第二节2续 反循环回转钻孔.docx
《第二节2续 反循环回转钻孔.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二节2续 反循环回转钻孔.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第二节2续反循环回转钻孔
4反循环回转钻孔
4.1反循环回转钻进的原理和特点
4.1.1反循环回转钻进的原理
泥浆反循环排渣是针对大口径全断面钻孔而开发的关键技术，最大钻孔直径可达3m以上。
反循环回转钻进的破岩方式与正循环回转钻进相同，但排碴方式不同，孔内泥浆的流向相反。
反循环钻进时，钻杆（排渣管）内泥浆的压力小于钻杆外泥浆的压力；在内外压力差的作用下，孔内泥浆沿钻具与孔壁之间的环状空间流向孔底，与岩屑一起进入钻头吸渣口，通过钻杆内腔返回地面，经沉淀或机械净化处理后再流进孔内，从而形成循环（见图8-2-3b）。
在钻进过程中，随着孔深的增加，不断向孔内补充新鲜泥浆。
泥浆反循环的排渣能力主要取决于排渣管内外的压力差、排渣流量和排渣系统的通径。
4.1.2反循环钻进的特点
反循环钻进主要有以下优点：
（1）泥浆的回流的速度比正循环要大得多，一般可达到2m/s～4m/s；而且不受孔径大小的影响；因此它能直接排出粒径较大的钻碴，能满足大口径钻孔的排渣要求。
（2）减少了钻碴的重复破碎，排渣速度快，钻进效率高，钻头寿命长。
（3）钻孔环状空间冲洗液的流速慢，对孔壁的破坏作用小；钻孔的超径率比正循环小，减少了混凝土的灌注量。
（4）可自行清孔，清孔效果好，淤积厚度可不超过5cm，有利于保证桩端承载力。
（5）除砂层和卵砾石层外，一般可用清水直接造孔，利用钻头的旋转在孔内自行造浆；
反循环钻进的主要缺点是：
（1）泥浆用量多，泥浆净化及废浆处理的工作量大，相应的动力消耗也较大；当钻进速度较慢、排碴量不大时，经济效果较差。
（2）当卵石粒径接近或超过排渣管路通径时，容易发生吸渣口和管路堵塞故障，处理较困难，影响钻进效率。
（3）对排渣系统的密封性要求较高，因泄漏引起的故障和工时消耗较多。
（4）配套设备较多，需占用较大的施工场地
反循环钻进理想的应用条件是：
①有较充足的水源；②地层中没有大于钻杆内径4/5的卵石或杂物，卵石含量不大于20%；③地下水位适当，地下水位过高或过低都会带来不利影响；④没有自重湿陷性黄土层；⑤孔径600mm～3000mm，孔深不大于100m。
4.2反循环钻进的类型和适用条件
按反循环成因和动力来源不同，反循环钻进可分为泵吸法、气举法和射流法三种类型。
孔深40m以内泵吸法和射流法的排渣效率优于气举法；孔深超过40m时，气举法的排渣效率较高，且适用深度不受大气压的限制，但孔深10m以内气举法的排渣效果很差，不宜采用。
4.2.1泵吸反循环
泵吸反循环是利用离心式砂石泵的抽吸力，使钻杆内的流体上升的一种工作方式，其管路布置如图8-2-22所示。
砂石泵工作时，在其吸入口处形成负压，在大气压力的作用下，孔内泥浆携带钻碴经钻头吸入口进入钻杆，并沿钻杆上升，最后经过砂石泵出口排至泥浆净化机或沉淀池中。
泵吸反循环是依靠排渣管内外的压力差来维持的，压力差的大小取决于泵的真空度，也即取决于泵的吸程。
因为大气压力最大只有0.1MPa，泵的吸程不可能超过10m，一般只有7m～8m左右，加之泥浆的密度大于水的密度、管内含碴泥浆的密度大于管外泥浆的密度；所以能够用于推动管内泥浆上升的压力非常有限，一般只有0.05～0.07MPa。
在反循环钻进的过程中，泵吸所形成压力差主要消耗于排渣管内泥浆在流动过程中的沿程损失，孔深越大消耗的压力越大。
当管内泥浆流速为3m/s时，直径150mm的钢管大约每10m左右要损失1m水头的压力；受此限制泵吸反循环一般只适用于孔深50m以内的钻孔；超过此范围效率显著降低，甚至不能运转。
