高效泥浆反循环系统设备在水中桩施工中的应用

张成瑞

(江苏北方路桥工程有限公司，江苏 淮安 223001)

1 引 言

随着我国经济建设的迅速发展，桥梁、水利、铁路、港航等桩基工程，特别是水中桩，选择一套先进合理的泥浆反循环系统成孔，尤为重要。由于水中钻孔平台的遮挡，造成进浆管道在钻孔平台下布管困难，势必降低了成桩效率、影响到整个工程进度。为此我们研发出一套泥浆差位反循环设备系统。这套设备系统，在扬州大学南路文峰大桥等水中桩基施工中获得了很好的技术效果。

2 传统的陆地及水上桩反循环钻机泥浆循环系统简述

2.1 陆地桩反循环钻机泥浆循环系统

陆地桩泥浆反循环系统主要包括：钻杆(空心)、泥浆泵、泵管、泥浆池、泥浆沟(槽)、桩孔。其中泥浆沟(槽)将泥浆池与桩孔之间通过类似明渠均匀流的形式，来保证二者之间浆面无差位，从而形成泥浆无差位反循环系统。这种泥浆无差位反循环设备系统，制作简单且成本低，效率高。但是，泥浆池的高度将会随着地下水位高度增加而增加，一旦压差不足容易造成塌孔现象(图1陆地泥浆池反循环系统组图)。

图1 陆地泥浆池反循环系统组图

2.2 传统水上桩反循环钻机泥浆循环系统

由于水中钻孔平台下作业空间小，泥浆管道布置困难，无法像陆地桩基那样采用明沟或明槽供浆反循环系统。为了满足反循环钻机泥浆泵的较大供应量(反循环钻机泥浆泵量一般在50 m3/h以上)，水上桩反循环钻机泥浆循环系统，一般是采用连通器原理，形成管道有压流供浆系统。所谓连通器原理：即将泥浆池与水中钢护筒及桩孔之间采用钢管或加筋波纹管等管道封闭连接，形成流量大的有压流供浆系统。这种反循环钻机泥浆循环系统的泥浆池，一般是在陆地上建成坑池或水面上布设泥浆船。泥浆池中水位即是钢护筒中水位，护筒内泥浆水位受泥浆池中泥浆面控制，所以施工过程中必须保证泥浆池中水位高于护筒外侧水位1.5 m以上。如果泥浆池容积不够，可增加钢护筒数量进行串接来进行增容(图2水中桩反循环钻机泥浆循环系统组图)。

图2 水中桩反循环钻机泥浆循环系统组图

3 新型泥浆差位反循环系统特点介绍

新型泥浆差位反循环系统主要包括：钻杆(空心)、泥浆泵、泵管、自制泥浆池(包含沉淀池、出浆池)、泥浆管、泥浆槽、桩孔。其中，空心钻杆、泥浆泵、泵管是反循环钻机的自身组成部分，泥浆池(包含沉淀池、出浆池)、泥浆管、泥浆槽为自制部分。

所谓泥浆差位反循环系统中的差位是指，泥浆池的液面高于桩孔中泥浆液面。新型泥浆循环系统整体高度比传统的泥浆池要高，进浆管道及泥浆槽均可布置在钻孔平台上。管道及浆槽布置简单，重复利用率高。泥浆池进浆、停浆则是通过泥浆池底部出浆孔口阀门开启、关闭来控制的。其工作原理：首先，泥浆泵通过空心钻杆将泥浆从孔底吸入，然后通过泵管将泥浆打入沉淀池，沉淀后的泥浆再由沉淀池进入出浆池，出浆池泥浆通过底部泥浆管进入泥浆槽，再由泥浆槽进入桩孔，如此反复形成泥浆差位反循环系统(图3新型泥浆差位反循环系统图)。

图3 新型泥浆差位反循环系统图

4 新型泥浆差位反循环系统具体实施方案

泥浆差位反循环系统实施流程：搭设桩基平台→打设护筒→制作泥浆池→安装钻机→制作泥浆及泥浆管道(槽)→反循环桩基钻孔。

4.1 搭设桩基平台

平台一般采用钢管桩基础。为防止与桥梁钻孔桩桩基之间相互影响，平台桩基须对称错开布置。钢管管径一般为φ508、φ529、φ610、φ630、φ800 mm等以上尺寸。根据施工经验，在进行桩基入土深度计算时，参考JTS 167-4-2012港口工程桩基规范，安全系数一般取1.4～1.6，经济合理、安全可靠。

