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1、1浅谈气举反循环钻孔施工工艺提 要 介绍了气举反循环钻孔技术的原理及其特点，并根据 xx 特大桥施工实践,总结出了特定地质条件下，气举反循 环钻孔施工的技术要点和参数。关键词 深长桩 钻孔技术 气举反循环 技术要点 参数1 工程概况xx 特大桥位于宁波绕城公路跨越 xx 处，是连接镇海区和北仑区的重要桥梁，是宁波绕城公路东段的重要组成部分，主桥为双菱形双塔四索面钢箱梁斜拉桥，双菱形连体主塔高度（承台以上）为 146.569m，主跨 468m,主桥跨径组成为 61+134+468+134+61m。索塔承台为73.6336m 的矩形整体式钢筋混凝土结构，承台下设有 78 根 2.2m 的钻孔灌注桩
2、，顺桥向 6 根，横桥向 13 根。钻孔深度 119m，钻孔深度自原地面算起约 122m,按设计要求入微风化岩深度不小于 5m。2 桥址区域的工程地质概况主桥基础均位于江堤两侧，属陆上桩，桩基距离江堤最短距离为 20m 左右，桥址区位于湖藻积、冲海积平原，区域地势平坦表层由灰黄色、灰褐色亚粘土构成的硬地壳，厚0.32.6m,软塑硬塑,工程地质较差，水域部位缺失。其下分布厚层海积淤泥质土，流塑状，厚度 1428m。中部分布冲湖积亚砂土、粉砂层、含砾砂亚粘土层。底部揭露基岩,岩性为粉砂质泥岩、凝灰质粉砂岩等。基岩埋深一般为 93.0111.3m，工程地质良好，可作为持力层。3 气举反循环的钻进原理
3、气举反循环的作用原理是采用双壁管或钻杆侧壁上安装的风管。将压缩空气从供气管路送入孔内气水混合室,使钻杆内的冲洗液成为充气状态,在内外管环隙和内管形成液柱压差。高速气流与充气气泡群从孔内上升,产生动能,动能与压差产生气举反循环,排出岩屑、岩粉。4 气举反循环的钻进特点其相对于正循环比具有如下特点：4.1 成井周期短，相对消耗少，经济收益高。4.2 钻孔保直好。尤其以及气举反循环牙轮钻进工艺的，“孔底加压，悬垂钻进”特点，2使钻孔的垂直度较高。 4.3 技术含量高。这两项钻进工艺是靠精良的专用装备和精湛的操作技术作后盾。真正体现了当今市场竞争中以技术、人才、装备为竞争主体的客观规律。4.4 摊销费
4、用低。由于成井周期短，一些与时间成正比的消耗按比例摊消较少：比如，人员工资、油料消耗、电费消耗等。另外，由于成孔质量高，一些重复作业大幅度减少，比如常规工艺所成的钻孔，在下管前要进行多次修孔、验孔。从而减少了许多辅助作业而带来的消耗。4.5 钻洗结合妙。在含水层钻进时能达到边钻进边洗井的目的。因其携带岩屑的流动方向与正循环相反，而且钻杆中的上返流速要远远大于外环流速，孔底十分干净，几乎不存在二次破碎现象，破碎下来的形状各异、大小不等的岩屑在第一时间就能被抽吸清除掉，对牙轮钻头轴承损害极小。另外，由于能在孔底形成抽吸负压，在有效携带新岩屑的同时，还能将原岩层裂隙中部分残留堵塞碎屑一同清除掉。4.
