气举反循环工艺在旋挖灌注桩清孔中的应用

程 兵，韩荣祥，郑 旭

（中国二十冶集团有限公司，上海 201900）

随着我国桥梁建筑的发展，对桥梁的承载要求越来越高，沉降值控制越来越严格，从而对桥梁的单桩承载力要求越来越高，桩长、入岩深度等技术参数相应提高，泥浆护壁成孔桩使用越来越普遍。但该类湿作业钻孔灌注桩往往因孔底沉渣过厚，导致承载力折减。根据以往工程对地下桩超声波和抽芯检测结果分析，在桩基混凝土灌注正常的情况下，桩基混凝土中间有缺陷，多数是混凝土内局部有夹渣造成的。这些质量问题基本上都是二次清孔不到位引起的，因有钢筋笼或井壁阻隔，使沉渣被混凝土包裹在桩中间。由此可见，虽然各种灌注桩施工工艺发展迅速，但沉渣的二次清理问题一直没得到有效解决，沉渣厚度控制问题反而凸显出来。传统的正循环清孔工艺时间长、效果差，复杂地质条件下成桩风险大[1]；反循环清孔工艺系统复杂、设备故障多，遇到大型块石时，清理难度大。因此，孔底成渣厚度已成为灌注桩质量控制中的重难点，发展一种新的清孔工艺来解决当前的瓶颈问题显得尤为重要。

1 工程概况

海滨大道一期道路位于深圳市宝安区空港新城启动区西部，道路呈南北走向，起于海云路，止于沙福路西延段，沿线分别与凤塘大道、沙福路等道路交叉。其中跨凤塘大道设钢拱桥桥梁1座，桥梁全长325m，桥梁主跨跨越海滨大道与风塘大道的平交口（见图1），桥梁设置为一联，跨径布置为2×40m+45m+65m+45m+2×40m。

图1 钢箱梁桥平面图

下部结构桥墩采用双柱式矩形墩，P1～P6承台下接4根灌注桩基础，6个桥墩，共计24根桩。其中主墩墩柱2m×2m，承台厚2.5m，桩基直径1.8m；边墩墩柱1.6m×1.6m，承台厚2m，桩基直径1.5m。A0、A7桥台采用重力式U型台接承台桩基础，桩基直径1.3m，桥台下接8根灌注桩基础，共计16根桩。桩基础均采用嵌岩桩，桩基础嵌入中风化岩层的厚度应不小于3倍桩径。当中风化岩层厚度小于3倍桩径时，嵌入微风化层不小于1倍桩径，钻孔灌注桩清孔后钻孔泥浆要求泥皮厚不大于3mm，清孔后的孔底沉渣厚度不得大于50mm，清空完成后及时浇筑混凝土。

根据野外勘探结果，结合原位测试和室内土工试验成果综合分析，拟建场地勘察深度范围内分布的地层有人工填积层（Qml）、第四系海陆交互相沉积层（Q4mc）、第四系上更新统冲洪积沉积层（Q3al+pl）、第四系残积层（Qel）和震旦系花岗片麻岩层（Z）。该项目桩基持力层为第四系震旦系花岗片麻岩中的中风化、微风化花岗片麻岩层，层底埋深23.00～50.50m。根据该工程现场条件及工期要求，该项目拟采用旋挖成孔、气举反循环清孔、导管水下灌注的施工方法。

2 工艺原理

气举反循环是一种先进、高效的清孔工艺（见图2），目前已被广泛用于大口径、超深度、硬质岩层等复杂地层中桩基础清孔施工。

图2 气举反循环

其原理是将压缩空气经风管向导管（排渣管）注入空气，压气膨胀，液气混合，在导管中下部空气与化学泥浆形成一种液气混合物（密度约为0.6kg/m3），其密度小于泥浆密度（约为1.1kg/m3）。由于气体的不断输入，上部逐渐形成负压区，在内外压差的作用下，孔底泥浆携带钻孔沉淀物沿着导管上升，不断地补充到负压区，从而将气、液、固三相混合物通过导管排出孔外。同时，为防止孔中泥浆水头过小，及时用泥浆泵将优质（含砂率低）泥浆补充到孔内，并形成循环系统，最终达到清渣的目的。

