反循环回转钻（精选4篇）
反循环回转钻 篇1
1 前言
孔底沉渣厚度的控制是冲(钻)孔灌注桩成孔质量的重要指标之一,其质量的优劣将直接影响灌注桩的承载力,尤其对以桩端阻力为主的端承桩或摩擦端承桩的影响更甚。因此有效清除孔底沉渣是控制成桩质量的重要环节之一。
一般冲(钻)孔灌注桩施工需要进行两次清孔作业。第一次清孔是在桩孔施工达到设计深度之后,利用原成孔机具进行,其目的是以替换泥浆为主,清除沉渣为辅,以泥浆性能基本达到要求为标准;第二次清孔是在浇灌桩身混凝土之前,利用灌浆导管进行,其目的是以清除沉渣为主,替换泥浆为辅,以孔底沉渣厚度达到设计要求为标准。
在以正循环工艺施工冲(钻)孔灌注桩时,第二次清孔(以下简称二次清孔)一般均利用导管正循环工艺,效果也很好。但是在施工较大桩径或超长桩的条件下,除非另配大泵、增加泵量,否则清孔效果下降;而在施工以卵砾石层为持力层的条件下,正循环二次清孔更难以将粒径较大的卵石或碎石清除干净。当然也有改用泵吸反循环进行二次清孔,在上述施工条件下,其效果显著优于正循环,但是砂石泵设备较笨重,机具密封性能要求高,设备在桩孔之间搬动安装不便,故障率相对较高,若连接部件一出现密封性能较差,就可能影响反循环清孔效果和时间,清孔工作效率不稳定。
鉴于上述两种清孔方法存在的问题,我们开发应用新的清孔工艺——气举反循环清孔技术,并在福建省广播电视中心桩基工程中实际应用并取得了成功经验,从而为冲(钻)孔灌注桩二次清孔,尤其在以卵砾石层为持力层的桩孔中清孔增添了新的清孔手段,对提高冲(钻)孔灌注桩工程质量和施工效益具有现实意义。
2 气举反循环清孔工艺原理
气举反循环工艺在地质钻探、供水井施工中应用广泛,但在冲(钻)孔灌注桩施工中罕见应用实例。其工艺原理:在冲(钻)孔灌注桩成孔后、桩身混凝土浇灌前,先将气液混合器放入灌浆导管内一定深度位置,再将压缩空气通过送风管送至气液混合器,使压缩空气与导管内的泥浆混合,形成密度比导管外泥浆密度小的泥浆空气混合浆液。混合浆液在管内外压差的作用下,沿导管内腔上升,经排渣管排至沉淀池。经沉淀后的泥浆又以自流方式连续不断地流回桩孔内,形成反循环。在泥浆循环过程中,孔底的沉渣随混合浆液上返排出桩孔,如图1所示。
3 气举反循环清孔机具
气举反循环清孔工艺的机具,除施工桩孔的钻机、泥浆泵和灌浆导管等机具外,应另配如下机具:
⑴VF—6/7型空压机1台:提供压缩气体。
⑵风管:输送压缩空气。风管有2种,连接气液混合器下入灌浆导管内的风管采用φ1″镀锌铁管,所需长度视混合器沉没深度而定;为移动方便,在空压机储气罐和孔口镀锌铁管之间采用φ1″橡胶高压软管连接,其长度以<60m为宜,以减少风压损失。
⑶气液混合器:使压缩空气与导管内泥浆混合,产生气液混合浆液。混合器采用φ2″1000mm长的镀锌铁管制成,其上端用螺纹与风管连接,管周钻φ8mm排气孔、孔距30mm的梅花孔150个左右,下端用薄钢板封堵,同样钻φ8mm排气孔3个,使排浆量比较稳定,避免出现“暴气”现象,即大气泡上涌,影响泥浆循环。
⑷异径三通接头:用φ258mm灌浆导管改制。下端连接导管;上端焊接钢板,其中心有直径>φ2″的孔,以便下入混合器并支承风管;中上部焊接φ6″镀锌铁管,以便连接排渣管。
⑸排渣管:用φ6″橡胶高压管,一端与异径三通接头连接,另一端固定在沉淀池旁边,其长度以<15mm为宜,以避免渣石堵塞,影响排浆。
4 气举反循环清孔工艺流程及操作方法
4.1 气举反循环清孔工艺流程(见图2)
4.2 气举反循环清孔工艺操作方法
⑴桩孔达到设计深度后,利用成孔机具、泥浆泵进行一次清孔。一次清孔结束后,即提起钻具快速进行安放钢筋笼和下入灌浆导管。
⑵在导管口安装异径三通接头(见图3)。将气液混合器与风管连接好,检查风管与混合器的畅通情况,通过异径三通接头将气液混合器下入导管内。风管之间采用接箍连接,在连接过程中丝扣应拧紧,在下入风管时要注意防止风管脱落掉入导管内。
⑶将排渣管一端与异径三通接头连接,另一端固定在泥浆沉淀池边。形成气举反循环后,由于泥浆快速排出来,使排渣管摆动,通过固定后就可使泥浆直接排入沉淀池。
⑷清理孔口泥浆循环系统,使泥浆池与孔口形成倒流补给通畅,泥浆循环系统长度应大于10m。
⑸将灌浆导管提离孔底1m,在检查空压机、储气罐和风管系统安全可靠后,方可启动空压机送风。压缩空气通过风管被送至气液混合器中,在导管内产生空气泥浆混合液。携带沉渣的泥浆从导管内腔快速上返,经排渣管排入泥浆净化池。
