采用小冲程进行溶洞桩施工的计算原理

杨彦诗 艾勇龙 李思佳 刘德新

（中交隧道工程局有限公司， 四川 成都 610000）

1 计算原理

小冲程施工工艺是当接近溶洞区域顶部一定范围内，降低冲程高度，采用较正常钻进冲程小的一种施工方案，由于溶洞桩的存在，小冲程一旦冲破溶洞顶，则相当于又遇到一个凌空状态，此时若冲击势能足够大会引发崩断钢丝绳、卡锤及出现漏浆情况。

计算主要考虑冲击能是否崩断钢丝绳，是否引发桩基平台倾覆，研究模拟计算一个板体受冲击破坏的试验，并与现场施工进行对比论证。

推导残余速度计算公式：

当锤头冲击混溶洞顶部岩层时，影响锤头冲击效果的参数包括：冲击钻锤头质量M、高度L、 直径D、材料强度σc；锤头入射速度V1、残余速度V2。

岩层参数包括：厚度h、密度ρy、抗压强度σcy。表征锤头贯穿能力的主要指标是锤头贯穿岩层后的残余速度V2，描述残余速度与各影响因素间相互关系的一般函数形式为:

取独立变量D, σcy, ρy，即可组成下述无量纲量：

根据Π定理，可以导出残余速度V2的表达式：

由于锤头材料强度远远大于岩层材料强度，这就使得锤头在贯穿岩层后仍维持刚性，故无量纲量σc/σcy略去，则式(2)化简为

将试验数据代入上式进行回归，得出残余速度V2的无量纲表达式为：

式中V2为锤头残余速度（m/s），V1为锤头入射速度（m/s），ρy为岩层密度（kg/m3），σcy为岩层抗压强度（Pa），h为岩层厚度（m），D为锤头直径，L为锤头高度。

本次试验中，岩层密度ρy取2.2 *103kg/m3，岩层抗压强度σcy（中分化灰岩取2*103KPa），锤头直径D取2m，锤头高度L取1.2m。试验控制参数n取0.8，锤头刚好能贯穿溶洞顶岩层，锤头残余速度V2=0时为最佳状态。

得出岩层厚度h的计算公式

假设冲程为3m时，锤头入射速度V1=（2×9.8×3）1/2=7.668（m/s）

假设冲程为2m时，锤头入射速度V1=（2×9.8×2）1/2=6.261（m/s）

假设冲程为1m时，锤头入射速度V1=（2×9.8×1）1/2=4.427（m/s）

锤头刚好能贯穿溶洞顶岩层，锤头残余速度V2=0时为最佳状态。因此取

当溶洞顶岩层为中分化灰岩时，将上述各取值代入公式（6）中得

h=2.15m（冲程为3m）；h=1.67m（冲程为2m）；h=1.08m（冲程为1m）

实际施工试验过程中

（1）10-2号桩充填溶洞，设计钻探资料表明该桩在这个位置处有个较大的溶洞与现场情况相吻合,施工前在2m处开始进行小冲程施工钻至21m深时,漏浆现象较严重,但施工控制合理，并及时采用材料回填，未发生施工事故。

（2）12-3号桩充填裂隙。12-3号桩施工钻进时,溶洞呈串珠状,多次回填片石和粘土治理溶洞,继续向下钻进,发生卡钻1次。分析原因为串珠状溶洞地质下，需结合钻进深度及施工回声来判断溶洞位置，经常调整冲击钻冲程，一旦冲程设置不合理将引发卡钻等事故。

2 工艺流程、施工要点及方法

2.1 工艺流程

正常钻进→判断溶洞标高→在距溶洞顶有1～2m时减小冲程→穿透溶洞→收集数据→对比总结。

2.2 施工要点

1)施工中应提前对溶洞的大小进行图纸对比判断。通过地勘资料中所显示的溶洞状况分析对照现场原地貌确定其实际深度，当即将冲击至溶洞顶面以上3m时在钢丝绳上用红色的线做好标记，在距溶洞顶有1～2m时采用小冲程的方式冲击施工直至穿透溶洞,防止由于冲程过大，冲击作用范围广，致使突然穿透溶洞瞬间，钻头仍残余大量势能，从而卡钻、掉钻或钻机倒塌。贯穿溶洞时及时量测漏浆量以判断溶洞的大小,计算出需回填材料的数量,及时回填溶洞，以超过溶洞顶面3m为宜。

2.3 施工方法

1)冲击钻进行钻进施工过程中,对不同土层,应采取不同冲程进行钻进施工。冲程根据岩层岩性进行确定:通常情况下基岩漂石层或坚硬密实卵石层中采用大冲程;通过卵石夹土层、高液限粘土、砾类土、松散砂以及粉质粘土层时,可采用中冲程;在溶洞顶、流砂地段等易坍塌区域采用小冲程,同时应提高泥浆比重及胶体率。钻孔施工应连续进行,因故停钻需采取以下保证措施：首先必须将钻头提离孔底约5m，保证钻头不受塌方影响；其次钻进过程中孔内水位应按设计要求至少高出地下水位0.5m,且为防止泥浆溢出，应略低于并低于护筒顶面，一般取0.3即可。

2)根据图纸及现场地貌，综合判断冲孔高程,本区域内岩层为中分化石灰岩，其岩层强度σ=200KPa，根据计算结果，当接近2.1m区域时冲程应调整为2m；当接近1.7m时，冲程应调整为1m。为直观显示提升钻头冲程,可在钢丝绳上喷涂油漆。施工至溶洞桩高程区域内，应密切关注泥浆液面的变化情况，一旦液面出现显著下降，应立即停钻并开始回填处理，待漏浆封堵完成，调整泥浆液面完成后重新钻进。

3 结束语

（1）溶洞顶岩层类似于板体在受冲击作用下的破坏荷载试验；根据公式推导，不同冲程、不同岩层地质下，岩层产生结构破坏的最小厚度数值范围不同。

（2）由于不同岩层下试验控制参数n将有一定的变化，施工中应充分考虑现场岩层强度，在施工中进行对比调整，从而保证不同地质条件下小冲程施工区间准确合理，以保证施工安全。