淺談鉆孔灌注樁正反循環(huán)鉆機成孔異同及適用范圍

段盼平

摘要：近年來，正反循環(huán)回旋鉆在鉆孔灌注樁成孔中被廣泛應

用，本文結合中鐵十二局連鹽鐵路工程指揮部通榆河特大橋現(xiàn)場正反循環(huán)鉆機施工，詳細介紹正反循環(huán)回旋鉆機成孔的原理及各自的優(yōu)缺點、適用范圍、成孔鉆進、清孔等方面的差別。

關鍵詞：正循環(huán)回旋鉆反循環(huán)回旋鉆鉆孔灌注樁成孔適

用范圍異同

0 引言

鉆孔灌注樁基礎日益成為軟弱地基上工業(yè)建筑、高層樓宇、橋梁碼頭及重型倉儲等工程經常采用的一種深基礎形式，其成孔的方法很多，正、反循環(huán)回旋鉆成孔法由于施工噪音小，對土層擾動小，振動力小，成孔速度快，因此在鉆孔灌注樁施工中得到了廣泛的應用，同時受到施工單位的高度重視。

1 鉆孔灌注樁采用正反循環(huán)鉆機成孔的發(fā)展歷史與背景

我國應用鉆孔灌注樁始于20世紀60年代，首先在橋梁和港口建設中采用，鉆孔灌注樁的成孔技術也在工程實踐中不斷地得到發(fā)展，1968年，江蘇、湖南進行了旋轉鉆φ60-150鉆孔灌注樁的試驗，遼寧、黑龍江也先后研制了泵吸式逆循環(huán)鉆機進行φ60-150鉆孔灌注樁的試驗，這些探索是鉆孔灌注樁的初期發(fā)展階段，1983年原鐵道部大橋局武漢橋機廠研制的BDM-4型氣舉反循環(huán)鉆機投入使用，首先在鄭州黃河公路大橋完成直徑220cm，孔深70m的摩擦樁施工，使鉆孔灌注樁的可施工樁徑突破200cm大關，是國產回旋鉆機向大口徑發(fā)展的重要里程碑，1986年廣東省九江大橋2*160獨塔斜拉橋工程中又使用BDM-4型反循環(huán)鉆機完成φ200-300嵌巖樁的施工，標志著我國應用循環(huán)鉆機施工鉆孔灌注樁的工藝日趨成熟。

2 正反循環(huán)鉆機成孔的原理

回轉鉆機是由動力裝置帶動鉆機回轉裝置轉動，再由其帶動帶有鉆頭的鉆桿移動，由鉆頭切削土壤。根據(jù)泥漿循環(huán)方式的不同，分為正循環(huán)回轉鉆機和反循環(huán)回轉鉆機。

正循環(huán)：用高壓將泥漿通過鉆機的空心鉆桿從鉆桿底部射出，底部的鉆頭在回旋時，將土層攪松成鉆渣，被泥漿浮懸，隨著泥漿上升而溢出流到孔外的泥漿溜槽，經沉淀池凈化，泥漿再循環(huán)使用，孔壁靠水頭和泥漿保護，采用本法由于鉆渣得靠泥漿浮懸才能上升攜帶排出孔外，故對泥漿的質量要求較高。

反循環(huán)：同正循環(huán)相反，泥漿由孔外流（注）入孔內，用真空泵或其他方式（如空氣吸泥機等），將鉆渣從鉆桿中吸出，由于鉆桿內徑較孔徑小得多，故鉆桿內泥漿上升速度較正循環(huán)快很多，就是清水也可把鉆渣帶上鉆桿頂端流向泥漿沉淀池，凈化后泥漿可循環(huán)使用，本法的泥漿只起到輔助護壁作用，其質量要求較低，但如土層為易塌土層，則仍需用高質量泥漿。反循環(huán)工藝的泥漿上流的速度較高，能攜帶較大的土渣。

3 正反循環(huán)回旋鉆的優(yōu)缺點

正循環(huán)回旋鉆：鉆進與排渣同時連續(xù)進行，故正循環(huán)回旋鉆的成孔速度較快，鉆孔深度較大，最大深度可達100米，缺點是需設置泥漿槽、沉淀池、儲漿池等，施工場地占地面積較大，需要大量地水和原料，機具設備復雜，機械故障較多，最大的缺點是由于泥漿較稠，故孔壁的泥漿厚度常達5~7cm，大大降低了樁周摩擦力，因而正循環(huán)回旋鉆機發(fā)展趨勢比較緩慢。

