正循环钻机施工作业指导书.doc

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正循环钻机施工作业指导书
1、 概念介绍
1.1、 正循环回转钻孔：泥浆高压通过钻机的空心钻杆，从钻杆底部射出，底部的钻头（钻锥）在回转时将土层搅松成为钻渣，被泥浆浮悬。随着泥浆上升而溢出流到井外的泥浆溜槽，经过沉淀池沉淀净化，泥浆在循环使用。井孔壁依靠水头和泥浆保护，对泥浆的质量要求较高。
1.2、 反循环回转钻孔：与正循环相反，泥浆由钻杆外注入井孔，用真空泵或其他方法（如空气吸泥机）将钻渣从钻杆中吸出。泥浆起辅助护壁作用，相对正循环泥浆质量要求较低，但遇到钻深孔或易坍塌土层时，需要高质量泥浆。
1.3、 正、反循环钻孔的适用范围：
钻孔方法
适用范围
泥浆作用
土层
孔径（cm）
孔深（m）
正循环回转钻
粘性土、粉沙、细砂、中粗砂、含少量砾石、卵石土（含量少于20%）、软岩；
80~250
30~100
浮悬钻渣并护壁
反循环回转钻
粘性土、砂类土、含少量砾石、卵石土（含量少于20%，粒径小于钻杆内径2/3）；
80~300
用真空泵小于35，用空气吸泥机可达65，用气举式可达120；
护壁
1.4、 正反循环所用的泥浆性能指标：
泥浆由水、粘土（或膨润土）和添加剂组成。
使用下表的注意事项：
（1）、地下水位高或其流速大时，指标取高值，反之取低值；
（2）、地质情况较好，孔径或孔深较小的取低限，反之取高限；
（3）、在不容易坍塌的粘质土层中，反循环钻进时，可采用清水提高水头（≥2m）维护孔壁。
钻孔方法
地层情况
泥浆性能指标
相对密度
粘度Pas
含砂率%
胶体率
%
失水率
ml/30min
泥皮厚mm/30min
静切力Pa
酸碱度PH
正循环
一般地层
易坍地层
1.05~1.20
1.20~1.45
16~22
19~28
8~4
8~4
≥96
≥96
≤25
≤15
≤2
≤2
1~2.5
3~5
8~10
8~10
反循环
一般地层
易坍地层
卵石土
1.02~1.06
1.06~1.10
1.10~1.15
16~20
18~28
20~35
≤4
≤4
≤4
≥95
≥95
≥95
≤20
≤20
≤20
≤3
≤3
≤3
1~2.5
1~2.5
1~2.5
8~10
8~10
8~10
相对密度：指泥浆与4℃同体积水的质量之比；作用：数值偏大，护壁能力强，正循环时浮悬钻渣能力强；但太大时（≥1.45）正循环时容易糊钻，泥浆失水量也加大，对清孔和浇注混凝土不利，泥皮厚度也会增厚，对摩擦桩的承载能力不利。（常规检验检查指标）
粘度：指液体或混合液体运动时，各分子或颗粒之间产生的内摩擦力；作用：粘度大，孔壁泥皮厚，对防止翻砂、阻隔渗漏有利（护壁能力强），悬浮带渣能力强；太大（超出上表上限），则容易糊钻。
静切力：指静止的泥浆开始流动所需的最小外力，又称滑动静应力，他表示泥浆结构的强度，以破坏1cm2上的泥浆颗粒结构所需要的力表示。作用：要适当（在表中要求范围内）；数值过大，流动阻力过大，导致泥浆相对密度过大；过小，则钻渣不容易浮悬，带渣能力差；
含砂率：指泥浆内所含的砂和粘土颗粒的体积百分比；为常规检查指标；
