新型钻孔灌注桩无泥浆清水成孔施工系统及方法研究

摘要：提高钻孔灌注桩成孔效率是桥梁工程中的重要问题。提出了一种新型钻孔灌注桩无泥浆清水成孔的施工系统与方法。该系统结合泵吸反循环与冲击钻成孔深度，既解决了岩层只能用冲击钻施工，而冲击钻只能用泥浆来悬浮钻渣的问题，又利用泵吸反循环解决了冲击钻在无泥浆情况下钻进和清孔两个过程的排渣问题，钻进的过程中及时排渣。通过将系统应用于工程实践，证明了其良好的运渣排渣、护壁成孔效率。

关键词：钻孔灌注桩无泥浆成孔清水成孔钻孔施工冲击成孔

中文分类号： 文献标志码：A

ResearchontheConstructionSystemandMethodofNewBoredPilewithMudFreeWaterDrilling

PANChengwen1LIULin1，2DENGZhongzhen1，2

1.HICCInfrastructureConstructionCo.，Ltd.，Wuhan，HubeiProvince，430000China;2.HubeiIndustrialConstructionGroupCo.，Ltd.，Wuhan，HubeiProvince，430076China

Abstract：Improvingtheefficiencyofboredpilesisanimportantissueinbridgeengineering.Thisarticleproposesanewconstructionsystemandmethodforboredpileswithmudfreewater.drillingThissystemcombinespumpsuctionreversecirculationwithimpactdrillingdepth，whichnotonlysolvestheproblemofrocklayersbeingonlyconstructedwithimpactdrilling，whileimpactdrillingcanonlyusemudtosuspenddrillingslag，butalsousespumpsuctionreversecirculationtosolvetheslagdischargeproblemduringthedrillingandcleaningprocessesofimpactdrillingwithoutmud，andtimelydischargeslagduringthedrillingprocess.Byapplyingthesystemtoengineeringpractice，itisprovedthatthesystemhasgoodefficiencyinslagtransportation，slagdischarge，andwallprotectionholeformation.

KeyWords：Boredpile;Mudfreedrilling;Waterdrilling;Drillingconstruction;Impactdrilling

钻孔灌注桩结构在桥梁工程中具有广泛应用[1-3]，常采用冲击成孔方式成桩。在常规的冲击钻成孔中，常采用泥浆护壁方法防止塌孔，并利用泥浆悬浮运输钻渣。钻孔过程中，钻进的速度通常由排渣速度决定，钻孔作业的效率与排渣速度紧密相关，后者则直接受到泥浆物理性质（尤其是黏度）与新注入泥浆清洁度的影响。当泥浆黏度过高时，会显著增加沉淀池中泥浆与钻渣分离的难度，导致重新进入孔底的泥浆中夹杂有小粒径钻渣，进而削弱孔底钻渣的悬浮效率，影响钻孔进度。而黏度太低的泥浆本身悬浮效率低下，易导致大量的钻渣沉淀在孔底，降低钻进速度。因此，如何提高钻渣的运输效率、提高钻孔速度是当前桥梁工程的重要问题。另外，尽管泥浆具有护壁作用，但施工后其排放过程易污染水源[4-5]，影响周边生态环境，尤其是在跨海大桥工程中。

针对以上问题，陈振刚[6]在研究指出喀斯特地区公路桥梁施工中采取了一系列措施防止漏浆和卡钻。吴浩[7]研究指出王二河特大桥梁施工采用了清水护壁方法进行钻孔灌注桩施工，类似的施工方法晏宇星[8]、梁新礼[9]也在文献中进行了相关论述。孙鹏等人[10]研究指出佩列沙茨特大跨海大桥采用了清水护壁形式完成桩基施工。

鉴于当前钻孔灌注桩技术领域中存在的技术局限性，本文创新性地设计并阐述了一种无泥浆清水成孔的新型钻孔灌注桩施工系统及其操作方法。该系统巧妙融合了泵吸反循环技术与冲击钻的深孔钻进能力，旨在克服传统方法中岩层施工必须依赖泥浆悬浮钻渣的弊端，同时利用泵吸反循环机制解决了冲击钻在无泥浆条件下进行钻进与清孔作业时面临的排渣难题。此创新方案通过实时高效排渣，显著提升了钻进作业的效率与速度。本文将首先对该钻孔施工系统组成与施工方法流程进行详细介绍，然后进行该系统的工程应用实例分析。

