基于桥梁桩基钻孔成桩反循环清孔技术分析

潘肇敏

（湖南省益阳公路桥梁建设有限责任公司，湖南 益阳 413000）

随着桥梁项目施工工艺的提升，越来越多的施工技术被应用于桥梁项目施工当中。但在钻孔施工作业中，冲击钻钻孔施工仍是最为重要的钻孔施工形式，尤其在桩径1.2m-2.5m 的桩基成孔中，经济和技术优势明显。但在施工实践中，因为其配套的正循环清孔工艺缺陷，导致钻孔清孔完成后常出现泥浆不达标和泥浆中含砂率过高的问题，因此文章分析水中桩基冲击钻施工气举反循环清孔技术，具有十分重要的理论意义。

1 正循环泥浆清孔机理

正循环泥浆清孔原理是通过泥浆管，将泥浆注入桩孔底部，将原桩孔内泥浆挤出，在泥浆被向上挤出的过程中，会带动钻孔作业产生的钻渣、砂石等沉淀物，达到清孔的目的。

2 正循环泥浆清孔工艺缺陷原因分析

2.1 通过上述正循环泥浆清孔机理可知，原泥浆在新注入泥浆的挤压下，被迫向上运动，产生了向上的动力，钻渣等沉淀物在泥浆之中，因受到泥浆的浮力和粘结力的作用，跟随泥浆向上运动。因此可知，泥浆对钻渣等沉淀物的浮力、粘结力以及泥浆向上运动的动力，是影响清孔效果的主要因素。

2.2 试验表明，泥浆的粘结力和浮力由其粘稠度和密度决定，经测量，钻渣颗粒密度范围在2.2-2.7g/cm3左右，因为钻锤的冲击、搅动作用，绝大部分钻渣会被包裹在泥浆中随泥浆运动；在泥浆注入过程中，因为注入泥浆速度高、动能大，理想状态下原泥浆在新注入泥浆的挤压作用下，会同时以较高速度和动能包裹钻渣向上挤出，最终流出桩孔。

2.3 施工实践中，因清孔后泥浆粘度、密度变小，且向上运动过程中受阻力等因素影响，动力也越来越小，导致泥浆对钻渣产生的浮力、粘结力和向上的动力无法克服钻渣的重力，因此泥浆向上挤出，钻渣开始悬浮，但一旦泥浆停止，钻渣就会很快沉淀到孔底形成沉淀层。

2.4 试验发现，泥浆的胶体率是影响钻渣沉淀速率的主要因素。但在钻孔施工阶段，除了开孔施工作业时，会使用胶体率较高的粘土泥浆之外，其他时间大多使用钻孔产生的泥浆，通过补充粘土造浆的方式，提升泥浆的胶体率，导致清孔后出浆口泥浆胶体率低于标准。

2.5 通过泥浆性能检测试验，当泥浆的高度为20cm 时，沉淀完成所需时间约为2min。根据试验，可以推算出孔深为45m时，沉淀完成大约需要7.5h。工程实践经验得出从结束2 次清孔到开始浇筑桩基混凝土，大约需要30 分钟，虽然这一段时间内也会有沉淀产生，但基本可以忽略。

2.6 试验表明普通泥浆在混凝土的作用下变为粘稠浓浆的时间约为3h，这就导致混凝土灌注以后，因为粘稠浓浆阻碍而无法有效填充钢筋笼外侧空隙，造成桩基钢筋笼外露病害。

