巖溶極發育區鐵路橋梁鋼管樁基礎設計

李海霞 王德華 任為東 陳進昌

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 工程概況

某鐵路特大橋跨越三茂鐵路、國道321、長利涌河道及進港公路等。線位受站位、水源保護區等條件限制，造成有300多米橋梁位于地質條件極其復雜的河道上。該段巖溶極發育，30～45 m厚軟—硬塑狀粉質黏土下伏串珠型溶洞，串珠型溶洞下為巨型溶洞，溶洞最大深度超過150 m，洞內大部分充填流-軟塑狀粉質黏土。柱狀圖見溶洞率100%，場地地基為不均勻地基，灰巖節理裂隙發育，部分巖芯受擠壓破碎現象明顯，地質條件復雜罕見。

1.1 主要技術條件

線路級別為國鐵Ⅰ級，正線雙線，客貨共線，旅客列車設計行車速度250 km/h，預留提速條件;鋪設無縫線路，鋼軌60 kg/m，有砟軌道;設計荷載采用“中－活載”、“ZK活載”;設計洪水頻率為100年一遇;地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s;長利涌段位于曲線范圍，圓曲線半徑7 000 m。

1.2 地質條件

該特大橋長利涌段上部30～45 m為軟—硬塑狀沖洪積層。土質主要為軟—硬塑狀粉質黏土，土質情況總體不均一、較疏松，且因潛蝕作用，個別地段與基巖面接觸帶上有土洞發育;沖積層下伏灰巖強溶蝕區，表現為串珠狀溶洞，串珠型溶洞區為弱風化灰巖，串珠狀巖石層厚大多為0.2～2.0 m，且大多小于1.0 m厚度。部分溶洞充填流—軟塑狀粉質黏土，部分為空洞，空洞占該層巖層厚度比例大于45%;灰巖強溶蝕區下伏巨型溶洞，洞內充填物主要為軟塑狀粉質黏土，與灰巖強溶蝕區結合部位局部有空洞。場地地基為不均勻地基。

灰巖強溶蝕區溶洞大多連通，巖溶水具一定的承壓性，富水性強，強滲透性。根據工程地質與水文地質勘察結果分析，該地段地下水動力條件較弱，地層整體穩定。典型橋墩橫向工程地質剖面如圖1所示。

2 基礎方案的選擇

根據上部覆蓋層、中部灰巖強溶蝕區及下部大范圍溶洞充填物的情況，經對鋼管樁和鉆孔灌注樁、預應力管樁等3種不同的樁基方案進行比較，綜合考慮結構安全、經濟、施工可行性等因素，鉆孔灌注樁和預應力管樁方案存在較大安全風險，最終選用了鋼管樁方案。

圖1 典型地質剖面

鋼管樁具有自重輕、抗彎能力強、施工方便、施工期穩定性好等優點［1］。鋼管樁吊裝和運輸方便，抗錘擊能力強，沉樁容易，，施工速度快，完全可適應橋址區域氣象、水文、地質條件。結合本工程實際，采用鋼管樁還具有對覆蓋層整體穩定性影響較小，施工臨時措施小等優點。

鋼管樁防腐技術成熟，可根據不同部位的腐蝕特點采取相應的防腐措施，如預留腐蝕量、涂裝防腐、陰極保護防腐等［2-5］。

3 鋼管樁基礎總體設計

該特大橋長利涌段孔跨布置為1孔32 m簡支箱梁+1孔22 m簡支箱梁+2孔24 m簡支箱梁+4孔32 m簡支箱梁+2－24 m簡支箱梁+1孔22 m簡支箱梁，鋼管樁根數根據上部梁跨及各墩覆蓋層的差異，采用兩種鋼管樁布置形式。120及122a號橋墩基礎采用33根樁徑為0.8 m的鋼管樁，梅花形布置，樁長36.0～46.1 m，六邊形承臺，承臺底層厚3.0 m，上層厚1.5 m。119、121、121a及125號橋墩基礎采用24根樁徑為0.8 m的鋼管樁，行列式布置，樁長33.8～49.5 m，六邊形承臺，承臺底層厚2.8 m，上層厚1.2 m。以120號橋墩33φ0.8 m的鋼管樁基礎為例，鋼管樁基礎布置見圖2所示。

4 鋼管樁基礎細部構造設計

4.1 鋼管樁樁徑的選擇

鋼管樁采用開口樁，鋼管樁材質為Q345C低合金鋼。

鋼管樁樁徑的選擇，主要考慮了以下因素:

圖2 鋼管樁基礎布置(單位:mm)

①樁外徑與壁厚之比滿足沉樁施工及受力要求。

②鋼管樁采用開口樁，如果樁徑過大，將不利于樁端閉塞效應的形成［6］，從而降低單樁樁端承載力，降低工程安全性，增加樁底與中部灰巖強溶蝕區接觸的復雜程度。

③樁徑過大樁身自重過重，會增加打樁的施工風險，增加鋼管樁運輸難度。

從結構受力及經濟合理性角度考慮，確定采用樁徑為0.8 m的鋼管樁。

4.2 鋼管樁壁厚

鋼管樁的壁厚主要由兩部分組成，即結構受力所需的壁厚和鋼材腐蝕余量。腐蝕余量按下式計算［2］

式中 K——鋼結構單面平均腐蝕速度，承臺底均位于河底以下，取K=0.03 mm/a;