3 施工工艺

3.1 施工设备

桩基成孔采用SR360旋挖成孔，到达设计标高，停止进尺，将钻头提出，采用清底钻头进行一次清孔。清孔符合要求后，利用50t吊机将制作好的钢筋笼分节吊装至孔内，开始安装导管，为二次清孔做准备。

二次清孔采用气举反循环工艺，除了常规的沉淀池、泥浆泵、泥浆管等辅助设施，该工艺还需配备如下机具：（1）导管（清孔兼灌注）。导管的内径为250mm，每节长度为2.0～3.0m不等，其中最下端导管长度为6.0m。每节导管采用法兰盘相连接，用O型橡胶密封圈密封，严防漏水。（2）导流罩。弯管与导管接头法兰，排渣管与输气金属管均与其连接，连接位置设置密封圈，保证密封效果，确保清渣时导管上部形成真空。（3）输气金属管。导管内送风管采用DN25镀锌钢管，壁厚3mm，每节长度为3m，采用螺纹连接，总长度根据桩长进行拼接。（4）输气软管。输气软管采用DN25，2.0MPa的TPU软管，管道不宜过长，减少风压损失。（5）空压机。大功率空压机，进气压力为0.5～1MPa，进气量为8～20m3/h。（6）泥浆泵：采用立式不锈钢多级离心泵，根据桩基施工不同阶段调节泥浆流量。（7）泥浆管：泥浆输送管采用15cm的耐磨抗刮擦橡胶软管。

3.2 施工方法

灌注桩成桩工艺：场地平整及桩位测量→埋设护筒→旋挖机钻进→一次清孔→钢筋笼制作及安装→导管安装→气举反循环二次清孔→混凝土浇筑。气举反循环施工作为其中一个最重要的二次清孔环节，其主要施工步骤如下：

（1）钢筋笼吊装安装完成后，逐节拼装下放导管，导管底口距离孔底设计标高30～40cm以上。

（2）安装输气金属管。风管管路必须密闭良好，不得漏风、漏水，输气金属管底口距离井口深度不宜小于导管长度的1/2，同时不得大于导管长度的2/3。以60m长导管为例，金属管长度设置在30～40m为宜[2]。

（3）安装排渣软管与输气软管。排渣软管一端与导流罩上弯管衔接，另一端将泥浆排至提前挖好的一级沉淀池；输气软管连接空压机与输气金属管。

（4）开启空压机及泥浆泵，进行气举反循环试运行，风压取0.5～1MPa。当发现问题，及时停止排查。

（5）试运行无异常后，正式进行二次清孔。因底部沉渣随着清孔过程逐步减小，此时导管要上、下、左、右小幅度挪动，提高清渣效果。

（6）泥浆携带沉渣从排渣软管排入一级沉淀池，经过滤网过滤，泥浆流至二级沉淀池中，由泥浆泵抽入钻孔中，保持孔内泥浆面稳定，由此形成一个循环。

（7）停止清孔后，要先关闭空压机，后关闭泥浆泵，避免泥浆面下降造成塌孔。

4 施工质量控制

相比于传统的正反循环清孔工艺，气举反循环在清孔速度上能提高数倍，清孔效果表现出独特的优势，但是在工序操作、控制上要求严格，稍有不慎，会导致气举反循环工艺实施失败。为提高气举反循环清孔的成功率、发挥其优势，在施工过程中需注意以下八点：

（1）出浆管及高压进气管与法兰盘连接紧密，确保不漏气，导管上部形成负压区。

（2）风管底口距离井口深度不宜小于导管长度的1/2，以形成足够的备压，否则不能形成有效的反循环体系，但也不能超过导管长度的2/3，太深则会使排浆量过大，导致泥浆补充与排放达不到平衡，从而影响孔壁稳定，易造成塌孔。

（3）每次空压机运行清孔时间不宜过长，一般为3～5min，停歇3min后再次启动空压机。一旦泥浆回流速度跟不上携渣排浆速度，孔内泥浆水头下降过快，易造成塌孔，必要时补充优质膨润土泥浆。

