軟土地基正循環(huán)鉆孔灌注樁二次清孔工藝選擇及其最佳清孔時(shí)間研究

張 濤

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401121)

0 引言

軟土地基地質(zhì)條件下的鉆孔灌注樁在施工時(shí)一般采用原土造漿。由于原土造漿的泥漿穩(wěn)定性較差，孔內(nèi)泥漿一旦停止循環(huán)，泥漿中懸浮的顆粒會在短時(shí)間內(nèi)下沉造成沉積;另外，鉆孔灌注樁在成孔后、灌注水下混凝土以前還要進(jìn)行下放鋼筋籠和導(dǎo)管2道工序，其時(shí)間間隔少則2 h，多則4～5 h或更長，在此時(shí)間內(nèi)孔內(nèi)泥漿中懸浮的顆粒勢必大量下沉而使孔底沉渣厚度超出規(guī)定范圍;同時(shí)，在下放鋼筋籠的過程中可能會因?yàn)殇摻罨\觸碰孔壁造成孔壁局部坍塌，或刮帶孔壁泥皮落至孔底，從而增大孔底沉渣厚度。因此，為保證鉆孔灌注樁成樁質(zhì)量，在灌注水下混凝土前必須進(jìn)行二次清孔。目前，二次清孔工藝種類繁多，主要包括氣舉反循環(huán)法［1-2］、換漿法［3-6］、抽漿法［7-8］、噴射法［9］。目前，文獻(xiàn)［1-9］主要是介紹軟土地基地質(zhì)條件下鉆孔灌注樁二次清孔工藝，而對二次清孔時(shí)間的規(guī)律未進(jìn)行深入研究。本文以南華分離式立體交叉隧道工程鉆孔灌注樁施工為背景，結(jié)合軟土地層互層多、黏聚力小、顆粒不均等特點(diǎn)，對二次清孔工藝的選擇以及最佳清孔時(shí)間的規(guī)律性進(jìn)行了探討和研究，以獲得軟土地基條件下二次清孔時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式，為類似工程提供參考。

1 二次清孔工藝簡述

在鉆孔灌注樁進(jìn)行二次清孔作業(yè)時(shí)，具體采用何種清孔工藝應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求、鉆孔方法、機(jī)械設(shè)備和地質(zhì)情況等因素來確定。一般來說，常見的鉆孔灌注樁二次清孔工藝主要有以下幾種。

1．1 抽漿法二次清孔工藝

在灌注水下混凝土的導(dǎo)管安裝后，通過特制彎管將導(dǎo)管與吸泥泵連接，以導(dǎo)管作為吸泥管抽除孔底沉渣和較稠泥漿達(dá)到二次清孔的目的。二次清孔后只需將特制彎管拆除即可開始灌注水下混凝土，方便快捷，但需要配備吸泥泵、特制彎管等設(shè)備，故適用于泵吸式反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆孔灌注樁。另外使用此工藝清孔時(shí)容易引起孔壁塌孔，操作時(shí)需特別注意。

1．2 氣舉反循環(huán)二次清孔工藝

氣舉反循環(huán)是一種清孔效果較明顯的清孔工藝。其清孔原理是利用空壓機(jī)的壓縮空氣，通過安裝在導(dǎo)管內(nèi)的風(fēng)管送至樁孔內(nèi)，高壓氣與泥漿混合，在導(dǎo)管內(nèi)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(dǎo)管內(nèi)混合器底端形成負(fù)壓，下面的泥漿在負(fù)壓的作用下上升，并在氣壓動(dòng)量的聯(lián)合作用下，不斷補(bǔ)漿，上升至混合器的泥漿與氣體形成氣漿混合物后繼續(xù)上升，從而形成流動(dòng)。由于導(dǎo)管的內(nèi)斷面積大大小于導(dǎo)管外壁與樁壁間的環(huán)狀斷面積，便形成了流速、流量極大的反循環(huán)，攜帶沉渣從導(dǎo)管內(nèi)反出，排出導(dǎo)管以外。

由于返漿速度較大，氣舉反循環(huán)二次清孔工藝可以清運(yùn)粒徑為100～150 mm的石塊，特別適用于巖基的鉆孔灌注樁。綜合來看，此工藝清孔速度快，清渣效果較好，但需要配備空壓機(jī)、風(fēng)管及氣漿混合器等設(shè)備，且由于泥漿上返速度較快，其比較適用于巖基的孔樁，在土基特別是軟土地基條件下的孔樁容易造成塌孔，故具有一定的局限性。

