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(dāng)接近溶洞區(qū)域頂部一定范圍內(nèi)，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(dāng)于又遇到一個凌空狀態(tài)，此時若沖擊勢能足夠大會引發(fā)崩斷鋼絲繩、卡錘及出現(xiàn)漏漿情況。

計算主要考慮沖擊能是否崩斷鋼絲繩，是否引發(fā)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(xiàn)場施工進行對比論證。

推導(dǎo)殘余速度計算公式：

當(dāng)錘頭沖擊混溶洞頂部巖層時，影響錘頭沖擊效果的參數(shù)包括：沖擊鉆錘頭質(zhì)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(shù)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(biāo)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(guān)系的一般函數(shù)形式為:

取獨立變量D, σcy, ρy，即可組成下述無量綱量：

根據(jù)Π定理，可以導(dǎo)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(shù)據(jù)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?guī)r取2*103KPa），錘頭直徑D取2m，錘頭高度L取1.2m。試驗控制參數(shù)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(tài)。

得出巖層厚度h的計算公式

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

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

假設(shè)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(tài)。因此取

當(dāng)溶洞頂巖層為中分化灰?guī)r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(shè)計鉆探資料表明該樁在這個位置處有個較大的溶洞與現(xiàn)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(xiàn)象較嚴(yán)重,但施工控制合理，并及時采用材料回填，未發(fā)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(xù)向下鉆進,發(fā)生卡鉆1次。分析原因為串珠狀溶洞地質(zhì)下，需結(jié)合鉆進深度及施工回聲來判斷溶洞位置，經(jīng)常調(diào)整沖擊鉆沖程，一旦沖程設(shè)置不合理將引發(fā)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(biāo)高→在距溶洞頂有1～2m時減小沖程→穿透溶洞→收集數(shù)據(jù)→對比總結(jié)。

2.2 施工要點

1)施工中應(yīng)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(xiàn)場原地貌確定其實際深度，當(dāng)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(biāo)記，在距溶洞頂有1～2m時采用小沖程的方式?jīng)_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(shù)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(yīng)采取不同沖程進行鉆進施工。沖程根據(jù)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(zhì)粘土層時,可采用中沖程;在溶洞頂、流砂地段等易坍塌區(qū)域采用小沖程,同時應(yīng)提高泥漿比重及膠體率。鉆孔施工應(yīng)連續(xù)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(nèi)水位應(yīng)按設(shè)計要求至少高出地下水位0.5m,且為防止泥漿溢出，應(yīng)略低于并低于護筒頂面，一般取0.3即可。

2)根據(jù)圖紙及現(xiàn)場地貌，綜合判斷沖孔高程,本區(qū)域內(nèi)巖層為中分化石灰?guī)r，其巖層強度σ=200KPa，根據(jù)計算結(jié)果，當(dāng)接近2.1m區(qū)域時沖程應(yīng)調(diào)整為2m；當(dāng)接近1.7m時，沖程應(yīng)調(diào)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(qū)域內(nèi)，應(yīng)密切關(guān)注泥漿液面的變化情況，一旦液面出現(xiàn)顯著下降，應(yīng)立即停鉆并開始回填處理，待漏漿封堵完成，調(diào)整泥漿液面完成后重新鉆進。

3 結(jié)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(jù)公式推導(dǎo)，不同沖程、不同巖層地質(zhì)下，巖層產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞的最小厚度數(shù)值范圍不同。

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