泥浆护壁成孔灌注桩是利用原土自然造浆或人工造浆浆液护壁，通过循环泥浆将被钻头切削土体的土块钻屑挟带排出孔外而成孔，而后安放钢筋笼，水下灌注混凝土成桩。泥浆护壁成孔方法有：正（反）循环回转钻成孔、正（反）循环潜水钻成孔、冲击钻成孔、冲抓锥成孔、钻斗钻成孔等。泥浆护壁成孔灌注桩适用于地下水位以下的粘性土、粉土、砂土、填土、碎（砾）石土及风化岩层；以及地质情况复杂、夹层多、风化不均、软硬变化较大的岩层；冲孔灌注桩还能穿透旧基础、大孤石等障碍物，但在岩溶发育地区慎重使用。

泥浆护壁成孔灌注桩施工工艺流程如图3-47所示。

图3-47　泥浆护壁成孔灌注桩工艺流程图

3.3.4.1　埋设护筒

护筒是埋置在钻孔孔口的圆筒（如图3-48），是大直径泥浆护壁成孔灌注桩特有的一种装置。其作用是固定桩孔位置；防止地面水流入，保护孔口；增高桩孔内水压力，防止塌孔；以及钻孔时引导钻头方向。

图3-48　护筒及钻孔

护筒用4～8mm厚钢板制成，内径应比钻头直径大100～150mm，上部宜开设1～2个溢浆孔。护筒的埋设深度，在粘土中不宜小于1.0m，在砂土中不宜小于1.5m。护筒顶面应高于地面0.4～0.6m，并应保持孔内泥浆面高出地下水位1～2m，在受水位涨落影响时，泥浆面应高出最高水位1.5m以上。

3.3.4.2　泥浆制备

泥浆在桩孔内会吸附在孔壁上，将土壁孔隙填渗密实，并形成一层致密的泥膜，可避免桩孔内壁漏水，保持护筒内水压稳定。由于孔内外的水头差，重度比水大的泥浆所形成的泥浆压力作用在这层泥膜上，即可稳固土壁，防止塌孔；泥浆有一定粘度，通过循环泥浆可将切削碎的泥石碴屑悬浮后排出，起到携砂、排土的作用。同时，泥浆还可对钻头有冷却和润滑作用。

制备泥浆的方法应根据土质条件确定：在粘性土中成孔，可在孔中注清水，钻机回转时，切削土屑并与水旋拌，利用原土造浆，泥浆比重控制在1.1～1.2。在其他土层中成孔，泥浆制备应选用高塑性粘性土或膨润土。在砂土和较厚的夹砂层中成孔时，泥浆比重应控制在1.1～1.3；在穿过砂夹卵石层或容易塌孔的土层中成孔时，泥浆比重控制在1.3～1.5。施工中应经常测定泥浆比重，并定期测定粘度、含砂率和胶体率等指标。对施工中废弃的泥浆、泥碴应按环境保护的有关规定处理。

3.3.4.3　成孔方法

1.回转钻成孔

回转钻成孔是国内灌注桩施工中最常用的方法之一。按其排渣方式分为正循环回转钻成孔和反循环回转钻成孔两种。

（1）正循环回转钻成孔

是钻机回转装置带动钻杆和钻头回转切削破碎岩土，由泥浆泵输进泥浆，泥浆沿孔壁上升，从孔口溢浆孔溢出流入泥浆池，经沉淀返回循环池。通过循环泥浆，一方面协助钻头破碎岩土，将钻渣带出孔外，同时起护壁作用，如图3-49所示。正循环回转钻成孔泥浆的上返速度较低，挟带土粒直径小，排渣能力差，岩土重复破碎现象严重。适用于填土、淤泥、粘土、粉土、砂土等地层，对卵砾石含量不大于15%、粒径小于10mm的部分砂卵砾石层和软质基岩、较硬基岩也可使用。桩孔直径不宜大于1000mm，钻孔深度不宜超过40m。