1．3 換漿法二次清孔工藝

采用此工藝進(jìn)行二次清孔的方法是在導(dǎo)管上直接連接泥漿泵進(jìn)行泥漿循環(huán)，用比重小的稀泥漿將樁孔內(nèi)的沉渣和比重大、砂率高的濃泥漿置換掉，然后立即灌注水下混凝土。本工藝對正循環(huán)鉆孔灌注樁來說，不需另加施工機(jī)具，且孔內(nèi)仍為泥漿護(hù)壁，不易塌孔，適合軟土地基條件下的鉆孔灌注樁。缺點(diǎn)是清孔不太徹底，且清孔時(shí)間相對較長。若能把握好清孔時(shí)間并迅速進(jìn)行水下混凝土灌注，該工藝能保證施工質(zhì)量并體現(xiàn)其在土基或軟土地基條件下鉆孔灌注樁施工中的優(yōu)越性。

1．4 噴射法二次清孔工藝

在灌注混凝土前對孔底進(jìn)行高壓射水或射風(fēng)數(shù)分鐘，使沉淀物飄浮后，立即灌注水下混凝土，以達(dá)到減少孔底沉渣的目的。此工藝清孔速度較快，但需要增加空壓機(jī)等專用機(jī)械設(shè)備，且在沉渣粒徑較大、沉渣厚度較大等情況下效果較差，一般較少采用。

2 二次清孔工藝選擇

軟土地基正循環(huán)鉆孔灌注樁包含軟土地基和正循環(huán)鉆孔2個(gè)要素。軟土地基意味著鉆孔、清孔過程中易塌孔，需要濃泥漿護(hù)壁，特別是在清孔時(shí)不能使用激烈的清孔方式;正循環(huán)鉆孔則決定了施工現(xiàn)場所具備的施工機(jī)具。根據(jù)各種二次清孔工藝的特點(diǎn)，結(jié)合軟土地基正循環(huán)鉆孔灌注樁所具備的2大要素，從經(jīng)濟(jì)性、適用性以及清孔效果等方面進(jìn)行了考慮。

1)經(jīng)濟(jì)性。換漿法二次清孔工藝所采用的清孔機(jī)具與正循環(huán)鉆孔灌注樁的施工機(jī)具相同，不需要另外增加施工機(jī)具，而其他清孔方式均需額外增加專用的清孔機(jī)具，因此節(jié)約了額外的機(jī)具使用費(fèi)。

2)適用性。抽漿法和氣舉反循環(huán)二次清孔工藝均屬較激烈的清孔方法，在軟土地基鉆孔灌注樁中使用容易引起塌孔;而軟土地基中的地層大部分分布有粉細(xì)砂層，經(jīng)過此種地層的鉆孔灌注樁易坍塌且泥漿中懸浮的砂粒較多，終孔清孔后至導(dǎo)管安裝完畢的這一段時(shí)間內(nèi)沉淀的沉渣較厚，用噴射法亦不適合。

3)清孔效果。只要清孔時(shí)間能夠掌握好，換漿法二次清孔工藝的清孔效果與其他清孔方式無異。

綜上所述，軟土地基正循環(huán)鉆孔灌注樁二次清孔施工時(shí)選擇換漿法二次清孔工藝較為合適。

3 二次清孔時(shí)間研究

在軟土地基正循環(huán)鉆孔灌注樁采用換漿法進(jìn)行二次清孔時(shí)，若二次清孔的時(shí)間過短，孔內(nèi)沉渣和大比重泥漿未完全置換出孔外，會造成孔內(nèi)泥漿比重和沉渣量超標(biāo)，影響成樁質(zhì)量;若二次清孔的時(shí)間過長，則成樁時(shí)間相應(yīng)較長，施工進(jìn)度將會受到很大影響，且軟土地基條件下的鉆孔灌注樁可能會因?yàn)檫^久處于低濃度泥漿護(hù)壁的狀態(tài)下而發(fā)生局部坍塌，嚴(yán)重影響成樁質(zhì)量。另外，由于不能確定二次清孔何時(shí)完成，在清孔過程中需要頻繁進(jìn)行泥漿比重和沉渣厚度檢驗(yàn)，大大增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了工作效率。經(jīng)驗(yàn)表明，換漿法二次清孔的時(shí)間有一個(gè)最佳的時(shí)間點(diǎn)，離這個(gè)時(shí)間點(diǎn)過早或過晚結(jié)束清孔均不利于保證二次清孔的質(zhì)量;因此，研究確定這樣一個(gè)有規(guī)律的二次清孔時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)值或者經(jīng)驗(yàn)公式對于保證成樁質(zhì)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和提高工作效率具有特別重要的意義。

