漢江特大橋覆蓋型巖溶地質(zhì)特征及處理措施研究

曾德建 王茂靖 杜宇本

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

按可溶巖的埋藏條件，一般可將巖溶劃分為裸露型巖溶、覆蓋型巖溶和埋藏型巖溶三種類型[1]。其中，覆蓋型巖溶在抽排水、爆破、加載、振動等人為干擾下，常常容易引發(fā)地表塌陷，造成重大經(jīng)濟損失，危害人民的生命和財產(chǎn)安全[2]。在鐵路工程建設(shè)中，人們對巖溶塌陷影響深度的認(rèn)識逐步加強：南昆鐵路建設(shè)時，覆土厚度大于15 m則不考慮巖溶塌陷影響；內(nèi)昆、株六鐵路建設(shè)期間，覆土厚度大于20 m時不再考慮巖溶塌陷影響[3]。而鄭萬鐵路建設(shè)期間，覆土厚度達(dá)30m的地段，施工過程中仍發(fā)生了巖溶塌陷。本文結(jié)合鄭萬高速鐵路漢江特大橋覆蓋型巖溶發(fā)育特征以及樁基開挖過程中出現(xiàn)的地面塌陷現(xiàn)象，總結(jié)了該類工程地質(zhì)橋梁樁基勘察設(shè)計的原則、思路方法、注意事項以及工程處理措施，為覆蓋型巖溶橋梁樁基施工地面塌陷的防治提供依據(jù)。

1 工程與地質(zhì)概況

1.1 工程概況

鄭萬鐵路漢江特大橋全長28.3 km。該橋起于襄陽盆地與大洪山交界處，延伸于襄陽盆地，屬典型沖積平原區(qū)厚覆蓋層地帶，絕對高程55～75 m，地形平坦開闊，起伏較小，植被較發(fā)育。

1.2 地質(zhì)概況

橋址范圍內(nèi)地表水為漢江河水，河流較寬，流量受季節(jié)變化影響較大，為常年流水河流。地下水以孔隙水、巖溶水為主，孔隙水賦存于第四系全新統(tǒng)覆蓋層砂卵石土層中，砂卵石土層為主要含水層，其透水性強，地下水與漢江地表水聯(lián)通性較好。地下水水位埋深 7～8 m，地下水位與漢江水位基本齊平，地表水對地下水補給及時，地下水發(fā)育。

2 巖溶發(fā)育規(guī)律

漢江特大橋小里程端前85個墩臺范圍內(nèi)，勘察期間共完成地質(zhì)鉆孔406個，揭示各種溶洞1 100個?？辈熨Y料揭示該段范圍內(nèi)巖溶強烈發(fā)育，巖溶為該橋梁的主要不良地質(zhì)，對橋梁工程影響較大。

2.1 巖溶發(fā)育規(guī)律

漢江特大橋小里程端上覆20～30 m透水性強的粉細(xì)砂、砂礫石覆蓋層，該段范圍內(nèi)地下水發(fā)育，基巖上覆圓礫土透水性較強，巖溶主要發(fā)育深度位于覆蓋層與基巖接觸帶之間，局部地段巖溶發(fā)育較深，屬覆蓋性巖溶。工程地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

巖溶以多層串珠狀溶洞形式發(fā)育，揭示溶洞數(shù)量統(tǒng)計如表1所示。

圖1 漢江特大橋小里程端工程地質(zhì)縱斷面圖

表1 揭示溶洞數(shù)量統(tǒng)計表

由表1可以看出，下伏基巖內(nèi)巖溶強烈發(fā)育，鉆孔遇洞率高達(dá)84.98%。

溶洞主要以充填型為主，充填物主要為圓礫土和砂層，局部充填有黏土。溶洞充填物質(zhì)成分統(tǒng)計如表2所示。溶洞充填物質(zhì)來源于基巖上覆蓋層物，洞內(nèi)充填物密實度差，鉆探揭示充填物采取率較低，一般在30%～40%之間。由于基巖上覆蓋層為圓礫土，圓礫間由細(xì)砂充填，圓礫土自穩(wěn)能力較差，在溶洞形成通道后，圓礫土能較好地通過溶洞通道，充填整個溶腔，故空洞較少。

