山區(qū)巖溶地質(zhì)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計及施工方法探討

李加柱

摘 要：溶洞是由于石灰?guī)r長期受到水溶蝕而形成，巖溶區(qū)巖體承載能力較差，容易引起主體結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，給橋梁帶來安全隱患。本文結(jié)合國道G323線乳源上圍至沙坪段改建工程—月街大橋的橋梁基礎(chǔ)設(shè)計和溶洞處理方法來探討巖溶地質(zhì)條件下橋梁設(shè)計和施工應(yīng)當注意的問題及對策，可為同類建設(shè)條件下的橋梁基礎(chǔ)設(shè)計和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：巖溶;橋梁基礎(chǔ);設(shè)計;施工

中圖分類號：P642.25 文獻標識碼：A

0 引言

巖溶在我國分布廣泛，約占國土面積的1/3[1]，溶洞在雨水充沛、氣候濕潤的山區(qū)多發(fā)，在這種復(fù)雜的地質(zhì)條件下的橋梁樁基的承載特性較為復(fù)雜，因此，巖溶區(qū)橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計及施工方案是置得探討的課題。本文以國道G323線乳源上圍至沙坪段改建工程—月街大橋項目為載體，深入探析巖溶地區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計和溶洞處理方法。

1 項目背景

1.1 工程概況

國道G323線乳源上圍至沙坪段改建工程全段位于廣東省韶關(guān)市乳源縣西南部，線路全長39.606 km。處于地形條件非常復(fù)雜的高山峻嶺地區(qū)，沿線地勢起伏，山體表面植被茂密。月街大橋橋位地處高陡丘陵，跨越丘陵間洼地及河谷溪流。該項目為二級公路，設(shè)計速度40 km/h，橋梁標準寬度為0.5 m（防護欄）+9 m（行車道）+0.5 m（防護欄），彎道橋梁加寬。地震動峰值加速度為0.05 g。

1.2 巖溶地貌

月街大橋橋位處處于巖溶地區(qū)，以孤峰地形為主，山坡坡度坡角相對較緩一般為10～30°，半山坡以上坡度相對較陡，一般為25～70°，相對高差一般達到50～300 m左右，孤峰間多見有溶蝕漏斗。山體表面多為天然林覆蓋，孤峰間多以農(nóng)作物種植為主。

1.3 地層巖性及巖溶發(fā)育情況

本路段地基巖土層主要為第四系覆蓋層及侵入巖為燕山一期（早侏羅世）侵入巖（J1γ）花崗巖及泥盆系上統(tǒng)巴漆組與融縣組并層（D3b-r）風化層組成。橋位處兩側(cè)地形起伏大，地質(zhì)情況差異很大，地形高處溶洞較多，巖溶發(fā)育程度為強烈發(fā)育，深達十幾米。主要表現(xiàn)為巖體中蜂窩狀溶孔、溶洞、溶隙等發(fā)育，另外在線路周邊發(fā)現(xiàn)多個巖溶漏斗，溶洞無充填或半充填軟塑狀粉質(zhì)黏土為主，巖溶發(fā)育溶蝕灰使巖石強度低，這對于嵌巖樁基礎(chǔ)施工是不利的。區(qū)內(nèi)總體工程地質(zhì)條件一般。

1.4 水文及跨越情況

橋位位于低山丘陵區(qū)，山間谷地地表水發(fā)育。場區(qū)地下水類型主要為賦存于松散層的孔隙潛水、基巖風化裂隙中基巖裂隙水及巖溶水，地下水對砼微腐蝕。

2 溶洞區(qū)的橋梁基礎(chǔ)設(shè)計

2.1 橋梁總體設(shè)計方案

月街大橋主橋采用連續(xù)剛構(gòu)橋梁方案，橋跨組合為（62+110+62）+4×25 m，橋梁長339.6 m。本橋位于 A=112緩和曲線及R=228 m圓曲線上。主橋上部（62+110+62）m連續(xù)剛構(gòu)箱梁;下部結(jié)構(gòu)為矩形薄壁空心墩，承臺平面尺寸為14.6×10.0 m，厚為4.0 m。主墩基礎(chǔ)采用6 根Φ220 cm鉆孔灌注樁，均采用摩擦樁設(shè)計，下圖為月街大橋主橋總體布置圖。

