復(fù)雜巖溶地質(zhì)橋梁樁基礎(chǔ)的設(shè)計和施工探究

付夢求

（廣東省建筑工程機械施工有限公司 廣州 510500）

0 引言

巖溶是由于溶蝕作用在溶解性巖石或地層上形成的一種地質(zhì)地貌類型［1］。巖溶的存在將給工程建設(shè)帶來諸多挑戰(zhàn)和不確定性，在巖溶溶蝕區(qū)域修建建筑物，如不考慮巖溶的空間規(guī)模、樁基作用發(fā)展情況而設(shè)計和施工，將會面臨地基不穩(wěn)、地表塌陷、樁基沉降等一系列問題［2］，不僅增加工程成本和影響施工工期，甚至引發(fā)工程安全事故。

近年來隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進和發(fā)展，更多的工程需要建造在巖溶發(fā)育區(qū)域上［3］。因此，采用合理經(jīng)濟的巖溶樁基施工處理方案，對樁基承載能力性能，上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性意義重大。目前，對于樁基溶洞領(lǐng)域的研究已較為深入和成熟，從施工技術(shù)來看，鋼護筒跟進法、填充片石黏土、灌注混凝土等技術(shù)可有效解決溶洞對樁基施工的不良影響［4-5］，徐金鑫等人［6］探討了巖溶地區(qū)樁基工藝及溶洞“零沉降”技術(shù)；陳東波［7］針對巖溶地區(qū)厚覆砂層沖孔問題作出了深入的研究，通過工期及經(jīng)濟的定量分析，確定出可循環(huán)長鋼護筒跟進法是厚覆樁基施工的較優(yōu)方案；王同民［8］基于BIM 三維地質(zhì)模型，詳細闡述了工程超長樁施工工藝流程，通過檢測表明樁身質(zhì)量優(yōu)良，完整性好；竺維彬等人［9］通過工程發(fā)生事故實例，系統(tǒng)總結(jié)紅層巖溶發(fā)育區(qū)的工程風(fēng)險，并建立各類工法的風(fēng)險模型以及防治對策。在樁基的研究和設(shè)計方案上，張乾青等人［10］基于現(xiàn)場物探和室內(nèi)試驗結(jié)果確定溶洞的物理參數(shù)，并提出了穿越無填充溶洞單樁的承載特性設(shè)計方法。邢宇鋮［11］基于有限元分析得出穿越溶洞型單樁的變形機理，并建立了沉降計算模型；黑曉丹［12］結(jié)合巖溶發(fā)育場地工程的基礎(chǔ)施工問題，探討了樁基貫穿溶洞的設(shè)計要點和標準。目前，巖溶樁基施工技術(shù)研究多針對于單一工程，而涉及橋梁改造、重建項目往往為多個單位工程，巖溶地質(zhì)概況及水文條件變化復(fù)雜多樣，據(jù)此有必要提出該類項目安全合理、技術(shù)可行的巖溶樁基處理方案。故本文以某危橋改造項目為背景，探討和總結(jié)巖溶地質(zhì)條件下樁基設(shè)計及施工技術(shù)要點，以期為解決類似工程問題提供一定參考。

1 工程概況

1.1 場區(qū)地質(zhì)概況

本項目為廣東省農(nóng)村公路橋梁安全整治總承包，項目橋梁多分布于粵北山區(qū)的地區(qū)，該地區(qū)位于破碎帶，地層發(fā)育嚴重，如圖1 所示。根據(jù)鉆探揭露，本區(qū)域巖溶為場地范圍內(nèi)主要的不良地質(zhì)作用，場地內(nèi)基巖面起伏不平，斜巖、溶洞等巖溶現(xiàn)象發(fā)育，場地巖溶屬強發(fā)育。

圖1 橋梁位置Fig.1 Bridge Location

1.2 巖溶樁基施工存在問題

由于本項目巖溶地區(qū)特殊的地質(zhì)概況，對灌注樁施工帶來較大的困難，通常會容易出現(xiàn)以下問題：

1.2.1 漏漿

漏漿是現(xiàn)場施工人員重點關(guān)注的問題，具體表現(xiàn)為孔內(nèi)水頭下降，泥漿迅速往外流石，如不及時處理將會誘發(fā)塌孔問題。造成漏漿的主要原因是地下的不良地質(zhì)條件引起水位下降，如溶洞、巖溶裂隙、孔洞等不均勻地層。漏漿的防治措施如下：

⑴施工過程發(fā)生漏漿時，應(yīng)立刻提出鉆頭，持續(xù)向孔內(nèi)補漿，控制水頭高度，隨即采用大量片石和粘土反復(fù)沖擊，保證孔壁的穩(wěn)定性。

⑵若按上述方法無法保持水壓力，可采取混凝土填灌法，將其灌注至溶洞頂面1 m以上，待混凝土不再下沉，即停止灌注。

1.2.2 塌孔

在鉆孔過程中出現(xiàn)急劇漏漿時，水頭穩(wěn)定短時間內(nèi)難以恢復(fù)，造成孔外壓力大于孔內(nèi)壓力，引起孔壁坍塌。塌孔問題主要是由于地層松散、鉆孔速度過快、泥漿質(zhì)量差等原因?qū)е?，結(jié)合塌孔現(xiàn)象的嚴重程度，處理措施如下：

