曾紀(jì)文， 胡福洪， 閤 超， 陳 鋒， 王潤(rùn)甜

(武漢地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

在地下連續(xù)墻施工成墻后，墻身混凝土澆灌前，利用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝原理[1]，先將氣液混合器放入灌漿導(dǎo)管內(nèi)一定深度，再將壓縮空氣通過(guò)送風(fēng)管送至其內(nèi)，使壓縮空氣與導(dǎo)管內(nèi)的泥漿混合，形成密度比導(dǎo)管外泥漿密度小的泥漿空氣混合漿液。在管內(nèi)外壓差的作用下，沿導(dǎo)管內(nèi)腔上升，經(jīng)排渣管排至沉淀池，沉淀后的泥漿又以自流方式連續(xù)不斷地流回槽段內(nèi)，從而達(dá)到清除槽底沉渣的目的。具體過(guò)程如圖1所示。

氣舉反循環(huán)清渣在工程上雖然有一定應(yīng)用[2-5]，但尚無(wú)確定的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)方法用于指導(dǎo)工程方案設(shè)計(jì)及實(shí)施。本項(xiàng)目擬通過(guò)設(shè)計(jì)制作氣舉反循環(huán)清渣模擬實(shí)驗(yàn)裝置，模擬實(shí)際工程清渣過(guò)程，結(jié)合有限元方法建立模型分析，尋找各技術(shù)參數(shù)與工程情況相對(duì)應(yīng)的規(guī)律，以期對(duì)氣舉反循環(huán)技術(shù)用于不同深度的地下連續(xù)墻清孔施工起到指導(dǎo)作用。

圖1 氣舉反循環(huán)清渣原理

1 研究方法

1.1 主要研究?jī)?nèi)容

(1)工程實(shí)物模型概化，優(yōu)化并建立合理的氣舉反循環(huán)超深地下連續(xù)墻清孔施工試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

(2)確定流體屬性及基本參數(shù)；

(3)通過(guò)有限元分析軟件Fluent模擬得出不同沉渣厚度所需的清孔壓力；

(4)利用Fluent計(jì)算分析清渣效果。

1.2 工程試驗(yàn)概化模型

1.2.1 工程要求

該工程為地下50 m深處氣舉反循環(huán)情況，根據(jù)氣舉反循環(huán)清孔過(guò)程的相關(guān)要求，出水管(導(dǎo)管)下放深度以沉渣面深度控制，距沉渣300～400 mm為宜。隨著泥渣的排出，基坑底部的沉渣厚度減少，出水管(導(dǎo)管)應(yīng)同步跟進(jìn)，保持管口與沉渣面的距離?；旌掀靼卜派疃仁怯绊憵馀e反循環(huán)清孔效率的關(guān)鍵參數(shù)，如果安放深度太淺，導(dǎo)管內(nèi)無(wú)法形成穩(wěn)定液流，導(dǎo)致氣舉反循環(huán)清渣失??；如果太深，排漿量過(guò)大，泥漿補(bǔ)給達(dá)不到要求，會(huì)使孔內(nèi)泥漿面迅速下降，嚴(yán)重影響孔壁穩(wěn)定，容易引起孔壁坍塌。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)管的插入深度可控制在0.6倍的孔深，允許小范圍波動(dòng)。

1.2.2 模型概化

由于工程實(shí)際情況為地下50 m，地下連續(xù)墻的厚度按槽機(jī)的規(guī)格而定，一般槽機(jī)規(guī)格為600、800、1000、1200 mm，基坑的寬度相對(duì)其深度較小，若按實(shí)際情況1∶1建立足尺模型，則模型表現(xiàn)為“細(xì)長(zhǎng)”形狀。若以混合器的安放深度為參考點(diǎn)a(0.6倍孔深)，取混合器以下部分建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，仍然表現(xiàn)為“細(xì)長(zhǎng)”形狀，整體看起來(lái)不直觀，不易突出氣舉反循環(huán)的特征，也不易觀察流動(dòng)形態(tài)。所以本試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭苯咏厝』拥撞恳陨? m，以該段建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ停訉挾萕和深度H比例合適，易于突出和觀察氣舉反循環(huán)的效果以及泥漿的流動(dòng)形態(tài)。

