泵吸反循環(huán)成孔工藝在砂質(zhì)軟土地基中的應(yīng)用研究*

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

1 工程背景

昆山市中環(huán)快速化改造工程地處長三角太湖沖積平原地區(qū)，地層中含砂率極高，自地面以下約15 m范圍內(nèi)為黏土層和粉質(zhì)黏土層，具有較好的自然造漿能力，但自15 m范圍以下，粒級在0.075～0.25 mm的細(xì)砂含砂率約為40%，黏粒含量僅為3%～5%，其余為粉細(xì)砂并局部夾有塊狀砂巖，須人造泥漿施工。

根據(jù)工程的實(shí)際情況，可選擇旋挖鉆機(jī)、正循環(huán)成孔反循環(huán)清孔、反循環(huán)成孔的施工工藝，采用反循環(huán)成孔可有效地縮短成孔時(shí)間，確保泥漿的攜渣能力，減少對孔壁的擾動(dòng)，保證成孔的質(zhì)量。

2 工藝概述

泵吸反循環(huán)是通過砂石泵的抽吸作用，在鉆桿內(nèi)腔形成負(fù)壓，在孔內(nèi)液柱和大氣壓的作用下，孔壁與環(huán)狀空間的沖洗液流向孔底，將鉆頭切削下來的鉆渣帶進(jìn)鉆桿內(nèi)腔，再經(jīng)過砂石泵排至地面沉淀池內(nèi)；沉淀鉆渣后，沖洗液流向孔內(nèi)，形成反循環(huán)。

試成孔設(shè)備選用GPS-20型回旋鉆機(jī)和4PL-B立式砂石泵（圖1），鉆頭采用單腰帶三翼鉆頭，直徑不小于設(shè)計(jì)樁徑。泥漿系統(tǒng)采用人工造漿和自然造漿相結(jié)合方法，含砂率不超過4%，膠體率95%以上，泥漿相對密度1.05～1.15，黏度18～24 s。

圖1 反循環(huán)成孔設(shè)備

采用反循環(huán)鉆進(jìn)成孔施工工藝成孔時(shí)，嚴(yán)格按照操作規(guī)程減壓低速（最低擋）鉆進(jìn)，保證開孔的垂直度，并減少對孔底的擾動(dòng)。

3 施工過程的控制[1-4]

為有效利用淺層土的造漿能力，減少自拌泥漿量，在上部約10 m深度鉆進(jìn)時(shí)，采用正循環(huán)自然造漿的方式成孔，利用泥漿開孔，并根據(jù)泥漿參數(shù)情況隨鉆進(jìn)逐漸加水，將產(chǎn)生的泥漿經(jīng)除砂器除砂并三級沉淀后回抽至鉆孔，同時(shí)將部分自造泥漿抽至貯漿池。當(dāng)鉆進(jìn)深度達(dá)到約10 m時(shí)（根據(jù)鉆孔部位的地質(zhì)資料和泥漿參數(shù)確定，一般控制在3 節(jié)鉆桿），改用反循環(huán)成孔。

反循環(huán)成孔的泥漿參數(shù)主要應(yīng)滿足泥漿護(hù)壁的要求，孔底沉渣靠鉆桿內(nèi)的高速流動(dòng)的泥漿帶出，不必考慮泥漿的攜渣能力，相反，孔底的泥漿黏度有利于粉細(xì)砂在泥漿循環(huán)過程中的沉淀。根據(jù)地質(zhì)情況和試成孔的結(jié)果，在反循環(huán)成孔過程中，入孔泥漿黏度控制在18～19 s，含砂率控制在2%左右，相對密度控制在1.1左右。

反循環(huán)開鉆前將鉆頭提高至距離孔底（反循環(huán)成孔深度）30～50 cm，將孔內(nèi)注滿泥漿，打開真空管路使氣水暢通，然后啟動(dòng)真空泵產(chǎn)生負(fù)壓，待泥漿泵充滿水時(shí)關(guān)閉真空泵，立即啟動(dòng)泥漿泵。當(dāng)泥漿泵出口真空壓力達(dá)到0.2 MPa以上時(shí)，打開出水控制閥，把管路中的泥水混合物排到沉淀池（圖2），形成反循環(huán)，啟動(dòng)鉆機(jī)慢速開始鉆進(jìn)。

由于反循環(huán)成孔過程中，鉆頭只需將孔底土層擾動(dòng)，孔底的渣土即隨泥漿流抽出，因此應(yīng)嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度和鉆壓，防止鉆進(jìn)后出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。原則上全部采用吊鉆的方式以低擋鉆進(jìn)，進(jìn)尺速度控制在每節(jié)鉆桿鉆進(jìn)約40 min，遇到含砂巖土層時(shí)，采用暫停進(jìn)尺，充分排渣的方式減少巖塊堵鉆現(xiàn)象的發(fā)生（圖3）。

圖2 成孔后沉淀池內(nèi)沉渣

圖3 成孔過程中抽出的巖塊

為確保成孔過程中的泥漿有效補(bǔ)給（此為反循環(huán)施工控制的重點(diǎn)之一），宜采用泥漿沉淀后自流回孔內(nèi)，適時(shí)補(bǔ)充泥漿的方式進(jìn)行成孔。

在鉆進(jìn)過程中，每5 m進(jìn)尺應(yīng)對泥漿性能進(jìn)行測試，并及時(shí)調(diào)整泥漿指標(biāo)，確保成孔過程中的泥漿穩(wěn)定性。

