大直徑超深樁基泥漿凈化裝置清孔施工技術

徐同良 梁 偉

(1.東平湖管理局梁山黃河河務局，山東 濟寧 272000；2.東平湖管理局東平管理局，山東 泰安 271000)

八里灣船閘是京杭運河續建工程濟寧—東平湖段的重要組成部分，是連接南四湖與東平湖航線的重要梯級船閘。該船閘設在東平湖新湖區范圍內，是航道進入東平湖老湖區的通航建筑物。擬建場區地下水埋藏較淺，屬第四系孔隙潛水，水位年變化幅度不大。主要含水層為粉質黏土、粉細砂、中砂及裂隙黏土。評價區位于華北地震區華北平原地震亞區邢臺—河間地震帶內，該地震帶具有地震活動強度大、頻率低的特點，震源深度較淺，一般為10～30km。

項目施工中，上游靠船墩基礎采用氣舉反循環鉆機配合泥漿凈化裝置清孔施工工藝，加快了施工進度，提高了施工質量。大直徑超深鉆孔灌注樁以其承載能力高、工藝成熟、對周圍環境影響小等優點，近年來得到廣泛應用，但成樁質量難以控制，有時會出現縮徑、孔底沉渣過厚、樁身混凝土離析等質量事故，導致樁基的承載能力和摩擦力較低甚至不符合規范要求。樁基清孔工藝是決定清除孔底沉渣效果的主要因素，因而也是樁基質量控制的關鍵環節之一。傳統的鉆孔灌注樁施工采用正循環鉆進、正或反循環清孔成孔工藝，而氣舉反循環清孔工藝其清孔效果遠好于一般清孔工藝。針對卵石混細中砂、粉細砂、細中砂、中粗砂、圓礫混中粗砂層復雜地質條件下的大直徑超深樁基，采用氣舉反循環結合泥漿凈化裝置清孔濾砂新技術，可取得更好的效果。

1 施工工藝特點

氣舉反循環結合泥漿凈化裝置清孔濾砂新技術具有以下工藝特點：

a.泥漿凈化裝置結合氣舉反循環鉆機在鉆進及清孔的過程中能提高鉆孔作業的效率，保證泥漿的性能指標以及孔壁穩定，避免塌孔事故，同時可有效清除孔底沉渣、降低泥漿含砂率。常規的鉆孔施工一次清孔完成后泥漿含砂率在1%～2%之間，而泥漿凈化裝置可將泥漿含砂率降低到0.5%以下。

b.氣舉反循環鉆機施工速度快，單機每臺班(8h)可挖孔80～100m3；成孔垂直度高，垂直度可達1/300以上。

c.施工設備占地面積小、施工動荷載小，鉆機自重小，施工過程中無振動，孔壁穩定性高。

d.泥漿的充分凈化有利于減少卡鉆事故、提高造孔質量；對土渣的有效分離有利于提高造孔工效。

e.泥漿的重復使用有利于節約造漿材料，降低施工成本；泥漿的閉路循環方式及較低的渣料含水率有利于減少環境污染。

2 施工工藝原理

氣舉反循環清孔是將空壓機的壓縮空氣，通過安裝在導管內的風管送至樁孔內，高壓氣體與泥漿混合，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，在導管內混合器底端形成負壓，下面的泥漿在負壓的作用下上升，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形成氣漿混合物后繼續上升，從而形成流動，因為導管內斷面積遠遠小于導管外壁與樁壁間的環狀斷面積，便形成了流速、流量極大的反循環，攜帶沉渣從導管內反出，排出導管以外。

采用氣舉反循環鉆機施工的大直徑超深鉆孔灌注樁，其清孔方式為：一次清孔由氣舉反循環鉆機動力頭出漿管與泥漿凈化裝置配合，過濾掉泥漿中的渣土及大顆粒砂粒后，泥漿通過回漿管返回孔內；二次清孔時將鉆機移走，安放鋼筋籠、安裝灌注導管，泥漿凈化裝置與導管連通，啟動空壓機，打開送氣開關進行二次清孔。目前這種清孔工藝可使泥漿含砂率控制在0.4%～0.6%。