⑴當(dāng)孔壁已出現(xiàn)坍塌時，應(yīng)埋設(shè)鋼護筒，并在護筒周圍回填片石和粘土，填充材料可以起到護壁的效果。

⑵若碰到大溶洞引起的塌孔，在上述方法不能有效處理時，應(yīng)迅速提起鉆頭，拔出護筒，回填優(yōu)質(zhì)的黃土或粘土，并用內(nèi)護筒跟進法貫穿溶洞。

1.2.3 混凝土流失

孔周邊未完全填充溶洞時，經(jīng)常會出現(xiàn)混凝土流失，由于混凝土的密度要比泥漿大，孔壁側(cè)壓力大于護壁的承載力，導(dǎo)致混凝土沖破護壁而發(fā)生泄漏。故在漏漿補救中，應(yīng)根據(jù)泥漿的泄漏速度控制好混凝土的灌注速率。

2 溶洞處治原則

對于本項目工程溶洞區(qū)域樁基施工，利用地質(zhì)勘探資料和結(jié)合現(xiàn)場施工情況，根據(jù)溶洞尺度、填充程度及形態(tài)等采取針對性措施，具體處治原則如下：

2.1 單個溶洞高度≤4.0 m

⑴溶洞為空洞、半充填、流塑狀全充填采用粘土+片石全填塞；

⑵溶洞為軟塑、可塑狀全充填采用粘土+片石半填塞；

⑶溶洞為硬塑狀全充填不處理；

⑷對于串珠狀全充填溶洞，各溶洞高度均≤4.0 m，采用粘土+片石全填塞或半填塞；

⑸對于串珠狀空洞、半充填，總高度＞4.0 m，各溶洞間巖層≤3.0 m 時，采用鋼護筒一次性穿過，各溶洞間巖層＞3.0 m時，可優(yōu)先采用粘土+片石全填塞。

2.2 單個溶洞高度＞4.0 m，且溶洞內(nèi)全充填

⑴溶洞為流塑狀全充填采用粘土+片石全填塞；

⑵溶洞為軟塑、可塑狀全充填采用粘土+片石半填塞；

⑶溶洞為硬塑狀全充填不處理；

2.3 單個溶洞高度＞4.0 m，且溶洞內(nèi)為空洞、半充填

⑴采用鋼護筒一次穿過頂板、洞間巖層，直至護筒嵌入溶洞下巖層0.5 m。

⑵對于空洞或半充填溶洞，當(dāng)?shù)乇砀采w層為粉砂、砂、淤泥、卵石等不穩(wěn)定土層時，采用鋼護筒下放至基巖表面以下0.5 m，再進行灌注樁鋼筋籠和混凝土施工。

以本項目的某危橋1為例，經(jīng)地質(zhì)勘探報告表明，0#墩臺處下分布有串珠型溶洞，溶洞分為兩層，層間間隔為4 m，高度均為2 m 左右。基于上述原則和實際情況，采用多次拋填片石粘土效果不理想后，最終確定鋼護筒跟進方案。具體施工技術(shù)要點如下。

⑴片石、粘土拋填法

根據(jù)判定規(guī)則，成孔時遇溶洞時漏漿，采用片石加粘土回填，土石比控制在1∶（3～5）范圍內(nèi)，具體工藝為測孔底標高→反算孔底至洞頂距離→回填片石（一斗）→輕擊壓實→測回填后孔底至洞頂距離（如在洞頂以下）→回填片石（一抖）→輕擊壓實→測回填后孔底至洞頂距離（如在洞頂以下），如此反復(fù)，直至回填料高出洞頂約50 cm，如泥漿面明顯下降，上部回填粘土，直至泥漿面穩(wěn)定，小沖程沖擊，如再次漏漿，按上述方案處理，直至沖過溶洞層。

⑵鋼護筒跟進法

下放鋼護筒可避免溶洞漏漿而引起粉質(zhì)粘土層塌孔。具體施工工藝如下：

①鋼護筒準備

護筒采用厚12 mm、10 mm 和8 mm 三種鋼板加工而成，護筒內(nèi)徑及壁厚按以下原則選?。?/p>

a.護筒壁厚：樁徑≤1.6 m 時，護筒長度＜10 m，護筒壁厚采用8 mm；10 m≤護筒長度＜20 m，護筒壁厚采用10 mm；護筒長度＞20 m，護筒壁厚采用12 mm；

設(shè)置雙層護筒時，外層護筒內(nèi)徑采用比樁徑大40 cm，內(nèi)層護筒內(nèi)徑采用比樁徑大20 cm。

b.護筒長度：護筒長度根據(jù)施工需要，分節(jié)段制作拼裝，當(dāng)?shù)乇砀采w層為粉砂、卵石等不穩(wěn)定土層時，設(shè)置外層護筒，穿過軟弱覆蓋層以下2～3 m 或至基巖頂面；內(nèi)層護筒埋置深度要求穿過溶洞至基巖面。