灌注桩的孔深多在50m以内，这是泵吸法应用较广的原因。
泵吸法的效率比射流法高，管路比气举法简单。
为了能将大粒径的卵石直接排出孔外和适应大口径钻孔的需要，泵吸反循环系统均采用大流量、大通径的离心式砂石泵作为泥浆抽吸设备。
砂石泵起动时，要先对泵和管路抽真空或充浆排气。
充浆可采用其它小型泥浆泵；也可设计成正、反循环两用系统，自行充浆。
为了提高反循环系统的排渣能力和钻孔深度，应选用吸程较大的砂石泵（有的砂石泵吸程达8m以上），并尽量降低管路中的压力损失和砂石泵的安装高度。
反循环对泵的扬程要求不高，因为排浆出口就在地面。
4.2.2气举反循环
（1）气举反循环排渣的原理
气举反循环的原理是将压缩空气通过供气管路送至一定深度处的钻杆（排碴管）中与钻杆内的泥浆混合，从而使管内泥浆的密度和压力小于管外泥浆的密度和压力；在此压力差的作用下，管外泥浆携带孔底钻碴进入钻杆，并沿钻杆上升，最后排出孔外，经净化处理后再流回孔内。
在排渣管的进气口处，一般都设有分散压缩空气的混合器；混合器以上为双管，以下为单管。
在钻进过程中，混合器以下的排渣管内是固、液混合物；混合器以上的排渣管内则是固、液、气混合物。
气举反循环的管路布置如图8-2-23所示。
气举反循环的的工作压力来源于排渣管内外泥浆的密度差，它的大小取决于空压机的排气量和气液混合器的沉没深度与自混合器算起的扬程高度之比（沉没比m=H/h），与大气压力无关；供气量和沉没比越大，工作压力越大，排渣效率越高。
由于孔内泥浆面以上的扬程是一定的，所以沉没比的大小主要取决于混合器的沉入深度；而混合器允许的沉入深度又与空压机的供气压力有关；混合器的沉入深度越大，要求的供气压力也越大。
当孔深较小时，无法加大混合器的沉入深度，因而其排渣能力受到限制。
当沉没比小于0.5时，气举反循环的升液效率很低，甚至不能升液。
（2）气举反循环的特点
①工作压力较大，可以超过一个大气压，孔深越大排渣效率越高；钻孔深度不受大气压力的限制，只要空压机有足够的风量和压力就可以钻很深的孔。
②气举反循环的管路平直，加上有较大的驱动压力，管路不易堵塞；即使堵塞，也易于排除。
③带有岩屑的泥浆不流经任何工作机械，没有设备磨损和堵塞问题。
④不会因管路密封不严而使泥浆循环中断或不正常，也不会发生气蚀，故障较少。
⑤液流上返速度大，携碴能力强，能直接排出大粒径岩屑，故钻进效率较高。
⑥气举反循环的缺点是不能用它来开孔、浅孔段的钻进效率较低；因此只有较深的桩孔才用气举反循环钻进。
（3）气举反循环的供气方式
气举反循环供气管的布置主要有并列式、双壁钻杆式、同心式等方式。
①并列式。
并列式供气布置如图8-2-24a所示，在单壁钻杆旁对称放置两根送气管，钻杆与送气管用共同的法兰盘连接。
当钻孔深度在空压机额定压力的许可范围以内时，只设一个混合器，两根风管同时送风。
当钻孔深度超过空压机额定压力的许可范围时，则需要随着孔深的增加先后在两个不同深度位置分别下设混合器，并由两根风管分别供风。
钻孔时先用下面的混合器，钻孔达到一定深度后再关闭下面混合器的风管，同时启用上面的混合器。
②双壁钻杆式。
双壁钻杆式供气布置如图8-2-24b所示，混合器以上采用双壁钻杆，混合器以下采用单壁钻杆，通过双壁钻杆的环状间隙向气液混合器供气，双壁钻杆与单壁钻杆的内径相同。
双壁钻杆的外管起传递扭矩和轴向压力的作用，内管起隔离、输送压缩空气的作用；内、外管连成一体，同时接卸。
单、双壁钻杆均采用锥形螺纹连接。
双壁钻杆结构和双壁钻杆混合器结构详见图8-2-25和图8-2-26。
③同心式。
供气管通过水龙头悬置于钻杆中心，不随钻杆转动（图8-2-24c）。