每臺鉆機配備一臺泥漿凈化裝置，氣舉反循環鉆機出渣管與泥漿循環器(除砂箱)相連，一側安裝15kW的泥漿泵，另一側安裝旋流分離器。除砂箱能將泥漿中的渣土及大顆粒砂粒分離出來；泥漿泵高速循環泥漿產生切向速度將泥漿送入旋流分離器；旋流分離器使泥漿在離心力的作用下與砂粒分離。

泥漿凈化裝置是現代鉆孔設備不可缺少的重要組成部分，它能實現泥漿的凈化、循環等功能。解決了泥漿中含砂量高、鉆孔沉渣厚、清孔周期長等難題，保證了樁基施工質量與進度。

2.1 泥漿凈化裝置構造

泥漿凈化裝置構造見圖1，旋流分離器原理見圖2。

圖1 泥漿凈化裝置構造 (單位：cm)

圖2 旋流分離器原理(單位：cm)

2.2 泥漿凈化裝置原理

泥漿凈化裝置由除砂箱、泥漿泵、旋流分離器、泥漿管道等組成，通過與氣舉反循環鉆機的鉆桿形成循環回路，保證了泥漿性能指標，提高了鉆孔作業的效率和安全性。

泥漿凈化裝置循環的工作原理是樁基在鉆進過程中孔內鉆渣在氣壓作用下由鉆桿經動力頭連接管進入刮泥器,再經0.5cm×0.5cm的篩網篩除后，超過0.5cm×0.5cm泥塊及卵石(固相顆粒)進入渣箱，泥漿直接流入除砂箱。流入除砂箱的部分泥漿通過回漿口1、回漿口2流回孔內，另一部分則通過泥漿循環入口進入泥漿泵中循環。進入泥漿泵的泥漿在經過泥漿泵循環后，通過旋流器進漿管沿旋流分離器切線方向進入容器中,泥漿在離心力作用下高速旋轉,細砂沉積在底部，經人工打開除砂閥門由除砂口流出,含砂率較低的泥漿從旋流器出漿口流出，重新回到孔內。此循環過程由鉆孔施工開始一直到一次清孔結束，每隔2h工人操作平臺清理篩網，防止篩網堵塞。

旋流分離器根據離心沉降和密度差的原理，當泥漿在一定壓力下從旋流分離器進漿口以切向進入設備時，會產生強烈的旋轉運動，由于泥漿與砂密度不同，在離心力、向心浮力、流體曳力作用下，使密度低的泥漿上升，由旋流分離器出漿口排出，密度大的砂粒沉降到底部并由排砂口排出，從而達到有效除砂的目的。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程見圖3。

圖3 施工工藝流程

3.2 施工工藝流程中的操作要點

地質條件復雜情況下的大直徑超深鉆孔灌注樁，因鉆機施工中泥漿可以平衡孔壁巖石側壓力，防止孔壁坍塌、抑制地下水、平衡地層流體壓力、清洗孔底攜帶巖屑等，所以泥漿是保證孔壁穩定的重要因素。根據氣舉反循環鉆機施工工藝特點，采用優質膨潤土造漿或外購泥漿。膨潤土泥漿采用攪拌機拌制,通過凈化處理，泥漿循環使用。

鉆進過程中泥漿如有損耗、漏出，應及時補充漿液，泥漿補充采用泥漿凈化裝置回漿方式，其速度以保證液面始終在護筒面以上為標準，否則有可能造成塌孔，影響成孔質量，并按時檢查泥漿指標，遇土層變化應增加檢查次數，適當調整泥漿指標。

