气压二次清孔装置在钻孔灌注桩中的应用研究

中国核工业第五建设有限公司 上海金山 201512

桥梁工程是造福一方、百年大计工程，桥梁桩基施工质量好坏直接影响到桥梁运营安全及使用寿命，桩基在桥梁分部工程中为下部构造，其承载上部静载和动载。为保证钻孔灌注桩二次清孔质量，避免因清孔不彻底而影响桩基端承力，提高清孔效率，减少成本投入，缩短二次清孔工期，故将桩基气压二次清孔装置在钻孔灌注桩中的应用进行研究。

1 研究的必要性

目前旋挖钻孔灌注桩主要采用二次旋挖打捞清孔、泥浆置换清孔和高压水泵抽水等方法。当桩基成孔安装好钢筋笼后，出现孔底塌孔、沉渣、石渣、淤泥等情况，灌注桩底部需二次清孔。采用传统的方法，需要建造沉浆池，设备投入大、能耗和施工占用面积都较大，其施工周期长、沉渣清除效果差等缺点。当桩基出现严重塌孔后，钢筋无法吊离，按现有方法需回填重新钻孔，这将造成一定的经济损失，不利于成本控制。

2 对提高清孔效率和清孔质量进行分阶段研究

2.1 确定研究目标

根据桩基气压二次清孔特点，研制出一套容易组装，操作简单，且安全有效的清孔装置，能有效提高和改善二次清孔效果、保证桩基浇筑质量，并可在公司范围内各项目推广应用。主要研究项目如下：1、动力装置2、排渣装置3、补水装置4、吊装装置。

2.2 按研究计划开展工作

首先根据原理对装置进行研究：气压二次清孔装置主要由动力装置、排渣装置、补水装置、吊装装置等四大件组成。（详见图1）

图1 气压清孔装置效果图

动力装置：由空压机（S-4/5m³/min）与橡胶风管（DN25）和排渣管道连接组合而成。清孔时，打开空压机，产生的压缩空气会通过风管输送到排渣管道底段，这样排渣管道内形成了负压，使沉渣不断排出。

排渣装置：主要由镀锌钢管直径16cm（管节4m/节、调整管节1.5m/节）通过法兰连接组合而成。其中，在底部一节管节（至泥浆面距离与孔深之比的0.55-0.65来确定）处焊接2.5cm镀锌钢管用于连接橡胶风管。每节管道均焊接2-3个吊装孔方便吊装。作用是作为导管排出孔底的沉渣、石渣、淤泥等沉淀物。

补水装置：主要是潜水泵一台向孔内注水，保持孔内水压不变，防止孔内塌孔。

吊装装置：主要由25T吊车1台、6米长钢丝绳1根、管道卡口1套组成。吊车主要是起吊安装和拆除排渣管道，清理沉渣不断搅动，利于快速清理。管道卡口主要是安装和拆除卡住管道。

2.3 气压清孔装置工作原理

气压清孔是利用空压机压缩空气通过安装在导管外的风管送至导管内底段，持续通入压缩空气,形成比导管安放位置以下密度小的沉渣和气体形成混合物，在导管底部内形成负压，混合物（由高压气体、沉渣、石渣、淤泥等组成）因其比重小而上升，下面的沉渣、泥浆等在负压作用下不断上升，并在气压的联合作用下不断补浆，上升的混合物沉渣与气体形成气浆混合物后继续上升。因为导管的内断面积小于导管外壁与桩壁间的断面积，因此导管内外出现压强差,并形成了流速、流量极大的循环及流动，携带沉渣、淤泥从导管内反出，排出导管以外[1]。

2.4 气压清孔装置安装过程

安装直径16cm排渣管道每4米一节，接头采用法兰连接，并在管道上焊接吊装孔，便于吊车吊装。最上部为1.5m调整管节，弯头处采用焊接或法兰连接处理。导管下放深度以出浆管底距沉淤面300-400mm为宜，风管下放深度一般以气浆混合器至泥浆面距离与孔深之比的0.55-0.65来确定。以本工程40m孔深为例，风管下放深度应为22m-26m。

为了保证导管畅通循环的顺利进行，导管与风管应逐渐放入孔底，不能一次性直接放到孔底。

通过吊车将组合好的排渣管道下放至距沉渣面30-40cm为宜，风管下放深度为22-26m。

3 应用效果检查

3.1 经济效益

通过利用该装置进行钻孔灌注桩的二次清孔，相比传统的清孔方法每根桩基（以直径2.2m,桩长40m为例）可减少成桩时间约3小时。在张家界绕城公路（张桑高速联络线）A合同段工程项目澧水二桥钻孔灌注桩施工时，其成桩总时间减少了144小时，折合缩短工期6天。

钻孔灌注桩桩基采用气压二次清孔施工，其能耗为传统模式清孔能耗的1/20。澧水二桥采用气压二次清孔装置施工时，单根桩节约能耗约为95KW.h，澧水二桥共有48根桩，计算可得澧水桥可节约能耗约为4560KW.h。

本工艺取消了沉浆池，在减少场地使用面积的基础上，减少泥浆排放量、减少环境污染、降低施工清运处理成本。

3.2 社会效益

该装置具有广泛的通用性和经济性，能够使桩基二次清孔技术达到较高水平，具有良好的社会效益和推广应用价值。通过本课题的研究和应用，在公司类似施工项目推广使用，不但能够提高桩基质量、缩短工期，且能展现公司技术实力，提升公司形象。

该二次气压清孔装置具有较好的推广应用前景，填补了我国在房屋桩基及桥梁桩基中用于提高清孔质量，提高作业效率的空白，特别在公司大力发展创新技术的大背景下，为公司积累了宝贵的经验，同时也为其它项目桩基施工二次清孔提供了借鉴，研究意义深远。