3 改善措施

针对以上，本文给出了以下几点措施：

3.1 可以通过泥浆泵动力，提升泥浆泵注入流量，考虑改用反循环加大局部泥浆动能，具有较强的操作性，并且技术简单，成本较小。

3.2 提高混凝土灌注速度。在工程实践中，可以选择生产、运输能力强的搅拌站，并做好现场施工组织工作。

3.3 提升泥浆性能。该方法技术简单，但因需优质膨润土、烯酰胺等材料造浆，因此施工成本较高。

4 工艺改进应用实例

4.1 工程概况

某独塔双索面斜拉桥，为H 型塔柱，跨径为149m＋149m，水面高程范围175m±2m。主墩有水中桩26 根，桩径D220cm，桩长45m。岩土结构为：0-2m 主要为松散细砂0-2m；2-4m 主要为中密卵石；4m 以下为灰岩层，主墩桩基拟定为冲击钻孔方案。水中钻孔平台尺寸为60m×24m，如图1。

图1 钻孔平台布置方案图（单位:cm）

4.2 清孔工艺设计

4.2.1 清孔工艺设计

结合本工程水文和地质特点，钻孔施作工序，采用正循环泥浆循环系统，但终孔后，再改用气举反循环清孔。工艺流程如图2。

图2 清孔工艺流程图

4.2.2 泥浆正循环系统

采用钢护筒制作泥浆桶，制作完成后，在泥浆桶底部，开设一个尺寸为0.3m×0.3m 排渣门，让泥浆由钢护筒流向泥浆桶，方便清理钻渣，钻孔泥浆正循环系统结构见图3。

图3 钻孔泥浆正循环系统

4.2.3 气举反循环清孔

4.2.3.1 钻孔施工阶段，终孔前依然通过泥浆正循环清孔；终孔后，改为气举反循环清孔，直到满足清水孔标准。主要设备材料为：1 台12m3空压机，ϕ150mm 导管、ϕ50mm 高压风管。

4.2.3.2 在气举反循环清孔作业过程中，因为流量较大，应采取一定的措施预防塌孔情况的出现。为保证清渣效果，应保持孔内水头压力和水量。

4.2.3.3 要求钢护筒务必入岩，钢护筒布设施作，需冲击钻钻入岩面以下1.0 米位置时，将冲击钻钻头提出，再次振动钢护筒。工程实践表明，往往需要回填片石扫孔一次，然后再进行复振，才可确保达到钢护筒入岩的目的。

4.2.3.4 孔内水头压力是影响清渣效果的重要因素，为保证水头压力和补水量，因大型水泵成本较高，而多台水泵又需要布设较多管线，因此，本项目施工过程中，专门设计了简易补水装置，较好的保证了水头压力和补水量的需求。在钢护筒经过第1 次振捣作业下沉至岩顶面位置时，将补水装置通过焊接的方式，焊接于水面下40cm 处的护筒侧面，接着在护筒上开设一个孔径为ϕ250mm 的圆孔。在补水装置安装完毕，复振钢护筒，使水面没过补水装置顶部约20cm。

4.2.3.5 使用一根50m 长的ϕ150mm 钢管插入孔低，吸取泥浆，在出口位置布设90°弯管；在进行清孔作业前，需先向孔内供水，再送风清孔，补水门可以较好的保证孔内水头高度。补水孔如图4。

图4 补水孔方案图(单位:cm)

4.2.4 实践效果

4.2.4.1 清孔施作完工，孔内泥浆接近清水，手搓无颗粒感，密度范围在1.0-1.02g/cm3，孔底沉渣厚度为0mm。

4.2.4.2 反循环清孔作业用时仅需30min 左右，比正循环清孔作业所需用时缩短超过24h。

4.2.4.3 经超声波检测发现，所有桩均满足Ⅰ类桩标准；钻心抽样检测显示，混凝土与岩石粘结程度较好，孔低无明显沉淀层。

5 结论

本文结合某桥梁项目施工实践，针对该项目的地质特点，对该项目冲击钻钻孔施工采用的正循环泥浆清孔存在的不足进行了改进，通过终孔后改用气举反循环清孔，在显著提高清孔作业效率的基础上，有效解决了正循环泥浆清孔清孔不彻底、含砂量大的问题，可为后期类似地质条件的项目施工提供一定的参考。