表2 溶洞充填物質(zhì)成分統(tǒng)計表

不同規(guī)模溶洞個數(shù)及分布頻率統(tǒng)計如表3所示。從表3中可以看出，該段范圍內(nèi)溶洞尺寸大小主要集中在1～4 m，隨著溶洞規(guī)模的增大，溶洞數(shù)量減小。根據(jù)鉆孔揭示，最大腔溶洞頂?shù)装暹_(dá)12 m，但結(jié)合相鄰鉆孔分析，該溶洞為溶縫的可能性很大，不屬于大型溶廳，整體塌陷的風(fēng)險較小。

溶洞垂向發(fā)育特征統(tǒng)計如表4所示。由表4可以看出，巖溶垂向發(fā)育埋深主要在20～50 m之間，巖溶向深部發(fā)育相對較少。由于該段范圍內(nèi)基巖上覆土層厚20～30 m，分析得出，下伏基巖受地下水影響，巖溶發(fā)育深度主要位于基巖面以下0～20 m范圍內(nèi)，局部地段巖溶發(fā)育較深。

表3 不同規(guī)模溶洞個數(shù)及分布頻率統(tǒng)計表

表4 溶洞垂向發(fā)育特征統(tǒng)計表

綜上所述，受漢江地表水影響，研究范圍內(nèi)地下水補給及時，流動性強，發(fā)育的地下水及強透水性覆蓋層造成下伏灰?guī)r與覆蓋層接觸帶范圍內(nèi)巖溶強烈發(fā)育，且溶洞大小、深度不一。其中，溶洞尺寸大小主要集中在1～4 m范圍內(nèi)，巖溶發(fā)育深度主要位于基巖面以下0～20 m范圍內(nèi)，溶洞內(nèi)主要由細(xì)圓礫土充填，巖溶對橋梁樁基礎(chǔ)影響較大。

2.2 巖溶評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)可溶巖的埋藏條件分類，研究范圍內(nèi)巖溶屬覆蓋性巖溶[1]。按TB 10027-2012《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》地面塌陷評價體系，對該段范圍巖溶塌陷進(jìn)行評價，得出該段巖溶塌陷指標(biāo)為75，為易塌陷區(qū)，存在地面塌陷的可能[4-5]。

覆蓋型巖溶地面塌陷主要評價土體變形及其地面效應(yīng)、巖溶( 主要是巖溶通道和溶洞) 和 觸發(fā)因素( 包括自然因素和人為因素)三方面內(nèi)容。結(jié)合研究范圍內(nèi)巖溶的發(fā)育規(guī)律，分析得出該范圍內(nèi)樁基施工可能引發(fā)沙漏型巖溶地面塌陷。

在覆蓋型巖溶地區(qū)，當(dāng)覆蓋層為松散的沙性土?xí)r，溶蝕裂隙、落水洞等為沙性土顆粒的漏失提供通道，各種規(guī)模的溶洞及地下暗河系統(tǒng)則為沙顆粒的儲存提供空間。在外部因素(樁基施工沖積荷載)的觸發(fā)下，沙顆粒逐漸漏失。隨著沙顆粒漏失量的增大，在地表逐漸形成規(guī)模較大的塌陷坑，即發(fā)生巖溶地面塌陷。

3 巖溶勘察設(shè)計

3.1 巖溶勘察

巖溶勘察過程主要以鉆探為主，鉆探根據(jù)場地地質(zhì)條件和橋跨設(shè)置，以能探明地基各巖土層分布、巖溶發(fā)育程度和地基強度，滿足場地穩(wěn)定性評價要求為度，結(jié)合基礎(chǔ)類型及巖溶發(fā)育程度進(jìn)行鉆孔布置，鉆探按分序進(jìn)行。