⑹在操作过程中要通过调节空压机风量,达到调控排浆量的目的。在施工操作中风压一般控制在0.6—0.7MPa。
⑺在清孔操作过程中,应经常调整导管底端与孔底距离,同时不停地移动导管位置,使孔底沉渣冲排干净。
⑻在确认孔口排出的泥浆性能指标满足要求后,关闭空压机,测量孔底沉渣。沉渣厚度合格后即卸除气举反循环清孔器具,并连接灌浆漏斗,转入水下混凝土灌注工序。如沉渣厚度达不到设计要求,应继续进行清孔,直至沉渣厚度检测合格为止。
5 气举反循环清孔工艺技术参数的选择
5.1 风压(P)、风量(Q)、混合器安放深度(H)
风压(P)、风量(Q)、混合器安放深度(H)是气举反循环清孔工艺的三个主要技术参数。
气举反循环配备的空压机应根据清孔时所需的风压(P)和风量(Q)来选择。根据有关技术资料,空压机的压力(P)可按式(1)计算:
P=Hrh×10-2+△P (1)
式中:P—空压机压力,MPa;
H—气液混合器最佳安装深度/m,一般取孔深的0.6倍;
rh —泥浆密度/g/cm3,取1.15~1.18;
P—地面送风管道中的压力损失,一般取△P=0.04~0.10MPa。
在施工中,可按工地配备的空压机,根据式(1)来校核气液混合器的最佳安装深度。
空压机风量(Q)是根据导管内混合浆液上返速度及导管内径来计算的,其经验公式(2)是:
Q=0.5~06)d2ν (2)
式中:Q——所需风量/m3 /min;
d——导管内直径/m;
ν——导管内混合浆液上返流速/m/s;一般取1.5~2.0,此时泥浆排渣效果最好;
根据计算的风压和风量,可选择相应参数的空压机。
5.2 气举反循环清孔时间
气举反循环清孔时间应根据清孔的效果来确定。一般在施工中,当泥浆密度小于1.2g/cm3,泥浆粘度22—28s,含砂量小于5%时,清孔时间约45min,即可达到清孔要求。
6 应用实例
6.1 工程概况
福建省广播电视中心是省重点建设项目,是迄今为止福建省规模最大的桩基工程。工程设计总桩数1789根,桩径φ800mm,桩长约46m,混凝土方量达3.8万m3,预算造价7800万元。工程位于福州市西二环路与江滨北路交汇处。该场地下部有近20m砂层,持力层为卵石层,设计要求桩端进入持力层2m,孔底沉渣厚度不得大于75mm。
6.2 工程地质概况
场地岩土体自上而下为:
①杂填土:
厚度0.5—2.0m;
②淤泥质粘土:
厚度0.8—2.6m;
③淤泥质粉质粘土:
厚度0.7—2.2m;
④中砂:
厚度6.0—10.0m;
⑤淤泥:
厚度0.5—2.3m;
⑥中砂:
厚度4.05—8.80m;
⑦淤泥:
厚度1.5—4.0m;
⑧粉质粘土:
厚度0.5—3.2m;
⑨淤泥质粉质粘土:
厚度14.20—20.0m;
(10)粉质粘土:厚度1.0—4.0m;
(11)粉砂层:厚度1.1—4.4m;
(12)卵石层:厚度12.0—20.35m。本层为工程桩持力层。
6.3 气举反循环清孔工艺技术参数
在福建省广播电视中心桩基施工中,我们采用气举反循环清孔工艺,通过施工中实际调整、总结,最后采用表1中的技术参数。
6.4 气举反循环清孔工艺应用效果
6.4.1 根据施工资料统计,本工程实际采用气举反循环进行清孔的桩孔有1660个,经质检员和监理工程师现场检测,清孔后孔底沉渣厚度100%符合设计要求。确定孔底沉渣为零的有566个孔,占34.1%;其余桩孔孔底沉渣厚度都在50mm以下,平均沉渣厚度仅10.1mm。说明本工程采用气举反循环清孔工艺效果良好,能够满足设计要求。
6.4.2 本工程完工后由建设方、监理方及设计院随机确定14根桩进行静荷载检测,检测结果见表2。
检测结果表明:桩的承载力均≥7400kN,残余沉降量平均为19mm,都在允许范围以内,工程质量完全满足设计要求。
6.4.3 气举反循环清孔工艺的特点及操作要点
气举反循环清孔工艺在福建广电中心钻孔灌注桩施工中应用效果表明,该工艺能满足钻孔灌注桩二次清孔要求。它具有以下特点:
①清孔能力强。在本工程采用的技术参数下,经100%桩孔检测,沉渣厚度符合设计要求。排出的卵石最大粒径达140mm。
②比其他清孔工艺缩短了清孔时间,平均每孔二次清孔时间为61min。
③管道循环系统密封性能要求不高,系统安装方便。
④空压机与储气罐位置相对固定,不必频繁移动,施工中一般只要移动送风软管,降低了劳动强度。
⑤施工中空压机等机具故障少。
⑥设备费用投入低,材料消耗少,节约施工成本。
7 工艺操作要点
应用气举反循环清孔工艺中应掌握如下操作要点:
(1)当桩孔内泥浆粘度、密度较大时,常出现排浆不畅、不连续和渣石不易沉淀等情况。因此在保证孔壁稳定的前提下,应在第一次清孔时,尽量将孔内泥浆粘度调整到28s以下。
(2)施工中应控制好空压机风力和风量,避免排浆量过大时,孔口泥浆自流补给跟不上,造成孔内泥浆液面下降,影响孔壁稳定。虽然可采用3PNL泵进行孔口补充泥浆,但不仅增加了工作量,而且有时会出现从孔内排出泥浆中渣石来不及完全沉淀,就返回孔内。所以现场在满足清渣要求的前提下,应适当控制孔内排浆量,尽量提高孔口净化泥浆的补给能力与排浆量保持动态平衡。
(3)在操作过程中由于送风软管质量不好,易发生折弯堵管的情况。因此宜购买质量好、强度较高的高压风管。另外在设置空压机位置时应考虑桩孔的分布情况,确保地表送风软管最大长度控制在60m以内,以减少风压损失。
(4)在施工现场自然条件难以做到孔口自流补浆的情况下,就必须采取泥浆泵泵送孔口补浆措施,但应注意保持泵送泥浆能力与反循环排浆能力的动态平衡。
反循环回转钻 篇2
关键词：正 (反) 循环回转法,泥浆,减压钻进,泵吸式反循环
1 正循环回转法成孔
正循环回转法的工作特点是:电动机 (或其它机体) 将动力经由皮带 (或其它传动系统) 传送至转盘旋转设备, 带动它中心的空心钻杆转动, 将扭转动力传递至钻锥;钻锥受到重压切削泥沙;另用泥浆泵将泥浆经空心钻杆压入孔底后, 在钻杆外上升。泥浆将钻渣悬浮出孔外, 并起护壁作用。带有钻渣的泥浆经过沉淀净化后, 进入储浆池循环使用。
正循环回转法成孔工艺虽然也因钻机类型不同而有差异, 但其差异并不很大。通常所用的正循环回转钻机的成孔工艺如下:
1.1 钻机就位
立好钻架并调整和安设好起吊系统, 将钻头吊起, 徐徐放进护筒内。启动卷扬机把钻盘吊起, 垫方木于转盘底座下面, 将钻机调平并对准钻孔。然后装上转盘, 要求转盘中心同钻架上的起吊滑轮在同一铅锤线上, 钻杆位置偏差不得大于2cm。在钻进过程中要经常检查转盘, 如有倾斜或位移, 应及时纠正。在放钻杆上端安装提引水龙头, 在水龙头上端连接输浆胶管, 将输浆胶管接到泥浆泵上, 把提引水龙头吊环挂到起吊系统的滑轮吊钩上。取走转盘中心的方形套, 启动卷扬机吊起方钻杆穿过转盘并牢固地联结到钻头, 装好方形套夹住方钻杆, 准备钻进。
1.2 初钻
先启动泥浆泵和转盘, 使之空转一段时间, 待泥浆输进钻孔中一定数量后, 方可开始钻进。接长钻杆时, 先卸去方形套, 提升方钻杆达到钻头与钻杆相连处露出转盘为止。用钻杆夹持器卡住钻头并支承于转盘, 卸去方钻杆。然后吊起一节圆钻杆, 连接于钻头, 卸去夹持器, 把圆钻杆连同钻头放入钻孔。当圆钻杆上端接近转盘时, 照上述用夹持器支持圆钻杆, 松吊绳, 将方钻杆吊来与圆钻杆联结, 撤去夹持器, 把方钻杆降入转盘内并安好方心套, 继续钻进。以后需要接长钻杆时, 照以上步骤在方钻杆同圆钻杆之间加接圆钻杆即可, 一直钻孔到需要深度为止。卸去时亦同样办理, 只是把接长改为减短而已。接、卸钻杆的动作要迅速、安全, 争取尽快完成, 以免停钻时间过长, 增加孔底沉淀。
1.3 钻进时操作要点
1) 开始钻进时, 进尺应适当控制, 在护筒刃脚处, 应低档慢速钻进, 使刃脚处有坚固的泥皮护壁。钻至刃脚下1m后, 可按土质以正常速度钻进。如护筒外侧土质松软发现漏浆时, 可提起钻锥, 向孔中倒入粘土, 再放下钻锥倒转, 使胶泥挤入孔壁堵住漏浆孔隙, 稳住泥浆继续钻进。2) 在粘质土中钻进, 由于泥浆粘性大, 钻锥所受阻力也大, 易糊钻。宜选用尖底钻锥、中等钻速、大泵量、稀泥浆钻进。3) 在砂类土或软土层钻进时, 易坍孔。易选用平底钻锥、控制进尺、轻压、低档慢速、大泵量、稠泥浆钻进。4) 在低液限粘土或卵、砾石夹土层中钻进时, 因土层太硬, 会引起钻锥跳动、蹩车、钻杆摆动加大和钻锥偏斜等现象, 易使钻机因超负荷而损坏。宜采用低档慢速、优质泥浆、大泵量、两级钻进的方法钻进。5) 钻进过程中, 每进尺5m~8m, 应检查钻孔直径和竖直度。检查工具可用圆钢筋笼 (外径D等于设计桩径, 高度为3D~4D) 吊入孔内, 使圆笼中心与钻孔中心符合, 如上下各处均无挂阻, 则说明钻孔直径和竖直度符合要求。
1.4 泥浆补充与净化
开钻前应调制足够数量的泥浆, 钻进过程中如泥浆有损耗、漏失、应予补充。并应按前述泥浆检查规定, 按时检查泥浆指标, 遇土层变化应增加检查次数, 并适当调整泥浆指标。每钻进2m或地层变化处, 应在泥浆槽中捞取钻渣样品, 查明土类并记录, 以便与设计资料核对。
