泵吸反循环钻成孔灌注桩

泵吸反循环钻成孔灌注桩

反循环钻成孔灌注桩基本原理

       反循环钻成孔施工法是在桩顶处设置护筒（护筒直径应比桩径大15%左右），护筒内的水位要高出自然地下水位2m以上，保持孔壁的静水压力在0.02MPa以上，以保持孔壁不坍塌，省去切削套管。钻机工作时，旋转盘带动钻杆端部的钻头切削破碎岩土；钻进冲洗液（又称循环液，指水或泥浆）从钻杆与孔壁间的环状空间中流入孔底，冷却钻头，并携带岩土钻渣，混合液在负压作用下从钻杆内腔上升到地面溢进沉淀池后返回泥浆池中净化，净化后的冲洗液又返回孔内形成循环，这种钻进方法称为反循环钻进。

       反循环钻成孔施工按冲洗液循环输送方式、动力来源和工作原理可分为泵吸、气举和喷射等方法。

       泵吸反循环工作原理

       泵吸反循环钻成孔是利用离心泵的抽吸作用，在钻杆内腔造成负压状态，在大气压力做工下冲洗液经钻杆与孔壁间的环状空间流向孔底，与岩土转渣组成混合液，被吸入钻杆内腔，排入地面泥浆循环系统。

        气举反循环工作原理

         气举反循环是利用气举泵的工作原理实现冲洗液反循环的。压缩空气经供气管路（为专门的风管或气密式双壁钻杆的外环空间）送至钻杆下端的气水混合室后喷出、膨胀、与冲洗液及被钻头切削下来的岩土钻屑等在钻杆内形成“视比重”比水还轻的空气、冲洗液和钻屑的三相混合物。在钻杆内外压力差（或重度差）和压气动量的联合作用下，三相混合物流沿钻杆内腔压升，经软管流入地面沉淀池，空气逸散，钻渣沉淀，冲洗液流回钻孔。

       喷射反循环工作原理

        喷射反循环又称射流反循环，是用射流泵来实现冲洗液反循环的。是利用真空作用，把低位的岩土钻屑与冲洗液的混合物一期吸上，通过钻杆内腔上升，经排水管排入地面浆泥循环系统。

反循环环钻成孔灌注桩优缺点

         优点

       反循环钻成孔灌注桩优点主要表现在：①振动小，噪声低。②可施工超大直径（4.0m以上）、超大深度（100m以上）的桩。③通常情况用天然泥浆即可保护孔壁。④几乎在各种土层和岩层中均可施工，采用特殊钻头可切削岩石。⑤可进行水上施工，⑥可在地下水位下厚细砂层（厚度5m以上）中钻进。⑦钻进速度较快。

       缺点

       反循环钻成孔灌注桩缺点主要表现在：①很难在比钻头吸渣口径大的卵石层或漂石中钻进。②土层中有压力较高的承压水或地下水流时，成孔较困难。③如果水压头和泥浆比重等管理不当，会引起坍孔。④切削出来的土砂中水分多，弃土困难。⑤废水泥处理量大。⑥暂时架设的规模大。

       与正循环钻成孔法相比，反循环钻成孔法具有成孔直径大、深度大、成孔质量高（孔壁稳定、排渣能力强、孔底沉渣少及孔壁泥膜薄）、对泥浆质量要求较低、能较准确鉴别孔底岩性等优点，但具有操作复杂、用水量多及钻架大等缺点。

反循环钻成孔灌注桩适用范围

       反循环钻成孔适用于填土、淤泥、黏土、粉土、砂土、砂砾等地层。采用圆锥式钻头等可进入软岩；采用滚轮式（又称牙轮式）钻头等可进入硬岩。

       反循环钻成孔不适用于自重湿陷性黄土层，也不宜用于无地下水的地层。对于大卵砾石层、大抛石层和大孤石层，反循环钻进效率很低，甚至无法进尺。                

泵吸反循环经济孔深一般不大于80m，以获得较好的钻孔效果，国内多数建筑物的钻孔灌注桩基的孔深多数在这范围内，此外泵吸反循环与气举反循环相比，所需功率仅为后者的50%左右，动力使用效率前者高达60%，后者为20%，因此，建筑界用泵吸反循环钻成孔居多。温州世贸中心成功地应用120m超深泵吸反循环成孔灌注桩。

