姜成英《林业科技通讯》 2000 第1期花椒是一种经济价值较高的树种,近年来在甘肃省发展迅速,成为干旱、半干旱区农民脱贫致富的支柱产业之一。但由于花椒种子粒小坚硬,含有油质,不易透水,发芽较困难的特性,常导致花椒育苗出苗率不高,出土时间不一,苗木质量低劣,严重地影响了我省花椒生产的发展。......
2023-11-27
湿式成孔解决地下水问题
【摘要】：当软土地基的深层钻进遇到地下水问题时，采用泥浆护壁湿式成孔能够解决施工中地下水带来的孔壁塌落、钻具磨损发热及沉渣问题。常用的成孔机械分为冲击式钻孔机、潜水电钻、斗式钻头成孔机、全套管护壁成孔钻机和回转钻机等。国内尚无斗式钻头成孔机定型产品，多为施工单位自行加工。回转钻机是目前灌注桩施工中用得最多的施工机械，该钻机配有移动装置，设备性能可靠，噪声和振动小，效率高，质量好。
当软土地基的深层钻进遇到地下水问题时，采用泥浆护壁湿式成孔能够解决施工中地下水带来的孔壁塌落、钻具磨损发热及沉渣问题。常用的成孔机械分为冲击式钻孔机、潜水电钻、斗式钻头成孔机、全套管护壁成孔钻机（即贝诺特钻机）和回转钻机等。目前应用最多的是回转钻机。
（1）冲击式钻孔机成孔。冲击式钻孔机主要用于岩土层中，施工时将冲击钻头提升一定高度后以自由下落的冲击力来破碎岩层，然后排除碎块后成孔。冲击式钻头的质量一般为500～3000kg，按孔径大小选用，多用钢丝绳提升。
在孔口处埋设护筒，稳定孔口土壁及保持孔内水位，护筒内径比桩径大300～400mm，护筒高为1.5～2.0m，用厚度为6～8mm的钢板制作，用角钢加固。
掏渣筒用钢板制作，用来掏取孔内渣浆。
（2）潜水电钻成孔。潜水电钻是近年来应用较广的一种成孔机械。它是将电机、变速机加以密封，与底部的钻头连接在一起组成钻具。其可潜入孔内作业，以正（反）循环方式将泥浆送入孔内，再将钻削下的土屑由循环的泥浆带出孔外。
图2-9 笼式钻头（φ800）
1—护圈；2—钩爪；3—腋爪；4—钻头接箍；5、7—岩芯管；6—小爪；8—钻头
潜水电钻体积小，质量轻，机动灵活，成孔速度较快，适用于地下水水位高的淤泥质土、黏性土、砂质土等，换用合适的钻头也可钻入岩层。其钻孔直径为800～1500mm，深度可达50m。它常用笼式钻头，如图2-9所示。
（3）斗式钻头成孔机成孔。国内尚无斗式钻头成孔机定型产品，多为施工单位自行加工。国外有定型产品，日本的加藤式（KATO）钻机即属此类，如20HR、20TH、50TH型号，钻孔直径为500～2000mm，钻孔深度为60m。斗式钻头成孔机由钻机、钻杆、取土斗、传动与减速装置等组成，如图2-10所示。钻机利用履带式桩机，钻杆由可伸缩的空心方钢管与实心方钢芯杆组成。芯杆的下端以销轴与斗式钻头相连。提起钻杆时，内、中钻杆均收缩在外套杆内，钻孔取土时，随着钻孔深度的增加，先伸出中套杆，后伸出内芯杆。电动机通过齿轮变速箱减速后作用于方形钢钻杆上，控制工作转速为7r/min。
图2-10 斗式钻头成孔机
1—斗式钻头（取土斗）；2—导向箍；3—可伸缩的钻杆；4—传动与减速装置；5—护筒
用斗式钻头成孔机成孔的施工过程如图2-11所示。先开孔，将斗式钻头装满土后提出钻孔卸于翻斗汽车内，然后继续挖土，待其达到一定深度后安设护筒并输入护壁泥浆，然后正式开始钻孔。达到设计深度后仔细进行清渣，接下来吊放钢筋笼并用导管浇筑混凝土。
图2-11 用斗式钻头成孔机成孔的施工过程
（a）钻头开孔；（b）钻头装满土后卸土；（c）钻头关闭重新钻孔；（d）埋护筒，灌水泥浆；（e）钻孔；（f）挖掘结束进行清渣；（g）吊放钢筋笼，用导管浇筑混凝土；（h）拔出导管
