反循环回旋钻机钻进成孔方法与流程

　　：钻探施工中，会遇到各种各样的地层。但大体可划分为两类,一类是理想地层,另一类是复杂地层。复杂地层又可分为漏失地层和不稳定地层。在饱和软土层中进行钻孔施工时，常常会发生塌孔、缩颈等现象。技术实现要素：本发明旨在提供反循环回旋钻机钻进成孔方法，可提高孔壁的稳定性。为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：反循环回旋钻机钻进成孔方法，分为以下三个阶段：护筒内钻进阶段：从护筒底口2.0m以上，采用反循环加压清水钻进，每小时进尺控制在2m～4m，孔内补充清水，混合泥浆经处理后回流入护筒；护筒以下软弱地层钻进阶段：当钻进至接近钢护筒底口位置1～2m时，调换机械钻头，开钻时钻头反循环空转，启动泥浆循环系统，置换孔内泥浆；当孔内泥浆指标符合标准要求后，泥浆护壁反循环减压钻进，在护筒底口附近慢速钻进，钻头出护筒一端距离后回到正常状态钻进；岩层钻进阶段：当反循环回旋钻机钻进至硬岩层，停钻并确认桩基入岩标高。优选地，在所述护筒以下软弱地层钻进阶段，回到正常状态钻进前，每小时进尺控制在0.3m～0.8m左右。进一步的，在所述护筒以下软弱地层钻进阶段，当钻头出护筒5m～6m后恢复正常钻进。优选地，正常钻进时每小时进尺1m～3.5m。进一步的，钻进过程钟往孔内补充浆液，维持孔内的水头高度，使孔内泥浆面高于河水面3.0m以上。进一步的，接长钻杆时，先停止钻进，将钻具提离孔底20cm～30cm，维持泥浆循环10min以上，清除孔底沉渣并将管道内的钻渣携出排净，然后停泵接长钻杆。进一步的，所述护筒内钻进阶段采用直径为φ2.5m的刮刀钻头钻进。优选地，反循环回旋钻机钻进时泥浆含沙量小于3％，比重不大于1.15，粘度为20～25，ph值为8～10。尤其在修建大直径超长嵌岩桩时，于软弱地层处采用所述反循环回旋钻机钻进成孔方法钻进成孔。与现存技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明分阶段钻进，可提高孔壁的稳定性，避免塌孔。附图说明图1是本发明的流程图；图2是桩基钻孔顺序图；图3是本发明中泥浆循环系统的结构示意图；图4是钢制泥浆池及沉淀池平台的纵断面示意图；图5是钢制泥浆池及沉淀池平台的横断面示意图；图6是钢板制箱的三维图(未示出加固槽钢)；图7钢板制箱一个侧面的示意图；图8是气举反渣的原理图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。本发明公开的反循环回旋钻机钻进成孔方法，钻进过程划分为三个阶段：护筒内钻进阶段、护筒以下软弱地层钻进阶段、岩层钻进阶段。护筒内钻进阶段：从护筒底口2.0m以上，采用直径φ2.5m刮刀钻头反循环加压清水钻进，每小时进尺控制在2～4m左右，孔内补充清水，混合泥浆经沉淀池沉淀后泥浆回流入护筒，钻渣转运至弃渣场。护筒以下软弱地层钻进阶段：当钻进至接近钢护筒底口位置1～2m左右时，调换直径φ2.5m的机械钻头，开钻时钻头反循环空转，启动泥浆循环系统，置换孔内泥浆，当孔内泥浆指标符合标准要求后，优质泥浆护壁反循环减压钻进，在护筒底口附近慢速钻进，形成稳定孔壁，每小时进尺控制在0.3～0.8m左右。钻头出护筒5m～6m后回到正常状态钻进，根据不同地层的特点，在钻孔过程中及时作出调整护壁泥浆指标和钻进速度，每小时进尺1m～3.5m，孔内补充优质泥浆。根据地层地质情况采取对应的钻进工艺参数，具体详见表1。