浅谈气举反循环钻孔施工工艺_secret.doc

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，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，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。4.6 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-3500ZJD-3000/210投入数量共2台共6台最大钻孔口径（m）3.53.0最大钻孔深度（m）150150输出扭矩（kNm）240210最大提升能力(kN)15001500最大钻速（rpm）1821钻杆内径（外径壁厚）（mm）3772437722配重(kN)不小于300KN不小于300KN整机尺寸（m）4.986.157.304.123.987.30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（m3/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-200200744814000泥浆净化器ZX-250250744814000 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/min2975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/min20外形尺寸2301602006 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/cm3左右,粘度在2328 s之间,加碱量为膨润土量的5%。钻进过程中,泥浆密度控制在1.101.25 g/cm3,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1.021.06162049520312.5810易坍地层1.061.10182849520312.5810卵石土1.101.15203549520312.58106.2 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，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，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)/h/23Q=900Dp2Vp/(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，m3/h；DP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，VP=8 m/s；Q风为所需压风机风量，m3/h。与的关系 表50.300.400.500.550.600.650.700.750.800.900.370.440.500.540.570.590.600.620.630.64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