正循环钻孔灌注桩成孔工艺

正循环钻孔灌注桩成孔工艺

1基本原理及适用范围

1.1基本原理

在钻机驱动钻具回转的同时，利用泥浆泵通过水龙头、钻杆内孔向孔底输送

冲洗液（清水，更常用的是泥浆）冲洗孔底。携带岩屑的冲洗液沿钻杆与孔壁之

间的外环空间上升，从孔口流向沉淀池，形成正循环排渣系统，因此，称之为冲

洗液正循环回转钻进，简称正循环回转钻进。这是水井、油气井和岩心钻孔常用

的钻井方法，如下图所示。

图427正循环钻成孔施工法

1-钻头,2-泥浆循环方向,3-沉淀

池及沉Sh4-泥浆池及泥浆,5-泥

浆泵,6-水龙头；7-砧杆,8-钻机回

转装置

1.2优缺点

1、优点

1）钻机小，质量轻，在狭窄工地也能使用。

2）设备简单。在不少场合，可直接或稍加改进，借用地质岩心钻探设备或

水文水井钻探设备进行钻孔。

3）设备故障相对较少，工艺技术成熟、操作简单、易于掌握。

4）噪音低、振动小。

5）工程费用较低。

6）能有效地用于吒换基础工程。

7)有的正循环钻机(如日本利根THS-70钻机)可打倾角为10。的斜桩。

2、缺点

由于桩孔直径大，正循环回转钻进时，其钻开与孔壁之间的环状断面积大，

泥浆上返速度低，挟带泥沙颗粒直径小，排渣能力差，岩土重复破碎现象严重，

工效低。

3、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，也可以

在卵砾石含量不大于15%,粒径小于lOnim的部分砂卵石层和软质基岩等地层。

正循环钻进排渣能力随钻孔直径加大而明显降低，所以正循环钻进在小直径

钻孔中工效更高。

2正循环钻机及钻头

2.1正循环钻机

正循环钻机主要由动力机(电动机或柴油机)、泥浆泵、卷扬机、转盘、钻

架、钻杆、水龙头和钻头等组成。

常用正循环钻机如下表。

常用正循环钻机表表4.2T

提升能力驱动

钻孔转盘扭钻机

钻机钻孔直径(kN)动力

生产厂家深度矩质量

型号(nun)主卷副卷功率

(m)(kNm)(t)

扬机扬机(kW)

400〜

GPS-10上海探机厂508.029.419.6378.4

1200

SPJ-300上海探机厂3005007.029.419.6606.5

SPC-500上海探机厂50050013.049.09.8752.6

SPC-600天津探机厂60050011.5752.39

GQ-80重庆探机厂40600-8005.530.0222.5

2.2正循环钻头

正循环钻头按钻进方法可分为全面钻进钻头、取芯钻头和分级扩孔钻进钻

头。

全面钻进即全断面钻进，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。

正循环钻机的钻头结主要有以下几种：

1、双腰带翼状钻头

1）钻头组成

双腰带翼状钻头上腰带为钻头扶正环，下腰带为导向环，两腰间的距离为钻

头直径的1〜1.2倍，硬质合金刮刀式翼板焊接在钻头体中心管上。钻头下部带

有钻进时起导向作用的小钻头。

2）钻进特点

在钻压和回转扭矩的作用下,合金钻头切削破碎岩土而获得进尺。切割卜.来

的钻渣，由泥浆携带出桩孔。对第I四系地层的适应性好，回转阻力小，钻头具有

良好的扶正导向性，有利于清除孔底沉渣。

3）适用范围

双腰带翼状钻头钻压（800〜1200）N/每片刀具，转速n=60V/nD,适用于

黏土层、砂土层、砂砾层、粒径小的卵石层和风化基岩。如下图所示:

图4.2-2双腰带翼状钻头结构示意图

卜钻头中心管；2-斜撑杆；3-护正环；4-

合金块,5横撑杆，6-竖撑杆〃-导正环；

8-肋骨块,9-翼板；1A切削具；11-接头；

12-导向钻头

2、鱼尾钻头

1）钻头组成

钻杆接头与厚钢板焊接，在钢板的两侧、钻杆接头下口各焊一段角钢，形成

方向相反的两个泥浆口，在鱼尾的两侧边上镶焊合金。

2）钻进特点

在钻压和回转扭矩的作用下，合金钻头切削破碎岩土而获得进尺。切割下来

的钻渣，由泥浆携带出桩孔。此种钻头制作简单，但钻头导向性差，钻头直径一

般较小，不适宜直径较大的桩孔施工。

3）适用范围

鱼尾钻头钻头钻压（800-1200）N/每片刀具，转速n=60V/nD,适用于黏

土层和砂土层。如下图所示:

1

图4.2-3鱼尾钻头结构示意图

1-接头；2-出浆孔；3-刀刃

3、合金扩孔钻头

1）钻头组成

钻头由钻头体、护板、翼片、合金和小钻头组成。钻头体上焊6片螺旋形翼

片，其上镶有合金，起扩孔作用。翼片下部连接一个起导向作用的小钻头。

2）钻进特点

冲洗液顺螺旋翼片之间的空隙上返，形成旋流，流速增大，有利于孔底排渣。

3）适用范围

合金扩孔钻头适用于黏土层和砂土层。如下图所示：

图4.2-4螺旋M片式合金扩孔钻头

1--头体、2-护板，3翼板，4•合金।

5-小站头体

4、筒状肋骨合金取芯钻头

1）钻头组成

钻头由钻杆接头、筒状钻头体、加强筋板、肋骨块和硬质合金片组成。

2）钻进特点

主要用于某些基岩（比如比较完整的砂岩、灰岩等）地层钻进，以减少破碎

岩石的体积，增大钻头比压，提高钻进效率。

3）适用范围

筒状肋骨合金取芯钻头适用于砂土层、卵石层和一般岩石地层。如下图所示:

3

图4.2-5筒状肋件合金取芯帖头

1书杆横头,2加强筋板,3•钻头体,

4肋骨块,5合金片

5、钢粒全面钻进钻头

1）钻头组成

钻头由钻杆接头、筒状钻头体、加强筋板、短钻杆（或钢管）和水口组成。

2）钻进特点

钢粒钻进是利用钢粒作为碎岩磨料，达到破碎岩石而进尺。泥浆的作用不仅

是悬浮携带钻渣、冷却钻头，而且还要将磨小、磨碎失去作用的钢粒从钻头唇部

冲出。

3）适用范围

筒状肋骨合金取芯钻头的钻压为钻头唇面压住钢粒的面积与单位有效面积

上压力的乘积，转速n=（50〜120）r/min,主要适用于中硬以上的岩层，也可

以用于大漂砾或大孤石。如下图所示：

图4.2-6制敕全网站进站关

】一贴杆接头，2•加强筋板,3-站头

体.4-烟帖头（或物管）,5-水口

3施工工艺

3.1施工流程

正循环钻成孔灌注桩施工流程如下：

1、设置护筒

护筒内径较钻头外径大10〜20cm。如所下护筒太长，可分成几节，上下节

护筒在孔口处用法兰等连接。护筒顶部应焊加强筋和吊耳，并开水口。护筒入土

长度一般要大于不稳定地层的深度；如该层深度太大，可用两层护筒，两层护筒

的直径可相差5〜10cm。护筒应根据桩径、土层、埋设等因素设计。护筒上部应

高出地面20cm左右。

2、安装正循环钻机。

3、钻进。

4、第一次处理孔底渣土。

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。

10、水下灌注混凝土，拔出导管。

11、拔出护筒。

3.2施工特点

1、保持足够多的冲洗液量

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，需要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(泥浆和水)量是提高正循环钻进效率的关键。

对于合金钻头，冲洗液量按下式确定：

Q=60X103Fv(4.2-1)

式中：Q——冲洗液量(L/min)；

F——环空面积(m2)；

v----上返速度(m/s)o

冲洗液上返速度根据冲洗液种类及钻头来确定，见下表：

冲洗液上返速度(m/s)表4.2-2

冲洗液类型

清水泥浆

钻头形式

合金20.3520.25

冲洗液量的选择对钢粒钻进有很大影响：如果冲洗液量过大，大部钢粒被冲

起，孔底破碎岩石的钢粒数量不足；冲洗液量过小，则不能及时排除孔底岩渣和

失效的钢粒。

对于钢粒钻进，其冲洗液量的选择一般根据岩石性质、钻头过水面积、钢粒

投放、钢粒质量、孔径和冲洗液性质等综合考虑，按下式确定：

Q=kD(4.2-2)