3.2.1 鉆孔過程泥漿循環

鉆孔過程中孔內鉆渣在氣壓作用下由鉆桿經動力頭連接管進入刮泥器,再經0.5cm×0.5cm的篩網篩除后，超過0.5cm×0.5cm泥塊及卵石(固相顆粒)進入渣箱而泥漿直接流入除砂箱。流入除砂箱的部分泥漿通過回漿口1、回漿口2流回孔內，另一部分則通過泥漿循環入口進入泥漿泵中循環。

3.2.2 一次清孔除砂

進入泥漿泵的泥漿在經過泥漿泵循環后，通過旋流器進漿管沿旋流分離器切線方向進入容器中,泥漿在離心力作用下高速旋轉,細砂沉積在底部經除砂閥門流出,含砂率較低的泥漿從旋流器出漿口流出，重新回到孔內。

從鉆孔施工開始直至一次清孔結束泥漿凈化器配合氣舉反循環鉆機一直循環。在終孔后，及時進行清孔，采用鉆機氣舉法自行換漿清孔，即用新拌泥漿置換孔內高濃度泥漿，使孔內泥漿比重、黏度、含砂率等指標滿足要求。清孔時將鉆具提離孔底30～50cm，緩慢旋轉鉆具，經泥漿凈化器補充優質泥漿，進行反循環清孔，同時保持孔內水頭，防止塌孔。

3.2.3 二次清孔除砂

一次清孔完成后，將氣舉反循環鉆機吊至下一樁基定位。在該樁基進行鋼筋籠下放，然后安裝導管，導管與空壓機連接，泥漿凈化器與導管連通，啟動空壓機、打開送氣開關進行二次清孔，二次清孔完成后拆除泥漿凈化器。

3.3 其他操作要點

a.須對清孔所使用的每套導管進行氣密性試驗，與鉆桿的氣密性試驗類似，氣密性達到要求后才可進行下一道工序。

b.導管下放深度以導管底端距離孔底淤泥面300～500mm為宜，風管下端接氣水混合氣，下放至與泥漿面距離為孔深55%～65%位置。

c.空壓機開始送風時應先向孔內補漿，嚴禁未補漿時空壓機送風，此誤操作會導致樁孔漿液面瞬間下降，無法保證水頭壓力，進而造成坍孔。清孔過程中，實時控制補漿量，嚴防補漿不足。清孔完畢后應先關氣后斷漿。

d.送風量應由小到大，風壓稍大于孔底水頭壓力，當孔底出現沉渣較厚、塊較大或沉淀板結時，可適當加大送風量，并搖動導管，以便排渣。

e.隨著鉆渣的排出，孔底沉淤厚度較小，導管應同步跟進，保持導管底與沉淤面的距離始終在合適范圍。

f.由于氣舉反循環流速較快，為保證孔壁穩定，需及時補充新鮮泥漿，保持孔內水頭高度，防止造成塌孔。

3.4 成孔檢測

清孔過程中和結束時應測量泥漿指標，清孔結束時應測定孔底沉渣，沉渣厚度小于100mm。清孔后孔內泥漿指標參數見表1。

表1 清孔后孔內泥漿指標參數

樁基清孔后采用灌注樁檢測系統(JJC-1EG)檢孔，主要檢測孔深、孔徑、傾斜度等。成孔檢測現場場景及檢測系統見圖4～圖5。

圖4 灌注樁成孔檢測系統

圖5 成孔檢測

4 結 語

本項施工技術已成功應用于山東黃河東平湖工程局承建的八里灣船閘工程C標段、敬亭圩泵站和施工進場道路施工。通過實踐應用證明，泥漿凈化裝置結合氣舉反循環鉆機在鉆進及清孔的施工過程中能提高鉆孔作業效率，保證泥漿的性能指標，保證孔壁穩定，避免塌孔事故，同時有效清除孔底沉渣、降低泥漿含砂率。較普通氣舉反循環結合泥漿凈化池清孔施工，提高了施工效率，保證了施工質量，縮短了施工工期，減少了施工成本，且安全環保，社會和經濟效益較好，具有很好的應用推廣前景。