浅谈气举反循环清孔工艺的运用

浅谈气举反循环清孔工艺的运用1工程概况1.1工程简述xx市xx四号桥地处xx市xx路和xx公路之间，跨越xx运河，是xx北路连接xx和通州的关键工程，桥位处xx运河通航等级为Ⅴ级，河宽140米，河道一般水位标高2.04m，最高通航水位为3.04m。xx四号桥桥梁设计范围为K4+408.15~K4+591.85，全长183.7m，其中桥梁长163.7m，为三跨V形墩预应力连续刚构桥，桥跨径为44m+72m+44m。下部结构共有4个墩台，1号桥墩、2号桥墩采用单排桩柔性桥墩，每个桥墩分东西两幅承台，承台宽3.1m、高2.8m；承台下接单排Φ1.8m钻孔灌注桩，桩间距4.65m，每个承台设置5根水中钻孔桩，全桥共20根桩，桩长为79.7m，桩底标高为-80.0m，桩顶标高为-0.3m，属大直径超长钻孔灌注桩。由于这是结构体系为V形墩连续刚构柔性墩所必须采用的桩基设计，要求单排桩施工可靠度要达到100%。混凝土桥台0号桥台、3号桥台为重力式桥台，承台高1.5m，下接双排Φ1.2m钻孔灌注桩，呈矩形布置，桩长为52m，东西两幅桥台各20根，共40根灌注桩。所有桩基础均按摩擦桩设计。1.2工程地质本次勘察所揭露的85.0m深度范围内的地层均属第四纪全新世、上更新世冲海相交错沉积物，主要由素填土、亚砂土、亚粘土、砂土等组成，一般具成层分布特点，按其成因类型、土层结构及其性状特征，可划分为11个主要层次，各土层自上而下土性描述与特征如下：1层素填土：杂色，结构松散，均匀性差，主要由亚砂土、亚粘土构成，含植物根茎及细小杂物，该层层厚为1.0m左右。2层亚砂土夹亚粘土：灰黄~灰色，上部为灰黄色，下部为灰色，变色深度2.0~2.5m左右，湿，稍密，中等压缩性，摇振反应中等，干强度、韧性低，无光泽，含云母、少量贝壳碎片、铁锰质结核及少量植物根茎，层底标高0.8~-0.3m，层厚3.1m。3层亚粘土夹粉砂：灰色，很湿，中密，含云母及少量贝壳碎片，夹褐色粘土薄层，中等压缩性，干强度、韧性低，摇振反应迅速，无光泽，层底标高-3.3~-4.4m，层厚4.4~4.0m。4层粉砂：灰色，饱和，中密~密实，中等压缩性，颗粒形状呈圆形、椭圆形，级配均匀，含云母，夹薄层亚砂土、亚粘土，层底标高-11.8~-13.2m，层厚8.1~9.8m。5层粉砂夹亚砂土：灰色，饱和，中密，颗粒形状呈圆形、椭圆形，级配一般，含少量粘粒，含云母，中等压缩性，层底标高-18.6~-20.5m，层厚8.4~5.6m。6层亚粘土夹亚砂土、粉砂：灰色，软塑，中等压缩性，含云母、铁锰质结核，摇振反应无，干强度、韧性中等，稍有光泽，层底标高-23.6~-25.9m，层厚6.0~5.0m。7层粉砂：灰色，饱和，中密~密实，中等压缩性，颗粒形状呈圆形、椭圆形，级配较均匀，含云母，局部夹较多贝壳碎片，层底标高-27.5~-28.7m，层厚5.0~2.2m。8层亚粘土夹亚砂土、粉砂：灰色，含云母、铁锰质结核，腐植质，局部夹较多贝壳碎片，该层顶部夹亚砂土较多，底部夹粉砂，局部土层呈淤泥质，软塑，中等压缩性，摇振反应无，干强度、韧性中等，稍有光泽，层底标高-42.6~-44.6m，层厚17.1.0~14.5m。（钻探过程中，该层（G2、G3孔由少量天然气溢出。）