式中：Q——冲洗液量(L/min)；

D——钻头直径(m)；

k----系数(L/min•m),可取8X102~9X102L/min•m©

钢粒投放量一般为15〜40kg/次，采用少投勤投方式以保持孔底有足够的钢

粒。

2、保持泥浆质量、提高泥浆密度和黏度，以提高泥浆悬浮钻渣的能力

1）造浆黏土应符合下列技术要求：

①胶体率不低于95%o

②含砂率不大于4%

③造浆率不低于0.006-0.008m7kg

2）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漏斗黏度为16〜28s。

③含砂率小于4%o

④胶体率大于95%o

⑤失水量小于30mL/30mino

桩孔直径大时，可将泥浆相对密度加大到1.25,黏度28s左右。

3.3施工注意事项

1、规划布置施工现场时，应首先考虑冲洗液循环、排水、清渣系统的安设,

以保证正循环作业时，冲洗液循环畅通、污水排放彻底、钻渣清除顺利。

泥浆循环系统的设置应遵守下列规定：

1）循环系统由泥浆池、沉淀池、循环槽、废浆池、泥浆泵、泥浆搅拌设备、

钻渣分离装置等组成，并配有排水、清渣、排废浆设施和钻渣转运通道等。一般

宜采用集中搅拌泥浆，统一向各个钻孔输送泥浆的方式。

2）沉淀池不宜少于两个，可串联并用，每个沉淀池的容积不小于6m3,泥

浆池的容积为钻孔体积的1.2~1.5倍，一般不宜小于8〜10rn3。

3）循环槽应设1:200的坡度，槽的断面积应能保证冲洗液正常循环而不外

溢。

4）沉淀池、泥浆池、循环槽可用砖块和水泥砂浆砌筑，不得有渗漏或倒塌。

泥浆池等不能建在新堆积的土层上，以免池体下陷开裂，泥浆漏失。

2、应及时清除循环槽和沉淀池内沉淀的钻渣，必要时可配备机械钻渣分离

装置。在砂土或容易造浆的黏土中钻进时，应根据冲洗液密度和黏度的变化，可

采用添加絮凝剂的方法加快钻渣的絮沉，适时补充低密度、低黏度稀浆，或加入

适量清水等措施，调整泥浆性能。泥浆池、沉淀池和循环槽应定期进行清理。清

出的粘渣应及时运出现场，防止钻渣废浆污染施工现场及周围环境。

3、正循环钻进操作注意事项：

1）安装钻机时，转盘中心应与钻架上吊滑轮在同一垂直线上，钻杆的位置

偏差不应大于2cm。适用带有变速器的钻机时，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高程上。

2）根据岩土情况，合理选择钻头和调配泥浆性能。

3）初钻时应抵挡慢速钻进，使护筒刃脚处形成坚固的泥皮护壁。在钻至护

筒刃脚下1m后，可按土质情况以正常速度钻进。

4）钻具下入孔内，钻头应距孔底钻渣面50〜80mm,同时开动泥浆泵，使冲

洗液循环2〜3min。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。

5）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、水龙头的晃动。在钻进过程中,

应根据不同地质条件，随时检查泥浆指标。

6）在黏土层中钻孔时，宜选用尖底钻头，中等转速、大泵量、稀泥浆的钻

进方法。

7）在砂土或软土等易塌孔地层中钻孔时，宜用平底钻头、控制进尺、轻压、

抵挡慢速、大泵量、稠泥浆的钻进方法。

8）在砂砾等坚硬土层中钻进时，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，宜采用抵挡慢速、控制进尺、优质泥浆、大泵量、

分级钻进的方法。必要时，钻具应加导向装置，防止孔斜超差。

9）在起伏不平的岩面、第四系与基岩的接触带，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，以防止桩孔在这些层位发生偏斜。

10）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〜lOmin,然后逐步增大钻压和转速，防止钻头因孔形不合引起剧

烈跳动而损坏牙轮。

11)在直径较大的桩孔中钻进时，在钻头前部可加一下钻头，起导向作用；

在清孔时，孔内沉渣易聚集到小钻孔内，可减少孔底沉渣。

12)加接钻杆时，应先将钻具稍提离开孔底，待冲洗液循环3〜5min后，再

拧卸加接钻杆。

13)钻进过程中，应防止扳手、管钳、垫叉等金属工具掉落孔内，损坏钻头。

(14)如护筒底土质松软出现漏浆时，可提起钻头，向孔内倒入黏土块，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。