每個墩臺首先布置1～2個鉆孔，對角線樁位布置，然后根據(jù)鉆孔揭示巖溶發(fā)育情況逐步加孔。當(dāng)鉆探發(fā)現(xiàn)≥0.5 m的溶洞或溶隙時：(1)當(dāng)揭示溶洞底板深度<9 m且溶洞高度<5 m時，不增加鉆孔(揭洞深度<9 m且溶洞高度≥5 m時另行研究)；(2)當(dāng)溶洞底板深度>9 m時，在墩臺另外一個對角線增加2個鉆孔，并在其相鄰樁位增加1個鉆孔(合計增加3個鉆孔)。新增鉆孔再遇底板深度>9 m的溶洞時，則再于相應(yīng)的相鄰樁位增加2個鉆孔，以此類推，直至逐樁。鉆孔遇溶洞相鄰樁位增加鉆孔代表性布置如圖2所示。

3.2 巖溶樁設(shè)計

針對覆蓋型巖溶發(fā)育規(guī)律， 結(jié)合西南地區(qū)鐵路巖溶橋梁樁基設(shè)計經(jīng)驗，在巖溶發(fā)育地區(qū)，根據(jù)鉆探揭示的溶洞情況，盡量采用樁基礎(chǔ)。選取合理樁基類型及合理樁長，以滿足高速鐵路對橋梁樁基礎(chǔ)的沉降及變形要求。根據(jù)不同的地質(zhì)條件、覆蓋層厚度及巖溶特征，將樁基礎(chǔ)設(shè)計分為三種類型。

圖2 鉆孔遇溶洞相鄰樁位增加鉆孔代表性布置示意圖

(1)巖溶弱發(fā)育或溶洞層數(shù)少，有完整的巖溶支承頂板厚度時，樁基設(shè)計可為不等樁長的柱樁基礎(chǔ)，樁底必須嵌入巖層一定深度。

(2)發(fā)育多層串珠狀溶洞且發(fā)育較深，各層溶洞頂板較薄，無穩(wěn)定基巖作為樁的持力層時，樁身可能連續(xù)穿透幾個溶洞(槽)，其累計巖壁厚度達(dá)到一定數(shù)值，可按摩擦樁設(shè)計，但樁端應(yīng)置于一定厚度的巖溶頂板中。同時應(yīng)考慮基礎(chǔ)的不均勻沉降，必要時對樁基以下的溶洞進(jìn)行注漿加固處理。

(3)覆蓋層較厚，巖溶埋藏較深，溶洞內(nèi)有填充物時，可設(shè)計為短樁大承臺基礎(chǔ)，樁支承在覆蓋層內(nèi)，群樁按摩擦樁計算。但應(yīng)首先對場地穩(wěn)定性進(jìn)行評價，對于巖溶塌陷高風(fēng)險區(qū)和極高風(fēng)險區(qū)，不宜采用摩擦樁基礎(chǔ)。

漢江特大橋小里程端巖溶發(fā)育范圍內(nèi)的85個橋基礎(chǔ)均采用鉆孔樁柱樁基礎(chǔ)，樁底均嵌入巖層一定深度，樁基礎(chǔ)形式按端承樁考慮，最大樁長達(dá)85.5 m。

4 巖溶工程處理措施

4.1 橋梁樁基施工現(xiàn)場

針對漢江特大橋小里程端巖溶發(fā)育特征，橋梁樁基礎(chǔ)施工過程中主要采取鋼護(hù)筒跟進(jìn)、拋填黃泥片石、局部地段注漿加固等處理措施。

橋梁樁基礎(chǔ)施工主要采用沖擊鉆進(jìn)行施工，施工過程中多次出現(xiàn)地面塌陷現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了現(xiàn)場施工人員、設(shè)備以及主體結(jié)構(gòu)的安全。結(jié)合該段范圍內(nèi)巖溶發(fā)育規(guī)律以及施工中出現(xiàn)的地面塌陷，分析判斷塌陷符合沙漏型塌陷的規(guī)律，成孔過程中產(chǎn)生的動荷載和巖溶提供的有效空間形成了產(chǎn)生沙漏型塌陷的必要條件。

