反循环施工工艺.docx

随着高层建筑、公路、铁路、桥涵工程的发展对基础工程的施工要求也越来越高,考虑建筑的载荷 和工程地质状况、目前较大一部分工程桩基的施工要穿过第四系土层、卵石层等复杂地层,并将桩基 础的持力层设计在基体岩石上,提高单桩承载力,同时也给桩基础施工提出了更高的要求,在回转钻 机施工成本高,又无法满足卵砾石、漂石、块石、基岩、施工难度大 ,易坍孔的情况下,20 世纪90 年 代中期桩机制造厂为适应市场要求,研制开发了冲击反循环钻机满足桩基工程施工要求1 设备的主要技术参数及性能以济南山东探矿机械厂生产的CJ F —12型和CJ F —型为例的冲击反循环钻机CJ F —12型 冲击反循环钻机冲击频率40次/ min，主副卷扬提升能力为30kN ,电动机功率45kW，不含反循环6BS 泵冲击钻头重量4t ,钻头为整体铸造,耐冲击、冲击量大、钻进效率高，适应于反循环冲击直径为 800〜1500mm桩CJ F —20型冲击反循环钻机主副卷扬机提升能力50kN，最大钻机直径为2. 0m 钻孔深度为80m ,卷扬冲程1. 5〜3. 0m ,冲击频率46次/ min ,主要机功率75kW,反循环泵组为3PNL和 6BS泵可配液压步履纵横移位，其钻头除冲击尖头为耐磨材料外，其余为50mm以上钢板焊制而成，也 可配备多种规格钻头, 此系列冲击反循环钻机, 适用于卵砾石、胶结卵砾石和嵌岩等复杂的基础工程 施工， 广泛应用于桥梁钻孔灌注桩， 地下连续墙基础工程。

2 施工工艺冲击反循环破碎入岩工艺的破碎机理是利用冲击钻头对岩石进行较高频率的冲击，使岩石产生 破碎， 然后利用反循环排渣方式及时将破碎岩屑第一时间排出孔外冲击钻头由两根钢绳平衡连接 ， 无论起、下钻都非常方便， 大大缩短了辅助时间因此，冲击反循环钻头是冲击钻进的主要工具，其结构的合理与否直接影响到钻进效率和质量 在冲击钻进过程中， 关键是冲击和吸渣量是否匹配， 也是确保孔壁稳定正常钻进最基本最重要条件 在钻进过程中吸渣工作应根据钻进地层和情况而定， 不应过量汲渣以免造成孔壁失稳坍孔发生埋钻 事故另外， 在冲击过程中， 必须经常检查钢丝绳的磨损情况以及转向装置的灵活性和连接的牢固性， 以防磨断或因转向不灵而扭断钢丝绳， 发生掉钻事故根据地质情况， 钻头出量研磨材料提钻时要应经常检查， 一般地层每小班至少提钻一次检查， 复 杂地层提钻头次数要增加，往往钻头底量和外出量在砂卵石和基岩中磨损严重，所以应及时进行修补， 这样就增加了修补钻头的铺助时间，降低了纯钻进冲击时间，又减少了修补钻头的辅助时间，再则在 提升钻头时， 要小心谨慎， 尤其是在快到护筒底部将钻头慢慢提起， 防止碰撞孔口护筒以免造成护筒 底部坍孔或护筒错位或变形事故。

3 冲击反循环钻机与回转钻机在施工过程中的优缺点我公司历年来都是采用正循环回转钻机施工，1999 年后从山东探矿厂购置了冲击反循环钻机 通过甬台温高速公路乐清湾高架桥， 芜湖清水河特大桥， 郑州市郑上路—西三环立交桥， 福建福宁高 速霞浦段， 包括目前在施工的钱江四桥南桩基等工程施工及特点根据已施工的工程，不同的地层、不同的区域但钻进口径相同来对比，发现冲击反循环与回转正 循环各有各的优点，一般在粘土、亚粘土、淤泥质土层、粉砂层施工时，通过小班报钻孔记录报表， 取各程平均数据分析，回转钻机要比冲击反循环钻机施工快1.2 倍，且因冲击反循环钻机自重大搬迁 困难、时间长等因素， 在土层中施工不如回转正循环钻机快， 但在卵砾石层、基岩施工中， 冲击反循环 钻进明显比回转钻机要快3倍，一般5cm以下砾石要快2倍以上,5〜10cm砾石要快3倍以上，而且冲 击反循环钻进5 级以下的岩石，钻进速度比回转钻进要快5〜6 倍，从上述情况分析来看，冲击反循环 在施工复杂地层即卵石层,嵌岩钻孔桩成孔速度上优点明显,尤其在一些丘陵山区地带较为适用,优 越性更加显著如:福建福宁高速霞浦段就是一个典型的例子,整个桩成孔时间比回转钻机快3 倍以 上。

