反循環清孔工藝在旋挖樁中的優勢
1、前言
旋挖鉆機是壹種適合建築基礎工程中成孔作業的施工機械，目前廣泛用於市政建設、公路橋梁、鐵路、水利、高層建築等基礎樁施工工程。旋挖鉆機成孔灌註樁技術被譽為“綠色施工工藝”，具有工作效率高、施工質量好、塵土泥漿汙染少、機動靈活及多功能特點，並適應我國大部分地區的土壤地質條件。旋挖鉆進工藝代表了當今的先進水平，具有巨大的發展潛力，是今後樁基施工技術的發展方向之壹。
旋挖鉆機是壹種多功能、高效率的灌註樁樁孔的成孔設備，可以實現桅桿垂直度的自動調節和鉆孔深度的計量;旋挖鉆孔施工是利用鉆桿和鉆鬥的旋轉，以鉆鬥自重並加液壓作為鉆進壓力，使土屑裝滿鉆鬥後提升鉆鬥出土;通過鉆鬥的旋轉、挖土、提升、卸土和泥漿置換護壁，反復循環而成孔。此方法自動化程度和鉆進效率高，鉆頭可快速穿過各種復雜地層，在樁基施工中具有非常廣闊的前景。
但旋挖灌註樁因孔底沈渣過厚往往會導致承載力折減，根據以往工程對地下樁超聲波檢測結果分析，在樁基混凝土灌註正常情況下，樁基混凝土邊緣部位有缺陷，多數是混凝土內局部有夾塊造成的。經分析認為：夾塊由兩部分組成，即泥漿中的砂礫沈澱物以及鋼筋籠下放過程從孔壁上刮落的粘泥塊過厚，在灌註樁時，沈澱物隨著混凝土上升，因有鋼筋籠或孔壁阻隔，使沈澱物停滯在局部範圍內，並最終造成成樁中局部缺陷。
在鉆孔灌註樁的相關施工規範及設計文件中，明確要求沈渣厚度小於10cm，且壹般工程樁基施工地質條件復雜、多變，因此沈渣厚度控制是成孔質量控制的難點和重點。因為從提鉆到灌註砼，對於深樁來說通常需要1個小時以上，在這個過程中，因為泥漿靜置時間過長，會產生壹部分的沈澱，鋼筋籠下放過程中也會從孔壁上掛落部分泥塊，這些就構成沈渣，可能會超過設計或規範要求，如果不采取措施就灌註混凝土，容易引發各種質量事故。因此，需要在灌註前采用氣舉反循環清孔工藝進行二次清孔。
2、工藝特點
2.1 清孔徹底：能滿足孔底沈澱厚度≤10cm的要求;
2.2 清孔速度快：從以往的實踐經驗情況看，如果正循環清孔情況比較好的話，壹般采用反循環二次清孔50分鐘左右就可以達到要求;
2.3 轉換迅速：可以在10分鐘內，由清孔狀態轉換到混凝土灌註狀態;
2.4 經濟便捷：本工藝需用的機械設備少，材料用量少，制作簡單，方便靈活;
3、適用範圍
3.1、本工藝適用範圍：孔深150m 以內的孔徑、對沈渣厚度要求較高，水上(陸地)鉆孔灌註樁的施工。
3.2、適用地層：粘土層、砂層、礫石層、卵石層、巖層等地層
4、施工工藝
4.1 清孔的意義
旋挖鉆孔深度達到設計要求並符合終孔條件後，應進行清孔。清孔的主要目的是清除孔底沈渣，而孔底沈渣則是影響灌註樁承載能力的主要因素之壹。清孔則是利用泥漿在流動時所具有的動能沖擊樁孔底部的沈渣，使沈渣中的巖粒、砂粒等處於懸浮狀態，再利用泥漿膠體的粘結力使懸浮著的沈渣隨著泥漿的循環流動被帶出樁孔，最終將樁孔內的沈渣清幹凈，這就是泥漿的排渣和清孔作用。
旋挖灌註樁灌註前，由於從提鉆到導管陳放完畢這個過程很長，對於鉆孔灌註樁來說，必然會使第壹次清孔後的沈渣增加，如果不采取措施，沈渣過多，容易引起灌註事故，直接影響樁基的承載力，危及結構安全。因此，必須高度重視灌註前的二次清孔工作。
4.2 清孔方式選擇的理論依據
