張廣亮,劉建濤,2,陳益敏

(1.河南省地礦建設(shè)工程〈集團(tuán)〉有限公司,河南鄭州 450007;2.河南省地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì),河南 鄭州 450007)

婁江特大橋深孔泵吸反循環(huán)工藝的改進(jìn)

張廣亮1,劉建濤1,2,陳益敏1

(1.河南省地礦建設(shè)工程〈集團(tuán)〉有限公司,河南鄭州 450007;2.河南省地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì),河南 鄭州 450007)

隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施投入的加大,樁徑 1000～2000 mm、孔深 100～130 m的鉆孔灌注樁在各類(lèi)工程中屢被采

用。泵吸反循環(huán)傳統(tǒng)上被用于孔深不超過(guò) 80 m的深孔,在京滬高鐵第六標(biāo)段婁江特大橋鉆孔灌注樁施工中,通過(guò)

對(duì)現(xiàn)有的反循環(huán)鉆機(jī)進(jìn)行改進(jìn),很大程度上提高了泵吸反循環(huán)的工作效率,順利地完成了孔深 131 m、樁徑 118 m樁孔的施工,產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

泵吸反循環(huán);大直徑;超深孔;灌注樁;鉆機(jī)改進(jìn)

1 概述

近年來(lái),隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展,高速公路、高速鐵路、市政道路改擴(kuò)以及建筑立體化趨向,路網(wǎng)密度越來(lái)越大,各式立交橋、跨河橋、高架橋等數(shù)量猛增。同時(shí),基于安全考慮,設(shè)計(jì)要求和標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)提高。在軟弱巖土地層以鉆孔灌注樁為主要基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的樁長(zhǎng)和樁徑亦在不斷擴(kuò)大,孔深 100～130 m的鉆孔灌注樁在各類(lèi)工程中屢被采用。而目前工程中以氣舉反循環(huán)、正循環(huán)、旋挖鉆進(jìn)為主要施工深孔的各型工程鉆機(jī),因造價(jià)高、效率低、泥漿污染、深度、地層條件限制等,遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。泵吸反循環(huán)以消耗功率低、排渣效率高、成孔速度快、施工周期短,而被廣泛應(yīng)用于交通橋梁基礎(chǔ)。但隨著孔深增加,循環(huán)系統(tǒng)中各項(xiàng)阻力增加,使流量減小,排渣能力降低,鉆孔速度減慢。泵吸反循環(huán)多用于孔深不超過(guò) 70～80 m的樁基礎(chǔ)施工,因而制約了泵吸返循環(huán)的發(fā)展。如何提高泵吸反循環(huán)的工作效率,完成深孔施工,已成當(dāng)務(wù)之急。

2009年 10月,筆者參與施工了京滬高鐵第六標(biāo)段婁江特大橋鉆孔灌注樁基礎(chǔ)工程,樁孔孔深131 m,樁徑 118 m。采用黃海機(jī)械廠生產(chǎn)的 G M-20A型鉆機(jī),“180 mm鉆桿,6BS-350型砂石泵。開(kāi)始用反循環(huán)工藝施工,但因孔較深,超過(guò) 60 m后鉆進(jìn)效率很低,稍微加壓就會(huì)出現(xiàn)反循環(huán)斷流現(xiàn)象?？咨畛^(guò) 80 m后泵吸反循環(huán)難以形成,只能用正循環(huán)施工,效率極低。平均 7～8天成樁一根,電能、機(jī)械、人工消耗量增加,泥漿外運(yùn)的成本也成倍增加。綜合各種因素考慮,我們決定采用大口徑鉆具施工,并同時(shí)對(duì)原有主動(dòng)鉆桿、送水器的過(guò)水?dāng)嗝孢M(jìn)行改造。

在鉆機(jī)和水泵性能不變的情況下,采用 “245 mm鉆桿,改用通孔直徑 219 mm的主動(dòng)鉆桿,增大了過(guò)水?dāng)嗝?鉆進(jìn)效率明顯提高。

2 泵吸反循環(huán)的工作原理

泵吸反循環(huán)是靠葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)能,達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速形成真空,吸抽鉆桿內(nèi)的泥漿,使鉆桿內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓,而鉆桿外依然保持大氣壓力,因內(nèi)外壓力差產(chǎn)生循環(huán)液流。在大氣壓力作用下,處在鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙中的泥漿流向孔底,與鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)切割下來(lái)的巖渣混合形成泥漿的混合液,混合液經(jīng)鉆頭水口被吸入鉆桿內(nèi)腔,經(jīng)送水器—砂石泵—排渣管排入地面泥漿循環(huán)系統(tǒng),鉆渣經(jīng)泥漿池沉淀后,泥漿再補(bǔ)充回流到孔內(nèi),形成泵吸式反循環(huán)鉆進(jìn) (見(jiàn)圖1)。泵吸反循環(huán)具有孔壁穩(wěn)定性強(qiáng)、排渣效果好、鉆進(jìn)效率高、清孔速度快、孔底干凈等優(yōu)點(diǎn)。

