反循环钻机原理.docx

1、反循环钻机原理反循环钻机原理气举反循环钻机工作原理浅析工程材料与设备&气举反循环钻机工作原理浅析祁润平杨玉勇(京沪高速铁路土建二标项目部十工区山东德州251100摘要为了提高大直径桩基的钻进效率和有效清除孔底沉渣黄河大桥主桥桩基施工采用了反循环钻机工艺结合该工程介绍了气举反循环钻机的工作原理对水中大直径深桩基施工的设备选型提供一定的参考关键词桥梁钻孔灌注桩气举反循环钻机工作原理中图分类号445.31文献标志码文章编号10097767(201002013904京沪高速铁路济南黄河大桥主桥水中12号桥黄河水流流速较快冬季河道有流冰现象黄河冲沙黄河主桥12号墩桩基施工选用250300气举主桥34号墩

2、位于黄河主河道全部采用钻孔灌注桩基础考虑到反循环回转钻机刮刀钻头进行钻孔施工墩由于前期开工较早且桩位在黄河滩地中墩位处及夏季洪水期的影响等因素桩基施工采未作硬化处理不适合自重超大的大型钻机施工作业40左右以用浮式平台方案不确定因素多且墩基础为大直径超选择了小型泵吸式汽车钻机深桩基础故拟采用固定平台然后安设大型钻机进本文结合水中墩桩基施工过程对气举反循环钻行成孔的方法主桥水中墩采用28根直径2.5擦桩基础其中1号墩桩基长95钻孔钢护筒直径2.9的摩机的工作原理及其在大直径深桩基施工中的优越性做一些分析气举反循环钻机性能设计孔深达107采用震动打桩锤打入河床28黄河大桥主桥深1.2钢护筒顶标高在钻

3、孔平台以下30250型气举反循环钻机是当前国内使用范围较广且性能先进的钻机之一其机架钻径1.22.5参数见表1孔大直径钻孔灌注桩基础水文和地质条件复杂施工难度巨大标准钻深60最大120钻机外观见图1钻机性能1钻机选用及其性能设备选型由于钻具结构特征和流体力学动力特点决定了1.1大直径桩基施工采用正循环体系钻机效率低下和难以清除孔底钻渣环钻机工艺根据孔位处地质及水文条件孔深施工场地施工能力等因素特别是地质条件较为复杂主要以第四系河流相粉质土为主其间多夹粉细中沙及粉土薄层黏土或透镜体其中覆盖层40以下姜石含量较高姜石层分布较多通过综合考虑比选基于主图1250型气举反循环钻机为了提高大直径桩基的钻进

4、效率和有效清除孔底沉渣黄河大桥主桥桩基施工采用反循桥12号墩在桩基施工前需先搭设钻孔平台为大型钻机施工作业提供牢固稳定平稳的环境所以确定1.3钻机各部分构造转盘式钻机是通过转盘旋转或悬挂动力头旋转2010年第2期（3月）第28卷139正循环钻机和反循环钻机lmmcxda学长 正环循钻和反机环钻循机,是都通钻井过(泥浆)的循液进环行护保钻井井和出壁渣,即的过通钻井液泥(浆的循环)把钻,里孔钻的渣带出.来它们在进成孔的工艺上钻是相同的适,用的层也基本地相.不同同的就是钻液(井泥)浆的循环式.正循方钻环的钻井机液(浆)是由泥浆泥泵从浆泥里池到钻杆抽里,过钻杆通不断输送到的钻井,然后从钻井里井口自的排

5、然来,出时把同渣钻带出地到上面来.于由它是靠钻井液(浆泥的自)然循方环式渣排,以循所环力能排和渣能力比较弱,都只能排一部分钻出,而渣且颗比粒较大的渣钻也不能出来,排钻里井留的残渣钻比多较,影响钻进速度了钻具,的磨也比较大损. 反循钻机环钻井液的(泥浆的)环循方式则好相反,正它的钻液是井用浆泵泥从钻的井口(井钻杆外面向钻)井里送,再输压缩空用气或浆泵泥,钻杆从中间的出抽来所以循环,力和能渣排力能比较都强不但排渣比,干较净而,颗且比较粒大的渣钻也能排出,来像蛋大的钻渣鸡能排出来都.所更适合以于在卵石等层粒颗较比大的地中层钻进成孔.两者较比正循环,钻排渣能机比较弱,但工艺力较简比单容,易作,正循操钻