2.2 巖溶區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計步驟

在充分了解項目區(qū)溶洞的發(fā)育狀況和分布情況后，應(yīng)根據(jù)以下原則確定橋梁基礎(chǔ)方案：

確定樁型、樁長和樁徑。巖溶地區(qū)首選鉆孔灌注樁，樁長應(yīng)根據(jù)溶洞的埋深確定。如果上部荷載較大、溶洞埋深較淺，可采用嵌巖樁。在保證樁基的承載能力基礎(chǔ)上應(yīng)當注意樁型的優(yōu)化，打破嵌巖樁技術(shù)框架，充分考慮溶洞的橫向空間和側(cè)摩阻力使樁型由單純的嵌巖樁轉(zhuǎn)變?yōu)榍稁r摩擦樁。

確定樁基的平面布置和數(shù)量。樁的根數(shù)可以根據(jù)單樁的豎向承載力進行計算，公式如下：

其中：n—樁基的根數(shù);F—荷載設(shè)計值;G—承臺及其上方土的重力;R—單樁的豎向承載力設(shè)計值。對于偏心受壓的群樁基礎(chǔ)且截面形心與荷載的合力不重合時，可以適當將樁基的根數(shù)增加10%～20%。

樁間距和樁位布置應(yīng)結(jié)合均布樁基承載力和工程造價，可采用對稱形、梅花形或環(huán)形，同時應(yīng)遵循鉆孔樁中距不小于樁徑的2.5倍;鉆孔擴底灌注樁中距不小于1.5倍擴底直徑或擴底直徑加1.0 m，取較大者;端承樁中距不小于樁徑的2.0倍[2]。

根據(jù)以上步驟，結(jié)合月街大橋的橋位建設(shè)條件及承載力要求，主墩基礎(chǔ)采用6根Φ220 cm鉆孔灌注樁，雙排對稱布置，間距5.5 m，采用摩擦樁設(shè)計。

2.3 巖溶區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計要點

樁基礎(chǔ)設(shè)計要安全適用又要經(jīng)濟合理，在設(shè)計過程中還需要注意以下幾個問題：

（1）設(shè)計時要全面掌握場地的巖溶發(fā)育狀況、埋深、規(guī)模、走向等基本信息，判別溶洞與線路的相對關(guān)系及溶洞頂板基巖的完整性、風化程度，了解溶洞是否有充填物。根據(jù)溶洞具體情況采用不同的處理方式和設(shè)計方案。

（2）如果巖溶發(fā)育且?guī)r體破碎，使得基巖的承載力大大降低，在設(shè)計時應(yīng)留有足夠的安全儲備，以確保樁基的承載力。

（3）嵌巖深度在滿足樁基承載力的前提下宜淺不宜深，硬質(zhì)和軟質(zhì)巖嵌入深度分別為50～70 cm和（80±20）cm，嵌入深度過大，施工的條件較差，采用爆破會對周圍巖體產(chǎn)生破壞。

（4）溶洞距地面較深，溶洞以上地質(zhì)情況不理想時，下部應(yīng)采用樁基礎(chǔ)。若樁基進入溶洞深度較小，宜采用擴大樁基直徑或是增加樁基根數(shù)的方法來減少樁長，盡量避免樁基伸入溶洞。

（5）溶洞分布較廣泛但彼此間存在一定的間隙，下部宜采用群樁基礎(chǔ)，盡量減少樁基穿過溶洞的長度，避免溶洞內(nèi)過長的樁基增加施工難度。巖溶特別發(fā)育且互相關(guān)聯(lián)形成巨大溶洞，橋梁下部或采用超長樁基穿過溶洞，或增大橋梁跨徑跨越溶洞，或采用高填路基方案。

