气举反循环清孔在桥梁桩基工程中的应用

林文宝

（南平高速建设有限公司，福建 南平 353000）

1 工程概况

国道205 线南平市曲港大桥改建工程设计施工总承包（EPC）项目位于南平市延平区来舟镇，按二级公路标准，路线全长约1km，其中桥梁长436m。该桥采用（87+158+87） m 预应力混凝土连续刚构+3×30m 连续T梁，桥宽12m；该桥上部构造为变截面现浇箱梁，下部构造为薄壁墩、柱式墩配桩基础，该桥桥台为U形桥台与肋式桥台；桥位最大水深26m。

改建曲港大桥2#1-2 桩基长49m，设计变更后孔径为2.2m，最大水深26m。桩底为微风化云母石英片岩，2#-1 桩底标高至护筒顶标高59.5m。采用冲击钻钻孔，钻机型号JK-10，冲锤直径2.2m、重8.2t。

2 气举反循环技术简介

我国于20 世纪90 年代引进推广气举反循环技术，主要应用于桩长较长，孔径较大桩基的清孔。清孔是冲孔灌注桩施工工艺中非常重要的一个工艺流程，特别是对本桥2#1-2端承桩来说，清孔质量的好坏很大程度上影响该端承桩承载力的发挥，根据设计要求本座桥梁端承桩桩底沉渣厚度不大于3cm。气举反循环清孔示意如图1所示。

如图1 所示，外接空压机通过做功压缩空气并将空气输进风管，压缩后的高压空气通过风管输送至底部排出和原泥浆形成气液两相混合物，桩基底部的沉渣在喷射出的高压气体的搅动作用下不断翻滚，导管内液体密度、导管外液体密度由于比重不同，存在密度差，孔内原泥浆、孔内沉渣、压缩空气的三相流顺着导管往上浮动，从而被排出到孔外，最后送往接渣篮。通过泥沙分离机过滤，被排出的泥浆又再次进入孔内使用，反复循环直到孔底的沉渣厚度满足设计及规范要求。

图1 气举反循环清孔示意

图1孔内泥浆顶面到风管底部深度为h1，从导管内泥浆顶面到孔内泥浆顶面高度差为h2，导管内三相流（泥浆、空气、沉渣）密度为ρm，导管外液体密度为ρw，则作用于风管底部液面上内外液体柱压力差为:

正是因为存在此压力差，驱使导管内风管底口以上的三相流（泥浆、空气、沉渣）沿导管上升，并克服循环过程中的各项阻力，从而形成反循环。由于压缩空气通过供气管道，存在压力损失，所以空气压力可通过以下公式计算:

式（2）中:Ps为压缩空气通过供气管道时存在压力损失，通常为0.05～0.1MPa；g为重力加速度，取9.8m/s2。

由式（1）可知，导管外液体密度ρw和h1、h2相对稳定的情况下，降低三相流（泥浆、空气、沉渣）的密度ρm（可通过增大压气量实现） 将提高气举反循环的压力差，因此压入孔内的空气流量和压力是影响气举反循环出渣能力的关键参数；h1越大，h2越小则压力差ΔP也越大，因此当孔内缺浆时不能形成反循环，需保持孔内泥浆面达到合适高度从而增大h1减小h2。

由式（2）可以看出，空压机压力的选择应由P确定，主要被h1与ρm控制。当孔较深，泥浆比重较大时所需的空气压力也较大。因此要根据工程的实际选择合适的空压机型号；尽最大的可能减小供气管道压力的损失ps需经常检查风管是否存在漏气，接头是否密闭，使空气压力损失减少到最小。

3 桩基清孔施工的种类

3.1 桩基抽浆清孔

一般情况下钻孔的端承桩和摩擦桩比较适用，抽浆清孔法清孔效果较好，沉渣清除比较完全，但要注意防止坍孔，较常使用的设备有反循环钻孔机、水动力吸泥机、空气动力吸泥机、真空吸泥泵等。改建曲港大桥2#1-2桩基选用此方法清孔（气举反循环清孔）。