1钻孔灌注桩无泥浆清水成孔施工系统及方法

1.1系统构成

本系统包括冲击钻锤、清孔装置、排渣机构、冲击钻机架、泥浆泵和沉渣池。冲击钻机架作为核心支撑结构，负责驱动冲击钻锤进行升降与冲击作业。冲击钻锤上集成排渣机构，机构底部设计有若干进渣孔，用于捕获并引导钻孔过程中产生的钻渣，顶部设置出渣口，便于钻渣的后续排出。泥浆泵的进污端与排渣机构的出渣口通过泥浆进管紧密相连，确保排渣过程中的密封性与流畅性。泥浆泵将含有钻渣的泥浆通过泥浆出管输送至沉渣处理池接收泥浆，并配备有清水出口及清水出管，便于后续清水处理与循环利用。

1.1.1钻进排渣装置

钻进排渣系统由冲击锤主体与排渣机构构成。排渣机构的核心为环形串联管，连接多个吸渣管形成排渣网络。环形串联管上设抽浆接口管，接口管与泥浆泵的进污端口之间通过严格密封的泥浆管道实现无缝对接，确保了泥浆及钻渣的顺畅传输。

1.1.2泵吸反循环清孔装置

在完成钻孔作业并达到设计终孔深度后，提取出冲击钻设备，并替换为清孔装置，执行泵吸反循环清孔工序。清孔装置核心组成包括漏斗状的本体结构，本体内部布置骨架增强结构的稳定性与强度。内部骨架沿本体轴向配置的沉渣搅动装置，该装置由中心固定轴、转动套管以及一系列转动叶片构成。转动叶片随转动套管的同步旋转，对孔底沉积物进行搅动与破碎，提升清孔作业效率与质量。

1.1.3其他装置

其他装置包括冲击钻钻架、空压机、泥浆泵及沉淀池。冲击钻钻架作为核心驱动机构，负责调控冲击钻头的升降与冲击钻孔作业。空压机通过高压气体输送管道，向清孔系统的反向漏斗型腔室内注入高压气体。高压气体经由底部圆形管道上密布的微小喷孔释放，直接作用于孔底，有效搅动并清除沉积于孔底的颗粒杂质。在钻进作业与排渣流程中，泥浆循环泵发挥关键作用，促使孔底的渣水混合物经由排渣装置、泥浆输入管道进入泵体，随后被排放至泥浆沉淀池中以促进泥浆的循环再利用。在清孔阶段，泥浆泵通过泵吸作用，引发泥浆在清孔装置内部迅速上涌，进而驱动装置内部上下两层旋转叶片的同步运动，搅动孔底的沉积物，使其均匀悬浮于清水中，随后被泥浆泵高效抽出。泥浆沉淀池作为系统的终端处理单元，实现了钻渣的有效沉淀与清水资源的回收利用。

1.2操作方法

系统具体操作方法介绍如下。

1.2.1安装装置

装置置于预设位置确保钻进作业精确执行。另一侧配置泥浆泵与沉渣池，冲击钻钻架钢丝绳末端绕过导向滑轮固定至冲击钻锤的顶端，泥浆泵进污端口与排渣装置出渣口之间，通过泥浆进管实现无缝连接，泥浆泵的出污端口通过泥浆出管，以密闭方式连接至沉渣池的进污口实现泥浆与沉渣的初步分离。在沉渣处理池中，为了进一步提纯泥浆并循环利用清水资源，设计了清水出口系统。该出口通过密闭连接的清水出管，将经过沉淀处理的上层清水导向至待钻孔位置，以补充钻孔作业所需的水量。