泵吸反循环钻成孔灌注桩施工机械

       国产泵吸反循环钻机分类

       泵吸反循环钻机主要有GPS-15型、GPS-20型、GPS-30A型、GPS-20H、QZ-200型、KT2000B型及KT1500型等。

       正循环、泵吸反循环两用型钻机主要有ZJ150-1型、KP2000型、BRM-1型、BRM-2型、BRM-4型、BRM-08型及GJC40HF型。

       正循环、泵吸与气举反循环三用型钻机主要有KP1500型及KP2000型等。

       泵吸与气举反循环两用型钻机主要有GD25型、GD30型、GD40型、ZJD2500型、ZJD3000型、ZJD3500型、ZJD4000型及GM-20型。

       泵吸反循环钻机组成

       泵吸反循环钻机是由主机（动力头、砂石泵、真空泵或注水泵、回转装置、钻塔、升降装置、行走机构等）、钻具（水笼头、钻杆、加压装置、配重、钻铤、接续装置、稳定器及钻头等）、钻渣分离设备、液压系统和电气系统等组成。

       钻头   钻头是联系钻机和钻进工艺的主要纽带。实际施工时，根据不同的土层和岩层所选用的钻头形式、钻进方法和钻进参数都会有所不同。国内外反循环钻进钻头有数十种，我国仅江西省地质工程总公司的反循环钻头就有十余种。

施工工艺

        施工程序

        反循环钻成孔施工程序为：设置护筒 →安装反循环钻机→钻进→次处理孔底虚土（沉渣）→移走反循环钻机→测定孔壁→将钢筋笼放入空中→插入导管→第二次处理孔底虚土（沉渣）→水下灌注混凝土，拔出导管→拔出护筒，成桩。

     施工特点

        反循环施工法是在静水压力下进行钻孔作业的，故护筒的埋设是反循环施工作业中的关键之一。

        要使反循环施工法在无套管情况下不坍孔，必须具备5个条件：①确保孔壁周围的静水压力在0.02MPa以上，护筒内的水位要高出地下水位2m以上。②泥浆造壁。在钻进中，孔内泥浆一面循环，一面对孔壁形成一层泥浆膜。泥浆的作用是将钻孔内的不同土层中的空隙渗填密实，使孔内漏水减少到最低限度；保持孔内有一定水压处理沉渣。③保持一定的泥浆相对密度。在黏土和粉土层中钻进时泥浆相对密度取1.02~1.04；在砂和砂砾等容易坍孔的土层中钻进时，必须使泥浆相对密度保持在1.05~1.08。④钻进时保持孔内缓慢的泥浆流速。⑤保持适当的钻进速度。钻进速度同桩径、钻深、土质、钻头的种类与钻速及扬水能力有关。在砂和砂砾层中钻进需考虑泥膜形成所需要的时间；在黏性土中钻进则需考虑泥浆泵的能力并需防止泥浆浓度增加而造成湖钻现象。

      反循环钻机的主体可在与旋转盘离开30m处进行操作，这使得反循环法的应用范围更为广泛。列如，可在水上施工，也可在净空不足的地方施工。

      钻进时钻头不需每次上下排弃钻渣，只要在钻头上部逐节接上钻杆（每节长度一般为3m），就可以进行深层钻进，与其他的桩成孔法相比，越深越有利。

      施工要点

      规划施工现场时，应首先考虑冲洗液循环、排水、清查系统的安排，以保证反循环作业时，冲洗液循环通畅，污水排放彻底，钻渣清楚顺利。

      在黏性小的土层中钻进时，为保证要求的黏度、相对密度，可在泥浆中掺入CMC（盐）、膨润土等材料；成孔时，由于地下水稀释等使泥浆相对密度减小时，亦可添加膨润土等材料。