6、环机价格的比较便也;反宜循环机排钻能力比渣强较,工但艺较比杂复,作不操当容引易塌起埋钻孔而,且循反钻机环价的格比较.正循高环机钻只用要一台泥泵,而反循环钻浆则需要机台两浆泥,泵一台泥或浆泵和一台气压缩空.机反循环钻机和气压反循环清孔反循环钻机和气压反循环清孔 正、反循环清孔工艺介绍：一、正循环清孔工艺第二次正循环清孔采用循环灌浆法，让钻头在原位继续转动，通过导管注入清水，控制泥浆密度在10KN/m3以下；对于孔壁土层性能差、不稳定的则注入泥浆（泥浆密度11.512.5KN/M3）。注入冲洗液携带钻渣后进入钻杆与孔壁形成的环闭空间上返，排出桩孔以外，以达到沉渣清理效果。简单的说，正循化清孔的定义

7、就是沉渣从导管外溢出的清渣工艺。二、反循环清孔工艺从前文所述、顾名思义，反循环清孔的定义就是沉渣从导管内排出的清渣工艺。反循环清孔工艺有多种，一般有泵吸法、空气吸泥机法等种。近年来出现的气举反循环法相对工艺更为简单，清孔效果明显，推广较快。气举反循环清孔是利用空压机的压缩空气，通过安装在导管内的风管送至桩孔内，高压气与泥浆混合，在导管内形成一种密度小于泥浆的浆气混合物，浆气混合物因其比重小而上升，在导管内混合器底端形成负压，下面的泥浆在负压的作用下上升，并在气压动量的联合作用下，不断补浆，上升至混合器的泥浆与气体形成气浆混合物后继续上升，从而形成流动，因为导管的内断面积大大小于导管外壁与桩壁间

8、的环状断面积，便形成了流速、流量极大的反循环，携带沉渣从导管内反出，排出导管以外。三、气举反循环清孔工艺设备比较反循环工艺较正循环工艺而言，增加空压机一台、风管一套。该风管在二次清孔时安装在导管内，故导管上部相应增加连接阀门，风管下部是气浆混合器。反循环工艺导致沉渣从导管内反出，导管上部增加三通一套，排至接渣篮。相对其它反循环清孔工艺，气举反循环工艺的送风管安装在导管内，不像其它反循环清孔工艺在导管外安装风管，减少拔出风管时与钢筋笼牵挂的危险、更保护泥浆护壁，且气浆混合器制作简单，操作更为方便，故更适用于小孔径（直径500-800）钻孔灌注桩。因气举反循环工艺特点，钻孔灌注桩第一次清孔时并不适

9、用气举反循环清孔工艺了。否则，须逐节拔出导管，再安装风管，待第一次清空完成后，再次拔出、拆除导管与风管，待钢筋笼就位后，再二次安装风管进行第二次清孔。这样的后果是增加了作业时间，且由于反循环二次清孔效果较好，这样做也显得毫无必要。四、气举反循环清孔工艺操作要领1、导管下放深度以出浆管底距沉淤面300400mm为宜，风管下放深度一般以气浆混合器至泥浆面距离与孔深之比的0.550.65来确定。2、主要参数：空压机的风量69m3/min，导管出水管直径200mm，送风管直径（水管）25mm，浆气混合器用25mm水管制作，在1m左右长度范围内打6排孔、每排4个8mm孔即可。3、开始送风时应先孔内送浆（