这种供气布置的管路较简单，也便于调整混合器的沉没深度；但中心风管占据钻杆一定的截面积，较大直径的钻碴无法排出，容易造成堵塞故障，故只适用于小颗粒地层钻进。
.4.2.3射流反循环
（1）射流反循环的原理
射流反循环是利用安装在循环管路上的射流泵（也称喷射元件）的高速射流所形成的负压来驱动循环管路中的介质流动，从而形成泥浆反循环，不断地将孔底钻碴携出孔外。
用于喷射的工作流体由高扬程、大流量的离心泵或柱塞泵压送。
常用的工作流体有泥浆、水和压缩空气。
射流反循环的管路布置如图8-2-27所示。
（2）射流泵及其安装方式
在射流反循环中，为了使大颗粒岩屑能顺利通过射流泵，射流泵常采用多个喷咀，环状布置，形成环状喷射（图8-2-28）。
射流泵在反循环管路中有三种布置形式：
①将射流泵放在地表；②将射流泵放在水龙头下方；③射流泵潜入孔内，放在钻头上部。
①、②两种安装方式的管路简单，但它是利用射流泵的真空度来驱动循环的，工作压力受大气压力的限制，只适用于钻进深度较小的桩孔。
第③种安装方式是利用射流泵的扬程进行工作，因此循环驱动压力大于0.1MPa，适用于深孔钻进。
这种布置的缺点是钻具结构复杂，大多要采用双壁钻杆。
（3）射流反循环的特点
①与泵吸反循环相比，射流泵无运动部件，工作条件较好，磨损较小。
②射流泵既能抽吸液体又能抽吸气体，启动时能自吸，不需另设启动装置。
③射流泵工作流体的种类多，泥浆泵和空压机均可作为射流泵的动力源；这种随意性使它在反循环钻进中的应用非常灵活；在气举反循环开孔时，可用空压机作为动力源进行射流反循环钻进；在泵吸反循环中，射流泵可作为真空泵用于启动砂石泵。
④射流反循环的主要缺点是驱动力较小，效率较低，适用深度受到限制。
4.3钻孔机具
反循环回转钻进所用的钻机和钻具，除增加了反循环排渣系统外，其它与正循环回转钻进所用的机具类似，但不完全相同。
为了适应大口径钻孔和大粒径卵石直接排出孔外的要求，反循环回转钻进所用钻具的外形尺寸和排渣通径都比较大；故钻孔与排渣设备的功率、体积和质量也相应较大；这是反循环回转钻进机具的主要特点。
4.3.1钻机
反循环回转钻机由主机和排渣系统组成，其结构如图8-2-29所示。
由于反循环排渣系统的体积和重量较大；故一般与主机分开，单独设置于地面，以便于操作和搬运。
也有些小型反循环回转钻机将排渣系统与主机组装在一起，以便于转移。
国产泵吸反循环工程钻机的主要型号及技术性能见表8-2-20，按最大钻孔直径可分为小型、中型、大型三类，其技术性能的大致范围参见表8-2-21。
图8-2-29反循环回转钻机结构图
1-柴油机；2-传动轴；3-气水系统；4-弹性联轴节；5-减速箱；6-卷扬机及制动器；7-
万向联轴节；8-转盘；9-车架及行走部分；10-水龙头；11-桅杆；12-副卷扬机及制动器
（1）主机
反循环回转钻机的主机由动力机、回转系统、升降系统、钻塔、底盘、行走机构等部分组成，各部分的类型、构造和工作原理与前述正循环回转钻机基本相同。
回转机构有转盘式和动力头式两种类型（不含潜水电钻），其中动力头又有电动机械式动力头和液压马达式动力头之分。
转盘多为移动式的，以便于起下大直径钻具。
反循环钻机回转机构的特点是扭矩大（一般在20kN.m以上，最大达210kN.m）、转速低（最低转速多在10r/min左右）；以适应大孔径钻进的需要。
较先进的钻机已采用变频调速动力头，实现了转速随扭矩自动调整。
钻具的升降有卷扬机和长油缸两种方式。
中、小型的反循环钻机多采用卷扬机方式；大型的全液压钻机多采用长油缸方式。
长油缸方式可利用钻机的自重加压钻进，且操作简便。
采用卷扬机升降的钻机一般都设有主、副两套卷扬机。
反循环钻机多为龙门式塔架，并在两侧塔柱上装有钻杆道轨，以保证钻孔的垂直度。