反循環(huán)回旋鉆：排除鉆渣連續(xù)性好，速度較正循環(huán)快，功效較高，目前此類鉆機最大嵌巖樁鉆孔孔徑可達250cm，普通土層鉆孔直徑可達300cm，深度可達80~120cm，鉆進巖層的巖石強度可達180MPa左右，這類鉆機排渣無需泥漿，在孔壁十分穩(wěn)定的地層中甚至可以用清水，在孔壁不穩(wěn)定的地層中，出于固壁的特殊需要，必須調制優(yōu)質泥漿，但其造漿原材料的用量遠遠低于正循環(huán)，反循環(huán)回旋鉆機的最大優(yōu)點是孔壁保護膜較薄，不會太多影響樁的摩擦力，其缺點是擴孔率大于正循環(huán)回旋鉆機，并且鉆機結構較正循環(huán)鉆機更為復雜，造價偏高，特別是鉆孔直徑達到300cm和孔深達到100m以上實造價會更高，盡管如此，目前反循環(huán)回旋鉆在橋梁鉆孔灌注樁成孔中仍處于主導地位。

二者噪音都較小，機身高度中等，振動小，成孔速度快。

4 適合地質條件

正循環(huán)回旋鉆：黏性土，粉砂，細中粗砂，含少量礫石、卵石（含量少于20%）的土、軟巖。

反循環(huán)回旋鉆：黏性土，砂類土，含少量礫石、卵石（含量少于20%，粒徑小于鉆桿內徑2/3）的土。

5 孔徑及孔深范圍

孔徑：

正循環(huán)回旋鉆：80cm~250cm

反循環(huán)回旋鉆：80cm~300cm

孔深：

正循環(huán)回旋鉆：30m~100m

反循環(huán)回旋鉆：用真空泵<35m，用空氣吸泥機可達65m，用氣舉式可達120m。

6 泥漿作用及性能指標

泥漿作用：

正循環(huán)回旋鉆：浮懸鉆渣并護壁

反循環(huán)回旋鉆：輔助護壁

泥漿性能指標：

[鉆孔

方法

正循環(huán)

反循環(huán)

][地層

情況

一般

易坍

一般

易坍

卵石土][相對

密度

1.05-1.2

1.2-1.45

1.02-1.06

1.06-1.1

1.1-1.15][黏度

（s）

16-22

19-28

16-20

18-28

20-35][含砂

率（%）

≤4

≤4

≤4

≤4

≤4][膠體

率（%）

≥96

≥96

≥95

≥95

≥95][失水量

（ml/30min）

≤25

≤15

≤20

≤20

≤20][靜切力

（Pa）

1.0-2.5

3-5

1.0-2.5

1.0-2.5

1.0-2.5]

7 正反循環(huán)回旋鉆機循環(huán)系統(tǒng)示意圖

8 正反循環(huán)鉆機鉆進成孔

8.1 開孔鉆進的控制

對正循環(huán)，應稍提鉆桿，啟動泥漿泵和轉盤使之空轉一段時間，使泥漿由泥漿泵從泥漿池輸進鉆桿內腔后，經鉆頭的出漿口在護筒內射出進行造漿，待泥漿均勻后以低檔速進行鉆進，鉆至護筒腳下1m后，再按正常速度鉆進。鉆進過程中必須保持鉆孔的垂直，并保證孔內水位高于地下水位。

對反循環(huán)，先將鉆頭提高距孔底約20cm，將真空泵加足清水，然后啟動真空泵，抽出管路內的氣體，待泥漿泵充滿水時，關閉真空泵，啟動泥漿泵，打開出水控制閥，把管路中的泥水混合物排到沉淀池，形成反循環(huán)后，啟動鉆機，慢速開始鉆進。待一節(jié)鉆桿鉆完時，停鉆沉淀，關閉泥漿泵，接長鉆桿鉆進。

