離與孔深之比的0.6左右，清孔時應同步跟進出漿管，以保持管底口與沉淤面的距離。空壓機的風量為6～9 m3/min，出漿管的直徑一般不小于200 mm，風管直徑為25 mm，漿氣混合器用φ25的水管制作成花管。開始送風時應先孔內送漿，停止清孔時應先關氣后斷漿。清孔過程中，特別要注意補漿量，嚴防因補漿不足(水頭損失)造成塌孔。根據孔底水頭壓力、孔底沉渣厚度、粒徑大小及沉淀板結情況調整送風量并搖動出漿管，以利排渣。

2.3.2 泵吸法反循環清孔

泵吸法反循環是在砂石泵抽吸的作用下，鉆桿內孔產生負壓，在大氣壓及自重作用下，漿液經樁孔孔口流向孔底并將鉆機鉆頭切削出的碎渣帶進鉆桿內形成混合液經砂石泵排至地面沉淀池內，鉆渣迅速沉淀，漿液流入樁孔內形成反循環。與氣舉法裝置相比較，其不需要風管，鉆桿通過漿管連接砂石泵。

圖2 氣舉反循環示意圖

采用反循環清孔的返漿速度較大，直徑約150 mm的石塊也能清運出來。為了防止堵管，應在導管底部安裝濾網，濾網間距不大于出漿管的最小直徑。

3 正反循環清孔效果之對比分析

3.1 出渣能力

反循環與正循環清孔在沉渣的上返流速上差異較大。反循環漿液攜帶鉆渣后迅速進入過水斷面較小的漿管(鉆桿)內，可以獲得比正循環高出數倍的上返速度。根據鉆探水力學原理，漿液在鉆孔內的上返速度是鉆渣顆粒群懸浮速度的1.2～1.3倍，即Va=(1.2～1.3)Vs，式中Va為漿液上返速度；Vs為鉆渣上返速度。反循環清孔至鉆渣在漿管內運動，使形態各異的鉆渣群在有限的空間作懸浮運動，上升速度較快。而采用正循環清孔時，漿液攜帶鉆渣后進入鉆桿與孔壁形成的環形空間上返，由于漿液上返斷面面積大，上返速度較慢，因此，可能有部分粒徑較大的顆粒會回落，須反復循環清孔，出渣慢。

3.2 清孔質量

反循環清孔雖然返漿速度快、清渣效果較好，沉渣層較薄，但沉渣層厚度的大小與單樁承載力高低密切相關。從另一角度考慮，正循環為了有效的排渣，所選用的泥漿密度較高、濃度較大，勢必造成孔內壓力大，對孔壁四周作用力也大，孔壁四周泥皮較厚，降低了孔四周的摩阻力，亦降低了單樁承載力。從質量角度出發，摩擦樁應慎用正循環清孔方式(尤其是二清)，并且在采用正循環清孔時應嚴格控制清孔的時間，防止鋼筋籠外裹泥皮而影響到混凝土與鋼筋的結合，嚴重時甚至導致漏筋。由于正循環出渣能力有限，清理范圍小，因此，從質量角度考慮，反循環清孔優于正循環。

3.3 清孔時間

從實際生產過程中可以發現，反循環清孔效率高于正循環，因此，清孔時間為反循環少于正循環，清孔所需的新鮮泥漿數量也少于正循環，返漿可以通過旋流器、泥漿凈化機等設備增加除砂效率，提高泥漿的回收利用率，節約成本。

3.4 孔壁穩定

正循環清孔由于泥漿密度大、泥皮厚、水頭不大，造成塌孔的概率比反循環小。在反循環清孔時，若泥漿的相對密度不夠而使孔壁形成堅硬的泥皮，或水頭太高使孔壁滲水將會引起塌孔，同時，抽吸作用在孔內形成的負壓也不利于孔壁穩定，特別是在軟土、巖溶地區采用反循環清孔，若操作不當，特別容易產生塌孔，故此類地區應謹慎使用。根據老中鐵路的地質條件，最終決定采用正循環清孔法清孔。

3.5 設備投入

反循環工藝較正循環工藝而言增加了空壓機一臺，風管、漿管一套，但不需要泥漿泵。漿管一般為鋼管，下設時間比較長，二次清孔時可將風管直接安裝在導管內，在導管上相應增加連接閥門，風管下部是氣漿混合器。反循環工藝導致沉渣從導管內返出，故在導管上部增加了一套三通，排至接渣沉淀池。

3.6 經濟效益

從設備成本看正反循環清孔的成本差距不大，反循環略高，但反循環清孔所需的時間短，縮短了設備周轉周期，降低了施工成本；從換漿效果看，反循環所需的新鮮泥漿明顯少于正循環，泥漿成本降低，因此，反循環具有明顯的經濟優勢。

4 結 語

從地質條件進行分析，在(軟、松散)土層、粉砂層施工中，反循環并不比正循環清孔具有優勢，反而因為孔內的負壓易產生塌孔，具有較高的風險性。但是，在較密實的卵礫石層、基巖等地層中，反循環清孔效率高、作業時間短，施工進度明顯加快，在此類地層中采用反循環清孔作業比較合適。老中鐵路第Ⅴ標第1分部鉆孔灌注樁已完成樁檢865根，全部合格，其中Ⅰ類樁占比為99.1%，項目所采用的鉆孔、清孔方法滿足工程質量要求。

從鉆孔灌注樁設計參數進行分析可知：在澆筑準備及澆筑時間、砂沉淀等因素基本一致的假設條件下，樁徑小、樁長短的鉆孔灌注樁可采用掏渣法或正循環清孔，其簡單快捷；反之，采用反循環清孔效果更佳。