胶体率：指静止状态的泥浆内，呈悬浮状态的粘土颗粒与水分离的程度，用百分比表示；作用：胶体率越高，粘土颗粒越不易沉淀。浮悬钻渣的能力越强。
失水率：又称失水量或渗透量，是指泥浆在钻孔内受内外水头压力差的作用在一定时间内渗入地层的水量，以ml/30min为单位；作用：失水率越小，胶体率越大，护壁效果越好（对遇水软化的泥岩尤其有利）；失水率过大的泥浆，会增大泥皮厚度，对遇水软化的泥岩尤其不利，会导致地层膨胀而坍孔。
酸碱度：即PH值，PH值等于7，为中性，小于7，为酸性。大于7，为碱性；泥浆的PH值在8~10为适当，这时粘土颗粒可进行分散，水分子进入粘土内部使其膨胀，颗粒表面形成吸附性水化膜（又称束缚水），使失水率减小，能较快形成薄而坚韧的泥皮，对护壁有利，可增加泥浆稳定性和胶体率。PH值过小，失水率会急剧上升；PH值过大，则泥浆滤液将渗透到孔壁的粘土中，使孔壁表面软化、粘土颗粒之间的凝聚力减弱，从而导致坍孔。该指标为常规检验检查指标。
1.5、 泥浆原材料要求：
（1）、粘质土的性能要求：塑性指数大于25，粒径小于0.074mm的粘粒含量大于50%；当缺少符合该要求的粘土时，可采用性能略差的粘质土，并掺入合格粘质土30%；
当采用性能较差的粘质土（塑性指数不小于15）调制的泥浆性能指标不符合要求时，可在泥浆中掺入Na2CO3（纯碱）、NaOH或膨润土粉末，以提高泥浆性能指标，掺入量由试验确定；一般Na2CO3（纯碱）的掺入量为孔中泥浆土量的0.1%~0.4%。
（2）、膨润土的性能和用量：膨润土分为钠质膨润土和钙质膨润土两种，前者质量较好；一般用量为水的8%（8kg的膨润土可掺100L的水）；质量较差时为12%；
1.6、 常用泥浆外掺剂的要求：
CMC：全名羧甲基纤维素，具有使地基土表面形成薄膜的强化作用和降低失水率的作用，掺入量为膨润土的0.05%~0.1%，一般地基土很少使用。
FCI：称为铁铬木质素磺酸盐，为分散剂，可使钻渣颗粒聚集而加速沉淀，可使泥浆重复使用，掺量为为膨润土的0.1%~0.3%。一般不常用。
Na2CO3（纯碱）：可增大PH值到10，掺入量为孔中泥浆土量的0.1%~0.4%。，常用来改善泥浆指标。
PHP：聚丙烯酰胺絮凝剂，在泥浆循环中能清楚劣质钻屑，保存造浆的膨润土粒，具有低固相、低相对密度、低失水、泥浆性能强等特点，掺入量为孔中泥浆量的0.003%。在大孔径、超长桩施工时常被应用。
2、 钻机组成
2.1、正循环：
钻盘：是钻机的主要部分，是提供钻进动力和保持钻杆垂直的主要部件，可提供快、中、慢三种转速，并可正、反转；
卷扬机：包括主、副卷扬机；
钻架：由机型确定；
泥浆泵：规格指标为流量和压力；
钻杆：是向钻锥传递动力的主要部件，也是泥浆循环流行的通道，受力复杂，第一节为方钻杆，长度5~9m，其余为圆钻杆，通常见到的钻机钻杆由内径为15cm，壁厚10mm的无缝钢管制成；
提水龙头：也叫摇头，承受钻杆、钻锥重量，可使提升系统和泥浆胶管不随钻杆转动；
钻锥：也称钻头，常见类型包括鱼尾锥、双腰带笼式锥（也称刮刀钻）、刺猬锥、双径六角钻锥；在岩石中钻进的钻头为牙轮钻；
2.2、反循环：
一般循环钻钻机都可采用正、反循环方式钻进，主要部件是相同的，反循环与正循环不同之处在于：