3 溶洞區(qū)樁基施工要點

3.1 溶洞處理措施

巖溶地區(qū)橋梁的樁基處理措施包括：回填法、高壓注漿法、鋼護筒跟進法、旋噴注漿加固法等。

（1）一般情況下，對于小溶洞（高度≤3 m），建議采用充填封閉法填充溶洞，充填物根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭示的溶洞情況確定，如果溶洞內(nèi)無充填物，則充填碎石或干沙，通過鉆孔將填料自上而下依次填充夯實。

（2）如果巖體較為破碎，或者溶洞內(nèi)的填充物呈現(xiàn)流塑或者軟塑，可以采用高壓注漿法，將水泥漿液或者其他加固漿液壓向溶洞內(nèi)以提高填充物的強度。

（3）對規(guī)模較大的溶洞和多層溶洞，樁基持力層的穩(wěn)定性和承載力不能滿足設(shè)計需求時，可將護筒穿過溶洞，嵌套在巖面上，鋼護筒跟進法一般與回填法或注漿法結(jié)合使用，確保施工順利進行。

3.2 溶洞處理工法及流程

根據(jù)溶洞樁基特點，利用超前鉆對每一根樁的地層情況、溶洞位置、大小、洞內(nèi)狀況等要素進行針對性的方案處理。根據(jù)超前鉆地質(zhì)柱狀圖、樁基溶洞底板厚度等對嵌巖深度等參數(shù)進行優(yōu)化。

處理流程：超前鉆探資料確認→收集樁周邊影響因素→設(shè)計確定樁長→四方現(xiàn)場確定施工方案→技術(shù)交底→前期準備→施工處理→成孔成樁。

根據(jù)地鉆孔柱狀圖判別土層中易塌層（淤泥、粉質(zhì)黏土、砂土、粉土、卵石土）位置及厚度、溶洞地層位置、空洞大小、有無填充物等實際情況，在不同的地質(zhì)情況下考慮技術(shù)、經(jīng)濟等因素，采用單個或綜合的溶洞處理工法，達到既經(jīng)濟又安全的目的。

（1）大溶洞處理工法：單層鋼護筒跟進到頂層溶洞巖面，采用小直徑?jīng)_擊錘低幅高頻擊破溶洞頂巖層，再用適徑?jīng)_擊錘擴孔，成功后向溶洞內(nèi)反復(fù)拋填片石黏土塊，必要時加投袋裝水泥，直到不再下沉為止。

（2）串珠型溶洞部分及既有通車線路附近溶洞處理工法：雙層鋼護筒跟進，外護筒直徑比樁徑大40 cm，其余處理同上。在溶洞頂板50～80 cm位置時采用沖擊錘先把洞頂擊穿讓內(nèi)護筒落到溶洞的底板面以下5～10 cm。

（3）河灘段溶洞工法：先采用靜壓注漿預(yù)處理技術(shù)處理表層細砂層，然后采用雙層鋼護筒跟進。

4 結(jié)語

通過結(jié)合實際工程項目對巖溶地區(qū)橋梁樁基的設(shè)計流程和施工方法進行探討，總結(jié)了溶洞地質(zhì)橋梁樁基的設(shè)計步驟和設(shè)計要點以及樁基施工過程中溶洞處理方案、施工工法和施工流程，對復(fù)雜地質(zhì)條件下橋梁樁基的設(shè)計和施工具有非常重要的應(yīng)用價值和實際工程意義，也為巖溶地區(qū)橋梁樁基設(shè)計和溶洞處理提供借鑒。

參考文獻：

[1]袁道先.現(xiàn)代巖溶學(xué)在中國的發(fā)展[J].地質(zhì)論評，2006（6）：733-736.

[2]公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范：JTG 3363-2019[S].