表1不同地层钻进参数表地层钻压(kn)转数(r/min)钻速(m/h)护筒内钻进≤4.0细砂层(密实)100～15010～151.5～2.0淤泥、粉质粘土层100～12010～151～2中粗砂层(密实)150～3005～102.0～3.0护筒底口地层＜1005～100.3～0.8钻进需要注意的几点：a、钻进过程随时注意往孔内补充浆液，维持孔内的水头高度。孔内泥浆面任何一个时间里均应高于河水面3.0m以上。b、升降钻具应平稳，尤其是当钻头处于护筒底口位置时，必须谨慎操作、防止钻头钩挂护筒，避免冲撞钢护筒扰动钻孔孔壁。c、接长钻杆时，应先停止钻进，将钻具提离孔底20～30cm，维持泥浆循环10min以上，以清除孔底沉渣并将管道内的钻渣携出排净，然后停泵接长钻杆。钻杆连接螺栓应拧紧上牢，认真仔细检查密封圈，以防钻杆接头漏水漏气，使反循环无法正常工作。d、钻孔过程应连续操作，不得中途长时间停止，尽可能缩短成孔周期。在修建大直径超长嵌岩桩时，于软弱地层处非常适合于采用本发明反循环回旋钻机钻进成孔方法钻进成孔。下面以汕头市汕北大道澄海段工程东里河特大桥主墩桩基施工为例，进行详细介绍。东里河通航等级为内河ⅲ级航道，因而本实施例搭设水上钻孔平台并在平台上完成泥浆循环作业，以满足对通航和环保的高要求。本桥主墩桩基桩径2.5m，在120m左右深度入岩，设计的基本要求桩底嵌入中风化岩不小于2.5倍桩径，沉渣厚度不大于5cm，在将近6.25m入岩要求下，选用传统冲击钻成孔工效极低，对沉渣厚度控制难以达到设计的基本要求，且反循环成孔与冲击钻组合转换对泥浆比重等各项指标要求比较高，会造成塌孔及混凝土超方。因此，如图1所示，钻孔施工采用反循环回旋钻机及牙轮钻气举反渣钻进的施工工艺，最重要的包含泥浆护壁、钻进成孔及清孔。(1)钻孔顺序如图2所示，桩基施工要求跳孔进行，以减少后面桩基施工对前一个桩基混凝土未达到设计强度前的影响。(2)钻机选型东里河特大桥主墩共计36根钻孔灌注桩，从护筒顶面到孔底深达130米左右，对钻机的扭矩及钻杆质量发展要求较高。选用技术性能先进，提升能力较强的6台车载式鑫峰351型反循回旋钻机进行软弱地层钻进，每台钻机配备1个牙轮钻头进行岩层钻进。鑫峰351型反循回旋钻机性能指标见表2。表2钻机性能指标表鑫峰351型反循环回旋钻机工作原理：泥浆从钻杆与钻孔之间注入，随着钻杆喷气削土，由于管径比孔小很多，所以泥浆加削下来的土渣等快速从钻杆内排出地面，进入泥浆沉淀池处理后，可循环使用。(3)泥浆制备及性能指标护壁泥浆在钻孔中很重要，尤其是对大直径深孔，淤泥层、砂层造浆性能差，泥浆控制显得很重要。本发明选用不分散、低固相、高粘度的php泥浆。为保证钻孔桩成孔施工的顺利进行，在正式开钻之前，选用不同产地的钙基膨润土和不同比例的水、膨润土、火碱、php等再次进行试配和验证，选择泥浆各项指标最优的泥浆配比。泥浆的制备在平台泥浆制备区进行。钻孔施工前，首先在泥浆制备区采用泥浆搅拌机搅拌膨润土泥浆，然后利用泥浆泵泵送至钢护筒内，当钢护筒内泥浆性能指标满足施工要求后开孔钻进。本发明中泥浆各施工阶段的性能指标要求详见表3。表3泥浆性能指标一览表(4)泥浆循环系统为防止水上桩基施工对环境的污染，本发明专门配置水上定型钢化钢结构泥浆池及沉淀池。如图3、4、5所示，本发明的泥浆循环系统包括钢制泥浆池8、钢制沉淀池9及连通管道，钢制沉淀池9与钢制泥浆池8相通，钢制泥浆池8和钢制沉淀池9由支撑架10支撑于水上。多个桩基钢护筒6间通过连通管14串联连通。泥浆池8通过出浆管13与其中一个桩基钢护筒6连通。支撑架10包括多根基础钢管101、主横梁102、主纵梁103和桥面板104，横梁102架设在基础钢管101上，主纵梁103底部与横梁102固接，主纵梁103顶部与桥面板104连接，钢制泥浆池8、钢制沉淀池9安装在桥面板104上。