經(jīng)深入到佛山市順德快速干線高富路南華分離式立體交叉隧道的施工現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)影響換漿法二次清孔時(shí)間的主要因素有樁長、孔徑和泥漿泵流量。調(diào)查時(shí)觀察、記錄正在施工的每一根鉆孔灌注樁自開鉆到成樁的全過程，并在二次清孔時(shí)加大試驗(yàn)檢測的頻率，以保證準(zhǔn)確掌握二次清孔工作的時(shí)間點(diǎn)。為了進(jìn)一步弄清楚各影響因素與二次清孔時(shí)間的關(guān)系，進(jìn)行了以下統(tǒng)計(jì)分析工作。

3．1 樁長與二次清孔時(shí)間的關(guān)系

在現(xiàn)場選定一批樁長有比較性的鉆孔樁，采用相同的設(shè)備進(jìn)行施工，然后根據(jù)成樁后的混凝土用量推算出每根樁的擴(kuò)孔率(南華分離式立體交叉隧道工程所有鉆孔灌注支護(hù)樁設(shè)計(jì)均為φ100 cm鉆孔灌注樁，其孔徑的差別反映為擴(kuò)孔率不同)，再對擴(kuò)孔率相近的鉆孔樁二次清孔時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、比較、分析。樁長與二次清孔時(shí)間的關(guān)系如表1所示。

表1 樁長與二次清孔時(shí)間的關(guān)系Table 1 Relationship between pile length and secondary borehole cleaning duration

由表1可知:鉆孔灌注樁的二次清孔時(shí)間與樁長基本上成正比例變化。

3．2 孔徑與二次清孔時(shí)間的關(guān)系

在現(xiàn)場選定一批樁長相同的鉆孔樁，采用相同的設(shè)備進(jìn)行施工，然后根據(jù)成樁后的混凝土用量推算出每根樁的擴(kuò)孔率，再選取擴(kuò)孔率有比較性的鉆孔樁的二次清孔時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、比較、分析。前面已經(jīng)提到，南華分離式立體交叉隧道工程中的孔徑變化是以擴(kuò)孔率來反映的，而與擴(kuò)孔率直接對應(yīng)的是孔的橫斷面面 積，也就是說，與二次清孔時(shí)間更直接對應(yīng)的是各種不 同孔徑下的樁孔的橫斷面面積。為了更直接地反映孔 徑與二次清孔時(shí)間的關(guān)系，需要引入環(huán)空面積［2］的概 念:環(huán)空面積=孔的橫斷面面積-導(dǎo)管的橫斷面面積(南華分離式立體交叉隧道工程所用的導(dǎo)管直徑為25 cm)。擴(kuò)孔率與二次清孔時(shí)間的關(guān)系如表2所示。

表2 擴(kuò)孔率與二次清孔時(shí)間的關(guān)系Table 2 Relationship between borehole expansion rate and secondary borehole cleaning duration

由表2可知:鉆孔灌注樁的二次清孔時(shí)間與環(huán)空面積基本上成正比例變化。

3．3 泥漿泵流量與二次清孔時(shí)間的關(guān)系

在現(xiàn)場選定一批樁長相同的鉆孔樁，采用不同的泥漿泵進(jìn)行施工，然后根據(jù)成樁后的混凝土用量推算 出每根樁的擴(kuò)孔率，再對擴(kuò)孔率相近的鉆孔樁二次清 孔時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、比較、分析。泥漿泵流量與二次清孔 時(shí)間的關(guān)系分析情況如表3所示。

表3 泥漿泵流量與二次清孔時(shí)間的關(guān)系Table 3 Relationship between slurry pump discharge rate and secondary borehole cleaning duration

由表3可知:鉆孔灌注樁的二次清孔時(shí)間與泥漿泵流量成反比例變化。

4 總結(jié)經(jīng)驗(yàn)公式

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)分析可以知道，二次清孔時(shí)間與樁長和由孔徑?jīng)Q定的環(huán)空面積成正比例變化，與泥漿泵流量成反比例變化。故先簡單歸納出二次清孔時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中:T為二次清孔時(shí)間;L為鉆孔灌注樁長度;S為鉆孔灌注樁成孔后進(jìn)行二次清孔時(shí)的環(huán)空面積;Q為泥漿泵的流量。