（4）送风量应从小到大，风压应稍大于孔底水头压力。当孔底沉渣较厚、块度较大，或沉淀板结时，可适当加大送风量。

（5）必须设置二级沉淀池，因泥浆排出及回流速度快，若仅设置一个沉淀池，则泥浆中的成渣来不及沉淀就会再次回流至孔内，从而达不到清孔效果。同时，沉淀池间的钢丝网格栅要及时更换冲洗，防止堵塞。

（6）为防止孔内沉淀物堵塞出浆管，在气举反循环前，要把导管提离孔底一段距离，待反循环形成后，视出浆情况逐步下沉。

（7）由于桩孔较大，清孔时，要左、右移动导管及前、后移动平台，使清孔比较彻底[3]。

（8）清孔完成后，孔底沉渣应严格控制在5cm以下，泥浆指标合格（泥浆相对密度：1.03～1.10；黏度：17～20s；含沙率：小于2%），立即检查验收，并在30min内开始混凝土灌注，避免泥浆沉淀、孔底沉渣加厚需重新清孔。

5 工艺效果

5.1 清孔效果

气举反循环法二次清孔技术大幅度缩短了桩基的二次清孔时间，提高了成孔效率。通常，对于60m长桩基而言，采用正循环法进行清孔，要达到沉渣厚度小于5cm的要求，至少需要8h。而采用气举反循环法进行二次清孔，一般安装、拆卸设备需要40min，清孔时间为20min，孔底沉渣厚度就可以达到设计要求（5cm以下），总共1h就可以达到浇筑条件。从技术角度来看，清孔时间短，塌孔的风险降低，在复杂地层中更为重要；从工期、投资角度出发，成孔效率的提高，缩短了成桩时间、节约了费用。

该工程桥梁桩基要求嵌入中风化岩层厚度小于3倍桩径时，或微风化层不小于1倍桩径，采用冲孔桩工艺时，花岗岩可被冲锤彻底压碎，产生的成渣颗粒粒径多为10mm以下，采用正循环二次清孔时，小粒径碎石沉渣可轻松随泥浆排出；而采用旋挖钻工艺时，在进入中风化或微风化中，旋挖钻头抓、挖硬质花岗岩时，容易产生100mm以上的大块石。此时，若采用传统正循环清孔工艺，因泥浆比重小，大粒径、大比重的花岗岩无法通过泥浆上返；而采用气举反循环工艺，现场实践证明，强大的负压可将100mm的大块石通过250mm的导管顺利吸出。

二次清孔完成后，取孔底泥浆进行指标检测，泥浆相对密度可控制在1.10以下；黏度在17～20s；含沙率不超过2%；成桩后抽芯结果表明，沉渣厚度均小于5mm，符合设计嵌岩桩沉渣厚度要求[4]。

5.2 成桩质量

该项目灌注桩共计40根，采用超声波加小应变以及抽芯检测验证。超声波、小应变检测结果表明，受检桩18根为Ⅰ类桩、22根Ⅱ类桩，无三类桩；钻孔抽芯检测10根桩，受检桩均为Ⅰ类桩，钻芯检测桩长与施工桩长基本相符，桩底成渣厚度满足规范要求，持力层岩土性状满足设计要求。

检测结果表明，采用气举反循环工艺清孔，在成桩效率显著提高的前提下，其成桩质量可控[5]。

6 结论

（1）气举反循环能够将清孔时间压缩在1h之内，极大地提高了施工功效，减少了钻孔灌注桩常见的塌孔风险。

（2）在旋挖灌注桩二次清孔过程中，能够清理超过100mm的大块石，凸显出了气举反循环工艺其独特的清孔优势。

（3）采用气举反循环清孔，因其清孔时间短、功效高，可节约大量的人工、设备运行费用，尤其在超长深孔灌注桩中，其产生的经济效益更加明显。

（4）气举反循环工艺在缩短清孔时间、控制沉渣厚度方面体现出较强的优越性，从工期、质量、经济等各方面综合考虑，均能取得很好的效益，值得大范围推广应用。

（5）为提高气举反循环的成功率，在施工过程中需严格控制空压机进气压力、输气管长度及单次清孔时间，避免孔内泥浆扰动过大、泥浆无法及时补充水头下降等问题引起的塌孔。