采用小沖程進行溶洞樁施工的計算原理

楊彥詩 艾勇龍 李思佳 劉德新

（中交隧道工程局有限公司， 四川 成都 610000）

1 計算原理

小沖程施工工藝是當接近溶洞區域頂部一定范圍內，降低沖程高度，采用較正常鉆進沖程小的一種施工方案，由于溶洞樁的存在，小沖程一旦沖破溶洞頂，則相當于又遇到一個凌空狀態，此時若沖擊勢能足夠大會引發崩斷鋼絲繩、卡錘及出現漏漿情況。

計算主要考慮沖擊能是否崩斷鋼絲繩，是否引發樁基平臺傾覆，研究模擬計算一個板體受沖擊破壞的試驗，并與現場施工進行對比論證。

推導殘余速度計算公式：

當錘頭沖擊混溶洞頂部巖層時，影響錘頭沖擊效果的參數包括：沖擊鉆錘頭質量M、高度L、 直徑D、材料強度σc；錘頭入射速度V1、殘余速度V2。

巖層參數包括：厚度h、密度ρy、抗壓強度σcy。表征錘頭貫穿能力的主要指標是錘頭貫穿巖層后的殘余速度V2，描述殘余速度與各影響因素間相互關系的一般函數形式為:

取獨立變量D, σcy, ρy，即可組成下述無量綱量：

根據Π定理，可以導出殘余速度V2的表達式：

由于錘頭材料強度遠遠大于巖層材料強度，這就使得錘頭在貫穿巖層后仍維持剛性，故無量綱量σc/σcy略去，則式(2)化簡為

將試驗數據代入上式進行回歸，得出殘余速度V2的無量綱表達式為：

式中V2為錘頭殘余速度（m/s），V1為錘頭入射速度（m/s），ρy為巖層密度（kg/m3），σcy為巖層抗壓強度（Pa），h為巖層厚度（m），D為錘頭直徑，L為錘頭高度。

本次試驗中，巖層密度ρy取2.2 *103kg/m3，巖層抗壓強度σcy（中分化灰巖取2*103KPa），錘頭直徑D取2m，錘頭高度L取1.2m。試驗控制參數n取0.8，錘頭剛好能貫穿溶洞頂巖層，錘頭殘余速度V2=0時為最佳狀態。

得出巖層厚度h的計算公式

假設沖程為3m時，錘頭入射速度V1=（2×9.8×3）1/2=7.668（m/s）

假設沖程為2m時，錘頭入射速度V1=（2×9.8×2）1/2=6.261（m/s）

假設沖程為1m時，錘頭入射速度V1=（2×9.8×1）1/2=4.427（m/s）

錘頭剛好能貫穿溶洞頂巖層，錘頭殘余速度V2=0時為最佳狀態。因此取

當溶洞頂巖層為中分化灰巖時，將上述各取值代入公式（6）中得

h=2.15m（沖程為3m）；h=1.67m（沖程為2m）；h=1.08m（沖程為1m）

實際施工試驗過程中

（1）10-2號樁充填溶洞，設計鉆探資料表明該樁在這個位置處有個較大的溶洞與現場情況相吻合,施工前在2m處開始進行小沖程施工鉆至21m深時,漏漿現象較嚴重,但施工控制合理，并及時采用材料回填，未發生施工事故。

（2）12-3號樁充填裂隙。12-3號樁施工鉆進時,溶洞呈串珠狀,多次回填片石和粘土治理溶洞,繼續向下鉆進,發生卡鉆1次。分析原因為串珠狀溶洞地質下，需結合鉆進深度及施工回聲來判斷溶洞位置，經常調整沖擊鉆沖程，一旦沖程設置不合理將引發卡鉆等事故。

2 工藝流程、施工要點及方法

2.1 工藝流程

正常鉆進→判斷溶洞標高→在距溶洞頂有1～2m時減小沖程→穿透溶洞→收集數據→對比總結。

2.2 施工要點

1)施工中應提前對溶洞的大小進行圖紙對比判斷。通過地勘資料中所顯示的溶洞狀況分析對照現場原地貌確定其實際深度，當即將沖擊至溶洞頂面以上3m時在鋼絲繩上用紅色的線做好標記，在距溶洞頂有1～2m時采用小沖程的方式沖擊施工直至穿透溶洞,防止由于沖程過大，沖擊作用范圍廣，致使突然穿透溶洞瞬間，鉆頭仍殘余大量勢能，從而卡鉆、掉鉆或鉆機倒塌。貫穿溶洞時及時量測漏漿量以判斷溶洞的大小,計算出需回填材料的數量,及時回填溶洞，以超過溶洞頂面3m為宜。

2.3 施工方法

1)沖擊鉆進行鉆進施工過程中,對不同土層,應采取不同沖程進行鉆進施工。沖程根據巖層巖性進行確定:通常情況下基巖漂石層或堅硬密實卵石層中采用大沖程;通過卵石夾土層、高液限粘土、礫類土、松散砂以及粉質粘土層時,可采用中沖程;在溶洞頂、流砂地段等易坍塌區域采用小沖程,同時應提高泥漿比重及膠體率。鉆孔施工應連續進行,因故停鉆需采取以下保證措施：首先必須將鉆頭提離孔底約5m，保證鉆頭不受塌方影響；其次鉆進過程中孔內水位應按設計要求至少高出地下水位0.5m,且為防止泥漿溢出，應略低于并低于護筒頂面，一般取0.3即可。

2)根據圖紙及現場地貌，綜合判斷沖孔高程,本區域內巖層為中分化石灰巖，其巖層強度σ=200KPa，根據計算結果，當接近2.1m區域時沖程應調整為2m；當接近1.7m時，沖程應調整為1m。為直觀顯示提升鉆頭沖程,可在鋼絲繩上噴涂油漆。施工至溶洞樁高程區域內，應密切關注泥漿液面的變化情況，一旦液面出現顯著下降，應立即停鉆并開始回填處理，待漏漿封堵完成，調整泥漿液面完成后重新鉆進。

3 結束語

（1）溶洞頂巖層類似于板體在受沖擊作用下的破壞荷載試驗；根據公式推導，不同沖程、不同巖層地質下，巖層產生結構破壞的最小厚度數值范圍不同。

（2）由于不同巖層下試驗控制參數n將有一定的變化，施工中應充分考慮現場巖層強度，在施工中進行對比調整，從而保證不同地質條件下小沖程施工區間準確合理，以保證施工安全。