10、补浆），停止清孔时应先关气后断浆。清孔过程中，特别要注意补浆量，严防因补浆不足（水头损失）而造成塌孔。4、送风量应从小到大，风压应稍大于孔底水头压力，当孔底沉渣较厚、块度较大，或沉淀板结时，可适当加大送风量，并摇动出水管（导管），以利排渣。5、随着钻渣的排出，孔底沉淤厚度较小，出水管（导管）应同步跟进，以保持管底口与沉淤面的距离。6、清孔后，孔内泥浆比重应小于1.20，粘度1820s，孔底沉渣厚度5cm。7、反循环法清孔时所需风压P的计算。P=sh0/1000+Ps泥浆比重（KN/m3），一般取1.2h0混合器沉没深度（m）P供气管道压力损失，一般取0.050.1MPa五、气举反循环清孔速度气

11、举反循环与正循环在沉渣的冲洗、上返流速存在巨大差异。 气举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是钻渣颗粒群悬浮速度的1.2-1.3倍，即Va=（1.2-1.3）Vs。反循环清孔至钻渣在导管内运动，使形态各异的钻渣群在有限的空间作悬浮运动，上升速度较快。由于返浆速度较大，以内径200mm的导管为例，粒径约100-150mm的石块也能清运出来。这一优点和泵吸反循环清孔工艺相类似，但是泵吸法循环系统复杂，砂石泵故障多是主要缺点；这一优点是空气吸泥机法所不能比拟的，一般通过空气吸泥机法清孔，由于空气混合室

12、构造、送风管距孔底距离较近等原因，只能清出约50mm粒径的石子。而正循环清孔，冲洗液携带钻渣后进入钻杆与孔壁形成的环形空间上返，由于冲洗液上返断面面积大，上返速度较慢，因此可能部分比重较大渣层颗粒会回落，须反复循环清孔，耽搁时间。如某高层建筑桩基施工验证了上述观点。该工程设计为直径1000钻孔灌注桩，持力层为基岩，桩基入岩深度1300，设计选3根桩试桩，做破坏试验。当时对第一根桩、第二根桩有意作了对比试验。第一根桩二次清孔时不安装风管，清孔2小时后，再安装风管，20分钟内，又清理出石渣26kg；第二根桩二次清孔时，安装风管清孔，30分钟内清理完成，对比效果明显。六、气举反循环清孔质量通过上述试

13、验已表明，气举反循环清孔由于返浆速度快，清渣效果较好，沉渣层较薄，而沉渣层厚度大小与单桩承载力高低密切相关。从另一角度，在桩基持力层为基岩的前提下，正循环为了有效的排渣，选用的泥浆（冲洗液）密度较高、浓度较大，势必造成孔内压力大，对孔壁四周作用力也大，孔壁四周泥皮较厚，降低了孔四周摩阻力，也降低了单桩承载力。七、经济效果分析表面上看，气举反循环工艺增加了设备，增加了工程成本，其实不然，下面从几个方面分析经济效果。1、 沉渣厚度减小，提高单桩承载力，优化桩径，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，气举反循环清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

14、，无软弱层从而提高桩的端承力，按试桩结果设计时，势必降低桩基工程成本。2、清渣速度快，缩短工期，降低施工成本。钻孔灌注桩桩基采用气举反循环法清孔施工时，每根桩清孔约减少2个小时时间，提高了劳动生产率，加快设备周转周期，直接降低了工程施工成本。3、清渣速度快，泥浆排放量减少，减少环境污染，降低施工清运处理成本。根据预算定额，废浆排运费约占工程成本8%-10%，每根桩减少2小时排放时间，且 气举反循环法清孔渣分离容易，以笔者施工的30米深钻孔灌注桩为例，泥浆排放成本相比以前下降约5%。八、弊端1、 补浆不及时可能会造成孔壁坍塌。2、 3、 4、 达不到要求的气压时，洗孔无效果。地下水位过高，可能产