1.5 减压钻进
无论正、反循环回转钻深孔时, 若从主吊钩以下的提引水龙头、钻杆到钻锥全部钻具重力都作用于钻孔底部, 则细长的钻杆容易受压而弯曲, 造成钻孔也随着弯曲, 发生扩孔率较大的现象。为避免此现象须采取减压钻进, 即将主吊钩稍提携一些, 使孔底承受的钻压不超过钻锥重力和压重块重力之和扣除浮力后的80%, 这样可使钻杆不受压力, 而且还受一部分拉力, 在整个钻进过程中因受拉而维持竖直状态, 使钻锥回转平稳, 避免或减少斜孔、弯孔和扩孔现象。钻压值一般按经验估计, 直径1.1m的孔最大钻压为20k N左右, 直径1.5m的孔约为30k N~40k N, 根据钻压值和上述80%的要求可算出配重块的质量。
1.6 劳动组织
正循环回转钻进每台班一般配备7~11人, 其中班长兼指挥、记录1人, 司机1人, 卷扬机司机1人, 泥浆泵机电工1~2人, 装卸钻杆及清渣3~6人。
2 反循环回转成孔法
反循环回转法成孔原理和适用范围已如正循环。但其工作特点与正循环相反, 泥浆由储浆池流入或注入钻孔, 到孔底同钻渣混合, 在真空泵配合或在空气吸泥机、水利喷射泵的抽吸力作用下, 混合物进入钻锥的进渣口, 由钻杆内腔吸上, 再从出水控制阀经胶管排泄到沉淀池, 净化后到储浆池循环使用。分为泵吸式反循环和空气吸升式 (即气举式) 反循环回转方法。
2.1 反循环成孔特点
反循环与正循环相比, 除了钻孔进度较快外 (约快4~5倍) , 还需用泥浆料 (粘土) 少 (土质如用清水头护壁时可完全不用粘土) 、转盘所消耗动力较少、清孔时间较快等优点。
反循环的泵吸式与气举式及喷射式 (射流式) 的比较:由于气举式反循环是利用送入压缩空气使水循环, 钻杆内水流上升速度与钻杆内外液柱压力差有关。孔浅时供气压力不易建立, 钻杆内水流上升速度低, 排渣性能差, 如果孔的深度小于7m, 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, 钻杆内水流就能获得理想的上升速度。孔深超过50m后, 即能保持较高而稳定的钻进效率。泵吸式反循环是直接利用砂石泵的抽吸作用使钻杆内的水流上升而形成反循环的。喷射式反循环是利用射流泵射出的水流产生负压使钻杆内的水流上升而形成反循环的。这两种方法驱动水流上升的压力一般不大于一个大气压。因此, 浅孔时效率高, 孔深大于80m时效率降低较大。根据上述特点, 为了提高钻进效率, 充分利用各种反循环方式的最好工作孔段, 有时可采用其中两种相结合的复合反循环方式。
2.2 反循环回转钻进的泥浆与供水设施
反循环回转钻 篇3
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2 m以上,保持孔壁的静水压力在0.02 MPa以上,以保护孔壁不坍塌,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。
图1为正循环与反循环钻成孔法基本原理的示意图。由图1可看出2种成孔法的差异。正循环钻成孔灌注桩基本原理见本讲座第十一讲。
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,在大气压力作用下冲洗液经钻杆与孔壁间的环状空间流向孔底,与岩土钻渣组成混合液,被吸入钻杆内腔,排入地面泥浆循环系统。
(a)正循环法(b)反循环法→——冲洗液流向:→——排渣方向,→——钻进方向。
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起吸上,通过钻杆内腔上升,经排水管排入地面泥浆循环系统。图2为3种反循环钻进效率曲线图示。
a——气举反循环b——泵吸反循环c——喷射反循环
反循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(4.0 m以上)、超大深度(100 m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5 m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废泥水处理量大。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80 m,以获得较好的钻孔效果(见图2),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120 m超深泵吸反循环钻成孔灌注桩。