用此法成孔的优点是：机械安装简单，工程费用较低；最宜在软黏土中开挖；无噪声、无振动；挖掘速度较快。
其缺点是：土层中有压力较高的承压水时挖掘较困难；挖掘后桩的直径可能比钻头直径大10%～20%；如不精心施工或管理不善，会产生坍孔。
（4）全套管护壁成孔钻机成孔。全套管护壁成孔钻机又叫贝诺特钻机，首先用于法国，后来传至世界各地。其利用一种摇管装置边摇动边压进钢套管，同时用冲抓斗挖掘土层，除去岩层，几乎所有的土质都可挖掘。该法是施工大直径钻孔桩有代表性的三种方法之一，在国外应用较为广泛。我国在广州花园酒店（直径为1200mm的灌注桩）以及深圳地铁等工程中都曾使用过贝诺特钻机。
贝诺特钻机的主要构造如图2-12所示，施工时先将套管垂直竖起并对准位置，然后用摇管装置将套管边摇动边压入。套管长度有6m、4m、3m、2m、1m等几种可供选用，一般多选用6m，套管之间用锁口插销进行连接。
图2-12 贝诺特钻机的主要构造
1—摇管装置；2—钢套管；3—卷扬机；4—冲抓斗；5—卸土时的冲抓斗；6—砂土槽
用贝诺特钻机挖土时，在压入钢套管后，用卷扬机将冲抓斗（一次抓土量为0.18～0.50m3）放下与土层接触抓土，然后将其吊起，再向前推出，此时靠钢丝绳操纵使冲抓斗的抓瓣张开，使土落至砂土槽，装于翻斗车内运出。如此反复进行挖土，直至挖到设计规定的深度为止。在钻孔达到设计深度后，清除钻渣，然后放下钢筋笼，用导管浇筑混凝土，并拔出套管。
用贝诺特钻机施工时，保证套管垂直非常重要，尤其是在埋设第一、二节套管时更应注意。
贝诺特钻机成孔的优点是：
1）与其他方式相比较，无噪声、无振动；
2）除岩层外，其他任何土质均适用；
3）在挖掘时，可确切地搞清楚持力层的土质，便于选定桩的长度；
4）挖掘速度快，挖深大，一般可挖至50m左右；
5）在软土地基中开挖，由于先行压入套管，因此不会引起坍孔；
6）由于有套管，因此在靠近已有建筑物处也可进行施工；
7）可施工斜桩，可用搭接法施工柱列式地下连续墙；
8）可使施工的灌注桩相割或相切，用于支护桩时可省去防水帷幕。
贝诺特钻机成孔的缺点是：
1）贝诺特钻机是大型机械，施工时需要占用较大的施工场地；
2）在软土地层中施工，尤其是在含地下水的砂层中挖掘，套管的摇动会使周围一定范围内的地基松软；
3）如地下水水位以下有厚细砂层（厚度5m以上），由于套管摇动，土层产生排水固结，会使挖掘困难；
4）冲抓斗的冲击会使桩尖处持力层变得松软；
5）根据地质情况的不同，已挖成的桩径会扩大4%～10%。
（5）回转钻机成孔。回转钻机是目前灌注桩施工中用得最多的施工机械，该钻机配有移动装置，设备性能可靠，噪声和振动小，效率高，质量好。该钻机配以笼式钻头，可多档调速或液压无级调速，以泵吸或气举的反循环或正循环方式进行钻进。它适用于松散土层、黏土层、砂砾层、软/硬岩层等各种地质条件。其施工程序如图2-13所示。
图2-13 回转钻机成孔的施工程序
回转钻机成孔工艺应用较多，现分别详述如下：
1）正循环回转钻机成孔。正循环回转钻机成孔的工艺原理如图2-14所示，其设备简单、工艺成熟。
图2-14 正循环回转钻机成孔工艺原理
1—钻头；2—泥浆循环方向；3—沉淀池；4—泥浆池；5—泥浆泵；6—水龙头；7—钻杆；8—钻机回转装置
当孔不太深、孔径小于800mm时，正循环回转钻机的钻进效果较好。当桩孔径较大时，钻杆与孔壁间的环形断面较大，泥浆循环时返流速度低，排渣能力弱。如使泥浆返流速度达到0.20～0.35m/s，则泥浆泵的排量必须很大，有时难以达到，此时不得不提高泥浆的相对密度和黏度。但如果泥浆相对密度过大、稠度大而难以排出钻渣或者孔壁泥皮厚度大，会影响成桩和清孔，这些都是正循环回转钻机成孔的弊病。