图3-49　正循环旋转钻孔

正循环回转钻机主要由动力机、泥浆泵、卷扬机、转盘、钻架、钻杆、水龙头等组成。钻机上主动钻杆截面形状有四方形和六角形两种，长5～6m；孔内钻杆一般均为圆截面，外径有φ89，φ114，φ127mm等规格。钻头按其破碎岩土的切削研磨材料不同，分为硬质合金钻头（图3-50（a））、钢粒钻头（图3-50（b））和滚轮钻头。按钻进方法的不同，可分为全面钻进钻头（图3-50（b））、取芯钻头（图3-51）和分级扩孔钻进钻头。全面钻进钻头一般用于第四系地层以及岩石强度低、桩孔嵌入基岩深度不大的情况。取芯钻头主要用于某些基岩（如比较完整的砂岩、灰岩等）地层钻进。分级扩孔钻进即按设备能力条件和岩性，将钻孔分为多级口径钻进，一般分为2～3级。

图3-50　钻头类型

（a）1—钻头中心管；2—斜撑杆；3—扶正环；4—合金块；5—横撑杆；6—竖撑杆；7—导正环；8—肋骨块；9—翼板；10—切削具；11—接头；12—导向钻头
（b）1—钻杆接头；2—加强筋板；3—钻头体；4—短钻杆（或钢管）；5—水口

图3-51　筒状肋骨合金取芯钻头

1—钻杆接头；2—加强筋板；3—钻头体；4—肋骨块；5—合金片

正循环钻进主要参数有：冲洗液量、转速和钻压。保持足够的冲洗液（指泥浆或水）量是提高正循环钻进效率的关键。转速的选择除了满足破碎岩土的扭矩需要，还要考虑钻头的不同部位切削具的磨耗情况。一般砂土层硬质合金钻进时，转速取40～80r/min，较硬或非均质地层转速可适当调慢；对于钢粒钻进成孔，转速一般取50～120r/min，大桩取小值，小桩取大值；对于牙轮钻头钻进成孔，转速一般取60～180r/min。在松散地层中，确定给进钻压时，以冲洗液畅通和钻渣清除及时为前提，灵活加以掌握；在基岩中钻进可通过配置加重铤或重块来提高钻压。对于硬质合金钻钻进成孔，钻压应根据地质条件、钻杆与桩孔的直径差、钻头形式、切削具数目、设备能力和钻具强度等因素综合考虑确定。一般按每片切削刀具的钻压为800～1200N或每颗合金的钻压为400～600N确定钻头所需的钻压。

（2）反循环回转钻成孔

是由钻机回钻装置带动钻杆和钻头回转切削破碎岩土，利用泵吸、气举、喷射等措施抽吸循环护壁泥浆，挟带钻渣从钻杆内腔抽吸出孔外的成孔方法（图3-52）。反循环回转钻成孔方法根据抽吸原理不同可分为泵吸反循环、气举反循环与喷射（射流）反循环三种施工工艺。

泵吸反循环是直接利用砂石泵的抽吸作用使钻杆的水流上升而形成反循环（图3-53（a））。

图3-52　反循环旋转钻孔

喷射反循环是利用射流泵射出的高速水流产生负压使钻杆内的水流上升而形成反循环（图3-53（b））。这两种方法驱动水流上升压力一般不大于一个气压，因此在浅孔时效率高，孔深大于50m以后效率降低（见图3-54）。

图3-53　反循环施工方法

图3-53　反循环施工方法

而气举反循环是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重度差有关，随孔深增加效率增加，当孔深超过50m以后即能保持较高而稳定的钻进效率（图3-53（c）、图3-54）。因此，应根据孔深情况选择合适的反循环施工工艺。

