CN111593731A - 气举反渣系统及采用该气举反渣系统的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气举反渣系统及采用该气举反渣系统的施工方法，包括供气装置、排渣导管、风管、滤渣装置和泥浆循环系统，排渣导管的入口端伸入桩基孔孔底，排渣导管的出口通向滤渣装置，风管伸进排渣导管内，风管的出风口延伸到排渣导管的入口端，风管的入风口与供气装置连接，滤渣装置的出口与泥浆循环系统连接，泥浆循环系统用于将泥浆回流入桩基孔内。本发明在钻进的同时可及时排出孔内岩渣块，孔底清洁，孔底钻屑重复破碎较少，清孔效率高，成桩质量较好；本发明通过支撑架将钢制泥浆池和钢制沉淀池支撑于水上，泥浆可以多次循环使用，增加了泥浆的使用次数，减少了新制泥浆的用量，可降低材料成本，而且可避免水上桩基施工对环境的污染。

Description

气举反渣系统及采用该气举反渣系统的施工方法

技术领域

本发明涉及桩基施工技术领域，尤其涉及气举反渣系统及采用该气举反渣系统的施工方法。

背景技术

钻孔泥浆是由水、膨润土(或黏土)和添加剂等所组成的混和浆体。在钻孔桩施工过程中，泥浆循环时，利用泥浆与地下水之间的压力差来控制水压力，使泥浆能在孔壁上形成泥皮而加固孔壁和防止坍塌，同时稳定孔内水位。同时，泥浆还具有能带出岩土碎屑、冷却和润滑钻头的作用。因此，无论在成孔阶段还是灌注阶段，都对成桩质量有着重要的影响，从而较大程度上影响桩基承载性能。

目前，大直径超长桩成孔主要有回转钻进、冲击钻进、旋挖钻进等传统施工技术，其中回转钻进分正循环钻进和反循环钻进,都是通过泥浆的循环进行保护孔壁和出渣的，它们在钻进成孔的工艺上是相同的，适用的地层也基本相同，不同的就是泥浆的循环方式。

现有的成孔施工方法效率低，而且对于水上桩基施工现有的泥浆循环系统，会对水环境造成污染。

发明内容

本发明旨在提供气举反渣系统及采用该气举反渣系统的施工方法，可提高成孔效率而且可避免水上桩基施工对环境的污染。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

气举反渣系统，包括供气装置、排渣导管、风管、滤渣装置和泥浆循环系统，所述排渣导管的入口端伸入桩基孔孔底，排渣导管的出口通向滤渣装置，所述风管伸进排渣导管内，风管的出风口延伸到排渣导管的入口端，风管的入风口与供气装置连接，所述滤渣装置的出口与泥浆循环系统连接，所述泥浆循环系统用于将泥浆回流入桩基孔内。

优选地，风管与排渣导管同轴。

优选地，所述供气装置为空气压缩机。

优选地，所述滤渣装置为接渣篮。

进一步的，气举反渣系统还包括泥浆循环系统，所述滤渣装置的出口与泥浆循环系统连接。

进一步的，所述泥浆循环系统包括钢制泥浆池、钢制沉淀池、支撑架和多个桩基钢护筒，桩基钢护筒间通过连通管连通；

所述钢制泥浆池和钢制沉淀池由支撑架支撑，滤渣装置出口与钢制沉淀池连通，所述钢制沉淀池与钢制泥浆池相通，所述泥浆池通过出浆管与其中一个桩基钢护筒连通。进一步的，支撑架包括多根基础钢管、主横梁、主纵梁和桥面板，横梁架设在基础钢管上，主纵梁底部与横梁固接，主纵梁顶部与桥面板连接，所述钢制泥浆池、钢制沉淀池安装在桥面板上。

