钻孔灌注桩反循环工艺原理及应用

(中铁六局集团有限公司 呼和浩特铁路建设公司，内蒙古 呼和浩特 010050 )
摘 要：文章 结合具体工程实例，分析了反循环钻孔灌注桩的成桩机理，详细地介绍了反循环钻 孔灌注桩的操作要点和技术要点，并对反循环钻孔工艺的优越性进行了探讨，以推广反循环 钻孔灌注桩的应用。
关键词：钻孔灌注桩；反循环；原理；操作要点
中图分类号：TU473.14  文献标识码：A  文章编号： 1007—6921(2010)02—0089—03 

反循环钻孔通过砂石泵的抽吸作用，在钻杆内腔形成负压，在孔内液柱和大气压的作用下， 孔壁与环状空间的冲洗液流向孔底，将钻头切削下来的钻渣带进钻杆内腔，再经过砂石泵排 至地面沉淀池内。沉淀钻渣后，冲洗液流向孔内，形成反循环。反循环钻孔因其成孔效率高 、质量好、孔壁稳定、成本低等特点，在桥涵基础钻孔桩施工中得到了广泛应用。
1 反循环原理及施工工艺流程
1.1 原理

根据钻探水力学原理，冲洗液在钻孔内的上返速度Va是颗粒悬浮速度Vs的1.2～1.3倍，即Va = （1.2～1.3）Vs。在反循环钻进中钻渣在钻杆内运动，形态各异的钻渣群在有限的空间作悬 浮运动，钻渣颗粒要占据一定液体断面，在这种特定条件下采用在利延哥尔公式基础上进行 实验给出的公式计算颗粒悬浮速度Vs，计算公式为： 

Vs=3.1×k1×（ds×(rs-ra)/(k2×r2))^1/2

Vs-钻渣颗粒群悬浮速度（m/s) 

ds-颗粒群最大颗粒粒径（m） 

rs-钻渣颗粒的密度(kg/dm³) 

ra-冲洗液的密度（kg/dm³) 

k1-岩屑浓度系数；k1=0.9～1.1，浓度越大，k1越小； 

k2-岩屑颗粒系数，k2=1～1.1,球形颗粒为1，越不规则，k2的值越大。 

一般条件下，泵吸反循环钻杆内径为150mm，块状为120mm，rs为2.1kg/dm³，ra为1.05kg/ dm³ ，悬浮速度为1.02m/s,按照Va=(1.2～1.3)Vs计算，Va达到1.33m/s 就可以把几何尺寸小于 钻杆内径的钻渣排除。用额定排量为180m³/h的砂石泵，满负荷时冲洗液上返流速可以达 到 2.83m/s，可以看出该速度远大于钻渣上返所需流速1.33m/s的要求，因此进入钻杆内的钻渣 能够被有效的抽吸上来。 
1.2 施工工艺流程
1.2.1 施工前的准备工作 

①场地平整、清除杂物，回填土夯打密实。②挖泥浆池、沉淀池、储水池、准备合格粘土或膨润土。③接通水、电源。④埋设护筒，护筒四周应夯实，顶端高出地面50cm，底部埋深1.5m～2.0m,护筒直径 比桩径大20cm，上下正直，护筒中心线平面偏差小于5cm。用钢质护筒，钢板厚0.8cm～1. 0cm。护筒用人工或机械方法埋设。⑤桩架就位。机架平直，机座垫稳，不可软硬不均，桩机下垫枕木。钻孔过程中机架 不可移位和不均匀沉陷。⑥泥浆制备。含砂率不超过4%，胶体率95%以上，泥浆比重1.05～1.15。 制浆粘土用 量计算：

q=VP₁=（P₁P₂-PWP₁）/ (P₁-P_W)

q——每m³泥浆所需粘土重量（t）

V——每m³泥浆应用粘土体积（m³）

P₁——粘土密度，取1.9t/m³

P₂——施工要求的泥浆密度，取1.2t/m³

P_W——水的密度 取1t/m³

⑦泥浆槽应制成高20cm，宽30cm，长度不小于15m，泥浆流速不大于10cm/s。⑧钻孔机械入坑底3m。
1.2.2 钻孔

①钻孔采取隔孔施工程序，不得连续钻孔，钻具联结要牢固，铅直，初期钻进速度不 要太快，在孔深4.0m以内,不超过2m/h，以后不要超过3m/h。在覆盖层始终要减压钻进，钻 进速度与泥浆排放量相适应。冲孔钻在开孔时要慢，孔深2.0m以内，不超过1.5m/h。②钻进过程中，经常测试泥浆指标变化情况，并注意调整钻孔内泥浆浓度，本 工程地下水位埋深2m～3m，泥浆压力超过水压力，可满足施工规范要求。③经常检查机具运转情况，发现异常情况立即查清原因，及时处理。钢丝绳和润滑 部分每班检查一次。 ④小工具如扳手、榔头、撬棍用绳栓牢，防止掉入孔内。⑤经常注意观察钻孔内附近地面有无开裂或护筒、桩架是否倾斜。⑥严格遵守操作技术规程，做好钻孔记录。记录中要反映泥浆变化。⑦钻至设计深度 时，必须经现场技术人员及监理工程师现场 测定孔深。以此作为终孔标高的依据。
1.2.3 清孔 