圖 1 泵吸反循環(huán)工作示意圖

3 泵吸反循環(huán)的相關(guān)參數(shù)分析

以 6BS-350型反循環(huán)泵為例,其主要參數(shù)為泵量、功率、吸程、揚(yáng)程、工作效率。

3.1 泵量

6BS-350型砂石泵泵量可達(dá) 350 m3/h。需要特別提醒的是,并不是砂石泵的泵量越大越好,要根據(jù)鉆桿的過(guò)水?dāng)嗝婧涂讖絹?lái)確定。鉆桿的過(guò)水?dāng)嗝嫘?易形成氣蝕不上水;過(guò)水?dāng)嗝娲?上返速度慢鉆渣不能有效帶出孔外?？讖酱髸r(shí)鉆進(jìn)效率太低,孔徑小時(shí),回流泥漿的下流速度 >0105 m/s時(shí),易沖刷孔壁,破壞泥漿護(hù)壁層,引起塌孔事故。

3.2 揚(yáng)程

6BS-350型反循環(huán)泵的揚(yáng)程可達(dá) 25 m,在鉆孔施工時(shí),循環(huán)系統(tǒng)在地表布置,對(duì)揚(yáng)程的要求不高,在選擇方面,可以不做要求。

3.3 電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速

6BS-350型砂石泵配 37 kW6極電機(jī),轉(zhuǎn)速可達(dá) 980 r/min,因此功率較大,抽吸能力也強(qiáng)。

3.4 吸程

砂石泵的吸程一般為 715 m,這只是純理論數(shù)據(jù)。在實(shí)際施工中,和循環(huán)通徑、密封程度、泥漿密度、泵量和電機(jī)功率等有密切關(guān)系,因受此綜合因素的影響,砂石泵的真空吸程一般情況下不大于 615 m。

所以,在安裝鉆機(jī)時(shí),盡量縮小泥漿面與水龍頭頂端的高差來(lái)降低真空吸程的高度,達(dá)到提高工作效率的目的。另外,根據(jù)圖 2所示,砂石泵的安裝位置越低,效率應(yīng)該越高,但當(dāng)孔深較大時(shí),其影響是很小的。

圖 2 砂石泵示意圖

綜上所述,砂石泵的工作效率,是由多種復(fù)雜的因素決定,所以通常按 70%計(jì)算機(jī)械效率。

4 影響泵吸反循環(huán)工作效率的主要外因

泵吸反循環(huán)的工作效率除受砂石泵自身各主要參數(shù)制約外,還受許多外界因素的影響。

仍以 6BS-350型砂石泵為例:功率 37 kW,按工作效率 70%計(jì)算時(shí),泵量 235 m3/h,真空吸程 <7 m。

4.1 循環(huán)系統(tǒng)的過(guò)水?dāng)嗝婧湍酀{在鉆桿內(nèi)的上升速度

從實(shí)驗(yàn)得知,鉆渣在泥漿中的自由落體速度,因泥漿的密度、鉆渣的質(zhì)量和密度而有快慢不同,一般下沉初始速度為 015～019 m/s。由此可推理只要泥漿在鉆桿內(nèi)的上升速度大于鉆渣的自由下落速度,就應(yīng)當(dāng)能排除鉆渣,上升速度大于下落速度 2～3倍時(shí),就可將較大塊的鉆渣排除孔外,如鉆桿過(guò)水?dāng)嗝嫣?泥漿在鉆桿內(nèi)的上返速度小于鉆渣的沉降速度,則不能形成有效進(jìn)尺。那么,是否上升速度越快效率就越高呢?單從理論上分析應(yīng)該是這樣的,但在實(shí)際施工中并非如此。因?yàn)榱魉僭酱筱@桿內(nèi)壁產(chǎn)生的側(cè)摩阻力也越大,砂石泵消耗的功率也越大,特別當(dāng)鉆渣量較大時(shí),會(huì)堵塞鉆頭進(jìn)渣口或鉆桿,砂石泵就會(huì)因瞬間供水不足而產(chǎn)生氣蝕中斷循環(huán)。所以,綜合以上因素并對(duì)照表 1可以看出:當(dāng)泵量在 235 m3/h時(shí),鉆桿規(guī)格以 “245 mm ×14 mm為宜。