15、生气压反弹，严重影响混凝土浇灌。施工场地现场文明施工会不理想，无法保持干净。浅谈反循环钻机施工 摘要:砼灌注桩基础具有入土深、能入岩、刚度大、承载力高、桩身变形小,可方便地进行水下施工等优点。砼灌注桩基础是靠桩头和桩身共同承担荷载的一种基础,施工时应认真掌握其施工的每个环节,本人结合在哈大客运专线铁路鞍辽特大桥反循环钻机施工砼灌注桩的施工情况,总结此类工艺的质量控制技术。关键词:反循环 工艺 质量控制中图分类号:TU755 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(c)-0067-021 工程概况哈大铁路客运专线是国家十一五重点工程项目之一,其中鞍辽特大桥位于鞍山市及辽阳县

16、境内,中心里程DK299+062.61,起讫里程DK289+459.71DK308+665.5,桥梁全长19205.79m。按双线高速地段设计,设计行车速度350km/h,线间距5m,桥上采用型板式无碴轨道。本桥采用圆端形桥墩,一字台,墩台基础采用钻孔灌注桩。桥梁所处地段为冲洪积平原,地形平坦开阔,局部地段地势稍高,主要为辽河及支流冲洪积而成,平原区大部为耕地。由上而下地层分别为:杂填土;粉质黏土;粉土;中砂;砾砂;粉质黏土;粗圆砾土;中砂;粉质黏土;中砂。桩底位于圆砾土层内。2 反循环钻机工艺及使用方法2.1 工艺特点通过泵吸、射流抽吸、充气送入压缩空气,使钻杆内腔形成负压或充气液柱产生压差

17、,使经过钻杆与孔壁间的环状空间流向孔底的泥浆,携带钻头切削下来的钻屑,由钻杆内腔高速返回地面泥浆池。由于泥浆上返速度快,排渣能力强,对孔壁的冲刷作用小,在孔壁上形成的泥皮相对较薄,成孔质量好。主要适用于地下水位较高的软、硬土层,如淤泥、黏性土、砂土、软质岩等土层应用。2.2 操作要点(1)启动砂石泵,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;待钻头正常工作后,逐渐加大转速,调整压力,并使钻头吸口不产生堵水。(2)钻进时应认真仔细观察进尺和砂石泵排水出渣的情况;排量减少或出水中含钻渣量较多时,应控制进尺速度,防止因循环液比重太大而中断反循环。(3)钻进参数应根

18、据地层、桩径、砂石泵的合理排量和钻机的经济钻速等加以选择和调整。(4)在沙砾石、砂卵石、卵砾石地层中钻进时,为防止钻渣过多,卵砾石堵塞管路,可采用间断钻进、间断回转的方法来控制钻进速度。(5)加接钻杆时,应先停止钻进,将钻具提离孔底80mm100mm,维持冲洗液循环1min2min,以清洗孔底并将管道内的钻渣排净,然后停泵加接钻杆。(6)钻杆连接应拧紧上牢,防止螺栓、螺母、工具等掉入孔内。(7)钻进时如孔内出现塌孔、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,吸除塌落物和涌砂;同时向孔内输送性能符合要求的泥浆,保持水头压力以抵制继续涌砂和塌孔,恢复钻进后,泵排量不宜过大以防

19、吸塌孔壁。(8)合理埋设孔口护筒,护筒上口高出地下水位的高度,应按水头高度设置要求控制,护筒底口及外侧应用粘土夯实,不渗不漏不跨。(9)钻进至设计孔深位置停钻后,将钻头提离孔底100mm150mm,继续维持泥浆循环,必要时,可低速回转钻头,同时向孔内送入干净泥浆或清水,如此反循环清孔15min20min左右,是返出孔内的泥浆含砂量达到规定要求为止。3 施工工艺流程见图14 钻孔质量控制4.1 埋设护筒钻孔成败的关键是防止孔壁坍塌。当钻孔较深时,在地下水位以下的孔壁土再静水压力下会向孔内坍塌、甚至发生流沙现象。钻孔内若能保持比地下水位高的水头,增加孔内静水压力,能稳定孔壁、防止塌孔。护筒除起到这

