桩基础施工新技术：正循环钻成孔灌注桩(组图)-第一工程机械网

正循环钻成孔灌注桩基本原理

正循环钻成孔施工法是由钻机回转装置带动钻杆和钻头回转切削破碎岩土，钻进时用泥浆护壁、排渣；泥浆由泥浆泵输进钻杆内腔后，经钻头的出浆口射出、带动钻渣沿钻杆与孔壁之间的环状空间上升到孔口溢进沉淀池后返回泥浆池中净化、再供使用。这样，泥浆在泥浆泵、钻杆、钻孔和泥浆池之间反复循环运行。

桩基础施工配图2

桩基础施工

优缺点

优点

①钻机小、质量轻，狭窄工地也能使用。②设备简单，在不少场合，可直接或稍加改进地借用地质岩心钻探设备或水文水井钻探设备。③设备故障相对较少，工艺技术成熟，操作简单，易于掌握。④噪声低，振动小。⑤工程费用较低。⑥能有效地使用于托换基础工程。⑦有的正循环钻机(如日本利根THS-70型钻机)可打倾角10°的斜桩。

缺点

由于桩孔直径大，正循环回转钻进时，其钻杆与孔壁之间的环状断面积大，泥浆上返速度低，挟带泥砂颗粒直径较小，排除钻渣能力差，岩土重复破碎现象严重。

适用范围

正循环钻进成孔适用于填土层、淤泥层、黏土层、粉土层、砂土层，也可在卵砾石含量不大于15%、粒径小于10 mm的部分砂卵砾石层和软质基岩、较硬基岩中使用。桩孔直径一般不宜大于1 000 mm，钻孔深度一般约以40 m为限，在某些情况下，钻孔深度可达100 m以上。

正循环钻进与反循环钻进分析对比

从使用效果看，正循环钻进劣于反循环钻进。从本讲座(十二)可知，反循环钻进时，冲洗液是从钻杆与孔壁间的环状空间中流入孔底，并携带钻渣，经由钻杆内腔返回地面。由于钻杆内腔断面积比钻杆与孔壁间的环状断面积小得多，故冲洗液在钻杆内腔能获得较大的上返速度。而正循环钻进时，泥浆运行方向是从泥浆泵输进钻杆内腔，再带动钻渣沿钻杆与孔壁间的环状空间上升到泥浆池的，故冲洗液的上返速度低。一般情况下，反循环冲洗液的上返速度比正循环快40倍以上。

在孔底沉渣消除方面，反循环较之正循环有利，但当使用普通泥浆从维护孔壁的稳定来看，正循环成孔较之反循环成孔有利。因为从孔壁维护原理来分析，正循环在成孔过程中孔内泥浆柱具有一定的压力(与泥浆相对密度和深度有关)，而孔壁的地层又具有一定的渗透性，一般情况下泥浆柱的压力大于孔壁地层压力，在压力差的作用下泥浆中的自由水向孔壁渗透；而固体颗粒则粘附在孔壁上形成泥皮起到护壁作用，当二次清孔后虽然泥浆柱的压力减小，但由于孔壁泥皮的作用，不会引起地层压力大于泥浆柱压力而发生径缩现象。而反循环成孔，是向孔内灌入清水或稀泥浆为主，在孔壁周围很难形成泥皮，主要靠孔内的泥浆柱压力来平衡孔壁地层的压力。但是上海、宁波及绍兴等地区的地下水位很高，一般在地面下1.0 m左右，仅靠这点静水压力，再提高1.0 m水位很难维护孔壁的稳定，因而可能产生径缩现象。

因此，在类似上海、宁波及绍兴等地区一些特定的地层条件下，采用正循环成孔、反循环清渣还是比较合适的方法。

采用优质泥浆，选择合理的钻进工艺与合适的钻具及加大冲洗液泵量等措施，正循环钻成孔工艺也可以完成100 m以上的深孔施工，如黄河三角洲地区钻孔灌注桩，桩径有1.50 m和2.00 m，桩长110～120 m的案例；山东东菅市利津黄河大桥钻孔灌注桩，其桩径为1.50 m，桩长115 m；上海、宁波及绍兴地区正循环钻成孔灌注桩的桩长在70~90 m的例子不计其数。