泥浆循环系统采用：不需要泥浆泵，但要配置泥石泵（吸泥泵）与真空泵，或者配置空气吸泥机（又称气举法），或者水力吸泥机（又称水力喷射法）。但多数采用真空泵、泥石泵（吸泥泵）配合气举实现反循环钻进。
钻机：大多与正循环相同；只是气举式钻进的钻杆（内径要大于127mm）上要另设风管（多采用外供风管）。
钻锥（头）：
（1）、三翼空心单尖钻锥，适合粘质土层、粉质土层和中、粗砂层；适用于泵泥（吸）式反循环；
（2）、牙轮钻头：在砂卵石和风化岩层中效果较好，在砂类土、粘质土、卵石层中也可使用；适用于泵泥（吸）式反循环；
（3）、圆筒封闭式钻锥：适用于气举式（空气吸升式）反循环；适合粘质土层、粉质土层和中、粗砂层；
（4）、楔齿滚刀钻头：适合于中、硬岩层，如砂岩、灰岩、卵漂砾地层，强度大于30Mpa其他岩层也可使用。
（5）、球齿滚刀钻头：嵌岩桩用钻头。强度大于60MPa的岩层都可使用。
真空泵、吸泥机（泥石泵）及空压机：
泵吸式：直接利用泥石泵的抽吸作用使钻杆内水流上升而形成反循环。
采用真空泵和吸泥机（泥石泵）配合使用，其最大吸力不会超过大气压力。约为0.1MPa或10m水高，因为摩擦和泥浆密度较大，实际吸程不超过8m，所以泵吸式反循环钻孔深度不能太深（一般不超过65m~80m），真空泵只是启动时使用。
气举式：利用送入压缩空气使水循环，钻杆内水流上升速度与钻杆内外液柱压力差有关。原理是高压空气通过送气管送到钻头上部一定位置（一节钻杆长度），使孔底附近泥浆压力增大，而钻杆顶部压力小（只有一个气压），压差使得高压空气将钻渣和泥浆压进钻杆内，而将泥浆从钻杆内排出。气举式在孔深大于7m以上时才有效，7m以内无效，适合使用于超过50m的孔深。
气举式钻杆内径不小于150mm，一般有150mm（配置7m3/min的空压机）、200mm（配置10m3/min的空压机）、250mm（配置20m3/min的空压机），风压计算：
（孔深（max）m+4m）/101.94= MPa；比如100m孔深，需要风压为（100+4）/101.94=1.02（约为10个大气压）
3、 成孔工艺：
3.1、正循环钻进工艺：属于常规施工工艺，略；
（1）、钻机就位前场地、泥浆池、设备、技术准备；
（2）、钻机就位：注意要求：转盘中心同钻架上的起吊滑轮在同一铅垂线上，转盘要水平，方钻杆上安装提引水龙头，用输浆胶管连接泥浆泵和水龙头。
（3）、初钻：先启动泥浆泵和转盘，先空转一段时间，待孔中有泥浆后在开始钻近；之后逐节接长钻杆；
（4）、正常钻进；（注意减压钻进）
（5）、泥浆净化、循环使用和补充；
（6）、成孔及清孔
（7）、验收检查。
3.2、泵吸式反循环工艺：（常见式）
（1）、钻机就位；
（2）、开钻：将钻头提高距离孔底30cm左右，将真空泵加足清水（不得用脏水），关紧出水控制阀和沉淀室放水阀使管路封闭，打开真空管路阀时气水畅通，然后启动真空泵，抽出管路内的空气产生负压，把水引到泥石泵，通过沉淀室的观察窗看到泥石泵充满水时关闭真空泵，立即启动泥石泵，当泥石泵出口真空压力达到0.2MPa以上时，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。通过开闭出水控制阀，要将泥石泵出口的真空压力控制在0.2MPa以上。
（3）、钻进、接长钻杆；
（4）、钻进过程中要控制钻速：