1.2.2钻进排渣

冲击钻钻架集成卷扬机构控制钢丝绳的收放运动，驱动冲击钻锤进行垂直方向的升降往复作业，以此实现对目标岩层的冲击剥离与孔洞的形成。启动泥浆泵，冲击钻锤升降运动持续搅动孔内的渣水混合物，防止钻渣迅速沉积。同时，排渣装置通过进渣孔抽吸孔内的渣水混合物，经由装置内部通道进入泥浆进管，由泥浆泵输送至沉渣池中，实现钻渣与泥浆的初步分离。钻渣在沉渣池中逐渐沉淀，上层清水通过清水出管持续回流至钻孔作业区域，保持钻孔环境的稳定与作业效率。

冲击钻锤在钻进过程中的往复运动，不仅确保了对孔底岩面的有效冲击，还通过搅动孔内混合物维持了钻渣的悬浮状态，这一机制显著减少了钻渣在孔底的沉积量。泥浆泵的吸力作用，则进一步确保了钻渣被有效清除，使每次冲击钻锤的落地都能作用在新鲜未受污染的岩面上，从而极大地提升了钻孔作业的速度与效率。

1.2.3泵吸反循环清孔

完成钻孔作业后随即清孔，先将冲击钻锤从孔内提出，并拆卸泥浆进管，泥浆进管的进口端与清孔装置的排渣孔进行密封连接，清孔装置的进气口通过高压气体管与空压机紧密相连。随后，将清孔装置置于孔底，在沉渣池上方连接清水出管构建循环回路。启动泥浆泵与空压机，将漏斗内部积聚的渣水混合物排出，使外部清水通过装置底部预留区域流入漏斗，实现清水的持续补给。空压机产生的高压气体通过清孔装置喷出，将新流入的清水与孔底残留的钻渣充分混合，这一过程中，清水携带钻渣，随后被泥浆泵再次吸走，通过既定的流体路径排至沉渣池进行固液分离。

上述循环过程不断重复，直至孔底达到无沉渣状态，即实现了高质量的清孔作业。此过程不仅显著提升了成桩作业的整体质量，还通过精准控制与高效清排机制，确保了桩基结构的稳定与安全。

2工程实例分析

冷水河大桥位于郧西县六郎乡壕渠村二组北侧，桥梁起讫桩号为K0+011～K0+213，全长202m，桥面纵坡为2.142%，横坡为双向2%。主桥上部构造为（52+90+52）m三跨预应力混凝土连续刚构梁，箱梁断面采用单箱单室。下部构造桥墩墩身采用双肢等截面实心薄壁墩，1号桥墩高20.006m、2号桥墩高21.933m。基础采用桩径2.5m的钻孔灌注桩，每墩共4根桩，1号桥墩桩基础长52m、2号桥墩桩基础长55m。桥台采用重力式U型扩大基础。本桥桩基总计8根。基位于倾斜裸露的岩面上，覆盖层较薄，施工最大水深约40m。

本项目冷水河大桥由于处于库区，为减少对周边生态环境的破坏，在采用新型钻孔灌注桩无泥浆清水成空施工系统之后，有效地减少了钻渣在孔底的沉渣，确保了每次锤头落地新鲜的岩面上，有效提升了钻进的速度。

3结语

（1）本文提出了一种新型的钻孔灌注桩清水钻孔施工系统与方法，该系统将泵吸反循环与冲击钻成孔结合，克服了岩层只能用冲击钻施工，而冲击钻必须用泥浆来悬浮钻渣的弱点，利用泵吸反循环解决了冲击钻在无泥浆情况下，钻进和清孔两个过程中的排渣问题。

（2）无泥浆成孔，孔内载体为清水，在钻进过程中无泥浆排放，有利于环境保护。同时，由于孔内载体为清水，所有细小颗粒都会在较短时间内沉入孔底，在钻进排渣过程中，须及时从孔内抽出渣水混合物，钻锤的每一次锤击都将直接锤击新鲜的岩面，提高了钻进速度。

（3）终孔后通过清孔装置可一次性彻底清除孔底沉渣，避免了利用泥浆成孔中的二次清孔，同时由于孔内载体为清水在混凝土灌注的过程中可以有效避免断桩和夹渣的问题。

参考文献

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