巖溶地區(qū)橋梁樁基勘察、設(shè)計和施工體會

盧永成，朱 蔚，顧賽輝

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

巖溶地區(qū)橋梁樁基勘察、設(shè)計和施工體會

盧永成，朱 蔚，顧賽輝

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

巖溶在我國是一種相當(dāng)普遍的不良地質(zhì)作用，其分布范圍廣，形態(tài)千變?nèi)f化，在一定條件下可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，甚至嚴(yán)重威脅工程運營安全。對巖溶地區(qū)幾種勘察方法進行綜合比較，提出樁基設(shè)計與施工中應(yīng)注意的事項，總結(jié)我國對不同巖溶地質(zhì)常用的幾種處理方法。

巖溶；橋梁；樁基礎(chǔ)；勘察；設(shè)計；施工

1 概述

巖溶也稱喀斯特（KARST），是水對可溶性巖石（碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等）進行以化學(xué)溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用為輔的地質(zhì)作用，是由這些作用所產(chǎn)生的現(xiàn)象的總稱。我國喀斯特地貌分布廣、面積大，主要分布在碳酸鹽巖出露地區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計，其總面積達200萬km2，其中裸露的碳酸鹽類巖石面積約130萬km2，約占全國總面積的1/7；埋藏的碳酸鹽巖石面積約70萬km2。碳酸鹽巖石在全國各省區(qū)均有分布，但以桂、黔和滇東部地區(qū)分布最廣。湘西、鄂西、川東、魯、晉等地，碳酸鹽巖石分布的面積也較廣。巖溶是一種不良地質(zhì)作用，在一定條件下可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，甚至嚴(yán)重威脅工程運營安全。

近年來，在江西、貴州、山東、徐州等地區(qū)多個橋梁工程設(shè)計中遇到灰?guī)r地質(zhì)，巖溶發(fā)育。為了做好巖溶地區(qū)橋梁基礎(chǔ)的建設(shè)，我們學(xué)習(xí)與吸取了我國近年來在巖溶地區(qū)的建設(shè)成就以及當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗，加強地質(zhì)勘察工作，因地制宜開展設(shè)計工作，并在施工中采取動態(tài)設(shè)計，提出針對性的技術(shù)對策，防止安全隱患與昂貴的后續(xù)處理費用。

2 地質(zhì)勘察

巖溶是一種形態(tài)奇特、分布復(fù)雜的自然現(xiàn)象，宏觀上雖有發(fā)育規(guī)律，但在具體場地上，其分布和形態(tài)則是無常的。在巖溶地區(qū)，橋梁基礎(chǔ)設(shè)計必須要有真實、準(zhǔn)確的地質(zhì)勘探成果作為設(shè)計依據(jù)。

擬建工程場地或附近存在對工程安全有影響的巖溶時，應(yīng)進行巖溶勘察[1]。巖溶勘察按不同的階段進行，分可行性研究勘察、初步勘察、詳細勘察、施工勘察4個階段，各階段勘察工作總體要求見表1。巖溶地質(zhì)勘察一般采用工程地質(zhì)測繪和調(diào)查、勘探、工程物探等方法。工程物探有地面物探和孔中物探兩種。地面物探方法有淺層地震、高密度電法、地質(zhì)雷達等，一般用于查明場地土洞和巖溶發(fā)育的宏觀規(guī)律，精度較低；孔中物探方法有孔中電視、管波探測法及跨孔CT探測法等[2]，常用于樁位詳細勘察，查明場地各種巖溶和土洞的位置、規(guī)模、埋深，成果容易解釋，精度相對較高。

表1 各階段勘察工作總體要求

由于巖溶發(fā)育往往不規(guī)律，所以勘察工作對指導(dǎo)設(shè)計尤為重要。應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貛r溶發(fā)育特點確定巖溶地質(zhì)勘察方法，一般采用一樁一孔勘探、一樁多孔勘探、一樁一孔勘探與物探結(jié)合三種方法。

（1）一樁一孔鉆探：每樁布置一個鉆探孔。該勘察方法探測范圍小，往往會遺漏鉆孔旁的巖溶。

（2）一樁多孔鉆探：每樁布置一個中心鉆孔，3～5個周邊鉆孔。該勘察方法成本較高，工期長。

（3）一樁一孔鉆探與工程物探結(jié)合：每樁布置一個鉆探孔與管波探測法或跨孔 CT探測法等工程物探[3]結(jié)合進行綜合勘察，鉆探與工程物探成果相互印證。該勘察方法準(zhǔn)確性較高，成本低、工期短。