硬粘土中：一档转速，放松起吊钢丝绳，自由进尺；钻进速度6~12m/h；
高液限粘土、含砂低液限粘土：二、三档转速，自由进尺；钻进速度6~12m/h；
砂类土（含少量卵石）：用一、二档钻速，控制进尺；钻进速度3~5m/h；砂砾：1~2m/h
易坍塌土层（粉质土），低档慢速钻进，加大泥浆相对密度和提高水头。钻进速度6~9m/h；
（5）、泥浆净化、循环使用和补充；
（6）、成孔及清孔；
（7）、验收检查。
3.2.1、钻进过程中的故障及处理：
（1）、反循环不正常：
a、 启动真空泵后反循环流动不正常、泥石泵抖动，泥水减少以致中断：
原因：管路漏气或钻头、钻杆堵塞。
处置：首先检查钻杆法兰盘螺丝有无松动，是否垫好橡皮圈；有问题拧紧并垫好！
其次检查泥石泵的石棉垫（即盘根）处是否漏气，提引水龙头填料压盖是否松动。保证接头处不漏气漏水。
如果是钻头钻杆堵塞，则清除堵塞物即可。
b、 产生真空后，沉淀室的水位上升缓慢：
原因：真空泵使用过久，工作性能差或管路漏气；
处置方法：拧紧各处螺栓，加强保养，消除漏气现象；检查真空泵气水分离器内是否注满水；采取上述措施后，仍无效果，则应考虑更换真空泵；
c、 真空泵压力达到0.067~0.080MPa时仍不来水：
原因：吸渣口堵塞；冬季时真空管路冻结；或操作时未开管路阀门；
处置方法：先检查管路阀门（如果在冬季，检查真空管路，如确属冻结，可采用喷灯或炭火烤化），未开启时开启后即可消除；当判断属于吸渣口堵塞原因时，应提出钻头进行清理，然后再继续钻进。
（2）、钻进时泥水突然中断：
原因：在砂卵石中钻进，因钻杆给进太快使钻头或管路堵塞：
处置方法：将钻头略提升，用锤敲打钻杆及管路中的各弯头，有可能震落堵塞的砂石；或反复启闭出水控制阀门，改变管内压力，有可能清除堵塞物；可停泵一分钟，在管内水头未完全退落前，再启动真空泵使管内流速猛增，可能清除堵塞物，当采取上述方法仍然无效时，则应拆掉钻杆直至提出钻头，清除堵塞物；
预防措施：可采用钻进、停钻相结合的钻进方法；
在钻头进渣口中央焊接一根Φ6的钢筋防止较大的卵石进入钻杆；
（3）、长时间启动真空泵，真空泵表针不动：
原因：真空表接头堵塞；或真空表已坏；或管路漏气；
处置方法：先关出水控制阀和沉淀室放水阀，然后检查钻头有无漏水处；真空泵离合器是否接触，有故障时予以排除；如判断真空表已坏，则更换真空表；
3.3、气举式反循环工艺（深孔用）：
（1）、钻机就位；
（2）、初钻措施：
a、 先采用正循环开孔钻进8.5m及以上，再开始用气举反循环钻进；常用措施。
b、 将护桶接高，让护桶顶高于地面8.5m以上，护桶内注满泥浆；（不常用）
c、 在排渣管口处装设负压喷射头。（较常用）
（3）、钻进、接长钻杆；
（4）、钻进过程中要控制钻速：（与泵吸式相同）；
（5）、泥浆净化、循环使用和补充；
（6）、成孔及清孔；
（7）、验收检查。
3.3.1、注意事项：
（1）、空压机送风须与钻锥回转同时进行；
（2）、接长钻杆时，应提升钻头距孔底约30cm左右，先停止钻锥回转，再送风几分钟，将孔底钻渣清除，再放下钻锥，接长钻杆，以防埋钻或堵塞；
（3）、注意水头标高，须保证水头（可采用水泵补水），一般应使泥浆池出浆口高于井口，可自然让泥浆流入孔中，但条件限制时，也可采用泥浆泵向孔内注入泥浆。