主横梁102有三个，每一主横梁102与两根基础钢管101连接。与同一主横梁102连接的两根基础钢管101间设有斜撑105和平联106。本实施方式中钢制泥浆池8和钢制沉淀池9的长度均为6m、宽度均为4m，高度均为3m。桥面板104为12cm厚定型板，主纵梁103选择1021型贝雷片，主纵梁103间通过联系梁连接，联系梁选择8号槽钢。主横梁102为45a双拼工字钢，基础钢管101选择直径为630mm，壁厚为10mm的圆钢管，斜撑105和平联106均选择20a槽钢。如图6所示，在一钢板制箱11内设一竖直隔板111将钢板制箱分隔为两个隔间，一个隔间作为钢制泥浆池8，另一个隔间作为钢制沉淀池9，钢板制箱11箱口朝上。如图7所示，钢板制箱11的箱口和底部采用8号槽钢12做加固，四周采用8号槽钢12制作剪刀背肋。竖直隔板111顶部设溢流口112实现两个隔间的相通。钢板制箱11板厚1cm，溢流口112的为50cm*50cm的矩形缺口。使用时，新制泥浆在钢制泥浆池8中配制，并通过泥浆泵经出浆管13送至桩基钢护筒6内。开钻后，开钻后，钻机将携钻渣的泥浆抽至钢制沉淀池2沉淀后再溢流进入钢制泥浆池1，随后通过泥浆泵经出浆管5送至桩基钢护筒6，通过桩基钢护筒6之间的连通管流入各钻孔孔内。钻孔过程中专门配置一台挖机及时清洗整理泥浆套箱内的钻渣，钻渣由运渣车集中运输至弃土场弃置。(5)反循环回旋钻机就位、调试钻机就位前，应对钻孔各项准备工作做全面检查，确认无误后就位。钻机安装后的底座和顶端应平稳，保证在钻进过程中不产生位移。钻机应保持良好工作状态，电气部分无安全风险隐患，电机外壳应接地。钻机就位调平机座，认真量测检查钻头中心与护筒中心是否在一条铅垂线上，与孔位中心的偏差是否在规范允许范围以内。确认无误后，最后再次检查钻杆的垂直度是不是满足要求、钻杆、钻头等部位连接是否牢固、运转是否良好、钻头直径和设计桩径是否相同，校核钻具的长度，同时检测泥浆的各项指标，一切就绪后就可开始施钻。在钻进的过程中每天检测一次桩基底座的水平度，如发现钻机底座对角线mm，随即停机起钻对底座及时调平。(6)反循环回旋钻机钻进成孔(7)入岩标高、入岩深度确认当反循环回旋钻机钻进至硬岩层，无法继续钻进时，确认桩基入岩标高，并给定具体的入岩深度。(8)更换牙轮钻头并安装气举设备现场确认入岩深度后，反循环回旋钻机提钻、更换牙轮钻头，并安装气举设备。如图8所示，气举反渣设备包括空气压缩机1、风管4和滤渣装置5。工作平台2安装于桩基孔7的孔口，导管3的入口端伸入桩基孔7的孔底，导管3的出口通向滤渣装置5，风管4的出风口延伸到导管3的入口端，风管4的入风口与空气压缩机1连接。滤渣装置5的出口与泥浆循环系统连接。作为优选，风管4与导管3同轴，选择选择接渣篮作为滤渣装置5。气举设备的选型与安装：如图8所示，风管4底部到孔内泥浆顶面深度为h1,从孔内泥浆顶面到钻杆内泥浆顶面高度差为h2,钻杆内三相流密度为ρn,钻杆外液体密度为ρω,则作用于风管底部液面上内外液体柱压力差为:δp＝ρω*h1-ρn(h1+h2)＝(ρω-ρn)*h1-ρn*h2(1)正是这个压力差,驱动钻杆内风管4底口以上的三相流沿钻杆上升,并克服循环过程中的各种阻力,形成反循环。考虑到供气管道的压力损失,故本发明中空气压力按式(2)进行计算:p＝ρn*h1/102+ps(2)式(2)中，ps为气管道压力损失，取0.05～0.1mpa。由(1)式可知,在管外泥浆密度ρω和h1、h2相对来说比较稳定的情况下,降低三相流的密度ρn(通过增大压气量实现)将提高驱动气举反循环的压力差,因此送往孔内的空气流量和压力是影响气举反渣能力的重要参数。