对桩孔成型方面,冲击反循环施工孔径一般在粘土、亚粘土、淤泥质土层、粉砂层施工时为防止 坍孔,仍然采用正循环冲击钻进,但易缩径,但桩的垂直度比较好在卵、砾石层施工中都采用冲击反 循环钻进,由于冲击力较大,容易坍孔,充盈系数偏大,根据我公司已施工的几个工程数据表明,在回 转钻机进段的平均充盈系数为1. 15 ;而冲击反循环钻进段的充盈系数则为1. 25 ,在土层中的充盈 系数冲击和回转基本接近在1. 1 在成本消耗方面:在粘土、亚粘土、淤泥质土层、粉砂层施工,冲击反循环的成本消耗要比回转钻机 消耗大,主要冲击钻机动力功率大、耗电量高再则钢丝绳消耗大,因冲击耗绳、自身重量大,搬迁运 输成本大等,但在卵、砾石层、漂石、块石、基岩施工中,冲击钻进效率高,而回转钻机研磨材料消耗 大,钻进速度慢,成孔周期 长,成本比冲击钻进大5 倍以上,如遇大漂石、大块石、硬度较高的花岗岩回转钻机是无法钻进,只用 冲击反循环钻机来完成在环境影响方面,冲击反循环钻进振动对周围环境影响比回回转钻进要大,特别是冲击下部坚硬 基础岩面时,冲击振动对周围产生声音较大,影响人们休息4 体会总之,在施工基础时,设备的选型非常重要,对不同的地层采用不同的施工工艺方法,从我们多年 来的施工经验和设备使用情况来看,在粘土、亚粘土、淤泥质土层、粉砂层施工,采用回转钻进,其成 本低,成孔质量好,桩机自重轻,搬迁方便等优点较为适应;而在卵砾石、漂石、块石、基岩等复杂地 层及旧基处理方面施工,使用冲击反循环钻进较为适应,因可加快施工周期,提高钻进效益,确保工程 质量。

因此我们在施工钻孔桩时,要根据现场条件、工期要求、地制质情况及成本分析等,用科学的 方法来选择设备和工艺手段,用最佳的施工工艺,在保证质量、工期、安全的情况下产出最佳的效益 钻孔灌注桩因孔底沉渣和孔壁泥皮过厚往往导致承载力折减，形成上述质量通病的原因是该工艺采 取了高浓度、高密度泥浆介质(冲洗液)施工的结果为解决这个难题工程技术人员经过总结、探 索，积极研究推广钻孔反循环制桩工艺泵吸反循环是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，形成反循环反循环与正循环的本质区别在于沉渣的冲 洗、上返流速存在巨大差异，反循环冲洗液携带钻渣后迅速进入过水断面较小的钻杆内腔，可以获 得比正循环高出数十倍的上返速度根据钻探水力学原理，冲洗液在钻孔内的上返速度Va的1.2-1.3倍，即Va= (1.2-1.3) Vs反循 环钻进钻渣在钻杆内运动，是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，在这种特定条件下可以采用长春地质学院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=3.1Xk1X(dsX (rs-ra)/(k2Xr2))的 1/2次方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；kl=0.9-l.l，浓度越大，kl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。

目前，泵吸反循环钻杆内径大多数为150mm,用上述公式计算可知，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=（1.2T.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目前常用8BS砂石泵额定排量为180m3/h，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而正循环钻进冲洗液携带钻渣后进入钻杆与孔壁形成的环闭空间后上返速度是很低的试计算 e89mm钻杆与少0.8m钻孔的环闭空间，断面积为0.495m2,当采用两台600型水泵并联送水，满排量 时冲洗液的上返速度仅达到0.04m/s，根据上述公式可见正循环钻进只有依靠高浓度高密度泥浆来悬 浮钻渣综上所述，反循环本身所具有的特点，给提高成孔效率、成桩质量和综合经济效益等方面带来 一系列的好处1钻进速度与成桩效率有大幅度提高钻头在工作时的最有利条件是被切割下来的岩土屑，立即能够从孔底带出并送到地面，这样可 以减少二次破碎，不会降低效率以及钻头的磨损。

冲洗液携带钻渣的能力正比例于介质的密度和其 运动速度的平方，所以影响有效排渣的因素是冲洗液的上返速度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，一般来说对于地 层和技术要求相同的情况，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，即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、扩颈不良现象出现并避免 混凝土的浪费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，这样混凝土人 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混凝土抬 升的阻力，这种阻力在灌注临近结束时更加明显（笔者观察此时孔内排出的泥浆密度、浓度明显加 大，流淌缓慢），若处理不当，很容易使临近桩顶10m左右混凝土质量差、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 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5非运废浆量减少，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；另液、渣分离较为简单，这 样施工成本必然降低。

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500-1800mm钻孔桩施工都很适应因反循环工艺对班组操作工人要求较高，实施起来有一定的难度，笔者建议加强班组操作工人 的培训，加以推广当然反循环钻进也有自身的缺点如水泵故障多、纯钻进时间较正循环短、超径 卵石层钻进困难以及循环系统复杂等，但这些问题会随着研究和应用的深入逐步解决。