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73.6×33×6m的矩形整体式钢筋混凝土结构，承台下设有78根Φ2.2m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
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0.3～
2.6m,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14～28m。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93.0～111.3m，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。
1
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 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。
4．12 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
2
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
泥浆净化器性能指标 表2
6 钻孔技术要点
6.1 泥浆的性能指标
及相关技术参数
3
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/cm左右,粘度在23～28 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1.10～1.25 g/cm,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20～25 s,以满足钻进护壁和二次清孔的要求;PH值维持在8～9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。
3
3
6.2 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
泥浆循环系统平面布置图4
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1m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°=dhηlog[(dH+h)/h]/23 Q=900πDp·2Vp/(1+q°)
Q风=Qq°/60
式中 q°为提升1m泥浆需要的压气量, m/m；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；η为压气提升有效系数,由扬程h和吸程H
决定，即吸入系数α与η的关系见表5；Q为泥浆循环量，m/h；DP为钻杆内径，mh=10 m、吸程H=55 m、P风3
3
3
3
3
3
本工程钻机配有20m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18～24m，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，以免因水头不够而发生坍孔事故。做好2次清孔工作：第1次清孔是在钻进达到设计孔深以后，将钻头提高孔底20 cm左右，利用空压机气举抽浆清孔，用泥浆泵抽取低浓度泥浆或清水补充孔内泥浆；第2次清孔是在钢筋笼下设完毕以后，用空压机通过导管进行再次气举清孔，同样用泥浆泵抽取低浓度泥浆或清水补充孔内泥浆，直至合格。
参考文献
[1] 公路桥涵施工技术规范 北京：人民交通出版社 2000
[2] 公路施工手册《桥涵》 北京：人民交通出版社 2005 陆仁达
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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73.6×33×6m的矩形整体式钢筋混凝土结构，承台下设有78根Φ2.2m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。
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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0.3～
2.6m,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14～28m。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93.0～111.3m，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。
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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 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。
4．12 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
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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
泥浆净化器性能指标 表2
6 钻孔技术要点
6.1 泥浆的性能指标
及相关技术参数
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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/cm左右,粘度在23～28 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1.10～1.25 g/cm,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20～25 s,以满足钻进护壁和二次清孔的要求;PH值维持在8～9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。
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6.2 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
泥浆循环系统平面布置图4
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1m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°=dhηlog[(dH+h)/h]/23 Q=900πDp·2Vp/(1+q°)
Q风=Qq°/60
式中 q°为提升1m泥浆需要的压气量, m/m；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；η为压气提升有效系数,由扬程h和吸程H
决定，即吸入系数α与η的关系见表5；Q为泥浆循环量，m/h；DP为钻杆内径，mh=10 m、吸程H=55 m、P风3
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本工程钻机配有20m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18～24m，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，以免因水头不够而发生坍孔事故。做好2次清孔工作：第1次清孔是在钻进达到设计孔深以后，将钻头提高孔底20 cm左右，利用空压机气举抽浆清孔，用泥浆泵抽取低浓度泥浆或清水补充孔内泥浆；第2次清孔是在钢筋笼下设完毕以后，用空压机通过导管进行再次气举清孔，同样用泥浆泵抽取低浓度泥浆或清水补充孔内泥浆，直至合格。
参考文献
[1] 公路桥涵施工技术规范 北京：人民交通出版社 2000
[2] 公路施工手册《桥涵》 北京：人民交通出版社 2005 陆仁达
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