汪宝
合肥明巢高速公路有限公司 安徽 合肥 230000
摘 要：综述了钻孔灌注桩气举反循环清孔的工艺技术以及操作方法，同时结合351国道开化项目说明该工艺的实际应用效果，为水中裸岩钻孔灌注桩推广一种新的施工工艺。
关键词：钻孔灌注桩；气举反循环；清孔工艺
0 引 言
气举反循环在地质钻探、供水井施工中引用广泛，在桩基施工中应用罕见，近几年在浙江一带出现钻孔灌注桩气举反循环清孔工艺，适用各类地层，尤其在施工较大桩径和超长桩优势明显，推广较快。气举反循环在桩基施工中主要应用于钻孔灌注桩钻进清孔和成孔清孔，成孔清孔更是钻孔灌注桩施工工艺中至关重要的一环，尤其对嵌岩桩而言，它直接影响端承力的发挥。
钻孔灌注桩清孔的传统方法主要有旋挖钻机回钻清孔、正循环清孔、泵吸反循环清孔。对于水中裸岩（或者河床覆盖层很薄）地质桩基，一般采用在水中搭设钻孔钢平台下放钢护筒施工工艺。
对于旋挖钻机由于自身设备重量大，且施工产生振动对钢平台稳定性影响较大，为确保施工安全，旋挖钻机一般不采用。对于正循环清孔，由于护筒无法嵌入岩层，采用泥浆护壁钻进成孔工艺，若钢平台距常水位超过5米，护筒内水位至钢平台泥浆池高差超出了正常泥浆泵的扬程范围，若提高护筒水位，则护筒内外压力差增大，施工过程又会导致漏浆严重，不仅成孔效率低、清渣不彻底，也会对河流产生严重污染。对于泵吸反循环清孔，泵由于泵吸法循环系统复杂，砂石泵故障多，机具密封性能高，若连接部件密封性能较差，就可能影响反循环清孔效果和时间，清孔工作效率不稳定。
因此传统方法已不能满足施工及环保要求，而气举反循环清孔则弥补了传统方法的不足之处，以施工环保、清孔速度快、清渣彻底能满足沉渣要求，在本项目得到了很快的推广和应用，以下主要是针对气举反循环在水中裸岩钻孔灌注桩中的应用展开讨论。
1 工程概况
马金溪是浙江省衢州市开化县最大的河流，为衢江的上游，也是钱塘江的源头之一，马金溪河道宽约90-120米，枯水深4.8～6.2米，历史最大水深约15.16m。
351国道开化项目马金溪1#号桥、国道立交C、D匝道桥均跨越马金溪，其下部结构型式为：基础采用桩基础（嵌岩桩），桥墩采用柱式墩，其中马金溪1#号桥2#～4#墩、C匝道0#～2#墩及D匝道34#、35#墩位于马金溪水中，水中桩基采用在马金溪上搭建钢平台施工。根据勘察地质报告，马金溪水中桩基所处地质依次为河床覆盖层（卵石、中粗砂及少量黏性土，厚度约0～0.5m）、强风化泥岩、中风化泥岩。
由于河床覆盖层较薄，局部甚至为裸岩，护筒无法利用振动锤入岩，而且泥浆泵扬程不足或者增加水头又会导致漏浆严重，无法采用泥浆护壁正循环清孔，因此本项目采用气举反循环施工工艺进行桩基钻进清孔和成孔清孔。
2 气举反循环工艺原理
顾名思义，反循环清孔的定义就是沉渣从导管内排出的清渣工艺。反循环清孔工艺有多种，一般有泵吸法、空气吸泥机法等种。近年来出现的气举反循环法相对工艺更为简单，清孔效果明显，推广较快。
如图1所示，空气压缩机将压缩空气输进风管,空气经风管底部排出和泥浆形成气液混合物。孔底沉渣在喷出气体的冲击作用下悬浮起来，由于管内、外液体的密度差,孔内泥浆、空气、沉渣的三相流沿导管向上运行，被排出孔口，进入泥浆箱。过滤出沉渣后，过滤后的泥浆又重新进入孔内，反复循环直至孔底钻渣被清出以及成孔后沉渣厚度达到规范要求。
参见图1，作用于风管底部液面上内外液体柱压力差为:
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ΔP=ρwgh1-ρng(h1+h2)=(ρw-ρn)gh1-ρngh2 （1）
式中 ΔP——风管底部液面上内外液体柱压力差，单位Pa；
ρw——导管外泥浆密度，单位kg/m3；
ρn——导管内三相流密度，单位kg/m3；
h1——风管底部到孔内液面深度，单位m；
h2——孔内液面到导管顶面高度差，单位m；
g——重力与质量的比值，单位N/kg。
正是这个压力差，驱动导管内风管底口以上的三相流沿导管上升，并克服循环过程中的各种阻力，形成反循环。考虑到供气管道的压力损失，故空气压力应按下式计算:
P=ρngh1+Ps （2）
式中 P——空压机提供的空气压力，单位Pa；
Ps——供气管道压力损失,一般取50～100Pa；
ρn——导管内三相流密度，单位kg/m3；
h1——风管底部到孔内液面深度，单位m；
g——重力与质量的比值，单位N/kg。
由（1）式可以看出，管外液体密度ρw和h1、h2相对稳定的情况下，降低三相流的密度ρn(通过增大压气量实现) 将提高驱动气举反循环的压力差，因此送往孔内的空气流量和压力是影响气举反循环排渣能力的重要参数；h1越大，h2越小则压力差越大，所以当孔内水位较低时不能形成反循环，应保持孔内水面达到合适高度从而增大h1减小h2。
由（2）式可以看出，空压机的选择应有P确定，主要受h1和ρn控制。当孔较深，三相流密度比重较大时所需的压力较大。因此要根据工程的实际桩长计算P确定空压机型号；尽最大的可能减小Ps，应经常检查风管是否漏气，接头处是否严密使压力损失减到最小。