8.2 正反循環(huán)鉆機鉆進過程的差別

正循環(huán)鉆進時，進尺適當控制，在護筒刃腳處，低檔慢速鉆進，使刃腳處有堅硬的泥皮擴壁。鉆至刃腳下1m后，再按土質以正常速度鉆進。黏土中鉆進，由于泥漿黏性大，鉆錐受阻力也大，易糊鉆，選用尖底鉆錐、中等鉆速、大泵量、稀泥漿；砂土或軟土層鉆進時，易坍孔，選用平底鉆錐、控制進尺、輕壓、低檔慢速、大泵量、稠密泥漿；在輕亞黏土或亞黏土夾卵、泥石層中鉆進時，因土層太硬，會產生鉆錐跳動、鉆機運轉困難、鉆桿擺動幅度加大和鉆錐偏斜等現(xiàn)象，易使鉆機超負荷損壞，采用低檔慢速、優(yōu)質泥漿、大泵量、兩級鉆進的方法鉆進。待終孔后檢查鉆孔直徑和豎直度，用探籠吊入孔內，圓籠中心與鉆孔中心一致，如上下各處均無掛礙，則鉆孔直徑和傾斜度符合要求。鉆進過程中，將主吊鉤稍提高一些，使孔底承受的鉆壓不超出鉆錐重量和壓重塊重量之和扣除浮力后的80%，即減壓鉆進。這樣鉆桿不受壓力，而且受一部分少量拉力，在整個過程中因受拉而維持垂直狀態(tài)，使鉆錐保持回轉平穩(wěn)，避免和減少斜孔、彎孔和擴孔現(xiàn)象。

對于反循環(huán)回旋鉆，在硬黏土中鉆進時，用一檔鉆進，放松起吊鋼絲繩，自由進尺。在普通黏土、砂黏土中鉆進時，用二、三檔鉆進，自由進尺，以免陷沒鉆頭或抽吸鉆渣的速度跟不上。遇地下水豐富、易坍孔的粉砂土用低檔慢速鉆進，減少鉆進對粉砂土的攪動，同時加大泥漿比重和提高水頭，以加強護壁防止坍孔。鉆進中，稍提鉆桿以減壓鉆進，使鉆錐回轉平穩(wěn)，避免或減少斜孔、彎孔和擴孔現(xiàn)象。

正反循環(huán)回旋鉆機開鉆前應調制足夠數(shù)量的泥漿，鉆進過程中如泥漿有損耗、漏失，應迅速補充。并按時檢查泥漿指標。每鉆進2m或底層變化處應在泥漿中撈取鉆渣樣品，查明土層類別并記錄，以便與設計資料核對。

9 清孔方式

9.1 正循環(huán)鉆機清孔

當使用正循環(huán)回旋鉆機鉆進時，終孔后，易采用換漿法清孔。停止鉆進，稍提鉆錐離孔底10~20cm空轉，并保持泥漿正常循環(huán)，以中速壓入比重為1.03~1.10的較純泥漿，把鉆孔內懸浮鉆渣較多的泥漿換出，使清孔后泥漿的含砂率降到2%以下，黏度為17~20s，相對密度為1.03~1.10，且孔底沉淀土厚度不大于設計規(guī)定的數(shù)值，即可停止清孔。根據(jù)鉆孔直徑和深度，換漿時間約為4~8h。這種清孔方式不需另加機具。且孔內仍為泥漿護壁，不易坍孔。缺點是清孔不徹底，混凝土質量較難保證，而且清孔時間太長。

9.2 反循環(huán)鉆機清孔

當使用反循環(huán)回旋鉆機鉆進時，終孔后，易采用抽漿法清孔。可在成孔后停止鉆進，利用反循環(huán)系統(tǒng)中的泥石泵持續(xù)吸渣5~15min左右，使孔底鉆渣清楚干凈。這種清孔方式在反循環(huán)鉆機成孔施工中使用同樣不需要另加機具，清孔較徹底，但孔壁易坍塌的土層在使用抽漿法時，操作要注意，防止坍孔。

10 結語

綜上所述，通過比較正、反循環(huán)的優(yōu)缺點及適用范圍，得出以下結論：反循環(huán)回旋鉆相較于正循環(huán)回旋鉆，在保持成孔速度快，噪音低，機身高度小，振動小，可成孔直徑大，鉆孔深度大等優(yōu)點外，還具備泥漿質量要求低，清孔速度快，清孔效率高等特點，雖然也存在鉆機結構復雜，造價偏高等缺點，但總體考慮，反循環(huán)回旋鉆在鉆孔灌注樁成孔中處于主導地位。

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