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型、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型等。
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、GD35型、GD40型、ZJD2500型、ZJD3000型、ZJD3500型、ZJD4000型及GM-20型等。
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、钻挺、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。反循环钻机的常用钻头如表1所示。
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→第→次处理孔底虚土(沉渣)→移走反循环钻机→测定孔壁→将钢筋笼放入孔中→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
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0.02 MPa以上,护筒内的水位要高出地下水位2 m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以稳定孔壁;延缓砂粒等悬浮颗粒的沉降,易于处理沉渣。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糊钻现象。
反循环钻机的主体可在与旋转盘离开30 m处进行操作,这使得反循环法的应用范围更为广泛。例如,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3 m),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、清渣系统的安排,以保证反循环作业时,冲洗液循环通畅,污水排放彻底,钻渣清除顺利。
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(羧甲基纤维素钠盐)、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250 mm。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次孔底沉渣处理终孔时停止钻具回转,将钻头提离孔底500～800 mm,维持约1个孔容积量的冲洗液循环,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钟,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例
工程概况
温州世贸中心大厦主楼设计2 4 2根直径1 100 mm泵吸反循环钻成孔灌注桩,孔深90～120 m,其设计承载力为14 250 kN,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10 m时,桩端须嵌入中风化岩层1.1 m以上。孔底沉渣厚度不大于50 mm,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3.0 m,勘察期间稳定水位埋深为0～2.05 m。
工程特点及难点
超深的桩长最大孔深为120 m,在桩基中罕见。
地层复杂场地下障碍物多,场地内淤泥层厚度超过30 m,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,抗压强度最大达到330 MPa,钻进难度极大。中风化残留体厚度0.5～41.0 m,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,给施工带来极大的困难。
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3.3 m。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%)。