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施工机械与设备

正循环回转钻机分类

单一的正循环回转钻机常用的国产正循环回转钻机有前上海探矿机械厂的GPS-10型、SPJ-300型和SPC-500型，天津探矿机械厂的SPC-600型，郑州勘机厂的红星-400型、XF-3型，重庆探矿机械厂的GQ-80型及张家口探矿机械厂的XY-5G型等。

正、反循环钻进两用回转钻机常用的国产正反循环两用的回转钻机有郑州勘机厂的KP3500型、QJ250型、QJ250-1型、KP2000型、KP2000A型和2J150-1型，武汉桥机厂的BRM-08型、BRM-1型、BRM-2型和BRM-4型及双城钻机厂的S2-50型等。

直接借用或稍加改进后使用的水文水井钻机或地质岩芯钻机。

正循环回转钻机组成

正循环钻机主要由动力机、泥浆泵、卷扬机、转盘、钻架、钻杆、水龙头及钻头等组成。

钻杆钻机上主动钻杆截面形状有四方形和六角形2种，长5～6 m；孔内钻杆一般均为圆截面、外径有89 mm、114 mm和127 mm等规格。

水龙头水龙头的通孔直径一般与泥浆泵出水口直径相匹配，以保证大排量泥浆通过。水龙头要求密封和单动性能良好。

钻头正循环钻头按其破碎岩土的切削研磨材料不同，分为硬质合金钻头、钢粒钻头和滚轮钻头(又称牙钻钻头)。

正循环钻头按钻进方法可分为全面钻进钻头(双腰带翼状钻头及鱼尾钻头等)、筒状肋骨合金取芯钻头和分级扩孔钻进钻头。

全面钻进即全断面刻取钻进，一般用于第四系地层以及岩石强度较低、桩孔嵌入基岩深度不大的情况。取芯钻进主要用于某些基岩(如比较完整的砂岩、灰岩等)地层钻进。分级扩孔钻进即按设备能力条件和岩性，将钻孔分为多级口径钻进，一般多分为2～3级。

施工工艺

施工程序

正循环钻成孔灌注桩施工程序如下：①设置护筒。护筒内径较钻头外径大100～200 mm。如所下护筒太长，可分成几节，上下节在孔口用铆钉连接。护筒顶部应焊加强箍和吊耳，并开水口。护筒入土长度一般要大于不稳定地层的深度；如该层深度不大，可用2层护筒，2层护筒的直径相差50～100 mm。护筒可用4～8 mm厚钢板卷制而成。护筒上部应高出地面200 mm左右。②安装正循环钻机。③钻进。④第一次处理孔底虚土(沉渣)。⑤移走正循环钻机。⑥测定孔壁。⑦将钢筋笼放入孔中。⑧插入导管。⑨第二次处理孔底虚土(沉渣)。⑩水下灌注混凝土，拔出导管。拔出护筒，成桩。

施工特点

与反循环钻进相比，正循环回转钻进时，泥浆上返速度低，排除钻渣能力差，为缓解上述问题，需特别重视。在正循环施工中，泥浆具有举足轻重的作用：保持足够的冲洗液(指泥浆或水)量是提高正循环钻进效率的关键。制备泥浆是正循环钻成孔灌注桩施工的关键技术之一。

泥浆质量的好坏直接关系到桩的承载力。泥浆的作用：平衡压力，稳定孔内水位，保持孔壁稳定，防止坍塌，携带钻渣和清孔。正循环钻进对泥浆要求较为严格，泥浆的调配主要考虑以下几方面：护壁、防坍塌，悬浮携带钻渣、清孔、堵漏、润滑和冷却钻头、提高钻进速度。

泥浆性能指标应符合下列技术要求：①泥浆相对密度为1.05～1.25。②漏斗粘度为16～28 s。③含砂率小于4%。④胶体率大于95%。⑤失水量小于30 mL/30min。