表 1 不同規(guī)格鉆桿的泥漿上返流速

4.2 泥漿密度

按孔深 100 m計(jì)算,得出不同泥漿密度下泥漿在鉆桿內(nèi)的摩阻力,見(jiàn)表 2。

表 2 不同泥漿密度下泥漿在鉆桿內(nèi)的摩阻力

從表 2可以看出:泥漿密度越大,其在鉆桿內(nèi)上升時(shí)的摩阻力越大,鉆進(jìn)效率就越低。當(dāng)泥漿密度>1125 kg/L時(shí),反循環(huán)系統(tǒng)很難啟動(dòng),即使勉強(qiáng)打開(kāi),稍有進(jìn)尺,就會(huì)因產(chǎn)生氣蝕停止運(yùn)轉(zhuǎn),因此反循環(huán)施工過(guò)程中,只要能滿(mǎn)足孔壁穩(wěn)定,降低孔內(nèi)泥漿密度,是提高鉆進(jìn)效率的重要手段。

4.3 孔深

當(dāng)泥漿密度為 1110 kg/L時(shí),經(jīng)計(jì)算得出不同孔深條件下的側(cè)摩阻力,如表 3。

表 3 不同孔深條件下的側(cè)摩阻力

根據(jù)表 3可知:孔越淺,砂石泵的真空吸程余量越大,效率也就越高,當(dāng)孔深 >160 m時(shí),普通砂石泵很難啟動(dòng)工作,需要配備其他增壓設(shè)備或采取有效增壓措施。

4.4 泥漿循環(huán)池的大小

當(dāng)反循環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)尺后,鉆渣排放進(jìn)入泥漿循環(huán)池,經(jīng)過(guò)多級(jí)沉淀后,泥漿再返流入孔內(nèi)。因此,泥漿池越大,泥漿反流速度越慢,鉆渣沉淀越徹底,返流泥漿的含渣量越少,鉆進(jìn)效率就會(huì)越高。反之,泥漿池太小,鉆渣不能沉淀,就會(huì)返流入孔內(nèi),參與多次循環(huán)而影響鉆進(jìn)效率。所以,在施工現(xiàn)場(chǎng)條件允許時(shí),可在出渣池和孔位之間另挖一個(gè)二級(jí)沉淀池,這樣效率會(huì)更高。

4.5 密封

(1)泥漿面以下部分的密封,即鉆桿各法蘭盤(pán)連接處的密封,如密封不嚴(yán),反循環(huán)啟動(dòng)后,雖然出渣口泵量正常,但補(bǔ)充的泥漿不完全以鉆桿底部進(jìn)渣口吸入,而是有一部分從中途鉆桿松動(dòng)處吸入,進(jìn)入量的多少,視連接的松動(dòng)程度而定,形成“假象反循環(huán)”,影響進(jìn)尺效率。特別是在砂層中鉆進(jìn)時(shí),極易造成埋鉆后果。因此,施工人員一定要經(jīng)常檢查出渣量與底層和進(jìn)尺量是否相符。

(2)泥漿面以上部分的密封,即砂石泵出渣口至泥漿面之間泵體水龍頭及各接頭是否有漏氣、漏漿現(xiàn)象。特別要注意連接水龍頭和砂石泵的高壓吸引管,有無(wú)重皮、破損、堵塞和聲音異常,一經(jīng)發(fā)現(xiàn),就要及時(shí)處理。

4.6 地層變化和進(jìn)尺控制

泵吸反循環(huán)正常啟動(dòng)后,操作人員要根據(jù)地層變化情況,合理控制進(jìn)尺,既要保證均勻、滿(mǎn)負(fù)荷的出渣量,又不至于使其停止運(yùn)轉(zhuǎn),是提高效率的關(guān)鍵所在。一般有經(jīng)驗(yàn)的操作人員時(shí)刻盯緊出渣口水量大小變化,不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),來(lái)做相應(yīng)的調(diào)整,粘土層要高速小壓力,砂層和卵礫石地層低速慢轉(zhuǎn),嚴(yán)防出渣量控制不勻,忽大忽小,造成氣蝕,使反循環(huán)停止工作。特別在松散及易塌地層鉆進(jìn)時(shí),如果反復(fù)啟動(dòng)反循環(huán),輕者造成擴(kuò)徑,重時(shí)會(huì)造成塌孔事故。