孔壁稳定性差深度约30 m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70～90 m范围,120 m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120 m,砂石泵叶轮中心到孔内冲洗液液面高度为0.5 m,冲洗液重度为11.5 kN/m3,钻杆直径为245 mm、内径为205 mm,砂石泵泵量为120～180 m3/h;吸程为8 m。
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3.78 m水柱,小于吸程8 m水柱(计算过程从略)。
计算结果表明,当孔深120 m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245 mm钻杆情况下,泵吸反循环施工工艺可以应用于120 m的深孔,并且有较好的效果。
钻孔设备及机具的选择
根据场地工程地质条件、设计要求,结合该工程的特点,选用6台套GPS-30A型钻机配以4PNL型泥浆泵、6BSA型砂石泵、直径245 mm钻杆,主要用于施工难度较大、90～120 m的深孔。
钻进方法
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,选择合适的滚刀钻头,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22 mm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30 min,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。
二次清孔是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。
反循环回转钻 篇4
冲击反循环钻进工艺如下,是使用2根钢丝绳通过提引盘对称地提引冲击钻头,提引盘可在钻头中心管体上相对转动。在冲击液压缸的作用下,通过同步卷筒的自动调节机构,2根钢丝绳在工作状态时始终受力相等,在2根钢丝绳中空处设置排渣管,通过钻头中心管下入孔底,在钻头上下往复运动冲击破碎岩石时,用地表的砂石泵实现泵吸反循环。这样,钻头在孔底进行冲击钻进的同时,通过泵吸反循环将钻渣由孔底经排渣管、砂石泵排到地表的泥浆池中,钻渣沉淀完成渣浆分离后泥浆经过泥浆槽返回孔内继续循环排渣钻孔。它是将冲击碎岩效率高和反循环排渣快两方面优点有机地结合在一起的钻进方法。
适用地层
从应用范围来看,冲击反循环钻进是一种适应任何地层的钻进方法。冲击反循环成孔适用范围根据冲击钻与反循环钻机两方面特性进行划分,它适用于黏质土,砂土,粒径小于钻杆内径2/3且含砂量少于20%的碎石、砾石、松散卵石等地层。该工艺主要应用在回转钻进无法正常进行的各种复杂地层,如卵砾石层,泥岩,砂岩层,强、中风化的各类岩石层。该工艺除了在个别的弱风化、微风化坚硬岩石层钻进效率较低外,其他绝大多数地层都适合采用该种钻进工艺,特别是在卵砾石层、泥岩层和各类强风化岩石层及其各类不同地层共生的软硬互层,钻进效率较其他钻进方法要高出几倍。
冲击反循环钻进工艺的特点
在冲击钻进过程中,关键是冲击钻进和吸渣量是否匹配,这也是确保孔壁稳定及正常钻进的最基本、最重要的条件。在钻进过程中吸渣工作应根据钻进地层和情况而定,不应过量吸渣,以免造成孔壁失稳坍孔及发生埋钻事故。
钻进技术参数
钻进技术参数的确定是冲击反循环钻进工艺的关键。钻进速度关系式可通过以下公式推导求得:
单位时间内的冲击功A可按(1)式求得
式中V——单位时间破碎岩石的体积;
D——钻头直径;
vm——钻进速度。
因此,钻进速度的表达式为:
从式(3)不难看出:当孔径和单位体积破碎功一定时,冲击碎岩速度与钻具的质量、钻具冲击时的加速度、冲击高度和单位时间冲击次数成正比。
另外,钻具质量Q可通过(4)式表达:
式中L——钻具长度;
e——钻具平均直径;
Dck——孔径;
γ——钻具密度。
同时,从式(2)也可以看出:冲击功是影响钻进效率的最主要因素。由式(4)可知,增加钻具质量要通过增加钻具的平均直径和长度来实现,但钻具长度受到桅杆高度的限制,钻具平均直径受到孔径的限制。
同样,冲击高度越大,其冲击能量也就越大,碎岩效果也就越高,因此,实际应用中一般应尽可能采用钻机的最大行程冲击。