正循环成孔专用钻机有GPS-10、SPC-500、G-4等型号，很多国产钻机正反循环皆可。
正循环回转钻进由于需用相对密度大、黏度大的泥浆，加上泥浆上返速度小、排渣能力差、孔底沉渣多、孔壁泥皮厚，因此，为了提高成孔质量，必须认真清孔。
清孔的方法主要采用泥浆正循环清孔和压缩空气清孔。
①用泥浆正循环清孔时，待钻进结束后将钻头提离孔底200～500mm，同时大量泵入性能指标符合要求的新泥浆，维持正循环30min以上，直到清除孔底沉渣，使泥浆含砂量小于4%时为止。
②用压缩空气清孔时，用压缩空气机将压缩空气经送风管和混合器送至出水管，使出水管内的泥浆形成气液混合体，其重度小于孔内（出水管外）泥浆的重度，产生重度差。在该重度差的作用下，管内的气液混合体上升流动，使孔内泥浆经出水管底进入出水管，并顺其流出桩孔，将钻渣排出。同时不断向孔内补给含砂量小的泥浆（或清水），使孔内泥浆流动而达到清孔目的。
调节风压即可获得较好的清孔效果，一般用风量为6～9m3/min、风压为0.7MPa的压缩空气机。
2）反循环回转钻机成孔。反循环回转钻进是利用泥浆从钻杆与孔壁间的环状间隙流入钻孔来冷却钻头并携带钻屑，由钻杆内腔返回地面的一种钻进工艺。由于钻杆内腔断面积比钻杆与孔壁间的环状断面积小得多，因此泥浆的上返速度大，一般为2～3m/s，从而提高排渣能力，大大提高成孔效率。
实践证明，反循环回转钻机成孔工艺是大直径成孔施工的一种有效的成孔工艺。
反循环回转钻机成孔工艺，按钻杆内泥浆上升流动的动力来源、工作方式和工作原理的不同，可分为泵吸反循环钻进、喷射（射流）反循环钻进和气举（压气）反循环钻进三种。其工艺原理如图2-15所示。
泵吸反循环是直接利用砂石泵的抽吸作用使钻杆内的泥浆上升而形成反循环。射流反循环是利用射流泵射出的高速液流产生负压，使钻杆内的泥浆上升而形成反循环。气举反循环是将压缩空气通过供气管送至井内的气、水混合器，使压缩空气与钻杆内的泥浆混合，形成重度小于1N/m3的三相混合液，在钻杆外环空间水柱压力的作用下，使钻杆内三相混合液上升涌出地面，然后将钻渣排出孔外，形成反循环。对于泥浆液面（图2-16），实践证明只要孔内水头压力比孔外地下水压力大2×104Pa以上，就能保证孔壁的稳定，即
式中 H——孔内液面至地下水水位的高度（m）；
γa——孔内泥浆的重度（N/m3）。
图2-15 反循环回转钻机成孔工艺原理
1—钻头；2—新泥浆流向；3—沉淀池；4—砂石泵；5—水龙头；6—钻杆；7—钻机回转装置；8—混合液流向
图2-16 泥浆液面
1—护筒；2—孔内液位
由上式可以看出，要满足静水压力的要求，可以单独增大H或γa，或同时改变H和γa。但γa不应过大，最大不宜超过1.10×104N/m3，以防砂石泵启动困难和增大压力损失。但H过大会提高设备安装高度，且护筒的埋置深度需加大，以防孔内泥浆顺护筒外侧反窜至地面。
关于钻压，排渣能力强则钻压可大，排渣能力弱则钻压应小，以获得适宜的钻井速度。钻压的大小取决于单颗切削工具切入岩土所需要的压力。对于常用的合金钻头，钻压为
式中 P——钻压（kN）；
p——单颗合金破碎岩土所需压力，土层p＝0.6～0.8kN/颗，软基岩p＝0.8～1.2kN/颗，硬基岩p＝0.9～1.6kN/颗；
m——钻头上合金颗粒数。
关于转速，当钻头线速度达到一定值时，再增加转速则钻进速度不增加或增加很少。转轴功率一定时，增加转速会减小回转扭矩，对切削地层不利。
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