20、个作用外,同时还有隔离地表水、保护孔口地面、固定桩孔位置和起到钻头导向作用。(1)采用钢质护筒,对于旋转钻护筒直径比设计桩径大20cm,对于冲击钻护筒直径比设计桩径大40cm,长度不小于180cm。(2)护筒顶高出地下水位:1.5m2.0m。(3)护筒顶高出原地面20cm30cm。(4)护筒底部与土层相接处用粘土夯实,护筒外面与原土之间也要用粘土填满夯实,严防地表水顺该处渗入。(5)护筒接头处,要求内部无突出物,能耐拉压,不漏水。(6)护筒平面位置偏差不得大于5cm,倾斜度不得大于1%。4.2 制备泥浆泥浆在钻孔中的作用有以下几点。(1)在孔内产生较大的静水压力,可以防止塌孔。(2)泥浆向孔外

21、渗漏,在钻进过程中,由于钻头的活动,孔壁表面形成一层胶泥,具有护壁作用,同时将孔内外水流切断,能稳定孔内水位。(3)泥浆相对密度大,具有携带钻渣的作用,利于钻渣的排出。此外,还有冷却机具和切土润滑作用,降低钻具磨损和发热程度。因此在钻孔过程中孔内应保持一定稠度的泥浆,一般相对密度以1.11.3为宜。4.3 反循环钻机成孔(1)待泥浆循环池及护筒施工完毕后,选择10kw的反循环钻机,用8t汽车起重机将其对准桩位就位,然后用水平尺校正机身及钻杆的水平及垂直度,开动电机,放下钻头,用泥浆泵注入泥浆,钻机将循循钻进,一节钻杆钻入后及时停机,接上第二节。如此反复钻至设计深度。(2)钻进过程中的注意事项有

22、以下几点。由于整个钻孔过程是靠泥浆循环而完成的,所以应经常检查泥浆的稠度,如发现泥浆中杂物太多,必须及时清理排浆沟及泥浆池或更换泥浆。钻机在钻孔过程中,如发现钻杆摇晃,可能遇到硬土或岩石等,应立即停机检查,待查清原因,处理后再钻,否则将会发生位移、坍孔壁、桩位偏斜,甚至扭断钻杆等事故。(3)钻孔的施工质量检查。钻孔深度达到设计要求时,对孔深、孔径、孔位和孔形等进行检查,其验收标准见表1。 5 清孔及吊装钢筋骨架5.1 换浆清孔清孔的目的是除去孔底沉淀的钻渣和泥浆,以保证灌注的钢筋混凝土质量,确保桩的承载力。反循环旋转机可在钻孔完成后不停钻、不进尺,继续循环换浆清渣,直到达到清理泥浆的要求。此法

23、适用于各类土层的摩擦桩。换浆清孔后的泥浆比重,孔口、孔中部、孔底提出的泥浆的平均值应符合质量标准要求,灌注水下混凝土前,孔底沉淀厚度应不大于设计规定。不得用加深孔深的方法代替清孔。5.2 钢筋制作与安装钢筋笼主筋接头采用双面搭接焊,每一截面上接头数量不超过50%,加强箍筋与主筋连接全部焊接。钢筋笼的材料、加工、接头和安装,符合要求。钢筋骨架的保护层厚度可用同标号混凝土旋转垫块。设置密度按竖向每隔2m设一道,每一道沿圆周布置4个6个。钢筋笼制作完成后,骨架安装采用汽车吊,为保证骨架不变形,须用两点吊:第一吊点设在骨架的下部,第二吊点设在骨架长度的中点到三分点之间。起吊时先提第一吊点,使骨架稍稍提

24、起,再与第二吊点同时起吊,待骨架离开地面后,第一吊点停止起吊,继续提升第二吊点。随着第二吊点不断提升,慢慢放松第一吊点,直到骨架同地面垂直,停止起吊。检查骨架是否顺直。骨架入孔时应慢慢下放,严禁摆动碰撞孔壁。将骨架临时支撑于护筒口,再起吊第二节骨架,使上下两节骨架位于同直线上进行焊接,焊接时应先焊顺桥方向的接头,最后一个接头焊好后,全部接头就可以下沉入孔,直至所有骨架安装完毕。并在孔口牢固定位,以免在灌注混凝土过程中发生浮笼现象。钢筋骨架的制作和吊装的允许偏差为:主筋间距10mm;箍筋间距20mm;骨架外径10mm;骨架倾斜度0.5;骨架保护层厚度20mm;骨架中心平面位置20mm;骨架顶端高