      为使冲洗液净化，清水钻进时，钻渣可在沉淀池内通过重力沉淀后予以清除。在泥浆钻进时，宜使用多级振动筛、旋流除砂器或其他除渣装置等进行机械除砂清渣。

      钻头吸水断面应开敞、规整、减少流阻，以防碎砖块、卵砾石等堆挤堵塞；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。碎砖、卵砾石等的尺寸不得大于钻杆内径的4/5。

       对于泵吸反循环钻进方式，起动离心泵，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。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，泵排量不宜过大，以防吸坍孔壁。

       第1此孔底沉渣处理 终孔时停止钻具回转，将钻头提离孔底500~800mm，维持约1个孔容积量的冲洗液循环，并向孔中注入含砂量的冲洗液循环，并向孔中注入含砂量小于4%的新泥浆或清水，令钻头在原地空转数十分种，直至达到清孔要求为止。维持反循环的时间，视孔底沉渣厚度、桩孔容积大小而定。

       第2次孔底沉渣处理  在灌注混凝土之前进行第2次沉渣处理，通常采用普通导管的空气升液排渣法或空吸泵的反循环方式。

超百米深泵吸反循环钻成孔灌注桩

        施工案列

        工程概况

温州世贸中心大厦主楼设计242根直径1100mm泵吸反循环钻成孔灌注桩，孔深90~120m，其设计承载力为14 250kN，要求桩端进入持力层（强风化地层）10m以上。当强风化层的厚度不足10m时，桩端须嵌入中风化岩层1.1m以上。孔底沉渣厚度不大于50mm，桩身垂身度偏差不大于0.5%。

拟建场地地层由杂填土、黏土、淤泥及淤泥质黏土、深部黏性土、坡残积粉质黏土混碎石、风化基岩等9个工程地质层组成。

场地表层地下水属潜水型，水位随大气降水季节变化，年水位变化约3.0m，勘察期间稳定水位埋深为0~2.05m。

工程特点及难点 3

超深的桩长  孔深为120mm，在桩基中罕见。

地层复杂   场地下障碍物多，场地内淤泥层度超过30m，易坍塌、缩径；全风化、强风化层中夹有中风化残留体，残留体大小不一，厚度不匀，抗压强度大；有201根桩持力层必须进入中风化基岩，基岩面起伏不平、倾角大、强度高。

中风化地层及中风化残留体施工难度大   中风化基岩层岩质坚硬，抗压强度达到330MPa，钻进难度。中风化残留体厚度0.5~41.0m，岩质坚硬、抗压强度大、层面倾斜，极易引起钻进孔斜、卡钻、垮孔、堵管等孔内事故，给施工带来的困难。

布桩密集   主楼桩按设计要求，数量为242根，桩位最小中心距仅为3.3m。因此对桩身的垂直度要求很高，严于规范要求（桩身倾斜度≤0.5%）。

孔壁稳定性差   深度为30m的淤泥层，容易坍塌和缩径。破碎的强风化地层，极易掉块。反循环钻进时必须严格控制泥浆性能，保证孔内水头压力以达到护壁的效果。

可行性分析

在该工程实施前，国内泵吸反循环成孔深度的成功经验在70~90m范围，120m超深桩孔的运行需进行可行性分析。

根据温州世贸中心大厦施工实际情况，各钻孔参数假定为：钻孔内冲洗液面以下钻杆长度为120m，砂石泵叶轮中心到孔内冲洗液液面高度为0.5m，冲洗液重度为11.5kN/m³，钻杆直径为245mm、内径为205mm，砂石泵泵量为120~180m³/h，吸程为8m。