图3-54　三种反循环钻进效率曲线图

a—气举反循环；b—泵吸反循环；c—喷射反循环

反循环钻进成孔适用于填土、淤泥、粘土、粉土、砂土、砂砾等地层；当采用圆锥式钻头可进入软岩；当采用牙轮式钻头可进入硬岩。

反循环钻机与正循环钻机基本相同，但还要配备吸泥泵、真空泵或空气压缩机等。反循环钻进参数应根据地层、桩径、砂石泵的合理排量和钻机的经济钻速等加以选择和调整。钻进参数和钻速的选择见表3-5。(www.daowen.com)

表3-5　泵吸反循环钻进推荐参数和钻速表

续表3-5

注：1.本表摘自江西地矿局“钻孔灌注桩施工规程”。
2.本表钻进参数以GPS-15型钻机为例；砂石泵排量要考虑孔径大小和地层情况灵活选择调整，一般外环间隙冲洗液流速不宜大于10m/min，钻杆内上返流速应大于2.4m/s.
3.桩孔直径较大时，钻压宜选用上限，钻头转速宜选用下限，获得下限钻进速度；桩孔直径较小时，钻压宜选用下限，钻头转速宜选用上限，获得上限钻进速度。

2.潜水钻成孔

潜水电钻的动力装置沉入钻孔内（图3-55、图3-56），防水密封式的电动机和变速箱及钻头组装在一起潜入泥浆之下钻进。电动机在泥浆中通过变速箱带动钻头旋转切土钻进。潜水钻的空心钻杆从钻头组装体系的中间穿过，它只作为泥浆的通道而不传递扭矩。

图3-55　KQ系列潜水钻机

1—桩架；2—卷扬机；3—配电箱；4—护筒；5—防水电缆；6—钻杆；7—潜水砂泵；8—潜水动力头装置；9—钻头

图3-56　潜水钻主机构造示意图

1—提升盖；2—进水管；3—电缆；4—潜水钻机5—行星减速箱；6—中间进水管；7—钻头接箍

潜水电钻同样使用泥浆护壁，泥浆的功能和组成与回转钻机相同，其出渣方式同样有正循环与反循环两种。潜水电钻正循环是利用泥浆泵将泥浆压入空心钻杆并通过中空的电动机和钻头等射入孔底，然后挟带着钻头切削的钻渣在钻孔中上浮，溢出孔外而导入泥浆沉淀池，泥浆的净化与循环方式与正循环回转钻相同。

潜水钻的反循环有泵举法、气举法和泵吸法三种。若为气举法出渣，开孔时同样不能使用气举法，而只能用正循环或泵吸式开孔，钻孔约有6～7m深时才可改为反循环的气举法出渣。反循环泵吸式用吸泥泵出渣时，吸泥泵同样可潜入泥浆下工作，因而出渣效率高。

潜水电钻体积小、质量轻、机动灵活、成孔速度较快，适用于地下水位高的淤泥质土、粘性土、砂质土等，换用合适的钻头亦可钻入岩层。钻孔直径约为800～1500mm，深度可达50m。它常用笼式钻头（图3-57）。

图3-57　笼式钻头（孔径800mm）

1—护圈；2—钩爪；3—腋爪；4—钻头接箍；7—岩芯管；6—小爪；8—钻尖；9—翼片

3.冲击钻成孔

冲击钻成孔是把带钻刃的重钻头（又称冲锤）提高，靠自由下落的冲击力来破碎岩层或冲挤土层，排出碎碴成孔。它适用于碎石土、砂土、粘性土及风化岩层等。桩径可达600～1500mm。大直径桩孔可分级成孔，第一级成孔直径为设计桩径的0.6～0.8倍。

冲孔设备除选用定型冲击钻机外，也可自行制作简易冲击钻孔（图3-58）。冲击钻头的形式有十字形、工字形、人字形等，宜用十字形（图3-59）。在钻头锥顶和提升钢丝绳之间设有自动转向装置，从而能保证冲钻成圆孔。