优选地，所述主纵梁为贝雷片。

优选地，所述主横梁有三个，每一主横梁与两根基础钢管连接。

进一步的，与同一主横梁连接的两根基础钢管间设有斜撑和/或平联。

优选地，所述基础钢管为圆钢管。

优选地，主横梁为双拼工字钢。

进一步的，在一钢板制箱内设一竖直隔板将钢板制箱分隔为两个隔间，一个隔间作为钢制泥浆池，另一个隔间作为钢制沉淀池，竖直隔板顶部设溢流口。

进一步的，所述钢板制箱的箱口和底部采用槽钢进行加固，四周采用槽钢制作剪刀背肋。

一种施工方法，该方法采用所述气举反渣系统进行桩基施工。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1，本发明在钻进的同时可及时排出孔内岩渣块，孔底清洁，孔底钻屑重复破碎较少，清孔效率高，成桩质量较好；

2，本发明通过支撑架将钢制泥浆池和钢制沉淀池支撑于水上，钻孔桩中的泥浆被抽出，经沉淀池沉淀后到达泥浆池，泥浆池中的泥浆再泵回流至钻孔桩中，泥浆可以多次循环使用，增加了泥浆的使用次数，减少了新制泥浆的用量，可降低材料成本，而且可避免水上桩基施工对环境的污染。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中泥浆循环系统的结构示意图；

图3是钢制泥浆池及沉淀池平台的纵断面示意图；

图4是钢制泥浆池及沉淀池平台的横断面示意图；

图5是钢板制箱的三维图(未示出加固槽钢)；

图6钢板制箱一个侧面的示意图；

图7是使用本发明气举反渣系统的进行桩基成孔的施工流程图；

图8是桩基钻孔顺序图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明公开的气举反渣系统，包括供气装置1、工作平台2、排渣导管3、风管4、滤渣装置5和泥浆循环系统。工作平台2位于桩基孔7的孔口，排渣导管3的入口端伸入桩基孔7的孔底，排渣导管3的出口通向滤渣装置5，风管4伸进排渣导管3内，风管4的出风口延伸到排渣导管3的入口端，风管4的入风口与供气装置1连接。

滤渣装置5的出口与泥浆循环系统连接。作为优选，风管4与排渣导管3同轴。本实施方式中选择空气压缩机作为供气装置1，选择接渣篮作为滤渣装置5。

本发明的工作原理：空气压缩机将压缩空气输进风管4,空气经风管4底部排出和泥浆形成气液混合物。孔底沉渣在喷出气体的冲击作用下悬浮起来,由于管内、外液体的密度差,孔内泥浆、空气、沉渣的三相流沿排渣导管3向上运行,被排出孔口,进入接渣篮过滤出泥浆中的沉渣,过滤后的泥浆通过泥浆循环系统又重新进入孔内，反复循环直至孔底沉渣厚度达到规范要求。

在另一个实施方式中，当在水上进行桩基施工时，为防止水上桩基施工对环境的污染。如图2、3、4所示，泥浆循环系统包括钢制泥浆池8、钢制沉淀池9和多个桩基钢护筒6，桩基钢护筒6间通过连通管14连通。

桩基钢护筒6的数量根据钻孔数量设置，本实施方式中钻孔有9个，9个钻孔呈3*3矩阵布置，相应的桩基钢护筒6有9个，9个桩基钢护筒6间通过8个连通管14串联。

泥浆池8通过出浆管13与其中一个桩基钢护筒6连通。钢制沉淀池9与钢制泥浆池8相通，钢制泥浆池8和钢制沉淀池9由支撑架10支撑于水上。

支撑架10包括多根基础钢管101、主横梁102、主纵梁103和桥面板104，横梁102架设在基础钢管101上，主纵梁103底部与横梁102固接，主纵梁103顶部与桥面板104连接，钢制泥浆池8、钢制沉淀池9安装在桥面板104上。

主横梁102有三个，每一主横梁102与两根基础钢管101连接。与同一主横梁102连接的两根基础钢管101间设有斜撑105和平联106。

如图5所示，在一钢板制箱11内设一竖直隔板111将钢板制箱分隔为两个隔间，一个隔间作为钢制泥浆池8，另一个隔间作为钢制沉淀池9，钢板制箱11箱口朝上。如图6所示，钢板制箱11的箱口和底部采用8号槽钢12进行加固，四周采用8号槽钢12制作剪刀背肋。竖直隔板111顶部设溢流口112实现两个隔间的相通。