混合器安裝在0.6倍孔深處，導(dǎo)管內(nèi)混合器安裝位置以上的泥漿，由于氣體與泥漿的混合而密度變小，而混合器安裝位置以下部分的泥漿密度仍然保持著與導(dǎo)管外循環(huán)相泥漿的密度一致。由于模型選取的為基坑底部以上3 m，該段處于混合器以下部分，所以導(dǎo)管內(nèi)外的泥漿密度不變。

從基坑截面方向觀察,導(dǎo)管距離基坑兩邊的距離相等,即在豎直方向表現(xiàn)為對(duì)稱形態(tài),所以簡(jiǎn)化模型,取一半為研究對(duì)象(注:試驗(yàn)計(jì)算后可通過(guò)對(duì)稱原理補(bǔ)全另一半結(jié)果,對(duì)試驗(yàn)精度無(wú)影響)。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)為：基坑寬度W=0.8 m；計(jì)算截取段深度H=3 m；導(dǎo)管距離沉渣面的距離h=0.35 m；導(dǎo)管內(nèi)徑d=0.22 m，外徑D=0.24 m，壁厚0.01 m。

1.3 試驗(yàn)?zāi)M參數(shù)

由氣舉反循環(huán)原理可知，循環(huán)流動(dòng)的原因在于導(dǎo)管內(nèi)外存在壓強(qiáng)差，而壓強(qiáng)差可以通過(guò)導(dǎo)管內(nèi)外泥漿的密度以及混合器的深度計(jì)算出來(lái)。氣舉反循環(huán)清孔工藝實(shí)施的關(guān)鍵在于基坑深度，且基坑越深，壓力差越大，流速流量也就越大，清孔效果就越好。反之，基坑越淺，壓力差越小，流速流量過(guò)小，就難以形成流動(dòng)反循環(huán)。本試驗(yàn)?zāi)M的深度為50 m深處的氣舉反循環(huán)情況。

循環(huán)相泥漿要有一定的密度和粘度，工程上所用泥漿的密度≯1500 kg/m3，泥漿的密度越大，則粘度越大；但過(guò)大的粘度不利于泥漿的流動(dòng)，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，工程上用于氣舉反循環(huán)清渣的泥漿參數(shù)如表1所示[6-7]。由于試驗(yàn)變量較多，為了更好的研究和反映出氣舉反循環(huán)清渣的效果，故在最大壓強(qiáng)差的情況下(泥漿、沉渣和氣體混合物相密度為700 kg/m3)，進(jìn)行氣舉反循環(huán)模擬試驗(yàn)，通過(guò)控制變量的方法，將試驗(yàn)的固定參數(shù)列于表2。變量參數(shù)為沉渣固體土顆粒粒徑和沉渣厚度，列于表3。通過(guò)計(jì)算得出導(dǎo)管內(nèi)外壓強(qiáng)差，如表4所示。

表1 氣舉反循環(huán)清渣的泥漿參數(shù)

注：泥漿流動(dòng)速度要達(dá)到1.5～2 m/s，此時(shí)排漿液效果最好。

表2 試驗(yàn)固定參數(shù)

表3 變量參數(shù)

表4 管內(nèi)外壓強(qiáng)差

1.4 沉渣參數(shù)確定

氣舉反循環(huán)的流體為泥漿，由勘察報(bào)告顯示，此項(xiàng)目地質(zhì)下臥層有著厚度在27～35 m的砂質(zhì)粉土，粉質(zhì)砂土、粉砂、中粗砂，這些成分極易產(chǎn)生沉渣。由土粒粒組劃分可以確定沉渣中各組分顆粒的粒徑種類[8]，如表5所示。

表5 土粒粒組的劃分

由于沉渣中的土顆粒種類繁多且直徑大小不一，為了便于研究不同粒徑的沉渣顆粒的循環(huán)清除效果，根據(jù)粒徑劃分等級(jí)，取粘粒、粉粒、粗砂和圓粒角粒4種顆粒為研究對(duì)象，對(duì)應(yīng)顆粒的粒徑分別為各個(gè)粒徑組的最大值。沉渣的厚度選取0.3、0.6、0.9 m三個(gè)厚度為研究對(duì)象，分別對(duì)應(yīng)薄、中、厚三個(gè)等級(jí)。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 計(jì)算云圖