在成孔過程中，泥漿池循環(huán)溝應(yīng)經(jīng)常疏通，泥漿池應(yīng)定期清理沉渣，并及時(shí)外運(yùn)。

終孔后立即進(jìn)行清孔，將鉆錐提起30～50 cm，并保持泥漿的正常循環(huán)，將相對密度1.05～1.15的泥漿流入孔內(nèi)，將鉆孔內(nèi)懸浮較多的泥漿換掉，清孔時(shí)間根據(jù)泥漿相對密度及清孔過程中測量沉淀厚度來定。清孔過程中必須設(shè)有專人撈取鉆渣，加快清孔的速度。清孔時(shí)間以換完孔內(nèi)原漿為準(zhǔn)，并隨時(shí)作泥漿指標(biāo)檢測，取樣宜從排漿口進(jìn)行，泥漿指標(biāo)同原漿。清孔時(shí)護(hù)筒中泥漿水位應(yīng)注意保持穩(wěn)定，以防止鉆孔的任何塌陷。清孔時(shí)孔內(nèi)水位要高出地下水位0.5 m以上。

清孔完成后，及時(shí)提出鉆桿，并對成孔后的孔徑情況、泥漿參數(shù)等進(jìn)行自檢，自檢合格后及時(shí)下放鋼筋籠。

由于樁徑較大，孔口焊接時(shí)須保證至少有3 名焊工同時(shí)焊接，或采用直螺紋孔口連接的方式，減少鋼筋籠下放時(shí)間，同時(shí)，對樁長大的部位，采取2 節(jié)鋼筋籠地面拼接整體吊裝的方式大大減少下籠時(shí)間。對有超聲波檢測管的工程樁，須保證超聲波管的固定牢固和連接密閉性，并在安裝完成后注滿清水。對鋼筋籠的每節(jié)接頭，在連接完成后均須留下影像資料，以備檢查連接質(zhì)量。

鋼筋籠下放完成后，應(yīng)立即下放導(dǎo)管，并利用導(dǎo)管進(jìn)行二次清孔，二次清孔采用反循環(huán)工藝（泵吸或氣舉反循環(huán)），以出口泥漿參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求為準(zhǔn)。

二次清孔后，在30 min內(nèi)開始澆筑混凝土，混凝土初灌量經(jīng)計(jì)算確定，并應(yīng)保證連續(xù)澆筑，在澆筑過程中，經(jīng)孔內(nèi)泥漿抽至儲漿池內(nèi)做后續(xù)施工使用。最后階段被混凝土污染的泥漿直接抽至廢漿池外運(yùn)。混凝土澆筑完成后，及時(shí)檢測超聲波管的完好性，發(fā)生堵管現(xiàn)象及時(shí)處理或在相鄰樁位重新布設(shè)。

4 成孔質(zhì)量控制重點(diǎn)[5,6]

開始鉆進(jìn)時(shí)保持低擋慢速鉆進(jìn)，剛開鉆時(shí)泥漿相對密度有一個(gè)相對穩(wěn)定的時(shí)期，每隔30 min檢測泥漿指標(biāo)并及時(shí)調(diào)整；根據(jù)鉆桿進(jìn)尺，當(dāng)鉆頭接近護(hù)筒底部時(shí)，要特別注意將鉆進(jìn)速度放至最慢擋位且調(diào)整泥漿相對密度，使護(hù)筒底部有足夠的泥漿護(hù)壁，防止護(hù)筒底部薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)坍孔。在鉆進(jìn)過程中要控制進(jìn)尺，輕壓、低擋慢速進(jìn)行，施工中將鉆頭適當(dāng)提起，防止出現(xiàn)鉆頭及鉆桿的質(zhì)量全部靠孔底承受，形成擴(kuò)孔。接鉆桿前，待泥漿循環(huán)2～3 min后，并使反循環(huán)系統(tǒng)延續(xù)工作至孔底沉渣基本排凈，然后關(guān)閉泥漿泵，將鉆頭提離孔底，再加接鉆桿。此時(shí)需要仔細(xì)檢查鉆桿接頭的磨損及密封情況，以防止漏氣、漏水。

鉆進(jìn)中不得隨意提動(dòng)鉆具，孔壁不穩(wěn)定地層提升作業(yè)時(shí)一定要采取回灌措施，保持水頭高度以防坍孔。鉆進(jìn)過程中要經(jīng)常檢查鉆機(jī)的水平情況，以此保證鉆桿的垂直度，確保成孔質(zhì)量。

保持孔內(nèi)水位并經(jīng)常檢查泥漿相對密度。在鉆進(jìn)過程中，始終保持孔內(nèi)水位高于地下水位0.5 m以上。并控制鉆進(jìn)，及時(shí)排渣、排漿，現(xiàn)場采用泥漿泵排漿，多余泥漿采用泥漿泵抽至泥漿池中循環(huán)利用，防止污染河水。

接換鉆桿或因其他原因短時(shí)停鉆再次開鉆時(shí)，應(yīng)按開孔時(shí)處理。若因特殊原因長時(shí)間停鉆時(shí)，應(yīng)提出鉆頭。接換鉆桿或提升鉆頭應(yīng)平穩(wěn)，防止沖撞護(hù)筒和護(hù)壁。

鉆孔作業(yè)應(yīng)分班連續(xù)進(jìn)行，并詳細(xì)填寫施工記錄，交接班時(shí)應(yīng)交待鉆進(jìn)情況及下一班注意事項(xiàng)。

經(jīng)常對鉆孔泥漿進(jìn)行檢測和試驗(yàn)，不合要求時(shí)應(yīng)隨時(shí)改正。要經(jīng)常注意地層情況，在地層變化處均應(yīng)撈取渣樣，判斷后記入記錄表中并與地質(zhì)剖面圖核對。