使用时，新制泥浆在钢制泥浆池8中配制，并通过泥浆泵经出浆管13送至桩基钢护筒6内。开钻后，空气压缩机将压缩空气输进风管4,空气经风管4底部排出和泥浆形成气液混合物。孔底沉渣在喷出气体的冲击作用下悬浮起来,由于管内、外液体的密度差,孔内泥浆、空气、沉渣的三相流沿排渣导管3向上运行,被排出孔口,进入接渣篮过滤出泥浆中的沉渣,过滤后的泥浆流入钢制沉淀池9沉淀后再溢流进入钢制泥浆池8，随后通过泥浆泵经出浆管13重新进入桩基钢护筒6，通过桩基钢护筒6之间的连通管流入各钻孔孔内。钻孔过程中专门配置一台挖机及时清理泥浆套箱内的钻渣，钻渣由运渣车集中运输至弃土场弃置。

本发明通过支撑架将钢制泥浆池8和钢制沉淀池支撑于水上，可避免水上桩基施工对环境的污染。钻孔桩中的泥浆排出后，经沉淀池沉淀后到达泥浆池，泥浆池中的泥浆再泵回流至钻孔桩中，泥浆可以多次循环使用，增加了泥浆的使用次数，减少了新制泥浆的用量，可降低材料成本。

下面以汕头市汕北大道澄海段工程东里河特大桥主墩桩基施工为例，介绍使用本发明的气举反渣系统的施工方法。

东里河通航等级为内河Ⅲ级航道，因而本实施例搭设水上钻孔平台并在平台上完成泥浆循环作业，以满足对通航和环保的高要求。本桥主墩桩基桩径2.5m，在120m左右深度入岩，设计要求桩底嵌入中风化岩不小于2.5倍桩径，沉渣厚度不大于5cm，在将近6.25m入岩要求下，选用传统冲击钻成孔工效极低，对沉渣厚度控制难以达到设计要求，且反循环成孔与冲击钻组合转换对泥浆比重等各项指标要求较高，容易引起塌孔及混凝土超方。

因此，如图7所示，本实施例钻孔施工采用反循环回旋钻机及牙轮钻气举反渣钻进的施工工艺，主要包括泥浆护壁、钻进成孔及清孔。

(1)钻孔顺序

如图8所示，桩基施工要求跳孔进行，以减少后面桩基施工对前一个桩基混凝土未达到设计强度前的影响。

(2)钻机选型

东里河特大桥主墩共计36根钻孔灌注桩，从护筒顶面到孔底深达130米左右，对钻机的扭矩及钻杆质量要求较高。选用技术性能先进，提升能力较强的6台车载式鑫峰351型反循回旋钻机进行软弱地层钻进，每台钻机配备1个牙轮钻头进行岩层钻进。鑫峰351型反循回旋钻机性能指标见表1。

表1钻机性能指标表

鑫峰351型反循环回旋钻机工作原理：泥浆从钻杆与钻孔之间注入，随着钻杆喷气削土，由于管径比孔小很多，所以泥浆加削下来的土渣等快速从钻杆内排出地面，进入泥浆沉淀池处理后，可循环使用。

(3)泥浆制备及性能指标

护壁泥浆在钻孔中非常重要，尤其是对大直径深孔，淤泥层、砂层造浆性能差，泥浆控制显得尤为重要。本发明选用不分散、低固相、高粘度的PHP泥浆。

为保证钻孔桩成孔施工的顺利进行，在正式开钻之前，选用不同产地的钙基膨润土和不同比例的水、膨润土、火碱、PHP等再次进行试配和验证，选择泥浆各项指标最优的泥浆配比。泥浆的制备在平台泥浆制备区进行。

钻孔施工前，首先在泥浆制备区采用泥浆搅拌机搅拌膨润土泥浆，然后利用泥浆泵泵送至钢护筒内，当钢护筒内泥浆性能指标满足施工要求后开孔钻进。

本发明中泥浆各施工阶段的性能指标要求详见表2。

表2泥浆性能指标一览表

(4)泥浆循环系统

本实施方式中钢制泥浆池8和钢制沉淀池9的长度均为6m、宽度均为4m，高度均为3m。桥面板104为12cm厚定型板，主纵梁103选择1021型贝雷片，主纵梁103间通过联系梁连接，联系梁选择8号槽钢。