9层粉砂：灰色，饱和，密实，中等压缩性，颗粒形状呈圆形、椭圆形，级配一般，局部夹夹薄层亚粘土，层底标高-59.1~-60.1m，层厚16.5~15.5m。10层细砂：灰色，饱和，密实，中等~偏低压缩性，颗粒形状呈圆形、椭圆形，级配一般，无粘粒，主要矿物成分为石英、长石，含粒径2~8mm的次圆状石英质圆砾石，含量8~15%，层底标高-65.5~-66.8m，层厚9.6~3.0m。11层粗砂：灰色，饱和，密实，低压缩性，颗粒形状呈圆形、椭圆形，较均匀，主要矿物成分为石英、长石，含粒径2~8mm的次圆状石英质圆砾石，含量10%左右，局部大于50%，为砾砂。2Φ1.8m，80m长的钻孔灌注桩第二次清孔情况简介2.1施工机械设备配置2.1.1清孔设备根据钻孔桩的地质、桩径，成孔深度等条件，钻孔方式为泥浆护壁正循环回转减压钻进，9立方容量的空气压缩机，地面从空压机到桩孔口采用橡胶高压管，导管内采用Φ5cm的镀锌钢管。2.1.2泥浆拌制、循环设备配置一台泥浆拌制机，1个200方的泥浆循环池，400方的泥浆沉淀/储备池，配有3PN泥浆泵3台，4PN泥浆泵1台，用102mm钢管将各泥浆循环池和沉淀池相连，及时进行泥浆的补充、置换，2台30~60m3/h泥沙分离器。2.1.3吊装起重设备25t汽车吊1台，GPS-20型钻机辅助配合。3气举反循环清孔施工工艺3.1施工工艺流程图桥墩钻孔灌注桩进行气举反循环清孔施工工艺以清除孔底沉渣，达到设计要求孔底沉渣厚度。其施工工序流程图见下图：合格泥浆、设备准备钢筋笼安放导管安放地面管道连接浇筑水下混凝土检测泥浆、测量沉渣钢风管安放及连接合格泥浆、设备准备钢筋笼安放导管安放地面管道连接浇筑水下混凝土检测泥浆、测量沉渣钢风管安放及连接清孔成孔孔口泥浆及时补充图１：气举反循环清孔施工工序流程图3.2施工要点3.2.1清孔前准备工作测量并记录孔深、孔径和沉渣厚度；检查导管、橡胶风压管、钢风管、空压机组、水泵等设备。确认前道工序合格并经过监理认证，设备、机具完好。空压机布置在离钻孔桩不远的位置，尽量缩短高压胶体风管的长度，减少高压空气在管道上的损失。设备布置完毕应进行初步调试，检查其各部件的运转状态，出现不良情况及时处理解决。3.2.2泥浆准备采用高级复合泥浆，用优质膨润土、黄粘土、纯碱和水等原料制配，以保证泥浆良好的护壁效果。膨润土泥浆有相对密度低、粘度好、含砂量小、失水率小、泥皮薄、稳定性强、护壁能力高、钻具回转阻力小、钻进效率高、造浆能力大等优点，有利于在孔壁形成泥皮，减少并阻止孔内外的渗漏，保证孔壁在长时间的晾置情况下仍能保持稳定。用技术规范要求进行泥浆配制，（正循环初始泥浆参数比重1.20-1.45，粘度18-28，含沙率〈=4%，PH值在8~10之间〉；根据砂性土的不良特性，泥浆的各项参数指标均采用较大值进行配比。钻进过程中泥浆比重控制在1.3~1.4左右，粘度控制在22s上下，含砂率控制在8%~10%左右，以加强护壁效果。泥浆的净化处理，是确保合格泥浆的制备及泥浆质量和施工成本的重要措施。采取沉淀法和机械除渣法（即泥浆入池前先经过泥沙分离器的旋流器及振动除砂。）参见图２。图2：泥浆循环系统布置图3.2.3安放导管导管采用壁厚10mm，Φ250mm钢管，分节长度为2.5m，调节管1.0m，导管接头处采用橡胶密封圈法兰连接。导管使用前应试拼，使用前和使用一个时期后应做水压试验，并试验隔水栓能否顺利通过。