桩孔直径大时，可将泥浆相对密度加大到1.25，粘度28 s左右。

施工要点

施工期间护筒内的泥浆面应高出地下水位1.0 m以上，在受水位涨落影响时，泥浆面应高出最高水位1.5 m以上；护筒埋设应准确、稳定，护筒中心与桩位中心的偏差不得大于50 mm；护筒的埋设深度在黏性土中不宜小于1.0 m，在砂土中不宜小于1.5 m，护筒下端应采用黏土填实。

安装钻机时，转盘中心应与钻架上吊滑轮在同一垂直线上，钻杆位置偏差不应大于20 mm。使用带有变速器的钻机，应把变速器板上的电动机和变速器被动轴的轴心设置在同一水平标高上。

初钻时应低挡慢速钻进，使护筒刃脚处形成坚固的泥皮护壁，钻至护筒刃脚下1.0 m后，可按土质情况以正常速度钻进。

钻具下入孔内，钻头应距孔底钻渣面50～80 mm，并开动泥浆泵，使冲洗液循环2～3 min，然后开动钻机，慢慢将钻头放到孔底，轻压慢转数分钟后，逐渐增加转速和增大钻压，并适当控制钻速。

正常钻进时，应合理调整和掌握钻进参数，不得随意提动孔内钻具。操作时应掌握升降机钢丝绳的松紧度，以减少钻杆、水龙头晃动。在钻进过程中，应根据不同地质条件，随时检查泥浆指标。

根据岩土情况，合理选择钻头和调配泥浆性能。钻进中应经常检查返出孔口处的泥浆相对密度和粒度，以保证适宜地层稳定的需要。

在黏土层中钻孔时，宜选用尖底钻头、中等转速、大泵量以及稀泥浆的钻进方法。

在粉质黏土和粉土层中钻孔时，泥浆相对密度不得小于1.1，也不得大于1.3，以有利于进尺为准。上述地层稳定性较好，可钻性好，能发挥钻机快钻优点，产生土屑也较多，所以泥浆相对密度不宜过大，否则会产生糊钻、进尺缓慢等现象。

在砂土或软土等易塌孔地层中钻孔时，宜采用平底钻头、控制进尺、轻压、低挡慢速、大泵量和稠泥浆(相对密度控制在1.5左右)的钻进方法。

在砂砾等坚硬土层中钻孔时，易引起钻具跳动、憋车、憋泵、钻孔偏斜等现象，操作时要特别注意，采用低挡慢速、控制进尺、优质泥浆、大泵量、分级钻进的方法为宜。必要时，钻具应加导向，防止孔斜度超差。

在起伏不平的岩面、第四系与基岩的接触带以及溶洞底板钻进时，应轻压慢转，待穿过后再逐渐恢复正常的钻进参数，以防桩孔在这些层位发生偏斜。

在同一桩孔中采用多种方法钻进时，要注意使孔内条件与换用的工艺方法相适应。如基岩钻进由钢粒钻头改用牙轮钻头时，须将孔底钢粒冲起捞净，并注意孔形是否适合牙轮钻头入孔。牙轮钻头下入孔内后，须轻压慢转，慢慢扫至孔底，磨合5～10 min，然后逐步增大钻压和转速、防止钻头与孔形不合引起剧烈跳动而损坏牙轮。

在直径较大的桩孔中钻进时，在钻头前部可加一小钻头，起导向作用，在清孔时，孔内沉渣易聚焦到小钻孔内，并可减少孔底沉渣。

加接钻杆时，应先将钻具稍提离孔底，待冲洗液循环3～5 min后，再拧卸加接钻杆。

钻进过程中，应防止板手、管钳、垫叉等金属工具掉落孔内，损坏钻头。

如护筒底土质松软出现漏浆时，可提起钻头，向孔中倒入黏土块，再放入钻头倒转，使胶泥挤入孔壁堵住漏浆空隙，稳住泥浆后继续钻进。

钻进过程中，应在孔口换水，使泥浆中的砂粒在沟中沉淀，并及时清理泥浆池和沟内的沉砂杂物。

终孔并经检查后，应立即进行第一次清孔，清孔时应采取边钻孔、边清孔、边观察的办法，以减少清孔时间。在清孔时逐渐对孔内泥浆进行置换，清孔结束时应基本保持孔内泥浆为性能较好的浆液，这样可有效地保证浆液中的胶体量，使孔内钻屑及砂粒与胶体结合，呈悬浮状，防止钻屑沉入孔底，从而造成孔底沉渣超标。清孔可采用正循环清孔或压风机清孔方法。