主横梁102为45a双拼工字钢，基础钢管101选择直径为630mm，壁厚为10mm的圆钢管，斜撑105和平联106均选择20a槽钢。钢板制箱11板厚1cm，溢流口112的为50cm*50cm的矩形缺口。

使用时，新制泥浆在钢制泥浆池8中配制，并通过泥浆泵经出浆管13送至桩基钢护筒6内。开钻后，开钻后，钻机将携钻渣的泥浆抽至钢制沉淀池2沉淀后再溢流进入钢制泥浆池1，随后通过泥浆泵经出浆管5送至桩基钢护筒6，通过桩基钢护筒6之间的连通管流入各钻孔孔内。钻孔过程中专门配置一台挖机及时清理泥浆套箱内的钻渣，钻渣由运渣车集中运输至弃土场弃置。

(5)反循环回旋钻机就位、调试

钻机就位前，应对钻孔各项准备工作进行全面检查，确认无误后就位。

钻机安装后的底座和顶端应平稳，保证在钻进过程中不产生位移。钻机应保持良好工作状态，电气部分无安全隐患，电机外壳应接地。

钻机就位调平机座，认真量测检查钻头中心与护筒中心是否在一条铅垂线上，与孔位中心的偏差是否在规范允许范围之内。确认无误后，最后再次检查钻杆的垂直度是否满足要求、钻杆、钻头等部位连接是否牢固、运转是否良好、钻头直径和设计桩径是否相同，校核钻具的长度，同时检测泥浆的各项指标，一切就绪后就可开始施钻。

在钻进的过程中每天检测一次桩基底座的水平度，如发现钻机底座对角线高差大于10mm，随即停机起钻对底座及时调平。

(6)反循环回旋钻机钻进成孔

①钻进过程划分为三个阶段：护筒内钻进阶段、护筒以下软弱地层钻进阶段、岩层钻进阶段。

护筒内钻进阶段：从护筒底口2.0m以上，采用直径φ2.5m刮刀钻头反循环加压清水钻进，每小时进尺控制在2～4m左右，孔内补充清水，混合泥浆经沉淀池沉淀后泥浆回流入护筒，钻渣转运至弃渣场。

护筒以下软弱地层钻进阶段：当钻进至接近钢护筒底口位置1～2m左右时，调换直径φ2.5m的机械钻头，开钻时钻头反循环空转，启动泥浆循环系统，置换孔内泥浆，当孔内泥浆指标符合要求后，优质泥浆护壁反循环减压钻进，在护筒底口附近慢速钻进，形成稳定孔壁，每小时进尺控制在0.3～0.8m左右。

钻头出护筒5m～6m后恢复正常钻进，根据不同地层的特点，在钻孔过程中及时调整护壁泥浆指标和钻进速度，每小时进尺1m～3.5m，孔内补充优质泥浆。

根据地层地质情况采用相应的钻进工艺参数，具体详见表3。

表3不同地层钻进参数表

地层	钻压(KN)	转数(r/min)	钻速(m/h)
				护筒内钻进			≤4.0
细砂层(密实)	100～150	10～15	1.5～2.0
				淤泥、粉质粘土层	100～120	10～15	1～2
中粗砂层(密实)	150～300	5～10	2.0～3.0
				护筒底口地层	＜100	5～10	0.3～0.8