h1越大，h2h2越小则压力差越大，所以当孔内缺浆时不能形成反循环，应保持孔内泥浆面达到合适高度从而增大h1h1减小h2h2；ρωρw为三相流密度，当孔内泥浆固相所占比例较大时也不能形成反循环，只有在ρωρw相对小的情况下，增大ρωρw与ρnρn的差值才能提高反渣效率。由(2)式能够准确的看出，空气压缩机的选择应由p确定，主要受h1h1和ρnρn控制。当孔较深，泥浆比重较大时所需的压力较大。因此应依据工程的实际桩长计算p确定空压机型号；尽最大的可能减小ps，应常常检验核查风管是否漏气，接头处是否严密使压力损失减到最小。(9)牙轮钻头钻进时开启气举设备，使孔内形成气举反循环。牙轮钻头钻进工作原理：钻机通过钻杆给钻头施加足够大的轴压力和回转扭矩，牙轮钻头转动时，各牙轮又绕自身轴滚动，滚动的方向与钻头转动方向相反。牙轮齿在加压滚动过程中，对岩石产生碾压作用；由于牙轮齿以单齿和双齿交替地接触岩石，当单齿着地时牙轮轴心高，而双齿着地时轴心低，如此反复进行，使岩石受到周期性冲击作用；又由于牙轮的超顶、退轴、移动和牙轮的复锥形状、使牙轮在孔底工作时还产生一定的滑动，对岩石产生切削作用。因此，牙轮钻头破碎岩石其实就是冲击、碾压和切削的复合作用。牙轮钻头钻进时相关参数的计算方式如下：a、轴压力合理的轴压力可根据公式(3)计算：p＝(0.06～0.07)fd(3)式(3)中,f—岩石的坚固性系数，d—钻头直径。如果牙轮的牙齿较钝，则加大轴压力；如果岩石有裂隙或夹块，则适当减小轴压，以减轻钻机的振动。b、钻具扭矩钻具的转矩m(n·m)根据公式(4)计算：m＝29.6kdp1.5(4)式(4)中，k—岩石特性系数；d—钻头的直径，mm；p—轴压力，kn。c、钻孔速度牙轮钻头的钻进速度根据公式(5)估算：式(5)中，p—轴压，kn；n—钻具的转速，r/min；d—钻头的直径，mm；f——矿岩的硬度系数。气举设备的工作原理：如图3、8所示,空气压缩机将压缩空气输进风管,空气经风管底部排出和泥浆形成气液混合物。孔底沉渣在喷出气体的冲击作用下悬浮起来,由于管内、外液体的密度差,孔内泥浆、空气、沉渣的三相流沿钻杆向上运行,被排出孔口,进入接渣篮。过滤出泥浆中的沉渣,过滤后的泥浆流入钢制沉淀池9沉淀后再溢流进入钢制泥浆池8，随后通过泥浆泵经出浆管13重新重新进入孔内，反复循环直至孔底沉渣厚度达到规范要求。反循环体系以气体为动力介质，以液流体为延升载运介质携带固体颗粒上返最终完成气、液、固三相混合运动，达到快速成孔并清除钻孔内沉渣、岩屑的目的。(10)钻孔达到预定钻孔深度后，测量孔深及沉渣厚度，确认终孔标高。沉渣厚度等于钻深与灌注前孔深的差值。钻进过程中要收集好各地层的钻孔渣样，反循环回旋钻钻进时，每换一次钻杆取一次渣样(2.5～3m)；入岩后每钻进0.5m提取渣样一次，从出渣口捞取渣样用清水冲洗干净，每次提取量为100g，编号保存。(11)一次清孔终孔后，及时进行清孔。清孔时将钻具提离孔底约30cm～50cm，缓慢旋转钻具，补充优质泥浆，进行反循环清孔，同时保持孔内水头，防止塌孔。当经检测孔底沉渣厚度满足设计的基本要求后，清孔后孔内泥浆指标符合标准要求后(循环时间控制在2～4小时，循环满足2个循环以上)，及时停机提钻、移走钻机并进行检孔。利用全自动超声成孔检测仪对成孔孔径、垂直度进行仔细的检测。成孔检验合格后尽快进行成桩施工。当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。当前第1页12

　　技术研发人员：邓立新;康卫;朱兵;刘胜强;胡盛平;黄志良;郝雪斌;刘正旺;斯尚驰;付小畅