3.2 桩基换浆清孔

完成钻孔检验孔深之后，向上提起钻头距离孔底10～20cm，通过不断循环，采用相对密度较小的泥浆（1.1～1.2）压入孔底，将孔内相对密度较大的泥浆连同悬浮的钻渣一起置换，换浆所需时间较长。通常情况下正循环回转钻不需另外增加配置机具，且孔内仍存在泥浆护壁，不易造成坍孔。但也有下列缺点：①较大沉渣及泥团难清除彻底；②相对密度较小的泥浆通过孔底流入桩孔中的，轻重泥浆在桩孔内产生相对流动，需要较长时间才能降低桩孔内泥的相对密度，达到设计及规范标准；③当桩孔内泥浆含砂率较高时，一般不能使用清水清孔，避免砂粒沉淀，清除不彻底，达不到要求的清孔目的[1]。

3.3 桩基掏渣清孔

仅适用于冲抓、机动推钻、冲击钻孔的各类土层摩擦桩的初步清孔。掏渣清孔法是利用掏渣钢筒、冲抓锥或大锅锥掏出孔底粒径较大、较重沉渣。

4 改建曲港大桥2#1-2桩基清孔方案

改建曲港大桥2#1-2桩基清孔进行了三种方法的尝试，最终采用气举反循环清孔，过程如下。

方案一：采用正循环清孔。利用正循环冲进成孔并通过验孔终孔后，用钢丝绳把橡胶泥浆管捆绑在钻机的锤头上，与锤头一并慢慢放入孔底特定位置，通过泵送能力强的泵机将各项性能与指标符合设计及规范要求的新泥浆泵入，从而进行泥浆不断循环，达到清孔目的。此方案清孔2d后宣告失败。原因分析：泵入的新泥浆部分指标不满足要求，含沙率偏大（13%～17%）。

方案二：采用泵吸反循环清孔。其操作方法是：将泥沙潜水泵放入孔中，利用泥沙潜水泵的抽吸作用将孔底泥沙抽出孔外。此方案清孔1d 后宣告失败。原因分析：当泥浆相对密度超过1.3g/cm3时，泥沙潜水泵的抽吸能力降低且容易堵塞泥沙潜水泵。现场实测泥浆相对密度1.34g/cm3，在抽吸24h后泥石堵塞，无法继续进行抽吸。

方案三：气举反循环清孔。其操作方法是：安装导管至沉渣顶面30～40cm，再将风管安装在导管内，风管下放深度一般为气浆混合器（气浆混合器是在风管底部1m 范围内打6 排孔，每排4 个直径8mm 孔）至泥浆面距离与导管长度比的0.55～0.65。再安装导管帽，将皮管连在管帽和泥沙分离器上。利用8m3空气压缩机压缩空气，产生高压气体，高压气体利用风管被送至风管端部的浆气混合器中喷射进导管内，被压缩的高压气体不断与泥浆、孔内沉渣混合，一种密度比泥浆密度小的浆、气、渣混合物即三相流在导管内形成，密度小的三相流被迫抬升，从而在浆气混合器底部产生了负压，底部的较重泥浆及沉渣在此负压的作用下不断抬升，且在气压动量的共同作用中，不断补充导管外的泥浆及沉渣，从而达到自下而上流动的目的。由于钢导管的外壁与桩孔的内壁之间产生的环状面积远大于导管的内断面的面积，于是就完成了气举反循环，其泥浆流量、流速大，轻松地裹挟着沉渣从导管内反涌，排出导管外的泥浆通过泥沙分离器过滤出泥浆中的沉渣，过滤后的泥浆又重新通过泥浆泵输送进孔内，不断循环直到孔底沉渣的厚度达到设计（不大于3cm）及规范的要求。最终本桩采用气举反循环清孔，到达预期目的，切实可行[2]。