桩基平台的上部结构一般采用贝雷桁架结构，贝雷桁架组既可垂直也可平行桥梁方向。垂直方向布置钻孔平台桩基的排数为桥梁钻孔桩排数加1，而平行方向桩基的排数一般为2(布置在桩基外侧)。在进行贝雷桁架受力计算时，我们提供一种简便算法：每片321通用贝雷允许剪力按Q=245 KN计算；允许弯矩M=sσh计算，其中s为上弦杆(如有加强杆则含加强杆)总截面积，σ为弦杆材料允许应力，h为上弦杆截面到下弦杆截面中心距离(如有加强杆则h为上弦杆顶面到下弦杆底面距离)。

4.2 打设钢护筒

钢护筒的直径一般比桩孔大20～30 cm，护筒长度可根据土层、水深等参数进行计算。在没有地质资料的情况下，护筒长度可按L≥2H(水深)+h(河床低淤泥厚度)+1.5 m式子进行测算。

4.3 安装钻机

在进行钻机操平、垫保时，在对着泥浆池方向，须留出泥浆槽布置的空间位置以满足施工要求。

4.4 泥浆池制作

扬州大学南路文峰大桥水中桩泥浆池，是在钻孔平台上布设沉淀池、出浆池(如果离岸边较近，也可以在岸边地面上布设)。沉淀池、出浆池可采用10 mm厚度以上钢板制作而成。一般要求两者底部高度均高于钢护筒顶端0.5 m以上，出浆池上口低于沉淀池上口。钻机泥浆泵的出浆管末端须搭接在沉淀池上口，沉淀池侧壁上方开口布槽，水槽隔置在出浆池上口。(图4泥浆差位反循环系统泥浆池图)。

图4 泥浆差位反循环系统泥浆池图

4.5 出浆池内闸门安装

在泥浆池出浆孔内侧安装闸门。闸门用厚度15 mm以上的钢板制作，可以设计成矩形，也可以设计成圆形。闸门可绕出浆孔上方铰链旋转。闸门正上方的出浆池外壁上安装钢门架。钢门架上安装电动葫芦。电动葫芦一般额定吊重200 kg，起重高度6～10 m，功率500 W以上。钢门架可以用10#工字或12#槽钢等材料制作。防止被泥浆污染，钢门架高度要求高于出浆池上敞口1.0 m以上。对面出浆池内壁上部安装定滑轮，电动葫芦的钢丝绳绕过定滑轮后，其自由端与闸门底端拴牢，电动葫芦控制闸门开启、闭合，电动葫芦的开关可固定在钻机支架上，为了便于操作电动葫芦，电动葫芦的电机也可以连接手持遥控器进行电控(图5泥浆差位反循环系统泥浆池阀门图)。

图5 泥浆差位反循环系统泥浆池阀门图

4.6 泥浆管及泥浆槽布设

在桩孔一侧的出浆池中下部位开设圆形出浆孔。为保证出浆流量(桩机泥浆泵流量一般在60 m3/h以上)满足钻机成孔要求，出浆孔直径大于0.5 m，一般不超过0.8 m。出浆池外侧焊接1.0 m长度以上钢管，其内径不小于出浆孔直径。泥浆槽安装在钻孔平台顶面，坡度需大于1%。泥浆槽进浆口位于出浆管口下方，出浆口位于钢护筒上方。泥浆槽可采用3 mm厚度以上的钢板分段制作，为便于人工安装，分段长度一般不超过3.0 m。要求做成宽度大于0.8 m、高度大于0.5 m的矩形断面槽，或底宽0.6 m、上口宽1.0 m、深度大于0.5 m的梯形断面槽。(图6泥浆差位反循环系统泥浆管槽布置图)。

图6 泥浆差位反循环系统泥浆管槽布置图

4.7 反循环桩基钻孔

桩钻孔时，需要开启电动葫芦电机打开闸门出浆，以保证开机后有充足的泥浆供应桩机，形成泥浆差位反循环系统进行钻孔。在进行接杆、拆杆、浇灌混凝土停钻时，需要开启电动机关闭闸门停止出浆，切断泥浆循环系统。在浇灌混凝土时，随着桩孔内混凝土面的上升，采用泥浆泵及时将桩孔内泥浆同步排除孔外(图7泥浆差位反循环系统汇总图)。

图7 泥浆差位反循环系统汇总图

5 结 语

泥浆差位反循环系统设备安装在钻孔平台上或近岸处，在钻孔平台上分段安装、焊接泥浆管或泥浆槽，如同岸上作业。泥浆槽可任意移动、接长，不需要在平台下方进行布管，极大改善了作业环境，降低施工难度，提高工作效率；采用电动闸门操作进浆、停浆操作，钢护筒内水头摆脱泥浆池浆面控制，水头较高，不易塌孔，也不需增加钢护筒数量。设计科学合理、使用安全可靠，投资少，适用性强，技术易于被施工技术人员掌握。为今后桥梁桩基施工提供了宝贵的经验，具有很好的参考与推广价值。