圖2～7主要為沉渣厚度為0.3 m時(shí)，泥漿和沉渣最終相速度、初始體積分?jǐn)?shù)、最終體積分?jǐn)?shù)云圖。

圖2 泥漿最終相速度云圖

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，粘粒、粉粒、砂粒以及圓粒或角粒均能通過(guò)氣舉反循環(huán)技術(shù)從基坑槽底部清理出來(lái)。由沉渣出口處的最大速度以及顆粒追蹤結(jié)果可以看出，所有粒徑的沉渣顆粒，在出口處均能夠逃逸出去，都有一定的逃逸速度，粘粒的逃逸速度比其它粒徑的逃逸速度大。沉渣厚度越大，沉渣出口的速度呈減小趨勢(shì)。

圖3 沉渣最終相速度云圖

圖4 泥漿初始體積分?jǐn)?shù)散點(diǎn)圖

圖5 沉渣初始體積分?jǐn)?shù)散點(diǎn)圖

圖6 泥漿最終體積分?jǐn)?shù)散點(diǎn)圖

圖7 沉渣最終體積分?jǐn)?shù)散點(diǎn)圖

從圖8可以看出，當(dāng)沉渣顆粒粒徑一定時(shí)，沉渣殘余體積分?jǐn)?shù)隨著沉渣厚度的增大而增大；當(dāng)沉渣厚度一定時(shí)，局部殘余沉渣體積分?jǐn)?shù)隨著粒徑的增大而增大；沉渣厚度≤0.6 m時(shí)，氣舉反循環(huán)對(duì)粘粒、粉粒、砂粒以及圓?；蚪橇＞苓_(dá)到較好的清除效果，而當(dāng)沉渣厚度達(dá)到0.9 m時(shí)，氣舉反循環(huán)對(duì)于砂礫(2 mm)、圓礫或角礫(20 mm)的清除效果減弱,需要更長(zhǎng)的循環(huán)時(shí)間才能清除干凈，對(duì)于粒徑較小的沉渣顆粒(粒徑<2 mm)，氣舉反循環(huán)的清除效果較好。

圖8 局部殘余沉渣體積分?jǐn)?shù)隨粒徑、沉渣厚度變化關(guān)系圖

從圖9可以看出，當(dāng)沉渣顆粒粒徑一定時(shí)，最終沉渣相出口最大速度隨著沉渣厚度的增大而減??；當(dāng)沉渣厚度一定時(shí)，沉渣相出口最大速度隨著沉渣粒徑的增大而呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；對(duì)于粒徑更小的粘粒，其出口最大速度相比其它粒徑的沉渣更大。在導(dǎo)管的出口處沉渣的出口速度在0.014～1.098 m/s范圍，粘粒的逃逸速度比其它粒徑的逃逸速度大。

圖9 最終殘余沉渣出口最大速度隨粒徑、沉渣厚度變化關(guān)系圖

3 結(jié)論

(1)采用氣舉反循環(huán)技術(shù)可有效的將粘土、粉土、砂土以及圓礫或者角礫形成的沉渣，從50 m深的槽段底部中循環(huán)帶出。

(2)沉渣從連續(xù)墻基坑槽底部帶出時(shí)，在導(dǎo)管的出口處沉渣的出口速度在0.014～1.098 m/s范圍，粘粒的逃逸速度比其它粒徑的逃逸速度大。

(3)隨著沉渣厚度的增大，基坑槽底部的沉渣越難通過(guò)氣舉反循環(huán)帶出。

[1] 周俊然.氣舉反循環(huán)沖砂技術(shù)研究[D].陜西西安：西安石油大學(xué),2007.

[2] 熊亮,張小連,熊菊秋,等.大口徑工程井氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)效率影響因素初探[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2014,41(5):42-45,49.

[3] 倪俊，原海霞.氣舉反循環(huán)清渣方法的應(yīng)用[J].探礦工程,2000，(6):28-28,30.

[4] 唱偉.氣舉反循環(huán)技術(shù)在上海長(zhǎng)春藤名品商廈地下連續(xù)墻施工中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2004,31(3):17-19.

[5] 陳怡,段德培.氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在地?zé)嵘罹┕ぶ械膽?yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(4):23-24,28.

[6] 舒明記.氣舉反循環(huán)工藝在溫州地質(zhì)條件下鉆孔灌注樁施工中的應(yīng)用[J].科學(xué)與財(cái)富,2013，(11):175-176.

[7] 余志文,邱杰.沖(鉆)孔灌注樁氣舉反循環(huán)清孔工藝[J].福建建設(shè)科技,2009，(1):37-39.

[8] 石振明,孔憲立.工程地質(zhì)學(xué)(第2版)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.