4.7 鉆頭形式

反循環(huán)鉆頭,原則上要求簡(jiǎn)單實(shí)用。錐度≮90°,但施工復(fù)雜和承載力較大的地層時(shí),還要特別注意其牢固抗扭。一般情況下,可用三翼或四翼刮刀鉆頭;在卵礫石及風(fēng)化巖中鉆進(jìn)時(shí),可用四翼或六翼環(huán)形鉆頭。鉆頭尖可采用二翼、三翼或四翼,同樣錐度要小,甚至沒(méi)有錐度,以保證進(jìn)渣口空間,使鉆渣及時(shí)排除。

5 工程實(shí)踐

在充分了解泵吸反循環(huán)的工作原理、砂石泵的各主要技術(shù)參數(shù)及性能后,根據(jù)多年的施工經(jīng)驗(yàn),總結(jié)了影響泵吸反循環(huán)工作效率的各種內(nèi)因和外因,優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的匹配。利用現(xiàn)有扭矩 40 kN·m的G M-20A型工程鉆機(jī),配置 6BS-350型砂石泵組,水龍頭通徑由 150 mm換成 219 mm,鉆桿由 “180 mm改為 “245 mm,主動(dòng)鉆桿通徑由 150 mm改為219 mm,同時(shí)對(duì)鉆頭型式也作了相應(yīng)改造,經(jīng)投入試用效果非常明顯,見(jiàn)表 4。

表 4 反循環(huán)鉆進(jìn)不同口徑鉆具施工效率對(duì)比表

6 結(jié)論與建議

(1)經(jīng)過(guò)對(duì)泵吸反循環(huán)施工設(shè)備及工藝的改進(jìn),在超深孔大直徑灌注樁施工中取得了良好的施工效果及經(jīng)濟(jì)效益。

(2)實(shí)踐證明,對(duì)泵吸反循環(huán)施工設(shè)備及工藝的改進(jìn)在超深孔大直徑灌注樁施工中是成功可行的,為超深孔大直徑灌注樁施工積累了施工經(jīng)驗(yàn)。

(3)該工程的成功實(shí)施突破了泵吸反循環(huán)鉆孔灌注樁施工工藝僅適用于孔深 <80 m樁的有關(guān)界定,采用該工藝的經(jīng)濟(jì)效益顯著。

對(duì)一種新鮮事物的認(rèn)識(shí),從無(wú)知到有知,只有不斷總結(jié),善于探索,才能不斷的進(jìn)步。泵吸反循環(huán)施工工藝,經(jīng)近多年的發(fā)展,特別在保證成樁質(zhì)量,顯著提高樁基承載力方面,已得到人們的普遍認(rèn)同。但隨著孔深和樁徑的不斷加大、各種地質(zhì)條件也是千差萬(wàn)別,如何進(jìn)一步改進(jìn)反循環(huán)的施工工藝、提高鉆進(jìn)效率,更好的為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù),涉及到很多學(xué)科,誠(chéng)愿各方面專(zhuān)家不吝賜教指導(dǎo)并提供更好的產(chǎn)品及工藝。

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I mprovement on Deep Hole Pump2suction Reverse C irculation Technology in SuperLarge Bridge

ZHANG Guang-liang1,LIU Jian-tao1,2,CHEN Yi-m in1(1.Henan Geological&Mineral Resources Construction Engineering〈Group〉Co.,Ltd.,Zhengzhou Henan 450007,China;2.No.2 Hydrogeology and Engineering Geology Team,Henan Provincial Bureau of Geo2exploration andMineralDevelopment,Zhengzhou Henan 450007,China)

The bored2grouting pile with diameter of 1000～2000 mm and depth of 100～130 m are often used in various projects.Pump2suction reverse circulation was traditionally used in the hole notmore than 80 m deep,but by the improve-ment on the existing reverse circulation drill,the efficiency of pump2suction reverse circulation was greatly improved with pile hole of 118 m in diameter and 131 m in depth finished.

pump-suction reverse circulation;large diameter;ultra-deep hole;grouting pile;drilling rig improvement

TU473.1+4

A

1672-7428(2011)06-0047-04

2010-11- 23;

2011-06-10

張廣亮(1955-),男 (漢族),河南衛(wèi)輝人,河南省地礦建設(shè)工程 (集團(tuán))有限公司工程師、一級(jí)建造師,探礦工程專(zhuān)業(yè),從事地基與基礎(chǔ)的施工與管理工作,河南省鄭州市互助路 25號(hào),hnljt@163.com。