②钻进注意事项

a、钻进过程随时注意往孔内补充浆液，维持孔内的水头高度。孔内泥浆面任何时候均应高于河水面3.0m以上。

b、升降钻具应平稳，尤其是当钻头处于护筒底口位置时，必须谨慎操作、防止钻头钩挂护筒，避免冲撞钢护筒扰动钻孔孔壁。

c、接长钻杆时，应先停止钻进，将钻具提离孔底20～30cm，维持泥浆循环10min以上，以清除孔底沉渣并将管道内的钻渣携出排净，然后停泵接长钻杆。钻杆连接螺栓应拧紧上牢，认真检查密封圈，以防钻杆接头漏水漏气，使反循环无法正常工作。

d、钻孔过程应连续操作，不得中途长时间停止，尽可能缩短成孔周期。

(7)入岩标高、入岩深度确认

当反循环回旋钻机钻进至硬岩层，无法继续钻进时，确认桩基入岩标高，并给定具体的入岩深度。

(8)更换牙轮钻头并安装气举设备

现场确认入岩深度后，反循环回旋钻机提钻、更换牙轮钻头，并安装气举设备。

气举设备的选型与安装：

如图1所示，风管4底部到孔内泥浆顶面深度为h₁,从孔内泥浆顶面到钻杆内泥浆顶面高度差为h₂,钻杆内三相流密度为ρ_n,钻杆外液体密度为ρ_ω,则作用于风管底部液面上内外液体柱压力差为:

ΔP＝ρ_ω*h₁-ρ_n(h₁+h₂)＝(ρ_ω-ρ_n)*h₁-ρ_n*h₂ (1)

正是这个压力差,驱动钻杆内风管4底口以上的三相流沿钻杆上升,并克服循环过程中的各种阻力,形成反循环。考虑到供气管道的压力损失,故本发明中空气压力按式(2)进行计算:

P＝ρ_n*h₁/102+P_s (2)

式(2)中，P_s为气管道压力损失，取0.05～0.1MPa。

由(1)式可知,在管外泥浆密度ρ_ω和h₁、h₂相对稳定的情况下,降低三相流的密度ρ_n(通过增大压气量实现)将提高驱动气举反循环的压力差,因此送往孔内的空气流量和压力是影响气举反渣能力的重要参数。h₁越大，h₂h2越小则压力差越大，所以当孔内缺浆时不能形成反循环，应保持孔内泥浆面达到合适高度从而增大h₁h1减小h₂h2；ρ_ωρw为三相流密度，当孔内泥浆固相所占比例较大时也不能形成反循环，只有在ρ_ωρw相对小的情况下，增大ρ_ωρw与ρ_nρn的差值才能提高反渣效率。

由(2)式可以看出，空气压缩机的选择应由P确定，主要受h₁h1和ρ_nρn控制。当孔较深，泥浆比重较大时所需的压力较大。因此应根据工程的实际桩长计算P确定空压机型号；尽最大的可能减小P_s，应经常检查风管是否漏气，接头处是否严密使压力损失减到最小。

(9)牙轮钻头钻进时开启气举设备，使孔内形成气举反循环。

牙轮钻头钻进工作原理：钻机通过钻杆给钻头施加足够大的轴压力和回转扭矩，牙轮钻头转动时，各牙轮又绕自身轴滚动，滚动的方向与钻头转动方向相反。牙轮齿在加压滚动过程中，对岩石产生碾压作用；由于牙轮齿以单齿和双齿交替地接触岩石，当单齿着地时牙轮轴心高，而双齿着地时轴心低，如此反复进行，使岩石受到周期性冲击作用；又由于牙轮的超顶、退轴、移动和牙轮的复锥形状、使牙轮在孔底工作时还产生一定的滑动，对岩石产生切削作用。因此，牙轮钻头破碎岩石实际上是冲击、碾压和切削的复合作用。

牙轮钻头钻进时相关参数的计算方法如下：

a、轴压力

合理的轴压力可根据公式(3)计算：

P＝(0.06～0.07)f D (3)

式(3)中,f—岩石的坚固性系数，D—钻头直径。

如果牙轮的牙齿较钝，则加大轴压力；如果岩石有裂隙或夹块，则适当减小轴压，以减轻钻机的振动。

b、钻具扭矩

钻具的转矩M(N·m)根据公式(4)计算：

M＝29.6kDP^1.5 (4)