25、程20mm;骨架底面高程50mm。6 导管的安装及水下砼的灌注6.1 导管的安装导管采用直径300mm3.5mm3m无缝钢管,接口严密,密封性好。刚性强,不易变形。在使用前首先进行导管水密性检验,并检查密封垫好坏和导管内是否有残物,使用后将导管清洗干净,涂油保护螺栓并堆放整齐。导管采用一台吊车吊装.吊装前应根据孔深算出导管长度,下导管过程中要逐个记录导管顺序及每节长度对准孔位中心吊装。6.2 桩基水下砼的灌注(1)灌注砼前应检查罐车运输道路是否畅通,排浆系统是完善,灌注起吊装置是否满足使用要求。若为夜间灌注,还应检查照明系统是否完善。(2)砼灌筑前,检查孔底沉渣及泥浆指标,不满足要求则对孔底进

26、行二次清孔。灌注砼前泥浆比重不大于1.1,含砂率小于2%,黏度17s20s,沉渣厚度不大于10cm。(3)砼的初存量应满足首批砼入孔后,导管埋入砼的深度不得小于1m并不得大于3m;当桩身较长时,导管埋入砼的深度可适当加大。漏斗底口应设置严密可靠的的隔水装置,该装置必须有良好的隔水性能并能顺利排出。(4)灌注开始后,应紧凑连续地进行,严禁中途停工。在灌注过程中,应防止混凝土拌和物从漏斗顶溢出或从漏斗外掉入孔底,使泥浆内含有水泥而变稠凝结,致使测探不准确。灌注过程中,应注意观察管内混凝土下降和孔内水位升降情况,及时测量孔内混凝土面高度,正确指挥导管的提升和拆除。导管提升时应保持轴线竖直和位置居中,

27、逐步提升。如导管法兰卡挂钢筋骨架,可转动导管,使其脱开钢筋骨架后,再移到钻孔中心。拆除导管动作要快,时间一般不宜超过15min。要防止螺栓、橡胶垫和工具等掉入孔中。要注意安全。已拆下的管节要立即清洗干净,堆放整齐。在灌注过程中,当导管内混凝土不满,含有空气时,后续混凝土要徐徐灌入,不可整斗地灌入漏斗和导管,以免在导管内形成高压气囊,挤出管节间的橡皮垫,而使导管漏水。当混凝土面升到钢筋骨架下端时,为防钢筋骨架被混凝土顶托上升,可采取以下措施:尽量缩短混凝土总的灌注时间,防止顶层混凝土进入钢筋骨架时混凝土的流动性过小,建议使用外加剂增大其流动性;当混凝土面接近和初进入钢筋骨架时,应使导管底口处于钢

28、筋笼底口3m以下和1m以上处,并慢慢灌注混凝土,以减小混凝土从导管底口出来后向上的冲击力.为确保桩顶质量,在桩顶设计标高以上应加灌50cm100cm,以便灌注接受后浆此段混凝土清除。增加高度,可按孔深、成孔方法确定,一般不宜小于0.5cm,长桩不宜小于1.0cm。参考文献1 哈大铁路客运专线桥梁质量控制手册M.2007.2 李世京.钻孔桩基础施工技术M.北京地质出版社,1990.3 史佩栋.实用桩基工程手册M.中国建筑工业出版社,1999.4 王建斌.钻孔桩基础常见问题分析及防治措施J.铁道建筑,2006(2):6769. CJF20型冲击反循环钻机筑龙网 www.siCJF-20型冲击反循环钻机王荣绪 (中铁二集团公司二处机电科) 摘要：W20型冲击反循环钻机是一种新型大口径钻孔桩基施工设备，该机具有操作简便、实用、高效、性能稳定可靠、液压起塔及步履移动、对孔P位方便等特点。本文介绍了其技术参数、工作原理、主要结构及使用效果。