①钻孔到设计深度，进行孔径、孔偏斜度、孔深的验收。提前制作一个长度等于4～6 倍桩径，直径等于孔径的探孔器，将探孔器吊放入孔，顺利放到设计要求的孔底，孔径和偏 斜度达到要求。探孔器放不到底时还需修孔,直至探孔器能顺利放到底为止。②清孔采用换浆法进行。终孔后停止进尺，稍提钻锥离孔底10cm～20cm空转，并保持 泥浆正 常循环，以中速将相对密度1.03～1.10的较纯泥浆压入，把钻孔内悬浮钻渣较多的泥 浆换出，孔底沉渣厚度承重桩不得大于5cm，摩擦桩不大于20cm。③清孔时应保持钻孔内泥浆面高于地下水位1.5m～2.0m，防止塌孔。 
1.2.4 钢筋笼制作与安装 

①钢筋进场必须具有合格证，每批材料，每种规格均需抽样检查合格后方可使 用。②钢筋笼制作必须严格按设计图和规范要求执行。钢筋笼外侧的定位钢筋可用 空心穿孔砼预制圆柱体，或直接用钢筋弯曲成型并焊接在主筋上，以保证主钢筋保护层厚度 。③钢筋笼的加强箍筋必须与主筋焊牢，以保证钢筋笼焊接质量。钢筋笼在安装 过程中不可变形。④钢筋笼顶端要焊吊挂筋，高出钢护筒。钢筋笼就位后，吊挂筋支承在护筒 顶的枕木上，不能直接放在护筒上。⑤超声波检测桩的钢筋笼要安装镀锌钢管与箍筋连接，要保证检测钢管不漏水。
1.2.5 浇注水下砼 

①用直径20cm导管灌注水下砼。导管使用前试拼，并做封闭水试验，密封试验 的压力根据下列公式计算，15min不漏水为宜。仔细检查导管的焊缝。试压压力Pi按下式计 算：

P_i= 1.5×p

式中：Pi——试压压力,MPa；

p——导管底处的静水压力,104 Pa；

p＝γ·H

式中：p——静水压力,104 Pa；

H——泥浆面至导管底深度,m；

γ——泥浆的容重,104 N/m³.

②导管安装时底部应高出孔底40cm～50cm。导管埋入砼内深度1m～3m，导管提升速 度要慢。③首批的砼数量保证导管埋入砼深度1m以上。

首批灌注混凝土的数量应能满足导管初次埋置深度（ ≥1.0m）和填充导管底部间隙的需要 ，钻孔桩所需首批混凝土数量V按下式进行计算：

式中：V——首批混凝土所需数量（m³）；

h₁——井孔混凝土面高度达到时，导管内混凝土柱需要的高度（m）, 

h₁≥γ_wH_w/γ_c（见附图）

H_c——灌注首批混凝土时所需井孔内混凝土面至孔底的高（m）,H_c=h2+h₃

H_w——井孔内混凝土面以上水或泥浆深度；

D——井孔内径（m）;

d——导管内径（m）;

γ_w——井孔内水或泥浆的容重（kN/m³）

γ_c ——混凝土的容重（kN/m³）

h₂——导管初次埋置深度，≥1.0m 

h₃——导管底端至钻孔底间隙，约为0.4m.  

④砼坍落度为18cm～22cm，以防堵管。⑤砼要连续浇注，中断时间不超过30min。浇灌的桩 顶标高应高出设计标高1m 以上。首批混凝土灌注时用大料斗进行灌注，大小按上式计算混凝土方量制作保证孔底封 闭。
2 反循环钻孔灌注桩施工要点

规划布置施工现场时，应首先考虑冲洗液循环、排水、清渣系统的安设 ，以保证反循环作业时，冲洗液循环通畅污水排放彻底，钻渣清除顺利。及时清除循环池 沉渣。钻头吸水断面应开敞、规整、流阻小，防止砖块、砾石等堆挤堵塞；钻头 体吸 口端距钻头底端高度不宜大于250mm； 钻头体吸水口直径宜略小于钻杆内径。