分析表明,冲击次数与冲击高度是一种相互制约的关系,n增加,s就相应地减小。而增大s时n减小的幅度不大;增大n时,s减小的幅度较大。因此,在实际工作中,提高s比提高n有利,它有利于增大冲击功从而提高碎岩的效率。由于钻机的冲击频次是固定的,所以也就不存在n的选择和优化的问题。
行程(卿冲击高度)的选择
行程的选择因岩、土地层不同而异,在碎石黏土、残积黏土等松软地层冲击钻进时,采用较小的行程,一般为0.6m;在强、中、微风化辉绿岩和粉砂质泥岩及灰岩、硅质岩等硬岩冲击钻进时,采用较大的行程,即0.8～1.0m。
悬距的选定
悬距是指钻头在孔内静止时,其底部到孔底的距离,合理的悬距取决于岩土的性能、孔深等因素。一般悬距可在1～4cm范围内,当在碎石黏土、残积黏土等松软地层冲击钻进时,采用较小的悬距或不留悬距;当在强、中、微风化辉绿岩硬岩冲击钻进时,采用较大的悬距,取2～4cm。
排渣方式
可选用正循环和泵吸反循环2种循环排渣方式,用反循环排渣能获得较高的钻进速度。当地层为较黏的土层时,为避免糊钻,必要时可采用正循环排渣;当钻进至强、中、微风中化辉绿岩,灰岩及硅质岩、强风化粉砂质泥岩、中风化粉砂质泥岩等硬岩层时,岩渣相对较少,视具体情况可选择采用反循环或间断反循环的排渣方式。
砂石泵流量
砂石泵流量应能保证及时排出孔内岩渣,冲击反循环钻进硬地层时,排渣不是主要问题,砂石泵的流量不必太大,因为流量太大,容易出现孔壁坍塌、孔内水位下降等诸多问题。
优缺点
优点
适应性强冲击反循环钻进工艺可解决回转钻进工艺无法克服的复杂地层钻进难题,又较其他冲击钻进工艺大大提高了钻进效率。冲击反循环钻进工艺不仅可以解决大粒径卵砾石层、溶洞性灰岩层及不完整硬岩层等复杂地层钻进,就是在黏七、砂层等软地层中也有很高的钻进效率。因此,该种工艺方法对绝大多数复杂地层都具有很高的钻进效率,显示出极大的优越性。
效率高
在激烈竞争的桩工机械市场,施工效率是关系到一个企业生存的头等大事。冲击反循环钻进工艺在复杂地层中充分体现了效率高的特点。现以长余高速松花江大桥桩基工程为例,孔径2000mm,孔深50m,施工地层为:20m以上为黏土、粉细砂,其中有6m卵砾石、下部是强一微风化泥岩夹砂岩层,采用回转反循环施工工期为28天,冲击反循环施工工期为12天。
孔底沉渣少
采用冲击反循环工艺施工的钻孔,由于钻进中始终进行连续的反循环排渣,钻2.山东省地质探矿机械厂生产的CJF～2型冲击反循环钻机的技术参数未列入本表。渣被及时携带出孔内,在泥浆池中沉淀下来,因此孔底始终比较干净,不像回转钻进那样形成大量泥皮挂在孔壁上,所形成的钻孔极有利于水下混凝土灌注。
注:1.西安探矿机械厂研制出FCZ～6型强制式冲击反循环钻机。
钻孔垂直度高
该工艺采用2根钢丝绳提动钻头,行程为0.5～1.2m,一般为0.8m,行程较小,钻进中钻头工作平稳,每一次提拉又都是对钻头所作的一次垂直度较正,因此钻孔的垂直度很高。
市场占有率高
当前的公路、铁路都是采用贷款或由投资商投资形式建设,建设单位十分注重回款速度,对施工工期的要求很严格,冲击反循环钻进工艺正是以它相对较高的钻进效率和较强的适应性赢得复杂地层的施工需要,也越来越多地受到建设单位的青睐。
缺点
需要专用钻机设备,不能与回转钻机直接配套应用;配套钻机较笨重;成本较高;冲击振动噪声大,对周围产生较大影响;钻机功率大,耗电量高;钻机结构复杂,体积大。
施工机械与设备
钻机
基本情况冲击型反循环钻机,是将传统的钢丝绳冲击钻进方式和反循环连续排渣技术结合起来的新型钻桩施工设备,这种设备既保留了传统冲击式钻机成本低、适应地层广等特点,又克服了其不能连续排渣、重复钻进多、钻进效率低等不足,可大大提高钻进效率,使冲击钻进技术发展到一个新的水平。表1为国产冲击反循环钻机技术参数一览表。
分类
目前,冲击反循环钻机使用的冲击反循环钻机主要有两类:一类是卷扬机式冲击反循环钻机,另一类是曲柄连杆游梁式冲击反循环钻机。
这2种类型的冲击反循环钻机均以机械传动为主。卷扬机式冲击反循环钻机通过卷扬机交替正转和反转,经钢丝绳和钻塔提动钻头上升和下降,实现冲击作业。卷扬机的正、反转切换通过离合器来完成。由于离合器需要频繁的接合和脱离,离合器易发热烧损,卷筒和钢丝绳也较易磨损,钻机的冲击频率一般为5～10次/min,自动控制程度较低。