將現(xiàn)場數(shù)據(jù)代入式(1)進(jìn)行驗(yàn)證(考慮泥漿泵的實(shí)際流量約為額定流量的80%)，如表4所示。

由表4可知，公式中應(yīng)有一個(gè)常量系數(shù)?？紤]到第1次清孔程度、地質(zhì)條件不同及施工經(jīng)驗(yàn)等因素影響，應(yīng)賦予這些因素一個(gè)時(shí)間加成值(假定為t值)，故上述常量

系數(shù)應(yīng)小于表中所列的比例值，決定取值為1．5。綜上，得出二次清孔時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式為

5 實(shí)踐應(yīng)用

根據(jù)南華分離式立體交叉隧道工程中已完成施工的鉆孔灌注樁的統(tǒng)計(jì)資料，取軟土地基地質(zhì)條件下的其他因素t為2 min，并以擴(kuò)孔率的平均值1．18計(jì)算本工程的平均環(huán)空面積為S=π×0．52×1．18-π×0．1252=0．88 m2，然后將數(shù)值代入經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出尚未施工的鉆孔灌注樁的二次清孔時(shí)間，再與實(shí)際施工時(shí)剛好完成二次清孔工作的時(shí)間進(jìn)行比較，以驗(yàn)證公式的正確性。二次清孔經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證如表5所示。

表4 二次清孔計(jì)算時(shí)間與實(shí)際時(shí)間的關(guān)系Table 4 Calculated secondary borehole cleaning duration and actual secondary borehole cleaning duration

表5 二次清孔經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證表Table 5 Verification of empirical formula for secondary borehole cleaning duration

由表5可見，該經(jīng)驗(yàn)公式具有較高的準(zhǔn)確性，可以用來指導(dǎo)施工。

6 結(jié)論與討論

通過對南華分離式立體交叉隧道工程鉆孔灌注樁二次清孔時(shí)間的分析和施工實(shí)踐，得出經(jīng)驗(yàn)公式T=1．5LS/Q+t。其中，t值應(yīng)根據(jù)第1次清孔程度、地質(zhì)條件不同以及施工經(jīng)驗(yàn)等因素的變化情況進(jìn)行賦值。鉆孔灌注樁施工過程中，尤其是樁基數(shù)量比較多的時(shí)候，掌握一個(gè)有規(guī)律的二次清孔時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)值，對保證成樁質(zhì)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和提高工作效率具有特別重要的實(shí)際意義。由于換漿法清孔原理的一致性，該經(jīng)驗(yàn)公式不僅僅適用于軟土地基條件下的鉆孔灌注樁，其對于其他多種地質(zhì)條件下采用換漿法進(jìn)行二次清孔的鉆孔灌注樁的現(xiàn)場施工亦具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］ 喻榮華．氣舉反循環(huán)清孔在大口徑鉆孔灌注樁的應(yīng)用［J］．西部探礦工程，2005(7):56-59．

［2］ 王普羨．氣舉反循環(huán)二次清孔在鉆孔灌注樁施工中應(yīng)用的介紹［J］．水運(yùn)工程，1990(9):22-24．(WANG Puxian．Application of air-lift reverse circulation method to the driven holes with twice cieaning for the cast-in-situ piles［J］．Port ＆Waterway Engineering，1990(9):22-24．(in Chinese))

［3］ 章勇．正循環(huán)換漿清孔研究［J］．考試周刊，2009(26):39-41．

［4］ 林崇宇．對正循環(huán)鉆孔灌注樁二次清孔的監(jiān)控［J］．巖土工程技術(shù)，1995(3):15-19．

［5］ 張楊，王瑞琦．利用導(dǎo)管進(jìn)行正循環(huán)清孔確保外孔灌拄樁質(zhì)量［J］．遼寧交通科技，1998(2):64-70．

［6］ 周洪川．鉆孔灌注樁正反循環(huán)法清孔工藝比較研究［J］．中國水運(yùn):下半月，2008(5):70-75．

［7］ 曾耀榮．沖擊鉆孔泥漿清孔技術(shù)［J］．中南公路工程，1999(2):30-34．

［8］ 朱前林，錢玉林．泥漿護(hù)壁成孔灌注樁清孔工藝探討［J］．建筑技術(shù)，2005(3):29-33．(ZHU Qianlin，QIAN Yulin．Approach to the bore cleaning technology for cast-insitu pile with mud protection wall［J］．Architecture Technology，2005(3):29-33．(in Chinese))

［9］ 周永江，馮蒼龍，杜喜春．鉆孔施工中清孔的方法與適用性［J］．黑龍江交通科技，2004(11):32-35．