钻进操作要点：①应待反循环正常后，才能开动钻机慢速回转下放钻头至孔底。开 始钻进时，应先轻压慢转至钻头正常工作后，逐渐加大转速，调整加压力，以不造成钻头吸 口堵水为限度。②钻进时应认真仔细观察进尺情况和砂石泵的排水出渣情况；排量减少或出水中 含钻渣较多时，应控制给进速度，防止因循环液比重太大而中断反循环。③钻进参数应根据不同的地层情况、桩径，并获得砂石泵的合理排量和钻机的经济钻 速来加以选择和调整。④加接钻杆时，应先停止钻进，将钻具提离孔底80mm～100mm，维持冲洗液循环1min～ 2min，以清洗孔底并将管道内的钻渣携出排净，然后停泵加接钻杆。⑤钻杆连接应拧紧上牢，防止螺栓、螺母、拧卸工具等掉入孔内。⑥钻进时如孔内出现坍孔、涌砂等异常情况，应立即将钻具提离孔底，控制泵量，保 持冲洗液循环，吸除坍落物和涌砂，同时向孔内输送性能符合要求的泥浆，保持水头压力以 抑制继续涌砂和坍孔，恢复钻进后，控制泵排量不宜过大，避免吸坍孔壁。 ⑦钻进达到要求孔深停钻时，应维持冲洗液正常循环，清洗吸除孔底沉渣至返出冲洗液的钻 渣含量小于4%为止。起钻时应注意操作轻稳，防止钻头拖刮孔壁，并向孔内补入适量 冲洗液，稳定孔内水头高度。
3 钻孔桩反循环施工工艺的优越性
3.1 钻进速度快，成桩效率高 

钻头在工作时被切割下来的岩土屑，能够立即从孔底带出并送到地面，这样可以减少二次 破碎，提高效率并减少钻头的磨损。由于钻孔桩施工的土层多为松散、颗粒差异又较大的土 层，因此钻进速度的高低主要取决于排渣的速度。而反循环比正循环排渣速度快。正、反 循 环两种钻进速度的差异，随着钻孔直径以及土层颗粒的增大而增大，一般来说反循环施工速 度为正循环的2倍左右。 

反循环钻进过程就是清孔过程，不但节省了时间，同时又可靠地保证孔底沉渣符合要求 。 机械钻进速度的提高和清孔时间的缩短促进施工效率的提高、成桩周期缩短，有效地提高了 劳动生产率。 
3.2 孔壁稳定，成孔质量好      

反循环钻孔桩孔壁的稳定，主要是利用静水压力来平衡地层压力维持孔壁的稳定。根据 土力学计算以及大量实践证明，只要保持孔壁任何深度处压力不小于0.2Mpa，既使是在粘聚 力较差的流沙层，使用经过处理的泥浆（冲洗液）也可以保持钻孔不坍塌、不缩颈、不扩颈 ；反循环钻孔根据浇注混凝土记录时浇注深度与混凝土用量关系，很容易反算孔径。计算结 果表明由于孔壁稳定，从上到下孔壁的直径都是在有效控制范围之内。这样就可以有效的防 止缩颈、扩颈等不良现象出现并避免混凝土的浪费。 
3.3 混凝土浇注质量得到有效保证 

灌注混凝土是保证成桩质量的关键工序，“断桩”、“夹泥”、“堵管”等常见的灌注质量 事故都与孔内混凝土上部压力过大有一定关系。孔内压力值与冲洗液的浓度、密度、粘度有 直接的关系。正循环为了有效的排渣，选用的泥浆（冲洗液）密度高、浓度大，势必造成孔 内压力大，这样混凝土从导管排出的阻力增大，浇注困难；另外正循环钻孔过程中因冲洗液 浓度高、密度大所形成的过厚泥皮与孔底沉渣，很难从孔中完全清除，所以其中一部分在浇 注过程中卷入冲洗液中，更加大了混凝土抬升的阻力，这种阻力在灌注临近结束时更加明显 ，若 处理不当，很容易使临近桩顶混凝土质量差、强度低，而该部分又是桩受力的关键位置。反 循环成孔由于泥浆（冲洗液）密度、浓度、粘度都较低，形成泥皮较薄和钻渣清理较为彻底 ，因此灌注较为顺畅，桩顶泥浆少，桩身混凝土质量明显提高。 
3.4 提高单桩承载力，降低工程造价 

单桩承载力的大小，取决于桩周土的摩阻力与桩底端承力，反循环钻孔过程中形成的泥 皮较薄，从而使摩阻力增大，桩底沉渣清除较为彻底，无软弱层从而提高端承力。根据对比 试验，一般反循环比正循环提高承载力10%～20%，因此单位承载力造价必然降低。 
3.5 废浆量减少，施工成本降低 

根据定额，废浆排运费约占工程成本8%～10%。反循环钻头切削的粘土土层成块状，随即 被吸入钻杆内腔，也就是说钻渣来不及水化就被排出孔外，废浆量势必减少；另外液、渣分 离较为简单，这样施工成本必然降低。 
3.6 适应性广 

反循环排渣的特点，使这种工艺方法对地层适应性广，可顺利钻进各种粘土、砂土、卵砾石 层以及基岩层，对于直径500mm～1 800mm钻孔桩施工都很适应。
4 结束语

通过对反循环钻孔施工工艺的实践应用，进一步提高了桥涵钻孔桩施工效率，为同类工程的 施工提供了经验。随着设备的不断更新换代，反循环钻孔施工工艺必将得到进一步推广应用 。

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