通过不同清孔方案的尝试，不难看出气举反循环对比正循环的优越性表现在：沉渣的洗冲效率更高、出渣能力更强、返涌流速更快等方面。

5 改建曲港大桥2#1-2桩基气举反循环清孔施工工艺

5.1 气举反循环清孔主要设备

包括3PNL 泥浆泵、适量泥浆管、8m3空压机、ϕ250mm 钢制导管、ϕ25mm 送风管、ϕ25mm 浆气混合器、泥沙分离器。

5.2 清孔前的准备工作

测量并记录孔深，计算沉渣厚度；检查导管、风管、水泵、空压机组、泥浆泵、泥沙分离器等各种设备是否完好，密封。

5.3 工艺流程

（1）下放钢筋笼（在方案一与方案二实施之前已完成），安装导管至沉渣顶面30～40cm。

（2）将风管从导管内下放至导管底口20cm处。

（3）将风管的另一端从中引出与空压机组相连接。

（4）将泥沙分离器放在出渣口，为了防止塌孔，保持孔内压力平衡，需保证孔内泥浆的高度。

（5）开动空压机，泥浆流动，开始清孔，风量、送风量应逐步从小到大，最终达到正常风量8m3/h，风压0.4～0.7MPa。正常情况下孔底受到的水头压力稍小于风压，可以通过调节送风量的大小，来清理不同粒径沉渣，当孔底粒径较小、沉渣较薄，或沉渣松散时，可适当减小送风量；当粒径偏大，沉渣稍厚或沉渣有部分板结现象时，可适当增大送风，并摇摆导管，搅动沉渣，从而达到排除沉渣的目的。

（6）测量孔内泥浆的比重与沉渣的厚度，检验后达到规范与设计要求的各项指标后，第一步关掉空压机，确保不再压进高压空气，第二步拆除导管帽，第三步抽出风管，待气举反循环设备移除后，进行正常水下混凝土灌注[3]。

6 工程造价与经济评价

气举反循环清孔工艺比换浆清孔、掏渣清孔增加了一些设备，表面上看增加了工程造价，实际并非如此，从以下三点进行分析。

（1）气举反循环能够较好地控制沉渣厚度，减小沉渣量，使得桩基与基岩更好地接触，提高端承桩的承载力，循环过程中形成的泥浆保护层也会比较薄，增大了摩阻力，从而能够减小桩径，在一定程度上可以节约工程成本。

（2）出渣、清孔的循环速度较快，可提高清孔效率，缩短清孔所需工期，从而节约施工成本。通过对比，冲孔灌注桩桩基利用气举反循环法清孔，单根桩基清孔、排渣时间大约可减少2h，设备周转速率加大，人、材、机劳动生产率得到提高，加快工程进度，缩短施工时间，进而节约工程成本。

（3）近年来施工环保要求不断提高，气举反循环清孔时泥浆的排放量相对较少，从而对环境污染也相对小，节约了施工泥浆外运处理费用。根据泥浆处理经验费用及相关预算定额，废浆废渣排运及处理费约占桩基工程造价成本7%～10%，且气举反循环法清孔浆渣分离比较容易，以施工改建曲港大桥2#1-2 桩基为例，废浆废渣排运及处理成本相比以前下降约15%。

7 2#1-2桩基气举反循环清孔经验

（1）当桩基桩长较长、孔径大，传统的正循环清孔效率低，清孔也不彻底；当采用正循环清孔时，制备好的泥浆裹挟着沉渣一同涌进钻杆与桩孔壁之间形成的圆环形空间返涌，由于裹挟着沉渣后的泥浆返涌断面面积变大，返涌速率也变得缓慢，在重力的作用下部分粒径较大、较重的沉渣颗粒会回落，必须循环反复进行清孔，以保证清孔质量，因此工期被延长。本桥梁2#1-2 桩基利用基岩作持力层，此现象更为突出。

（2）反循环清孔分为泵吸、气举两种。泵吸反循环清孔受泵的扬程、泥浆相对密度、沉渣比重等因素的限制，泵吸反循环系统及设备更为复杂，泥沙潜水泵易发生故障，砂石沉渣容易堵塞泥沙潜水泵，效率低。气举反循环清孔返浆上涌速度较大，通过本桥梁2#1-2 桩基现场施工观察、测量，本桩导管采用内径250mm 的钢管，可将粒径50～100mm 的沉渣、石块清运出来。这样强的清渣能力是空气吸泥机法无法比拟的，利用空气吸泥机法清孔，由于空气混合室构造、风管底距离孔底较近，只能清运出粒径约50mm 的沉渣与石块，对粒径大于50mm 的沉渣与石块清理效果不佳。