4、钻进参数的选择可参照下列规定：

1)冲洗液量可按前面公式所示进行计算。

2)转速：

a、对于硬质合金钻进成孔，转速的选择除了满足破碎岩土的扭矩的需要，

还要考虑钻头不同部位切削具的磨耗情况，可按下式计算：

n=60v/nD(4.2-3)

式中：n-----转速(r/min)；

D——钻头直径(m)；

v——钻头线速度，可取0.8〜2.5m/s。

式中钻头线速度的取值可考虑：在松散的第四系地层和软岩中钻进,取大值;

在硬质中钻进，取小值；如果钻头直径大，取小值；钻头直径小，取大值。一般

砂土层中，转速取40〜80r/min,较硬或非均质地层转速可适当调整。

b、对于钢粒钻进成孔，转速一般取50〜120r/min,大桩孔取小值、小桩孔

取大值。

c、对于牙轮钻头钻进成孔，转速一般取60~180r7inin。

3)钻压

在松散地层中，确定进给压力应以冲洗液畅通和钻渣清除及时为前提，灵活

加以掌握；在基岩中钻进可通过配置加重钻杆或重块来提高钻压。

a、对于硬质合金钻进成孔，钻压应根据地层条件、钻杆与桩孔的直径差、钻

头形式、切削具数目、设备能力和钻具强度等因素综合考虑确定。一般按每片切

削刀具的钻压为800-1200N或每颗合金的钻压为400〜600N确定钻头所需的钻

压。

b、对于钢粒钻进成孔，钻压主要根据地层、钻头形式、钻头直径和设备能

力来选择，并由下式确定：

P=pf（4.2-4）

式中：P——钻压（N）；

P——单位有效面积上的压力（N/#）；

F一—钻头唇面压住钢粒的面积（0?）。

c、牙轮钻头钻进需要比较大的钻压才能使牙轮对岩石产生破碎作用。一般

要求每厘米钻头直径上的钻压不少于300〜500N。

5、清孔。清孔的目的是使孔底沉渣厚度、循环液中含钻渣量和孔壁泥皮厚

度符合质量要求或设计要求。对于正循环回转钻进，终孔并经检查后，应立即进

行清孔，清孔主要采用止循环清孔和压气清孔两种方法。

1）正循环清孔

一般只适用于直径小于6800mm的桩孔。其操作方法是：正循环钻进终孔后,

将钻头提离孔底80-100mm,采用大泵量向孔内输入相对密度为1.05-1.08的

新泥浆，维持正循环30min以上，把桩孔内悬浮大量钻渣的泥浆替换出来，直到

清除孔底沉渣和孔壁泥皮，且使得泥浆含砂量小于4%为止。

当孔底沉渣的粒径较大，正循环泥浆清孔难以将其携带上来时；或经长时间

清孔，孔底沉渣厚度仍超过规定要求时，应改换清孔方式。正循环清孔时，孔内

泥浆上返速度不应小于0.25m/so

2）气举反循环清孔

a、工作原理

由空压机（风量6〜9n13/min,风压0.7MPa）产生的压缩空气，通过送风管

（直径620〜25mm）经液气混合弯管（亦称混合器，用内径为小18〜25nlm¥）水

管弯成）送到清孔出水管（<1>100〜150mm）内与孔内泥浆混合，使出水管内的泥

浆形成气液混合体，其重度小于孔内泥浆重度。这样在出水管内外的泥浆重度差

的作用下，管内的气液混合体沿出水管上升流动，孔内泥浆经出水管底口进入出

水管，并顺管流出桩孔，将钻渣排出。同时不断向孔内补给密度小的新泥浆（或

清水），形成孔内冲洗液的流动，从而达到清孔的效果，如下图：

图4.2-7气举反循环清孔原理示意图

卜空气压缩机；2-送风管,3-液气混合fth

4-出水管”-孔底沉渣,6-泥沙鹿网,7沱

出的泥土,8-泥浆池

液气混合器距离孔内液面的高度至少应为混合冷距出水管最高处高度的

0.6倍。

b、清孔操作要点

a）将设备机具安装好，并使出水管底距孔底沉渣面300〜400皿n。

b）开始送风时，应先向孔内供水。送风量应从小到大，风压应稍大于孔底

水头压力。待H1水管开始返出泥浆时，及时向孔内补给足量的新泥浆或清水，并

注意保证孔壁稳定。

c）正常出渣后，如孔