根据泵吸反循环的工作原理，建立起泵吸反循环工作压力平衡方程式，引入上述施工参数，从而得出各项水头损失之和为3.78m水珠，小于吸程8m水柱（计算过程从略）。

计算结果表明，当孔深120m时，循环管路中的水头损失远小于砂石泵吸力，这就从理论上证明了在使用直径245mm钻杆情况下，泵吸反循环施工工艺可以应用于120m的深孔，并且有较好的效果。

钻孔设备及机具的选择

第四系松散层钻进采用单腰带三翼锥形刮刀钻头，中转速、大泵量以利于切削土层、加快进尺，同时防止钻杆甩打孔壁；强~中风化或中风化残留体钻进换用滚刀钻头加配重，钻进过程中调整好泥浆性能，保持孔壁稳定，钻进至终孔前注意调整好泥浆相对密度在1.15~1.20之间。

超长泵吸反循环钻成孔灌注桩施工控制事项

为保证泵吸反循环的顺利启动，安装时，要尽量减小砂石泵的安装高度，使用法兰盘连接的钻杆，做好钻杆接头的密封，防止假循环现象。

防止孔斜   由于钻孔超深，必须做好钻机的稳固，开钻前用水平仪校正好钻机水平，使钻机天车中心、转盘中心、桩孔中心三点在同一铅垂线上；钻进过程中注意经常校正钻机水平。开孔钻进15m以内易发生孔斜，必须控制钻进速度，严禁盲目加压钻进。钻头以上2根钻杆配扶正器，必要时钻具中间再配扶正器。为保证钻孔垂直，钻具中间加导正，采用减压钻进，同时加强钻孔垂直度监控，出现孔斜征兆及时纠斜。

在残留体地层中成孔是桩孔施工成败的关键，为此采取以下措施；钻进至残留体时，应控制钻进速度，轻压慢转，同时校正桩孔垂直度，防止桩孔在残留体的界面上发生偏斜。根据残留体的岩层硬度，选择适合的滚刀钻头，在滚刀钻头回转钻进前，应采用反循环清除孔底沉渣，然后轻压慢转，控制进尺，防止桩孔偏斜。对于强风化或较软的中风化地层，采用焊齿滚刀钻头，施工效率高、钻头胎体磨损小、易于修复、使用成本低。对于硬度较大的中风化地层采用镶齿滚刀钻头，其强度高、耐磨性好。当钻头进平稳后，应逐渐加大转速和钻压，给予钻头破碎岩层需要的压力。采用滚刀钻头钻进时，应保证孔底干净，防止掉物，以提高钻头寿命。

钢筋笼安放   钢筋笼主筋采用20根直径22mm的钢筋，由于钻孔深、桩身长，钢筋笼节数多达12节，钢筋笼连接垂直度要求高，为减少钢筋笼下放时间，保证钢筋笼的连接速度，提高效率，钢筋笼主筋连接采用滚压直螺纹套筒连接，每个接头仅用时30min，既减少了下放时间又确保了工程质量。

预防事故的发生   下入钻具时应仔细检查钻头、钻杆的强度，检查连接螺纹的好坏，并一定要上紧，防止松扣导致钻具掉入孔内。

二次清孔时钻孔灌注桩的重要环节，清孔的质量直接影响桩的承载力，由于桩孔超深，下入的导管很难清干净孔底四周的沉渣，为缩短二次清孔时间，保证清孔质量，应首先做好一清工作（即在终孔后起钻前的清孔工作），合理地安排施工，注意各工序的衔接，尽量缩短终孔至二次清孔的时间，减少孔内泥浆的沉淀。

施工实践证明：通过精心组织和准备，各机台均成功使用了泵吸反循环施工，直至终孔，反循环启动运转正常，排渣效果良好，完全满足了超深大直径泵吸反循环钻成孔灌注施工需要，孔底干净，也有利于滚刀钻头的施工，满足了成桩设计沉渣的要求。