浅谈钻孔灌注桩正反循环钻机成孔异同及适用范围

段盼平

摘要：近年来，正反循环回旋钻在钻孔灌注桩成孔中被广泛应

用，本文结合中铁十二局连盐铁路工程指挥部通榆河特大桥现场正反循环钻机施工，详细介绍正反循环回旋钻机成孔的原理及各自的优缺点、适用范围、成孔钻进、清孔等方面的差别。

关键词：正循环回旋钻反循环回旋钻钻孔灌注桩成孔适

用范围异同

0 引言

钻孔灌注桩基础日益成为软弱地基上工业建筑、高层楼宇、桥梁码头及重型仓储等工程经常采用的一种深基础形式，其成孔的方法很多，正、反循环回旋钻成孔法由于施工噪音小，对土层扰动小，振动力小，成孔速度快，因此在钻孔灌注桩施工中得到了广泛的应用，同时受到施工单位的高度重视。

1 钻孔灌注桩采用正反循环钻机成孔的发展历史与背景

我国应用钻孔灌注桩始于20世纪60年代，首先在桥梁和港口建设中采用，钻孔灌注桩的成孔技术也在工程实践中不断地得到发展，1968年，江苏、湖南进行了旋转钻φ60-150钻孔灌注桩的试验，辽宁、黑龙江也先后研制了泵吸式逆循环钻机进行φ60-150钻孔灌注桩的试验，这些探索是钻孔灌注桩的初期发展阶段，1983年原铁道部大桥局武汉桥机厂研制的BDM-4型气举反循环钻机投入使用，首先在郑州黄河公路大桥完成直径220cm，孔深70m的摩擦桩施工，使钻孔灌注桩的可施工桩径突破200cm大关，是国产回旋钻机向大口径发展的重要里程碑，1986年广东省九江大桥2*160独塔斜拉桥工程中又使用BDM-4型反循环钻机完成φ200-300嵌岩桩的施工，标志着我国应用循环钻机施工钻孔灌注桩的工艺日趋成熟。

2 正反循环钻机成孔的原理

回转钻机是由动力装置带动钻机回转装置转动，再由其带动带有钻头的钻杆移动，由钻头切削土壤。根据泥浆循环方式的不同，分为正循环回转钻机和反循环回转钻机。

正循环：用高压将泥浆通过钻机的空心钻杆从钻杆底部射出，底部的钻头在回旋时，将土层搅松成钻渣，被泥浆浮悬，随着泥浆上升而溢出流到孔外的泥浆溜槽，经沉淀池净化，泥浆再循环使用，孔壁靠水头和泥浆保护，采用本法由于钻渣得靠泥浆浮悬才能上升携带排出孔外，故对泥浆的质量要求较高。

反循环：同正循环相反，泥浆由孔外流（注）入孔内，用真空泵或其他方式（如空气吸泥机等），将钻渣从钻杆中吸出，由于钻杆内径较孔径小得多，故钻杆内泥浆上升速度较正循环快很多，就是清水也可把钻渣带上钻杆顶端流向泥浆沉淀池，净化后泥浆可循环使用，本法的泥浆只起到辅助护壁作用，其质量要求较低，但如土层为易塌土层，则仍需用高质量泥浆。反循环工艺的泥浆上流的速度较高，能携带较大的土渣。

3 正反循环回旋钻的优缺点

正循环回旋钻：钻进与排渣同时连续进行，故正循环回旋钻的成孔速度较快，钻孔深度较大，最大深度可达100米，缺点是需设置泥浆槽、沉淀池、储浆池等，施工场地占地面积较大，需要大量地水和原料，机具设备复杂，机械故障较多，最大的缺点是由于泥浆较稠，故孔壁的泥浆厚度常达5~7cm，大大降低了桩周摩擦力，因而正循环回旋钻机发展趋势比较缓慢。

反循环回旋钻：排除钻渣连续性好，速度较正循环快，功效较高，目前此类钻机最大嵌岩桩钻孔孔径可达250cm，普通土层钻孔直径可达300cm，深度可达80~120cm，钻进岩层的岩石强度可达180MPa左右，这类钻机排渣无需泥浆，在孔壁十分稳定的地层中甚至可以用清水，在孔壁不稳定的地层中，出于固壁的特殊需要，必须调制优质泥浆，但其造浆原材料的用量远远低于正循环，反循环回旋钻机的最大优点是孔壁保护膜较薄，不会太多影响桩的摩擦力，其缺点是扩孔率大于正循环回旋钻机，并且钻机结构较正循环钻机更为复杂，造价偏高，特别是钻孔直径达到300cm和孔深达到100m以上实造价会更高，尽管如此，目前反循环回旋钻在桥梁钻孔灌注桩成孔中仍处于主导地位。

二者噪音都较小，机身高度中等，振动小，成孔速度快。

4 适合地质条件

正循环回旋钻：黏性土，粉砂，细中粗砂，含少量砾石、卵石（含量少于20%）的土、软岩。

反循环回旋钻：黏性土，砂类土，含少量砾石、卵石（含量少于20%，粒径小于钻杆内径2/3）的土。

5 孔径及孔深范围

孔径：

正循环回旋钻：80cm~250cm

反循环回旋钻：80cm~300cm

孔深：

正循环回旋钻：30m~100m

反循环回旋钻：用真空泵<35m，用空气吸泥机可达65m，用气举式可达120m。

6 泥浆作用及性能指标

泥浆作用：

正循环回旋钻：浮悬钻渣并护壁

反循环回旋钻：辅助护壁

泥浆性能指标：

[钻孔

方法

正循环

反循环

][地层

情况

一般

易坍

一般

易坍

卵石土][相对

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][胶体

率（%）

≥96

≥96

≥95

≥95

≥95][失水量

（ml/30min）

≤25

≤15

≤20

≤20

≤20][静切力

（Pa）

1.0-2.5

3-5

1.0-2.5

1.0-2.5

1.0-2.5]