沈澱物主要由泥塊和沈澱砂礫及巖渣組成。泥塊主要是由鋼筋籠下放刮落的孔壁泥皮造成的;而砂礫沈澱物主要由泥漿中的懸浮顆粒造成的，巖渣則是旋挖的殘留。
確定沈渣顆粒在泥漿處於懸浮狀態的臨界沈降速度V0的思路是：假定顆粒為球形，其重力為G，顆粒在液體中的浮力為P，球形顆粒在液體中的沈降阻力為R。當G>P時，巖屑下降，速度逐漸增大，R值也隨之增大。當R值達到足以使作用在巖屑上的三種力保持平衡時，
即R=G-P時，巖屑將以恒速v0下降。通過推導可得出沈降速度(即雷廷格爾公式)
4. 3 傳統正循環清孔法的弊端
正循環清孔是泥漿由鉆桿或導管註入孔底，帶動沈澱物上浮，在重力作用下泥漿中砂礫等沈澱物有下沈的趨勢，如果泥漿泵流量偏小，將出現大顆粒砂礫懸浮在壹定高度以下;如果想把大的沈渣顆粒排出孔外，壹方面是加大泥漿的循環速度，另壹方面是加大泥漿的密度，但是受現有泥漿泵排量的限制，泥漿的循環速度不可能提高很多，加大泥漿比重的方法也不可行。另外因為孔壁處泥漿比孔中心部位流速慢，造成泥漿含砂率不均勻，最終不能將泥漿中大顆粒完全置換到孔外去，因此該傳統工法清孔效果並不理想。
如果用正循環清孔，φ1.1m的孔的斷面積為0.95m2，常用2PNL砂石泵額定排量為93.33m3/h，假定采用2臺並聯送水，泥漿攜帶鉆渣後進入鉆桿與孔壁形成的環閉空間後上返速度是很低的，滿排量時漿液的上返速度僅達到0.05m/s。根據上述公式可見正循環鉆進只有依靠高濃度高密度泥漿來懸浮鉆渣，最終端沈渣厚度不能保證符合設計要求，從而容易引發質量隱患。
4.4 反循環清孔
4.4.1反循環清孔通常采用兩種方式，壹種是泵吸反循環，另壹種是氣舉反循環。泵吸反循環是通過砂石泵的抽吸作用，在鉆桿內腔形成負壓，在孔內液柱和大氣壓的作用下，孔壁與環狀空間的泥漿流向孔底，將沈渣帶進鉆桿(導管)內腔，再經過砂石泵排至地面沈澱池內;沈澱鉆渣後，泥漿流向孔內，形成反循環。
采用泵吸反循環法進行二次清孔，目前常用4BS砂石泵額定排量為200m3/h，假定采用φ0.3m的導管進行清孔，滿負荷時泥漿上返流速可以達到1.58m/s，可以看出該速度遠大於鉆渣上返所需流速0.29m/s的要求，因此進入導管內的鉆渣能夠被有效的抽吸上來。
4.4.2 氣舉反循環
4.4.2.1氣舉反循環的原理
氣舉反循環的原理是：壓縮空氣經風管向導管(排渣管)內送風，風管內的空氣與泥漿混合物密度(約為0.6)小於導管(排渣管)內泥漿密度(約為1.1)，形成負壓區，在大氣壓的作用下，汽水混合物排出管外;孔底泥漿及沈澱物的混合物沿著導管上升，補充到負壓區;為防止孔中泥漿水頭過小，及時用泥漿泵將優質(含砂率低)泥漿補充到孔內，並形成循環系統。
4.4.2.2氣舉反循環的設備
氣舉反循環的設備非常簡單，主要的構造見圖1所示。除了風管、排渣金屬管、排渣軟管、法蘭盤接頭外，現場只需要壹臺9～20m3/h空壓機就可完成整套施工工藝。
給出了兩種形式的氣舉反循環設備。形式1是直接利用導管作為排渣管，優點是操作簡便、工序轉換速度快，現場只要沈放風管即可，缺點是需要的風量較大，需要大型的空壓機。形式2是在導管內增加了壹根金屬排渣管，其缺點是現場操作量比形式1復雜，其優點是現場需要壹個較小的空壓機就可實現。
5、質量標準及質量控制