中小型钻机一般都带有自行移位装置，大型钻机多为组装式钻机。
动力机多为电动机，只有个别型号的钻机使用柴油机。
表8-2-20国产反循环回转钻机的主要型号和技术性能
类型
型号
最大孔径
（mm）
最大孔深
（m）
转速
（r/min）
最大扭矩
（kNm）
主机动力
（kW）
质量
（t）
制造厂家
转
盘
式
GPS-15
1500
50
13～42
17.7
52
8
上海探矿机械厂
GPS-20
2000
80
8～56
30.0
59
10
GJC-40HF
1500
40
40～123
118
15
天津探矿机械厂
GJ-20
2000
80
13～42
20
35
15
衡阳探矿机械厂
GPF-2000D
2000
100
25
11
张家口探矿机械厂
GZY-3000
3000
90
0～16
200
210
55
洛阳矿山机械厂
KP3500
3500
130
0～24
210
203
47
郑州勘察机械厂
KP2000
2000
100
10～63
43.8
45
12
KP1500
1500
100
15～78
23.5
37
11
QJ250-1
2500
100
7.8～26
117.6
95
20
GW-25
2500
80
8～24
80
75
20
江西万通工程机械有限公司
GW-30
3000
90
8～29
120
145
25
GF-300
3000
120
6～35
130
90
42
河北建设勘察研究院
GM-20
2000
80
12～88
36
45
13
连云港黄海机械厂
GPY-26
2600
100
8～24
80
75
20
ZY3000
3000
80
4～8
150
225
35
GPF-12
1200
80
24～78
10
30
6
河北裕隆机械有限责任公司（邯郸探矿机械厂）
GPF-18
1800
80
14～45
20
37
8
GPF-24
2500
80
10～70
40
45
10
动
力
头
式
GSD-50
1200
50
12～32
16
55
8
北京探矿机械厂
GJD-1500
2000
50
6.3～30.6
39.2
21
张家口探矿机械厂
GQ-15
1500
50
13.5～98.5
22.1
37
5.9
重庆探矿机械厂
GMD-18
2600
50
12～50
24
37
西安探矿机械厂
GD-1200
1200
70
16.7～33.5
9.81
28
13.2
洛阳矿山机械厂
GD-1500
1500
70
10.6～32.0
19.3
25×2
20.8
GZY-2500
2500
100
0～15
90
110
30
KT1500
1500
100
6.8～88
24.7
40
24
郑州勘察机械厂
GQ-12
1200
50
21～80
12
30
4
西北探矿机械厂
GQ-12B
1200
50
21～157
12
30
7.5
连云港黄海机械厂
GQ-15A
1500
50
18～70
15
30
7.5
GJD-12
1200
50
上海探矿机械厂
GJD-15A
1500
50
12.1～45.8
17.37
45
12
江汉建筑机械厂
表8-2-21反循环回转钻机的技术性能匹配范围
类型
最大孔径
（mm）
最大扭矩
（kN.m）
最低转速
（r/min）
提升能力
（kN）
主机功率
（kW）
质量
（t）
小型
＜1200
10～15
＜30
＜30
＜35
＜10
中型
1200～2000
15～50
＜20
30～80
35～70
10～20
大型
＞2000
＞50
＜10
＞80
＞70
＞20
（2）排渣系统
反循环钻机一般都配有泵吸反循环排渣系统；有的反循环钻机配有泵吸和气举两套排渣系统，以扩大其孔深适用范围。