圖1為幾種勘察方法的探測范圍示意圖。表2為某工程幾種勘察方法的比較。

圖1 幾種勘察方法的探測范圍示意圖

設(shè)計中對“一樁多孔鉆探”與“一樁一孔鉆探與一管波物探結(jié)合”勘察成本進行了比較。如某工程有800根鉆孔灌注樁，平均樁長30 m，鉆孔按每米200元計，管波法按每樁2 000元計。 方案一：采用“一樁四孔鉆探”需勘察成本1 920萬元；方案二：采用“一樁一孔鉆探與一管波物探結(jié)合”需勘察成本640萬元。方案二比方案一節(jié)省1 280萬元，經(jīng)濟性較好。

勘探孔深度應(yīng)不小于巖溶底面以下樁徑的3倍，并不小于5 m。樁基施工前對沒有勘探孔或樁底情況還不明確的樁應(yīng)進行補鉆孔、加鉆孔或樁底超前鉆孔。對于大直徑、無地下集水、埋深較淺的挖孔樁可采用孔底地質(zhì)雷達探測，其深度能達到樁底下10 m左右，分辨率50 cm左右。

勘探巖土層可分為土層、巖溶發(fā)育段、軟土夾層、溶蝕裂隙發(fā)育段、節(jié)理裂隙發(fā)育段、完整基巖等，其中土層、巖溶發(fā)育段、軟土夾層、溶蝕裂隙發(fā)育段不能作為端承樁的持力層。

在徐州、江西、臨沂等多個巖溶地區(qū)橋梁設(shè)計項目中采用“一樁一孔勘探與一管波物探結(jié)合”勘察方法。圖2為徐州某橋梁工程的鉆孔柱狀圖與管波探測法結(jié)果。另外，在江西某大橋工程巖溶特別發(fā)育區(qū)域還增加了跨孔CT物探，探測兩個鉆孔之間面狀區(qū)域（切片）的巖溶狀況。圖3為該橋跨孔CT探測法圖像。

3 設(shè)計要點

在巖溶地區(qū)開展橋梁設(shè)計前，設(shè)計人員首先應(yīng)收集當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)調(diào)查資料，了解當(dāng)?shù)貛r溶特點及巖溶基礎(chǔ)設(shè)計、施工經(jīng)驗和主要處理方法，分析地質(zhì)勘察報告，因地制宜采取對策。設(shè)計中應(yīng)采取“避開特大溶洞、處理小溶洞”基本原則，道路選線應(yīng)盡量避開巖溶特別發(fā)育區(qū)域，根據(jù)地質(zhì)勘察報告優(yōu)化橋梁跨徑布置，盡量不在巖溶分布復(fù)雜部位布墩，以減少巖溶地基的處理成本。

（1）樁基承載力計算

地基提供的樁基承載力由覆蓋層樁側(cè)摩阻力、巖層樁側(cè)摩阻力與巖層樁端承載力三部分組成。樁基可采用端承樁或摩擦樁。

a.當(dāng)樁基穿過串珠狀溶洞區(qū)段，巖層的樁側(cè)摩阻力的有效性不能確定時，不宜計入該區(qū)段巖層樁側(cè)摩阻力，可以作為安全儲備。

b.當(dāng)樁基持力層下臥巖層存在薄弱層，其厚度不能達到樁徑的3倍并不小于5 m時，巖層端承載力不宜計入。有些工程采用樁端注漿加固薄弱層，并計入巖層端承載力，需重視注漿工藝，并驗證注漿效果。

表2 某工程幾種勘察方法比較

圖2 鉆孔柱狀圖與管波探測法結(jié)果

圖3 跨孔CT探測法圖像

c.當(dāng)巖溶極其發(fā)育、地下水較豐富，施工清底難以保證時，可考慮忽略樁端承載力的作用。

d.當(dāng)覆蓋層較厚，且?guī)r溶地質(zhì)特別發(fā)育，難以找到合適持力層時，可以采用群樁基礎(chǔ)，樁基不進入巖層，按摩擦樁進行設(shè)計。

e.當(dāng)巖層起伏較大可以采用長短樁，但相鄰樁樁長差別一般不宜大于樁距。當(dāng)樁基布置在傾斜巖面上時，宜適當(dāng)加大樁長，保證樁基全斷面嵌巖。長短樁布置各樁剛度差異很大，在樁基結(jié)構(gòu)受力計算時應(yīng)予以考慮。

（2）巖溶頂板穩(wěn)定性驗算

對于端承樁樁底需置于滿足規(guī)定厚度的完整基巖上。巖溶頂板穩(wěn)定性與樁端反力、巖溶頂板跨度、厚度及力學(xué)性能等有關(guān)。一般地區(qū)溶洞跨度小于6 m，巖溶頂板厚度應(yīng)不小于樁底面以下樁徑的3倍并不小于5 m，同時還要適應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，滿足當(dāng)?shù)匾?guī)范要求。