5、6 施工用水少。这两项工艺是以取之不尽，用之不竭的空气作为循环介质。在施工中，几乎无需生产用水，如果孔壁稳定不坍塌,可以直接利用地下水作为冲洗液。因此可以不必配置或简化泥浆系统,也简化了操作。4.7 气举反循环配备的空压机，其动力系列柴油机。与当前我们所使用的钻机、泥浆泵配用的动力机相同，其零配件互换性强，现场的机组人员均能自行维护保养，无需专设维管人员。4.8 气举反循环钻进工艺破岩效率高，孔底干净，钻头寿命长， 则提钻间隔可大大延长，不仅提高纯钻时间，还可降低工人劳动强度，减少辅助工作。4.9 气举反循环钻进工艺岩屑上返速度极快，分选混合不严重，迟到时间可忽略，可根据粗大的岩屑层序，准确地
6、进行地质判层，代替岩芯编录。这是无岩芯钻进技术的发展方向。4.10 气举反循环钻进时,岩屑从钻杆内上返到地面上来，它不和井壁发生接触，因此，岩屑不会渗入含水层，能保持地下含水层的孔隙率，从而保护了地下地层和地面环境。4.11 在浅孔时供气压力不易建立，钻杆内水流上升速度低，排渣能力差，如果孔的深度小于7米，则吸升是无效的；孔深增大后，只要相应地增加供气量和供气压力，就能获得理想的上升速度。孔深超过50m后，即能保持相对较高而稳定的钻进效率。412 而对于深长桩而言，气举反循环相对泵吸式和喷射式反循环在头50米范围内，其效率不及后两者但超过50米范围后其优势则明显增加。5 钻进方式的选择综合以上
7、因素根据本工程的特点，采用正循环钻进和反循环钻进相结合的方式进行钻进，即先用GPS-30 型正循环钻机钻进30m(到达细砂层时)位置，钻头采用单腰带四翼刮刀钻，钻3头直径2.19。然后再开始改用气举反循环方式钻进，钻头采用双腰带四翼式刮刀钻，钻头直径2.19。当进入风化岩层时，再提出钻杆换成滚刀钻头进行钻进，钻头直径2.17m。在群桩基础中，只要合理安排施工顺序，只需配备一台正循环钻机变可以带动多台反循环钻机的施工，本工程气举反循环钻机采用6台ZJD-300型和2台ZJD-350型，相关机械主要技术参数指标见表1、表2、表3。 钻机主要性能参数表 表 1钻机型号 GD-3500 ZJD-300
8、0/210投入数量 共 2 台 共 6 台最大钻孔口径（m） 3.5 3.0最大钻孔深度（m） 150 150输出扭矩（kNm） 240 210最大提升能力(kN) 1500 1500最大钻速（rpm） 18 21钻杆内径（外径壁厚） （mm） 37724 37722配重(kN) 不小于 300KN 不小于 300KN整机尺寸（m） 4.986.157.30 4.123.987.30循环方式 气举反循环 气举反循环泥浆净化器性能指标 表 2名 称 型 号 处理能力（m 3/h）分率程度（m）总功率（KW）经处理后泥浆含砂率（%）重量（kg）泥浆净化器ZX-200 200 74 48 1 400
9、0泥浆净化器ZX-250 250 74 48 1 4000空压机主要性能参数表 表 3 设备型号技术参数 佳力士电机转速 r/min 2975冷冻风机 22002接口管径(mm) 76.2总功率（kw） 132重量（t） 2.55排气量 m3/min 20外形尺寸 23016020046 钻孔技术要点及相关技术参数6.1 泥浆的性能指标应根据工程地质情况、钻机性能、泥浆材料条件等合理配置泥浆。 本工程泥浆采用清水、膨润土和纯碱配置聚丙烯酰胺(PHP)（所用外掺剂的掺量根据泥浆性能进行动态调整控制)。设计泥浆密度为1.10 g/cm 3左右,粘度在2328 s之间,加碱量为膨润土量的5%。钻进过
10、程中,泥浆密度控制在1.101.25 g/cm 3,使泥浆具有一定的液柱压力,以达到平衡孔壁外围地层压力,稳定孔壁,满足反循环施工工艺的要求,粘度控制在2025 s,以满足钻进护壁和二次清孔的要求;PH值维持在89左右,使泥浆处于碱性状态,提高粘土的分散度。反循环泥浆性能指标见表4。泥浆性能指标 表 4地层情况 相对密度 粘度(Pas) 含砂率 % 胶体率 % 失水率mL/30mi 泥皮厚mm/30min 静切力 Pa 酸碱度 PH一般地层 1.021.06 1620 4 95 20 3 12.5 810易坍地层 1.061.10 1828 4 95 20 3 12.5 810卵石土 1.10