在灌注混凝土之前进行第二次孔底沉渣处理，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。#d1cm#page#

超百米深正循环钻成孔灌注桩施工

工程概况

东营黄河公路大桥主桥基础采用直径1.5 m超长钻孔灌注桩，共206根计22 670延米。其中9、10号主墩分别设置49根长115 m的群桩基础；8号墩设置42根长108 m的群桩基础；11号墩设置42根长112 m的群桩；7、12号墩设置长为90 m的群桩基础；桩中心间距3.9 m。桩基采用C30防腐混凝土，混凝土配合比中掺加了一定量的矿物质超细粉和高效减水剂。

桩基位置处原地面以下3层为透水性强、触动易液化的软塑、局部流塑状的粉细砂、粉砂土层。3层以深的地层基本为粉砂土与粉质黏土交替布置，局部地层中夹杂厚度不等的粉细砂薄层，地质条件复杂。

钻孔方法的确定

因该桥桥位处的地质条件复杂，上部地层多为液化性流塑状砂土，地层中不含卵石，在钻进过程中地层极不稳定，且成孔较深，成孔周期较长，需要良好的泥浆护壁，因此从施工质量、安全控制方面考虑，选用了正循环回转钻进方法。

钻孔设备及机具的选择

根据该工程孔深及地质情况，选用扭矩大、稳定性好的钻机，采用正循环方法作业。经比较，选用GW-250型全液压回转钻机。选用2台3PN型砂石泵，排渣方式为泵吸正循环。钻头用双腰带笼式锥形硬质合金梳齿钻头，φ201 mm×3 800 mm主动钻杆，φ219 mm×3 000 mm圆钻杆。

钻机及钻杆安全性能验算

钻机性能 GW-250型全液压回转钻机主要性能如下：钻孔直径2 500 mm，钻孔深度150 m，转盘扭矩80 kN•m，提升能力450 kN，驱动动力功率75 kW，钻机质量22 t。

钻杆安全性能验算由于超长钻孔桩的钻杆受力比较复杂，正循环回转钻机的钻杆在传递动力时，钻杆的上段受拉，下段受压，同时还应以受弯曲应力和扭曲应力来验算钻杆截面是否安全，以免在钻进过程中钻杆因被扭断而发生施工隐患。

经钻杆压应力、弯曲应力、扭转应力、拉应力和受压段合成应力的计算，均满足施工要求。

施工情况 GW-250型全液压回转钻机稳定性好，振动小，对相邻孔位和钻孔平台施工干扰较小，适合于较软弱的粉砂土、黏性土地质条件下桩基施工，施工质量均满足设计要求(孔的倾斜度≤0.5%、孔位偏差≯5 cm)，进度也较为理想，根据钻孔资料统计，平均8天左右成一个孔。

超长正循环钻孔桩施工控制事项

泥浆指标参数表

正确埋设护筒护筒选用10 mm厚钢板卷制而成，直径比桩径大200 mm，岸上桩孔护筒长度为3 m，埋设定位要准确，径向偏差小于10 mm，护筒四周填入黏土并分层捣实。水上施工时，护筒长度据地层情况为17～21 m。为保证护筒埋设精度，埋设前调整好导向架，然后用起重机配合DZ120型振动锤分数次把护筒振动打入至设计标高。在护筒沉入过程中，2台经纬仪成90°角观测其垂直度，发现偏斜及时纠正。水上施工时要求把承台全部护筒一次性埋设完毕。

严格控制钻孔顺序因工期紧，每个钻孔平台位置摆放5台钻机同时作业施工，为确保施工中成孔的质量，必须首先对钻孔顺序进行合理编排。为此在钻机施工前2～3天将护筒打入设计深度，使之静置1～2天，使因插打钢护筒振动液化的砂土重新固结，防止在钻孔过程中因砂土液化发生涌砂及串孔现象；另外桩间距较小，为防止两相邻钻机作业时由于振动或相互间水头作用影响而使下部的地层发生扰动，严禁相邻两根桩同时开钻，在实际钻进时按隔桩钻进的原则施工。