樁基施工產(chǎn)生地面塌陷的主要原因是：基巖上覆的粉細(xì)砂、砂礫石層凝聚力很小或近似于0，多孔隙且透水性強，土顆粒運動的阻力主要為粒間摩擦力。由于橋址區(qū)地下水位較高，致使上覆蓋層飽水，在橋樁基施工過程中，沖擊鉆的動荷載作用導(dǎo)致地下水位上下頻繁波動，砂礫石層中形成孔隙水壓力，其有效應(yīng)力降低，粒間摩阻力減小，在重力的作用下，土顆粒發(fā)生位移的自由度增大。當(dāng)沖擊鉆擊穿溶洞頂板后，覆蓋層與溶腔的連通通道形成，覆蓋層順通道進(jìn)入溶腔，從而造成了地面塌陷。

4.2 巖溶工程處理措施

針對漢江特大橋巖溶塌陷現(xiàn)象，為保證成孔過程安全和成樁質(zhì)量，根據(jù)各墩臺的巖溶發(fā)育情況，選取回填粘土、拋填片石、回填素混凝土、鋼護(hù)筒跟進(jìn)、地層注漿、空洞壓漿或壓注素混凝土等方法進(jìn)行巖溶處理，如表5所示。

4.3 防地面塌陷對策

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，總結(jié)了防止巖溶地面塌陷的幾點措施：

(1)根據(jù)地質(zhì)勘察資料，對施工過程中可能引發(fā)地面塌陷的樁基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)判。對樁基施工過程中，震動及地下水位變化可能引起地面塌陷的區(qū)域，在施工前對覆蓋土層和基巖影響范圍進(jìn)行注漿加固處理，能有效防止地面塌陷。

(2)在樁基影響范圍內(nèi)，盡量減小地下水的抽排，減小水位波動。

(3)樁基礎(chǔ)施工時，應(yīng)盡量采用對周圍土體擾動較小的機械設(shè)備(如大功率旋挖鉆)，以減少對溶洞周圍土體的擾動。

5 結(jié)論

本文以鄭萬高速鐵路漢江特大橋為研究對象，對覆蓋型巖溶覆蓋層物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)、巖溶發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，得出以下主要結(jié)論：

(1)覆蓋型巖溶為特殊的不良工程地質(zhì)，其復(fù)雜性、隱蔽性和發(fā)育不均一性常給勘察、設(shè)計、施工帶來意想不到的困難?？辈爝^程中，應(yīng)對覆蓋型巖溶的覆蓋層地質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、地下水發(fā)育情況、巖溶發(fā)育特性等進(jìn)行充分的地質(zhì)勘察，特別是當(dāng)下伏可溶巖巖溶特別發(fā)育時，應(yīng)實施足夠的鉆孔查明隱伏巖溶發(fā)育特征，分析巖溶發(fā)育規(guī)律，提出科學(xué)合理的工程措施。

(2)結(jié)合覆蓋層地質(zhì)結(jié)構(gòu)及巖溶發(fā)育特征，對施工過程中是否會發(fā)生巖溶塌陷進(jìn)行評價。為保證工程質(zhì)量安全，橋梁樁基設(shè)計應(yīng)充分考慮覆蓋型巖溶特征，樁基礎(chǔ)按要求嵌入基巖一定范圍內(nèi)，以保證主體工程安全。

表5 樁基施工巖溶處理方法

(3)為防止施工過程中發(fā)生地面塌陷，針對漢江特大橋范圍內(nèi)巖溶發(fā)育特征，制定了巖溶處理措施，并建議盡量減少施工開挖對巖溶周圍土體的擾動，減少施工開挖引起的地下水水位波動。