②鋼護筒的沉放

鋼護筒穿過覆蓋時，采用比護筒直徑稍大的沖錘，保證成孔直徑比護筒外徑大0.10～0.15 m。由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性，鉆探資料并不能完全反映出樁位處地質(zhì)情況的完整面貌，沖程過大時極易突然沖破巖層頂板，造成卡錘、偏孔事故，故在沖孔過程中，應(yīng)采用不大于1 m的中、小沖程進行巖層內(nèi)的進尺，尤其是在接近溶洞頂板時，更要采用小沖程。若沖錘在溶洞頂部厚度范圍內(nèi)上下移動無明顯障礙時，表明頂板成孔完畢，逐段拼接，疏放護筒，直至其不能自行下落，然后采用振動錘施打至預(yù)定深度。在鋼護筒跟進施工中，需嚴格控制鋼護筒的垂直度，不能存在歪斜和縮頸的問題。

3 樁基設(shè)計優(yōu)化

本項目危橋2改造工程，橋址位于斷裂構(gòu)造帶，根據(jù)物探CT 結(jié)果顯示，基底巖溶極發(fā)育，巖面高差起伏較大，覆蓋層主要為厚層砂卵石層及軟塑狀粘性土，卵石分布極其不規(guī)律，地下水位較高，且地下存在不同深度、不同大小的多個土洞或溶洞，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。在對本橋前期樁基施工過程中，第1 號灌注樁沖孔至巖溶發(fā)育地層，出現(xiàn)較為嚴重漏漿，現(xiàn)場立即停工并多次回填片石粘土，同時距橋位下游100 m 左右觀察發(fā)現(xiàn)河水變渾，推測判斷為返漿點。地勘單位隨即采用鉆探和物探方式進行補勘，旨在探明周圍隱患區(qū)域的地面下淺層脫空情況、場地的軟弱土層、隱伏巖溶、土洞的發(fā)育情況。綜合補勘資料揭露，危橋區(qū)分布較多巖溶，且貫通可能性極大，沿橋的縱橫向分布排列，溶洞多數(shù)為串聯(lián)、裂隙貫通。

3.1 橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

按照原有橋梁樁基方案，原橋型及橋墩構(gòu)造如圖2所示，橋墩采用雙柱敦結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計要求鉆孔嵌入中風(fēng)化巖層不小于6.5 m。然而，考慮到該橋區(qū)地質(zhì)巖溶極強發(fā)育，溶洞數(shù)目多且相互連通，采用原有方案必然耗費巨大的回填材料、鋼護筒用量，甚至造成塌孔、塌陷等工程事故，影響工程進度和質(zhì)量。故本危橋2 巖溶處理采取“繞避”措施解決，即優(yōu)化樁基結(jié)構(gòu)形式。

圖2 原方案橋型及橋墩構(gòu)造Fig.2 Bridge Type and Pier Structure of the Original Scheme （mm）

接到反映后，設(shè)計單位基于對地勘資料、施工單位相關(guān)資料，對樁位處地質(zhì)情況實時核查，經(jīng)過討論、研究確定優(yōu)化為灌注摩擦型樁，優(yōu)化后的橋型和橋墩如圖3所示。樁根數(shù)由2增加為8根，樁長由32.7 m縮短為21.2 m，從而最大限度地避免與溶洞接觸，防止因?qū)θ芏吹臄_動而產(chǎn)生施工難題。

圖3 優(yōu)化后橋型及橋墩構(gòu)造Fig.3 Structure of Bridge Type and Pier after Optimization （mm）

4 成樁檢測

項目某危橋1 和危橋2 樁基混凝土澆筑完成并達到強度規(guī)定后，對樁基進行超聲波無損檢測和鉆芯檢測，判斷樁身完整性和基底承載力，經(jīng)過質(zhì)量檢測，滿足文獻［13］檢測要求，樁身完整，全部合格。

5 結(jié)論

本文結(jié)合某危橋改造項目遇到的復(fù)雜巖溶處理問題，總結(jié)了巖溶樁基常見的漏漿、塌孔以及混凝土泄漏等施工問題，并分析了本工程應(yīng)對溶洞處理的針對性措施和方案，結(jié)果表明：

⑴本文提出的巖溶處治原則在工程危橋1 中取得良好的效果，適合應(yīng)用于單一中小型溶洞，依據(jù)情況采用片石+粘土回填方案和鋼護筒跟進法可解決漏漿、塌孔等問題。

⑵對橋區(qū)巖溶地質(zhì)發(fā)育極強，溶洞數(shù)目較多且相互貫通，綜合考慮造價，工程危橋2 采用避讓措施，將單排端承樁優(yōu)化設(shè)計為雙排摩擦樁，有效解決復(fù)雜巖溶施工問題。

⑶經(jīng)成樁檢測表明，本工程樁基質(zhì)量合格，承載性能良好，均符合文獻［13］要求。