不配砂石泵的钻机，在浅孔时可在排渣管路上安装射流泵排渣，在深孔时可用气举反循环排渣，其动力源可用同一台空压机。
泵吸反循环排渣系统由砂石泵、注浆泵（或真空泵）、闸阀、蝶阀、排渣管等部件组成（见图8-2-30）。
砂石泵也称泥石泵，是反循环钻机的专用配套设备，其型式为单级单吸离心泵，吸入口直径与钻杆内径相同，有150、200、250、300mm等规格，根据钻孔直径和地层粒径选择。
不同通径砂石泵的性能见表8-2-22。
砂石泵的结构和性能不同于一般的泥浆泵、砂泵及灰渣泵。
砂石泵的转速较低（600r/min～900r/min），转轮只有两个叶片，过流部件都用耐磨材料制作；其性能特点是：
吸程大（7.5m～9.0m），扬程小（12m～20m），可通过的卵石粒径大。
砂石泵启动时一般采用3PNL型或2PNL立式泥浆泵充浆排气。
表8-2-22不同通径砂石泵的性能
型号
通径
（mm）
流量
（m3/h）
流速
（m/s）
功率
（kW）
最大通过
卵石粒径
（mm）
4BS
100
70～80
2.48～2.83
17～22
80
6BS
150
180～200
2.84～3.14
25～30
120
8BS
200
350～400
3.09～3.54
45～50
170
10BS
250
600～650
3.39～3.68
70～75
200
12BS
300
900～1000
3.54～3.93
100～110
240
图8-2-30泵吸反循环排渣系统示意图
采用气举反循环排渣时，空压机的压力和排气量可分别按8-2-1式和8-2-2式计算。
当空压机的压力已定时，也可用8-2-1式反算液气混合器的允许沉没深度。
表8-2-23中所列数据可作选择空压机风量时的参考值。
（MPa）（8-2-1）
式中：
P——空压机的供气压力，MPa；
——孔内泥浆密度，kg/m3；
H——液气混合器的沉没深度，m；
——供气管道压力损失，一般取0.05MPa～0.1MPa；
Q=（2～2.4）d2v（8-2-2）
式中：
Q——所需空气量，m3/min；
d——钻杆内径，m；
v——钻杆内混合流体的上返速度，m/min。
表8-2-23空压机风量与钻杆内径关系表
钻杆内径（mm）
94
120
150
200
250
300
空压机风量（m3/min）
4
6
9
13
17
21
4.3.2钻具
（1）钻杆
灌注桩反循环钻机所用的钻杆由于要兼作排渣管，通径较大，且对密封性要求较高；故一般不采用标准规格的地质、石油钻杆，而由生产厂家根据钻机的性能配制，连接形式和尺寸规格也各不相同。
钻杆的直径和壁厚根据最大钻孔直径和允许通过的最大地层颗粒确定，首先要根据钻孔直径确定所需的最小钻杆的直径和壁厚。
钻杆内径大，钻进过程中的压力损失小，可增加钻进深度；同时可通过的钻碴颗粒也较大，管路不易堵塞；但也不宜过大。
一般建议钻孔直径与钻杆直径之比在10左右，但内径不宜小于100mm。
钻杆接头除应满足强度要求外，还应装拆方便，连接可靠；以缩短起下时间，减轻劳动强度，减少掉钻事故。
钻杆接头的结构形式有法兰螺栓式、锥螺纹式、花键螺纹式、六方花键式、渐开线花键式、矩形花键式等。
法兰螺栓式和锥螺纹式是回转钻机初期使用的形式，目前只在轻型钻机上用。
花键螺纹式接头（图8-2-31）使用较普遍，花键用于传递扭矩，螺纹主要用于传递拉力。
螺纹有三角形、梯形、锯齿形等形式，锯齿形螺纹兼有承载力大又不易松扣的优点。
这种形式的接头扭矩不由螺纹传递，改善了接头的受力状况，所以装拆钻杆时省力。
反循环钻进须采用较短的钻杆和主动钻杆（一般为3m）；当孔深较大时，至少还要配备一节1.5m长的短钻杆。
钻杆内径与钻孔直径的匹配关系参见表8-2-24。
表8-2-24钻杆内径与钻孔直径的匹配关系表
钻孔直径（mm）