曲柄连杆游梁式冲击反循环钻机是通过曲柄连杆机构将齿轮的旋转运动变为游梁的上下摆动,经钻塔由钢丝绳带动钻头上下运动,实现冲击工作。钻头放入钻孔和提出钻孔由卷扬机来完成。该类钻机由于在传动链上主要采用了齿轮、链轮和链条等机械零件,比卷扬机式冲击反循环钻机结构简单,钢丝绳磨损小,易于实现自动冲击。在设计中,通常采用大齿轮兼作曲柄,从而改善大齿轮轴的受力状态;通过合理设计机构的几何参数,充分利用4杆机构的“急回”作用,使该机构的上升角比下落角大28°左右,能较好地解决“慢提快放”问题;适当加大冲击梁的重量,使电机的负载较为均匀,并节省动力。
传动方式可分为机械和液压2种类型。以机械传动为主的钻机,自动化程度低,操作较费力,钻机结构复杂,易损件多,由于受结构的影响,工作能力受到限制,钻机配备的冲击钻头质量一般都小于5000kg,无法满足大直径钻孔灌注桩的施工要求。全液压冲击反循环钻机,如表1中的YCJF～25型钻机,可改变机械式冲击反循环钻机的上述缺点,钻头质量可达8000kg,可满足大直径钻孔灌注桩的施工要求。
主要机构
机械传动式的冲击反循环钻机主要由传动系统、冲击机构、提引系统、冲击钻头、排渣系统、钻架及底盘和电气控制柜等7部分组成。
液压传动式冲击反循环钻机(如Y CJ F-25型钻机)主要由液压动力站,液压步履,液压操作台,主、副卷扬机,导绳架,钻塔,液压缸冲击机构,缓冲机构,冲击钻头及排渣系统等组成。
CJF系列冲击反循环钻机
工作原理
CJF系列冲击反循环钻机为双绳冲击、泵吸反循环排渣、钻头压岩角度自旋的冲击反循环工程钻机。
CJF钻机工作原理是借助一定质量的钻头,通过自动提升一定的高度,周期性地冲击孔底,造成岩石的脆性破碎,出现崩离体而获取进尺。每冲击一次之后,钻头由钢丝绳提起,并变换一定角度,同时,利用泵吸反循环吸出岩屑,清洁孔底,减少重复破碎,从而保证钻孔园形断面的形成。
碎岩机理是利用冲击载荷碎岩,钻头冲击点的接触应力瞬间可达极高值,应力较集中。虽然理论上岩石的动硬度比静压度大,但仍然可达极高值,极易产生裂纹,而且冲击速度越大,岩石的脆性也增大,更有利于裂隙发育。
工作特点该机主要应用于深桩基施工、大直径钻孔灌注桩施工以及地下连续墙施工;应用于基岩,尤其在卵砾石层和中硬岩地层中施工具有较高的钻进效率。参数选择合理,以机械传动为主,结构简单,布局紧凑,操作方便,性能稳定,标准化通用程度高,维修便利;钻头载荷质量大,行程大,频率高,能形成较大冲击功;反循环排渣工艺排渣效率高,碎岩效果较好。采用同步双筒卷扬机结构,钻头提升两根左右旋向钢丝绳能严格同步,利用压梁冲击,通过缓冲机构在往复工作中突然变化的冲击力吸收缓冲,以保证钻头的平衡起落,延长钢丝绳寿命,实现工作性能稳定可靠;同时,钻机设有液压步履结构,整机调整水平和多方位移位方便,省时省力,钻塔液压起落安全、平稳,组装方便。
YCJF-20冲击反循环钻机
主要机构
如图2所示,钻机的冲击动作由液压缸冲击机构来完成。该机构由特殊设计的液压缸和带有导向装置的冲击轮组组成,液压缸冲击机构安装在钻塔的上部,从液压动力站来的液压油进入冲击液压缸下腔,推动液压缸活塞杆上升并通过钢丝绳带动钻头上升,当达到预定高度时,用手动或自动控制使液压缸换向,液压缸下腔的液压油能快速排出,钻头带动液压缸活塞杆下落并冲击孔底。
缓冲机构用来吸收液压缸冲击机构的冲击力和导正钻塔前后的钢丝绳,使钻塔垂直受力。其上设有传感器,当钻孔加深、钻头的冲击力不能完全使用在孔底时,传感器将发出信号,卷扬机将自动放绳给进。
主、副卷扬机由液压马达驱动,工作速度可无级调整。主卷扬机用以提升或下放钻头,该卷扬机为双绳双卷筒,设有差动机构。在液压缸冲击机构工作时,卷扬机由抱闸抱死,在差动机构的作用下,可使两根钢丝绳的拉力保持平衡,以保证钻头不发生倾斜。副卷扬机用于提动排渣管。
钻机性能特点①钻机为全液压传动,传动平稳,噪声低,功率消耗小,过载保护好,钻机质量轻。②该机实现了机、电、液一体化,自动冲击采用了单板微机控制,因此操作集中、方便、省力、可靠,可任意选择自动冲击或手动冲击,冲击行程、冲击频率可无级调整,能适应多种工况。③具有自动给进功能,在冲击过程中,根据冲击钻头进尺情况,可适时、适量自动放绳,能有效地提高钻进效率。④冲击方式独特,钻头能平稳提升,而冲击时由于液压缸下腔排油阻力非常小,同时活塞杆与钻头的行程有倍增关系,钻头以比活塞杆快近1倍的速度下落,所以钻头能以自由状态下落,冲击力大。因该钻机配备的钻头质量大,钻头工作平稳,所以能适应大口径施工,成孔质量好。在冲击工作中钻机运动件少,工作惯性小,因此钻机易损件少,工作寿命长。⑤配有液压步履,在施工现场可方便移位,液压步履与钻机可一体运输。⑥钻塔起、落为液压控制,平稳、安全、操作方便。