式(4)中，k—岩石特性系数；D—钻头的直径，mm；P—轴压力，kN。

c、钻孔速度

牙轮钻头的钻进速度根据公式(5)估算：

式(5)中，P—轴压，kN；n—钻具的转速，r/min；D—钻头的直径，mm；f——矿岩的硬度系数。

气举设备的工作原理：如图1、2所示,空气压缩机将压缩空气输进风管,空气经风管底部排出和泥浆形成气液混合物。孔底沉渣在喷出气体的冲击作用下悬浮起来,由于管内、外液体的密度差,孔内泥浆、空气、沉渣的三相流沿钻杆向上运行,被排出孔口,进入接渣篮。过滤出泥浆中的沉渣,过滤后的泥浆流入钢制沉淀池9沉淀后再溢流进入钢制泥浆池8，随后通过泥浆泵经出浆管13重新重新进入孔内，反复循环直至孔底沉渣厚度达到规范要求。

反循环体系以气体为动力介质，以液流体为延升载运介质携带固体颗粒上返最终完成气、液、固三相混合运动，达到快速成孔并清除钻孔内沉渣、岩屑的目的。

(10)钻孔达到预定钻孔深度后，测量孔深及沉渣厚度，确认终孔标高。沉渣厚度等于钻深与灌注前孔深的差值。

钻进过程中要收集好各地层的钻孔渣样，反循环回旋钻钻进时，每换一次钻杆取一次渣样(2.5～3m)；入岩后每钻进0.5m提取渣样一次，从出渣口捞取渣样用清水冲洗干净，每次提取量为100g，编号保存。

(11)一次清孔

终孔后，及时进行清孔。清孔时将钻具提离孔底约30cm～50cm，缓慢旋转钻具，补充优质泥浆，进行反循环清孔，同时保持孔内水头，防止塌孔。当经检测孔底沉渣厚度满足设计要求后，清孔后孔内泥浆指标符合要求后(循环时间控制在2～4小时，循环满足2个循环以上)，及时停机提钻、移走钻机并进行检孔。利用全自动超声成孔检测仪对成孔孔径、垂直度进行检测。成孔检验合格后尽快进行成桩施工。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.气举反渣系统，其特征在于：包括供气装置、排渣导管、风管、滤渣装置和泥浆循环系统，所述排渣导管的入口端伸入桩基孔孔底，排渣导管的出口通向滤渣装置，所述风管伸进排渣导管内，风管的出风口延伸到排渣导管的入口端，风管的入风口与供气装置连接，所述滤渣装置的出口与泥浆循环系统连接，所述泥浆循环系统用于将泥浆回流入桩基孔内。

2.根据权利要求1所述的气举反渣系统，其特征在于：风管与排渣导管同轴。

3.根据权利要求1所述的气举反渣系统，其特征在于：所述供气装置为空气压缩机。

4.根据权利要求1所述的气举反渣系统，其特征在于：所述滤渣装置为接渣篮。

5.根据权利要求1所述的气举反渣系统，其特征在于：所述泥浆循环系统包括钢制泥浆池、钢制沉淀池、支撑架和多个桩基钢护筒，桩基钢护筒间通过连通管连通；

所述钢制泥浆池和钢制沉淀池由支撑架支撑，滤渣装置出口与钢制沉淀池连通，所述钢制沉淀池与钢制泥浆池相通，所述钢制泥浆池通过出浆管与其中一个桩基钢护筒连通。

6.根据权利要求5所述的气举反渣系统，其特征在于：支撑架包括多根基础钢管、主横梁、主纵梁和桥面板，横梁架设在基础钢管上，主纵梁底部与横梁固接，主纵梁顶部与桥面板连接，所述钢制泥浆池、钢制沉淀池安装在桥面板上。

7.根据权利要求6所述的气举反渣系统，其特征在于：所述主纵梁为贝雷片。

8.根据权利要求6所述的气举反渣系统，其特征在于：所述主横梁有三个，每一主横梁与两根基础钢管连接。

9.根据权利要求8所述的气举反渣系统，其特征在于：与同一主横梁连接的两根基础钢管间设有斜撑和/或平联。

10.使用权利要求1-9中任一项所述的气举反渣系统的施工方法，其特征在于：该方法采用所述气举反渣系统进行桩基施工。

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