500～700
800～1200
1300～2000
2100～3000
＞3000
最小钻杆内径（mm）
100
150
200
250
300
（3）钻头
反循环回转钻进应根据不同的地质条件选用钻头，但更换钻头过于频繁会影响钻进工效，因此应尽可能选择地层适应性较强的钻头。
常用的钻头类型有前述的翼形刮刀钻头（图8-2-13、图8-2-14、图8-2-32）、组合牙轮钻头和滚刀钻头（图8-2-33、图8-2-34），其结构形式与正循环回转钻进所用的钻头基本相同，只是钻头直径和中心管的直径较大。
刮刀钻头有三翼、多翼、平底、锥底、台阶形等形式，每翼钻刃都镶有合金，刃齿的长度和宽度根据地层条件确定。
刮刀钻头适用于颗粒较小的松软土层；当孔径不大于1m时多用三翼钻头，当孔径大于1m时宜用4～6翼钻头。
组合牙轮钻头和滚刀钻头主要用于卵石、漂石和基岩的钻进；其技术规格和使用要求见本节3.2.3
（2）。
反循环钻进所用钻头的吸入口应满足下列要求：
①断面开敞，阻力小，便于泥浆和钻碴进入；②入口直径稍大于排渣管内径，以防堵塞排渣管和砂石泵；③吸入口距钻头底部不宜大于250mm；④当钻头直径和泵量均较大时，宜设置两个吸入口。
图8-2-32加重导向刮刀钻头图8-2-33平底式滚刀牙轮钻头
1-上导向器（非回转式）；2-稳定加重块；1-方钻杆；2-接头；3-中心圆钻杆；4--风管；
3-下导向器（回转式）；4-三翼刮刀；5-钻杆接头；6-导正夹板；7-上导向器；
5-鱼尾切削齿8-配重块；9-下导向器；10-刀盘；
11-破岩牙轮；12-吸渣管；13-滚刀
4.4反循环钻进工艺
4.4.1泵吸反循环钻进
泵吸反循环钻进成孔工艺的要求和注意事项简叙如下：
（1）根据地层合理地选择钻头
泵吸反循环钻进所用钻头与正循环基本相同，所不同是钻头除切削岩土外，还要吸入钻渣。
为此，施工中根据不同地层合理选用钻头是反循环钻进的关键。
如在卵砾石层钻进中，宜选用筒式粑齿钻头和筒式打捞钻头。
钻进时钻头齿刃松动切削地层，小的砂砾沿钻头吸渣口进入钻杆而排往地面，大直径卵石则进入筒内，最后随钻头一起提至地面。
（2）保持孔内液面高度
泵吸反循环钻进时应保持孔内水位高出地下水位2m以上，利用水位差所产生的0.02MPa的静水侧压力稳定孔壁。
为此，反循环施工所用泥浆要十分充足，能及时补充孔内液面高度，一般泥浆贮备应为钻孔容积的1.5倍~3倍。
尽量采用自流式供浆的方式，如地下水位较高，护筒埋设高于自然地面，无法自流时可泵送泥浆。
当采用泵送泥浆时，需要考虑砂石泵与抽水泵或泥浆泵的流量相匹配，并注意接长护筒，以防对孔壁的冲刷。
泥浆的性能应视地层情况随时调节。
（3）钻杆内流体的上返速度选择
钻杆内流体的上返速度越高，携带钻碴的能力越强。
国外推荐采用3m/s～4m/s，从国内试验的情况来看，以2.5m/s～3.5m/s为宜。
流速过高会引起弯管部位磨损过快，同时管外流速过高对孔壁稳定不利。
钻速越高，单位时间内产生的钻碴越多，泥浆的上返流速也应增高。
（4）砂石泵流量选择
砂石泵的流量可按下式计算：
（8-2-3）
式中：
Q——砂石泵的排量，m3/h；
v——钻杆内流体上返速度，m/s；
d——钻杆内径，m；
k——砂石泵工作时的余量系数，取1.4～1.8。
（5）钻碴含量的确定
钻碴含量的大小与所钻岩层性质、钻孔深度和循环介质的种类有关。
孔浅时，钻碴含量可高一些；孔深时就要小一些。
对于浅孔、软岩，使用泥浆钻进时的钻碴含量可达10%～15%。
深孔钻进时为防止管路堵塞，钻碴含量可控制在1%～3%。
一般地层，钻碴含量可控制在5%～8%。
（6）钻速控制
根据不同地层选择转速，在硬粘性土层钻进时，可用一档转速，放松起吊钢丝绳，自由进尺；在一般的粘土层或
升级会员 