合理控制转速泥浆指标是保证成孔的关键，泥浆密度及黏度偏低则容易坍孔；偏高则不利于钻进，且会造成孔壁泥皮过厚而降低桩侧阻力。结合实际情况，对于粉砂土地层，采用水、膨胀土和碱按一定比例配制泥浆进行护壁；对于粉质黏土地层，直接利用自身黏土造浆护壁。泥浆性能指标见附表。

开始钻进时保持低挡慢速进行，泥浆密度取控制的上限，使之起到护壁的作用；刚开钻时泥浆密度有一个相对稳定时期，每隔15～20 min检测泥浆指标并及时调整；根据钻杆进尺，当钻头接近护筒底部时，要特别注意将转速放至最慢挡位且调整泥浆密度至最大，使护筒底部有足够的泥浆护壁，防止护筒底部薄弱环节出现坍孔、涌砂事故。根据地质条件，该桥位处多是砂类土，易坍孔，所以在钻进过程中要控制进尺、轻压、低挡慢速进行，施工中将钻头适当提起，防止出现钻头及钻杆的重力全部靠孔底砂土承受形成扩孔。根据排出泥浆情况判断钻井所到地层，据此调整转速。

密切关注钻杆完好程度当一节钻杆钻完后，应停止进尺，然后停泵加接钻杆接头，此时需要仔细检查钻杆接头的磨损及密封情况，以防止漏气、漏水。

针对孔斜所采取的措施 ①在钻机安装就位前，增加枕木数量，保证钻塔平稳牢固，以使钻机在钻进过程中不发生倾斜。安装就位时，除保证钻机水平外，还要对钻机的天车、主动钻杆中心、桩位进行校正，确保三点一线。②使用导正性能较好的笼式双腰带钻头，上下腰带间距1.5 m，在钻头上部加导正器，导正器腰带与钻头腰带间距约3 m，增强了钻具的导正效果。③钻杆使用导正性较好的高强度法兰盘和牙嵌法兰盘接手，钻杆连接后钻杆柱保持垂直状态。④全孔减压钻进，在满足钻压的前提下，钻杆柱处于悬吊状态，保证钻具垂直钻进。⑤遇地层变化接触面孔段时，放慢进尺速度，钻头穿过接触面进入下一地层后，拉起钻头进行重复钻进，预防不平整接触面造成的孔斜。

针对钻进效率低所采取的措施 GW-250钻机设计最大转速为11 r/min，因转速较慢制约了钻进效率。后经与厂家联系对钻机进行改造，将转速提高到24 r/min，使单桩成孔由原来的11天提前到5~6天，钻进效率明显提高。

为解决排渣问题，采取下列措施：用2台或3台泥浆泵并联供给泥浆，基本满足钻进流量要求，泵量增大，流速加快，增强了泥浆携带钻粉的能力；根据施工现场条件，加大泥浆循环池体积、延长泥浆循环路径，以利于钻渣的沉淀，减少其重复破碎，提高钻效。

针对清孔难所采取的措施采取加大冲洗液泵量的措施，是解决清孔难题的主要措施。通过在泥浆中加入优质膨润土和化学外加剂(Na2CO3、NaOH)调制泥浆黏度，保证其漏斗黏度18～22 s，及时排除废弃泥浆，勤捞钻渣，补充优质泥浆，提高泥浆悬浮携粉能力。严格要求钻杆接手的密封性，保证冲洗液全部送达孔底。

东营黄河公路大桥主桥206根超长群桩施工中，桩基的垂直度及孔径控制良好，没有发生缩径及孔斜等质量事故。经过对所有的桩基进行100%无破损检测及3%抽检钻心取样检验，其结果均为I类桩。

施工实践表明，进行超深大直径正循环钻成孔灌注桩施工，只要设备选型得当，技术措施合理，施工管理到位，现场监控得力，就会得到理想的施工效率和成桩质量。（作者：沈保汉北京市建筑工程研究院）