水压试验根据最大压力确定，本工程试水压力为1.4MPa（根据《公路桥涵施工技术规范》，计算所得）。导管下放前检查每根导管是否完整、洁净、畅通以及止水“O”型密封圈的完好性，要确保接头密封，不漏水，安放过程中使导管位于孔口中间，小心沉放，导管接长时通过两根I字钢加工而成的活动卡悬挂。导管逐段吊装接长、垂直下放，直至底部距沉渣顶部30～50cm以利于吸渣。全部导管安放时间为1.5h左右。3.2.4钢风管安装导管内钢风管为Φ5cm的镀锌钢管，共9节，每节长度为6m。采用橡胶密封圈快速螺纹连接。在使用前应该进行试拼装。钢管下放前应检查每根钢管是否完整、洁净、畅通以及止水“O”型密封圈的完好性，要确保接头密封，不漏水，安放过程中沿导管中心，小心沉放，接长时用U形活动卡悬挂。导管逐段吊装接长、垂直下放。在连接过程中要做好预防钢管掉入导管内的措施。钢管伸入桩内的长度一般为孔深的三分之二，因此钢管的伸入长度为：L=79.7*2/3≈53m。全部钢风管安装时间约为30min左右。3.2.5风管与导管、排浆管连接橡胶风管、钢风管与导管及排浆管的连接采用导管帽进行处理，可见图3。橡胶高压风管一端与导管帽连接，一端与空压机的储气罐连接，橡胶高压风管与钢风管的连接由焊接在导管帽的伸出钢管连接，两者连接部位上安装有简易开关闸门，用于控制高压空气的进出。排浆管与导管帽的连接：将排浆管与导管帽的泥浆排出口用铁丝进行捆扎密实。图：3导管帽连接3.2.6清孔风管和排渣管连接完毕后，再次检查各管道、设备之间的连接，确认无误后，将导管底提离孔底即可进行气举反循环的清渣工作。eq\o\ac(○,1)首先启动空压机，并打开送气阀门，同时把导管帽上的开关打开，保持管道畅通，压缩空气从混合器喷出后即与导管内的泥浆相混合，导管内外液柱产生密度差，从而形成压力差。在压力差作用下，气举反循环便形成，使孔底泥浆通过导管向上抽吸，抽到地面上的泥浆从排渣管喷射出来（见图4）。排渣管口的浆液射程约3~4米。eq\o\ac(○,2)清孔时应及时开启4PN泥浆泵向护筒内补充优质泥浆，确保护筒内泥浆水头，以防塌孔。图4：排出置换出的泥浆eq\o\ac(○,3)测量孔内的沉渣厚度和泥浆比重，确认达到质量标准后，先关空压机，后停泥浆泵。清孔结束经监理工程师现场检验合格后，立即拆除导管帽、钢风管、橡胶风管，装上漏斗开始浇注水下混凝土。4出现的问题及解决办法在实际操作过程中，出现了以下问题：问题：设备、管道连接完毕，正式进行清孔工作时，启动空压机后，整个清孔系统无反应，排浆管并没有排出泥浆，导管出现漏气的现象。原因：检查各管道连接的密封性，发现导管、导管帽接头处均存在密封不严的问题，导致高压空气从各密封不严处漏气，无法进入导管内形成闭合压力差，因此整个系统无反应。处理：立即关停空压机，拆除各管道，然后在导管接口处涂油，采用新的橡胶密封圈，重新进行安装连接，检查各连接处密封性。确保密封良好后，再开始进行清孔。5效果与质量评价施工实践证明，气举反循环进行大直径、长桩身钻孔桩清孔效果较为理想：eq\o\ac(○,1)缩短了二次清孔时间。与正循环清孔相比，工效提高了很多。eq\o\ac(○,2)清孔质量好。二次清孔后，全部达到30cm以下，满足了设计要求。eq\o\ac(○,3)不会对孔壁造成破坏，桩径充盈系数在1.05~1.1之间。eq\o\ac(○,4)配置设备少，只需添置一台空压机