對于巖溶特別發(fā)育地區(qū)，有可能存在跨度6 m以上的大溶洞。設(shè)計時，需根據(jù)地質(zhì)詳勘報告，掌握巖溶幾何形狀與力學(xué)性能等數(shù)據(jù)，通過計算分析檢算頂板厚度。一般按簡支梁、懸臂梁、兩端固結(jié)梁三種形式計算頂板厚度，取最大值。

4 施工對策

巖溶地質(zhì)變化較大，地質(zhì)勘察往往不能全面反映，所以要重視施工過程的控制與動態(tài)設(shè)計工作。施工時應(yīng)做好鉆孔樁成孔過程的記錄，關(guān)注鉆孔鉆進時間與速度、泥漿面的變化、鉆孔渣樣、周圍地面的沉降等，分析巖土層是否與地質(zhì)報告相吻合，終孔前應(yīng)組織監(jiān)理、施工、地質(zhì)、設(shè)計等專業(yè)人員進行驗槽。如發(fā)現(xiàn)地質(zhì)情況與勘察報告不一致或異常,應(yīng)及時采取處理措施，調(diào)整樁基設(shè)計。樁底沉渣厚度的控制也是施工關(guān)鍵，宜采用氣舉反循環(huán)等清孔工藝。

近年來，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展，巖溶地區(qū)橋梁樁基施工技術(shù)水平也得到很大提高，積累了很多實踐經(jīng)驗。對巖溶地質(zhì)主要有以下幾種處理方法：

（1）投入片石與黏土擠密：對尺寸較小的巖溶，普遍存在樁基成孔過程漏漿現(xiàn)象，可投入片石與黏土至溶洞頂面1 m以上，反復(fù)沖砸擠密形成穩(wěn)定的孔壁。

（2）預(yù)注漿加固：對尺寸較小且為封閉的溶洞，當(dāng)溶洞內(nèi)充滿填充物，但不能保持成孔時孔壁穩(wěn)定時，可在成孔前對孔壁周圍填充物進行預(yù)注漿加固，達到孔壁穩(wěn)定；當(dāng)溶洞內(nèi)無填充物或部分有填充物，可以在溶洞內(nèi)先填充砂土或碎石，然后對孔壁周圍填充物進行預(yù)注漿加固。

（3）設(shè)置鋼護筒：當(dāng)巖溶尺寸較大、溶洞層數(shù)較多或成串分布時，以上兩種方法往往不能適應(yīng)?？梢圆捎靡粋€或多個鋼護筒跟進至溶洞底部，投入黏土與片石擠密鋼護筒底部或灌注水下混凝土，使成孔不漏漿。鋼護筒與巖壁及多個鋼護筒間隙需灌注水泥漿，以保證樁側(cè)巖土體抗力。

5 結(jié)語

巖溶地質(zhì)千變?nèi)f化，做好勘察工作是確保橋梁樁基安全的基礎(chǔ)。在巖溶地區(qū)采用“一樁一孔鉆探與一管波物探結(jié)合”勘察方法，鉆探與工程物探成果相互印證，準(zhǔn)確性相對較好，且是較經(jīng)濟的勘察方法。巖溶地區(qū)橋梁樁基設(shè)計沒有固定的方法，設(shè)計人員應(yīng)分析地質(zhì)勘察成果，結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗，因地制宜做好設(shè)計工作。樁基施工中應(yīng)重視過程控制與動態(tài)設(shè)計工作，及時采取施工對策。

[1]GB 50021-2001（2009版），巖土工程勘察規(guī)范[S].

[2]上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司.巖溶地區(qū)樁基勘察、設(shè)計和施工關(guān)鍵技術(shù)與示范應(yīng)用研究報告[R].上海：上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，2015.

[3]李學(xué)文，饒其榮.設(shè)計、勘察、檢測規(guī)范在巖溶區(qū)樁基方面的矛盾與解決方法[J].建筑監(jiān)督檢測與造價，2014（2）：30-33.

河北省高速公路82對服務(wù)區(qū)建起充電站

為適應(yīng)新能源汽車日漸增多的需要，河北省高管局加快新能源設(shè)施特別是電動汽車充電站的建設(shè)，目前已在河北省高速公路82對服務(wù)區(qū)中建設(shè)了163座充電站。

在京滬高速青縣服務(wù)區(qū)，可以看到4個加油機模樣的機器已安裝到位，上面寫有“國家電網(wǎng)”字樣，這就是該服務(wù)區(qū)剛投入使用的電動汽車充電樁。這些充電樁均為快充樁，十幾分鐘就可為車輛充滿電。

目前河北省高管局已在高速公路82對服務(wù)區(qū)中建設(shè)了充電站，并開通了人工預(yù)約充電、用戶自助充電和手機APP模式充電三種方式。

U443.15

B

1009-7716（2017）04-0100-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.029

2017-02-09

盧永成（1965-），男，上海人，教授級高級工程師，從事橋梁設(shè)計與科研工作。