11、1.15 2035 4 95 20 3 12.5 8106.2 泥浆循环系统的设置应根据气举反循环钻孔技术特点和工艺要求,完善泥浆循环系统,保证供浆。本工程泥浆循环系统见图。 6.3 钻进中所需空气压力控制参数在钻进过程中，应根据钻进进尺及时倒换风包，如过低则空压机所提供压力达不到，过高则压力小，保证钻进所需压力，无法实现孔底排浆。因空压机的额定压力为 0.8MPa，而钻孔深度为 122m，在钻进过程中每进尺 10 m 需 0.1MPa 的压力，故在钻进中要换 2 次风包。现场使用的钻机采用“接力式风包”的方法，无须提出钻杆进行“倒风包” ，节省了施工时间，接力式风包的方法是加重杆后接风包杆，
12、用单风道送气，再间隔 21m 钻杆，再加一节风包杆，此时改用第二通道送气，即从 25 m 至 65m 换一次风包，钻至 106m 左右时改用钻头，排 渣 池钻 孔 桩沉 淀 箱 循 浆 箱 除 砂 器空压机流 入 泥 浆 池泥 浆 循 环 系 统 平 面 布 置 图5提钻重新下钻杆，重新加一次风包杆。,每次风包的起始位置控制在距孔口 30m 处，保证沉没比控制在 40%时发挥最好作用。6.3 排渣能力的控制应准确把握泥浆循环量与排渣能力的关系，根据施工平台的高程、施工水位、钻机钻盘顶的高程，计算出提升 1m3泥浆需要的压气量(按终孔深度计)。经过多次验证，推导出计算公式q=dhlog(dH+h
13、)/h/23Q=900D p2Vp/(1+q)Q 风 =Qq/60式中q为提升 1m3泥浆需要的压气量, m3/m3；d 为泥浆相对密度；h 为护筒内泥浆面到排浆口的高度（即扬程)，m；H 为护筒内泥浆面到气室的高度(即吸程)，m； 为压气提升有效系数,由扬程 h 和吸程 H 决定，即吸入系数 =H/(H+h)， 与 的关系见表 5；Q 为泥浆循环量，m 3/h；D P为钻杆内径，m；VP 为泥浆、岩屑、空气混合液在水龙头处喷出速度，m/s,当扬程 h=10 m、吸程 H=55 m、d=1.25 时，V P=8 m/s；Q 风 为所需压风机风量，m 3/h。 与 的关系 表 5 0.30 0.
14、40 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.90 0.37 0.44 0.50 0.54 0.57 0.59 0.60 0.62 0.63 0.64本工程钻机配有 20m3空压机，由于孔内水深超过空气反循环风包的吸程，为使空气反循环排渣功能正常发挥，在钻杆中增加一个风包，即上风室，上风室至下风室 1824m，吸深在 50m 以内时使用下风室，当吸深超过 50m 时使用上风室，利用钻杆外的风管一根通下风室，一根通上风室。6.4 防止钻渣沉淀埋钻空压机送风与钻锥回转同时进行。接钻杆时，须将钻杆稍提升 30cm 左右，先停止钻锥回转，再送风数分钟，将孔底钻渣吸尽，再放下钻锥，进行拆装钻杆工作，以免钻渣沉淀而发生埋钻事故。随时注意孔口泥浆水面标高，如果逐渐往下落时，须立即用水泵补水入护筒内，以免因水头不够而发生坍孔事故。做好 2 次清孔工作：第 1 次清孔是在钻进达到设计孔深以后，将钻头提高孔底 20 cm 左右，利用空压机气举抽浆清孔，用泥浆泵抽取低浓度泥浆或清水补充孔内泥浆；第 2 次清孔是在钢筋笼下设完毕以后，用空压机通过导管进行再次气举清孔，同样用泥浆泵抽取低浓度泥浆或清水补充孔内泥浆，直至合格。参考文献1 公路桥涵施工技术规范 北京：人民交通出版社 2000 2 公路施工手册桥涵 北京：人民交通出版社 2005 陆仁达