3 气举反循环施工工艺
3.1 施工工艺流程
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图3 气举反循环钻进清孔工艺流程图
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3.3 施工工艺操作方法
1)下放清孔导管和风管采用钻机卷扬机副机进行安装接长，清孔导管采用双密封圈、法兰螺栓连接方式，清孔导管与风管通过接头管丝扣连接。
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图4 导管风管连接图 图5 导管连接图
2)将导管一端通过弯形接头与排渣管连接，排渣管固定在泥浆沉淀池边。压缩空气通过风管被送至导管中，在导管内产生空气泥浆混合液，携带沉渣的泥浆从导管内腔快速上返，经排渣管排入泥浆箱。同时在护筒顶部接入泥浆管，使泥浆箱与护筒形成倒流补给，保证孔内泥浆高度。
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图6 气举反循环排渣图 图7 护筒泥浆补给循环图
3)在操作过程中要通过调节空压机风量，达到调控排浆量的目的。根据现场实际经验，在施工操作中风压一般控制在0.3—0.4MPa。
4)在清孔操作过程中，应经常调整导管底端与孔底距离，同时不停地移动导管位置，使孔底沉渣冲排干净。
5)成孔清孔过程中，在确认孔口排出的泥浆性能指标满足要求后，关闭空压机，测量孔底沉渣。沉渣厚度合格后转入水下混凝土灌注工序。如沉渣厚度达不到设计要求，应继续进行清孔，直至沉渣厚度检测合格为止。
4 气举反循环施工中需要注意的问题
1)施工中应控制好空压机风力和风量，避免排浆量过大时，孔口泥浆自流补给跟不上，造成孔内泥浆液面下降，影响清孔效果。虽然可采用泥浆泵进行孔口补充泥浆，但不仅增加了工作量，而且有时会出现从孔内排出泥浆中渣石来不及完全沉淀，就返回孔内。所以现场在满足清渣要求的前提下，应适当控制孔内排浆量，尽量提高孔口净化泥浆的补给能力与排浆量保持动态平衡。
2)在操作过程中由于送风软管质量不好，易发生折弯堵管的情况。因此宜购买质量好、强度较高的高压风管。另外在设置空压机位置时应考虑桩孔的分布情况，确保地表送风软管最大长度控制在60m以内，以减少风压损失。
3)若在施工现场自然条件难以做到孔口自流补浆的情况下，就必须采取泥浆泵泵送孔口补浆措施，但应注意保持泵送泥浆能力与反循环排浆能力的动态平衡。
4)灌注导管要密封不漏气。将导管下至距孔底100mm处清孔效果最佳，这样能保证沉渣顺利的进入导管。当沉渣过多时（≥1.0米）可以先拆除一节导管，确保导管口在沉渣面以上100mm。当沉渣减少再将导管长度按孔深配置。上下活动导管，可以提高清孔效率。
5)成孔清孔中，将泥浆比重调整到合适的范围。如果泥浆比重小于1.05，泥浆的含渣的能力较差。如果泥浆比重大于1.30，则导管内外的压力差相对较小，不能形成反循环。
6)注意空压机的正确启动，送气时风量、风压应由少到大，防止导管的瞬时上浮和风压管的破裂。并注意空压机的日常维护，特别注意润滑油的添加。
7)正确判断清渣的质量。在工程中用测绳检测最为常见，首先要测量孔深，当锤击孔底时，感觉有反弹，声音较清脆时说明清渣效果较好。
8)清渣完毕后立即灌注成桩。清孔时不可能将形成沉渣的颗粒物全部清除干净，有一些必定悬浮在泥浆中，如果等待时间过长必定还会沉淀形成沉渣，特别在泥浆比重较小时沉淀速度更快,所以在二次清孔完毕后立即灌注。
5 实施效果分析
本项目马金溪1#号桥2#～4#墩、C匝道0#～2#墩及D匝道34#、35#墩共16根桩基位于马金溪水中，全部为嵌岩桩，设计要求钻入中风化岩层不小于2.5D（D为桩直径），孔底沉渣厚度≤50mm。本工程马金溪水中桩采用均采用了冲击钻反循环施工工艺，通过预埋声测管，做超声波检测，孔底沉渣均能满足设计要求，桩检结果均为Ⅰ类桩。通过本项目马金溪水上桩的施工实践证明，气举反循环进行水中裸岩嵌岩桩清孔工艺可行且效果较为理想，主要优势如下：
1)成功解决了水中裸岩（或者河床覆盖层很薄）地质桩基传统正循环工艺成孔效率低、清渣不彻底，对河流产生严重污染的难题。
2)清孔质量好，清渣彻底，二次清孔后，全部达到50mm以下,满足设计要求。
3)清渣速度快，缩短工期，降低施工成本。钻孔灌注桩桩基采用气举反循环法清孔施工时，每根桩清孔约减少2个小时时间，提高了劳动生产率，加快设备周转周期，直接降低了工程施工成本。
4)泥浆排放量减少，减少环境污染。
5)配置设备少，只需配置1台空压机，因而施工成本可控。
6)工艺操作简单，经过简单培训施工人员便能掌握。
6 结语
通过上述工期、质量、环保、经济等多角度分析，钻孔灌注桩气举反循环清孔施工工艺值得推广，尤其在水中裸岩钻孔灌注桩施工中的优越性更是其他工艺无法比拟的。
参考文献：
[1] JTG/T?F50-2011 公路桥涵施工技术规范.