7 正反循环回旋钻机循环系统示意图

8 正反循环钻机钻进成孔

8.1 开孔钻进的控制

对正循环，应稍提钻杆，启动泥浆泵和转盘使之空转一段时间，使泥浆由泥浆泵从泥浆池输进钻杆内腔后，经钻头的出浆口在护筒内射出进行造浆，待泥浆均匀后以低档速进行钻进，钻至护筒脚下1m后，再按正常速度钻进。钻进过程中必须保持钻孔的垂直，并保证孔内水位高于地下水位。

对反循环，先将钻头提高距孔底约20cm，将真空泵加足清水，然后启动真空泵，抽出管路内的气体，待泥浆泵充满水时，关闭真空泵，启动泥浆泵，打开出水控制阀，把管路中的泥水混合物排到沉淀池，形成反循环后，启动钻机，慢速开始钻进。待一节钻杆钻完时，停钻沉淀，关闭泥浆泵，接长钻杆钻进。

8.2 正反循环钻机钻进过程的差别

正循环钻进时，进尺适当控制，在护筒刃脚处，低档慢速钻进，使刃脚处有坚硬的泥皮扩壁。钻至刃脚下1m后，再按土质以正常速度钻进。黏土中钻进，由于泥浆黏性大，钻锥受阻力也大，易糊钻，选用尖底钻锥、中等钻速、大泵量、稀泥浆；砂土或软土层钻进时，易坍孔，选用平底钻锥、控制进尺、轻压、低档慢速、大泵量、稠密泥浆；在轻亚黏土或亚黏土夹卵、泥石层中钻进时，因土层太硬，会产生钻锥跳动、钻机运转困难、钻杆摆动幅度加大和钻锥偏斜等现象，易使钻机超负荷损坏，采用低档慢速、优质泥浆、大泵量、两级钻进的方法钻进。待终孔后检查钻孔直径和竖直度，用探笼吊入孔内，圆笼中心与钻孔中心一致，如上下各处均无挂碍，则钻孔直径和倾斜度符合要求。钻进过程中，将主吊钩稍提高一些，使孔底承受的钻压不超出钻锥重量和压重块重量之和扣除浮力后的80%，即减压钻进。这样钻杆不受压力，而且受一部分少量拉力，在整个过程中因受拉而维持垂直状态，使钻锥保持回转平稳，避免和减少斜孔、弯孔和扩孔现象。

对于反循环回旋钻，在硬黏土中钻进时，用一档钻进，放松起吊钢丝绳，自由进尺。在普通黏土、砂黏土中钻进时，用二、三档钻进，自由进尺，以免陷没钻头或抽吸钻渣的速度跟不上。遇地下水丰富、易坍孔的粉砂土用低档慢速钻进，减少钻进对粉砂土的搅动，同时加大泥浆比重和提高水头，以加强护壁防止坍孔。钻进中，稍提钻杆以减压钻进，使钻锥回转平稳，避免或减少斜孔、弯孔和扩孔现象。

正反循环回旋钻机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，应迅速补充。并按时检查泥浆指标。每钻进2m或底层变化处应在泥浆中捞取钻渣样品，查明土层类别并记录，以便与设计资料核对。

9 清孔方式

9.1 正循环钻机清孔

当使用正循环回旋钻机钻进时，终孔后，易采用换浆法清孔。停止钻进，稍提钻锥离孔底10~20cm空转，并保持泥浆正常循环，以中速压入比重为1.03~1.10的较纯泥浆，把钻孔内悬浮钻渣较多的泥浆换出，使清孔后泥浆的含砂率降到2%以下，黏度为17~20s，相对密度为1.03~1.10，且孔底沉淀土厚度不大于设计规定的数值，即可停止清孔。根据钻孔直径和深度，换浆时间约为4~8h。这种清孔方式不需另加机具。且孔内仍为泥浆护壁，不易坍孔。缺点是清孔不彻底，混凝土质量较难保证，而且清孔时间太长。

9.2 反循环钻机清孔

当使用反循环回旋钻机钻进时，终孔后，易采用抽浆法清孔。可在成孔后停止钻进，利用反循环系统中的泥石泵持续吸渣5~15min左右，使孔底钻渣清楚干净。这种清孔方式在反循环钻机成孔施工中使用同样不需要另加机具，清孔较彻底，但孔壁易坍塌的土层在使用抽浆法时，操作要注意，防止坍孔。

10 结语

综上所述，通过比较正、反循环的优缺点及适用范围，得出以下结论：反循环回旋钻相较于正循环回旋钻，在保持成孔速度快，噪音低，机身高度小，振动小，可成孔直径大，钻孔深度大等优点外，还具备泥浆质量要求低，清孔速度快，清孔效率高等特点，虽然也存在钻机结构复杂，造价偏高等缺点，但总体考虑，反循环回旋钻在钻孔灌注桩成孔中处于主导地位。

参考文献：

[1]卿三惠.桥梁工程（第2版）[M].中国铁道出版社，2013：38-40.

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[3]陈阶亮，黄世强.钻孔灌注桩成孔检测技术在钱江四桥的应用[J].城市道桥与防洪，2004(03).