清孔完成後，孔底沈渣應嚴格控制在10cm以內，泥漿指標合格(泥漿相對密度：1.03～1.10;粘度：17～20s;含沙率：<2%)，並應立即進行檢查驗收。檢查驗收合格後，應立即灌註水下混凝土，以免渣土重新沈澱，造成沈渣過厚而影響樁的承載力。
因為泵吸反循環比較簡單，運用較多，在此只提出氣舉反循環的操作註意事項：
① 出漿管底口距離孔口深度不宜小於30m，以形成足夠的備壓，但也不能小於5m，否則不能形成有效的反循環體系;
② 出漿管及高壓進氣管的法蘭盤連接緊密，確保不漏氣;
③氣舉反循環過程中，保證有足夠的優質泥漿補充到孔孔內，並且要在開啟反循環前先送漿，時刻觀察護筒內泥漿面的變化情況，防止泥漿補充不足，水頭下降過大造成塌孔;
④ 為防止孔內沈澱物堵塞出漿管，在氣舉反循環前，要把導管提離孔底壹段距離，待反循環形成後，視出漿清孔逐步下沈;
⑤由於樁孔較大，要左、右移動導管及前後移動平臺，使清孔比較徹底。
6、機具設備
6.1泵吸反循環清孔設備：排渣軟管、4BS砂石泵。
6.2氣舉反循環清孔設備：除了風管、排渣金屬管、排渣軟管、法蘭盤接頭外，現場只需要壹臺9～20m3/h空壓機就可完成整套施工工藝。
7、安全措施
7.1、起重安全：本工法用到的主要的施工機械是汽車吊，因此要註意起重安全，嚴格執行起重操作規程，不能因為起重點重量不大而掉以輕心。
7.2、用電安全：嚴格用電管理，施工現場的壹切電源電路的安裝和拆除，必須由持證電工操作，電器必須嚴格接地、接零和漏電保護器，場地電纜應架空，嚴禁拖地和埋壓土中。
8、環保措施
1)施工機械註意保養，維修時防止油料灑落汙染河水;
2)廢棄砼，清洗罐車、導管的廢水必須集中處理。
3)經常對施工機械進行保養，盡量減少噪音汙染。
4)施工過程中的廢棄物、邊角料、包裝袋等及時收集、清理、集中處理。
9、經濟分析
9.1 反循環法二次清孔技術給我們帶來的第壹個效益就是質量安全：灌註混凝土是保證成樁質量的關鍵工序，“斷樁”、“夾泥”、“堵管”等常見的灌註質量事故都與孔內混凝土上部壓力過大有壹定關系。正循環為了有效的排渣，選用的泥漿(泥漿)密度高、濃度大，勢必造成孔內壓力大，這樣混凝土人導管排出的阻力增大，澆註困難;另外正循環鉆孔過程中因泥漿濃度高、密度大所形成的孔底沈渣，很難從孔中完全清除，所以其中壹部分在澆註過程中卷入泥漿中更加大混凝土擡升的阻力，這種阻力在灌註臨近結束時更加明顯(可以觀察此時孔內排出的泥漿密度、濃度明顯加大，流淌緩慢，偶爾有大塊的絮狀泥塊出現)，若處理不當，很容易使臨近樁頂10m左右混凝土質量差、強度低，而該部分又是樁受力的關鍵位置。反循環二次清孔技術的運用使鉆渣清理較為徹底，因此灌註較為順暢，樁頂沈渣少，樁身混凝土質量明顯提高。
9.2 反循環法二次清孔技術大大縮短了深樁的清孔時間，提高了成孔效率。通常，對於深樁而言，采用正循環法進行清孔，要達到沈渣厚度小於10cm的要求，大約需要4個小時的時間，而采用反循環法進行二次清孔，壹般只要1個小時就可以達到澆註狀態。
9.3 經濟效益明顯。清孔時間的大大縮短以及清孔質量的大幅提高，直接提升了機械設備的使用效率，有利於提高施工進度，可以節約施工機械及工人的費用。
綜上所述，反循環本身所具有的特點，給提高旋挖鉆成孔效率、成樁質量和綜合經濟效益等方面帶來壹系列的好處。