开孔时钻头应低提（冲程≤1m）密冲，若为淤泥、细砂等软土，要及时投入小片石和粘土块，以便冲击造浆，并使孔壁挤压密实，直到护筒以下3～4m后，才可加大冲击钻头的冲程，提高钻进效率。孔内被冲碎的石渣，一部分会随泥浆挤入孔壁内，其余较大的石渣用泥浆循环法或掏渣筒（图3-60）掏出。进入基岩后，应低锤冲击或间断冲击，每钻进100～500mm应清孔取样一次，以备终孔验收。如果冲孔发生偏斜，应回填片石（厚300～500mm）后重新冲击。施工中应经常检查钢丝绳的磨损情况，卡扣松紧程度和转向装置是否灵活，以免掉钻。

4.斗式钻头成孔机成孔

斗式钻头成孔机由钻机、钻杆、钻斗、传动与减速装置等组成。钻机利用履带式桩机。它的钻斗呈铲斗状，里面是空的，可盛土。动力装置在钻孔外，将扭矩传给钻杆，带动钻头旋转钻进。钻进过程中钻头的切削刃刮削出钻渣并通过进泥口进入钻头的内腔，钻斗装满土后提升钻杆，将钻斗提出钻孔外，排除钻渣后，继续下一斗的钻进（图3-61），直到钻头达到设计标高。这样，斗式钻成孔时排渣不需要泥浆，但如果是在水下钻孔，则存在孔壁稳定问题，仍需要采用泥浆护壁。

图3-58　简易冲击钻孔机示意图

1—副滑轮；2—主滑轮：3—主杆；4—前拉索；5—后拉索；6—斜撑；7—双滚筒卷扬机；8—导向轮；9—垫木；10—钢管；11—供浆管；12—溢流口；13—泥浆渡槽；14—护筒回填土；15—钻头

图3-59　十字形冲头示意图

图3-60　抽渣筒构造示意图

斗式钻孔机的钻杆是中空的，外部呈方形，它由外层、中层和内层三层杆组成，钻斗连接于内层杆，提升钻杆时，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。

斗式钻头钻机所用之钻头，有锅底式、冲击式、锁定式和人字式（图3-62）。一般采用锅底式钻头；对卵石或密实的砂砾层则用冲击式钻头；为取出大块的孤石才用锁定式钻头。此法成孔优点是：机械安装简单、工程费用低；最宜在软粘土中开挖；无噪音、无振动；挖掘速度快。其缺点是：如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造成塌孔。

图3-61　斗式钻头成孔机

1—取土斗；2—导向箍；3—伸缩钻杆；4—传动与减速装置

图3-62　斗式钻钻头

3.3.4.4　清孔

当钻孔达到设计要求深度后，即应进行验孔和清孔，清除孔底沉渣、淤泥，以减少桩基的沉降量，提高承载能力。

清孔的方法可以采用正循环法（图3-49）、泵吸反循环法（图3-53（a））、气举反循环法（图3-53（c））和掏渣筒掏渣清孔。用泵吸反循环清孔形成钻孔内负压，不利于护壁，时间久了易坍孔，故此法只能在孔壁土层较稳定时才能使用。清孔时，应保持孔内泥浆面高出地下水位1.0m以上，在受水位涨落影响时，泥浆面应高出最高水位1.5m以上。清孔后，浇筑混凝土之前，孔底500mm以内的泥浆比重应小于1.25；含砂率≤8%；粘度≤28s。孔底沉渣厚度指标应符合下列规定：端承桩≤50mm；摩擦端承桩、端承摩擦桩≤100mm；摩擦桩≤300mm。若不能满足上述要求，应继续清孔。清孔满足要求后，应立即安放钢筋笼、浇筑混凝土。若安放钢筋笼时间过长，应进行二次清孔后浇筑混凝土。

泥浆护壁成孔灌注桩的水下混凝土浇筑常用导管法，详见第5章。