P——防腐措施保護效率，取70%;

t1——涂層使用年限，位于內河中，取40a;

t——耐久性設計年限為100a。

結合鋼管樁的生產工藝及技術設備，本工程鋼管樁壁厚分為上、下兩段，上段樁鋼板壁厚20 mm，樁尖節壁厚25 mm，考慮錘擊沉樁，樁頂設置內加強環，壁厚16 mm。

4.3 樁頂錨固設計

鋼管樁與承臺連接采用直埋式連接，即鋼管樁伸入承臺長度≥1倍樁徑，采用100 cm。為增強鋼管樁局部剛度并加強鋼管樁與承臺的連接，自承臺底以下4 m范圍內放鋼筋籠填筑混凝土。為確保鋼管樁與填芯混凝土及承臺之間的可靠粘結，在各自接觸面上設置剪力環［7］。為應對樁尖穿過串珠型溶洞時導致泥面下降的情況，在泥面與填芯混凝土底之間的空隙換填細沙。

4.4 鋼管樁的防腐蝕處理

鋼管樁必須進行防腐處理［2］，本工程鋼管樁采用外壁加防腐涂層方法進行防腐蝕處理。理想的涂料必須具備優良的耐水性、低吸水性、高介電強度、附著性、耐磨損性、緩蝕性、易施工性、抗老化性。熔結環氧防腐涂料經熔融結和涂裝，充分熔化流動，與鋼管表面沒有空隙，完全緊密結合，并在此過程中發生化學反應，與鋼管也形成了某鐘程度的化學結合。鋼管樁外表采用普通型單層環氧粉末涂層［9］，涂層最小厚度δ≥300 μm，對樁頂伸入承臺0.9 m范圍的鋼管不進行防腐涂裝。

4.5 鋼管樁制作的主要要求

為保證鋼管樁的整體質量，對鋼管樁制作的主要要求有:

①螺旋焊縫鋼管所需鋼帶寬度，可按所制鋼管直徑和螺旋成形的角度確定。鋼帶對接焊縫與管端的距離不得小于100 mm。

②鋼管樁制作偏差不得超過表1要求。

③鋼管樁宜在工廠分段制作后在現場陸上拼接。鋼管樁分段長度可按最大運輸能力考慮，以減少現場拼接數量。

④管節對口拼裝時，相鄰管節的焊縫(包括縱縫和螺旋縫)必須錯開1/4周長以上。

⑤鋼管樁焊縫采用一級質量等級標準，對所有焊縫均應進行外觀檢查及無損探傷的檢測。

⑥對于螺旋焊縫，要求采用熱軋鋼帶作管坯，以常溫螺旋成型，螺旋縫須采用雙面自動埋弧焊法焊接。

5 鋼管樁承載力及樁長設計原則

5.1 單樁豎向容許承載力的計算

開口鋼管樁容許承載力由樁側摩阻力及由樁端閉塞效應形成的樁端阻力兩部分組成，在鐵路橋涵打入樁容許承載力計算公式的基礎上，引入側阻擠土效應系數λS、樁端閉塞效應系數λp，計算公式如下

表1 鋼管樁制作允許偏差

式中 ［P］——鋼管樁的容許承載力/kN;

U——樁身截面周長/m;

li——各土層厚度/m;

fi——樁周土的極限摩助力/kPa;

A——樁底支承面積/m2，包括管內土樁的截面面積;

ai，a——震動沉樁對各土層樁周摩阻力和樁底承壓力的影響系數;

λS——為側阻擠土效應系數;

λp——為樁端閉塞效應系數。

按鐵路橋涵地基和基礎設計規范取值［8］，對于打入樁，ai、a取值1.0。指考慮到開口樁的土芯閉塞及樁對擠土效應的影響面對樁側摩阻進行折減，引入側阻擠土效應系數，對于鋼管樁，該系數與鋼管樁內徑直接相關［2］，對于0.8 m直徑的鋼管樁，取值0.87。樁端閉塞效應計算較為復雜，實際工程中，一般并不需要進行繁復的土芯閉塞率的計算，根據一些試驗研究成果，并從中找出的一般規律，φ0.8 m以上的閉塞情況較差，閉塞率與持力層深度也有直接關系。當持力層深度大于5倍樁徑后，λp取0.8λS。

在長利涌段覆蓋層典型地質條件下，即軟塑淤泥質粉質黏土2.4 m，軟—硬塑粉質黏土厚38 m，單根長40 m的 φ0.8 m開口鋼管樁豎向容許承載力［p］為2 019 kN。

5.2 群樁設計及樁身強度、穩定性驗算

控制打入樁的樁間距不小于4倍樁徑，以減少對覆蓋層整體性的影響，及打樁過程中樁與樁之間的相互影響。

采用“m法”計算，建立樁基空間計算模型，計算樁身內力、應力，驗算樁身材料強度。墩高9.5 m，樁長40 m，33根φ800 mm梅花形布置，考慮沖刷下的2 m自由長度計算，不考慮覆土厚度的情況下，樁頂最大剪力Fx=15.5 kN，Fy=40.2 kN，最大彎矩Mx=108.3 kN·m，My=40.1 kN·m，樁頂軸向力 Fz=1 120 kN。彎曲應力74.2 MPa，剪應力1.26 MPa。

樁身整體穩定性驗算包括自由長度段驗算及入土部分鋼管樁穩定驗算。自由長度段驗算按兩端鉸支歐拉公式驗算，遠遠大于樁基軸向力。入土部分鋼管樁穩定考慮樁側連續彈性約束的條件，在低于材料屈曲強度的情況下不出現壓曲。本工程樁側土為軟—硬塑粉質黏土，實際橫向地基反力系數遠大于發生壓曲的橫向地基反力系數臨界值。

打樁階段樁身穩定包括樁身局部穩定及整體穩定性，局部穩定性通過構造措施滿足，外徑φ/壁厚δ≤70。整體穩定性驗算初始缺陷、沖擊偏心條件，得出臨界沖擊力［1］

按地上部分長度L1=15 m，假想固定點深度取LR=3.75 m計算，沖擊力臨界值為5 636.9 kN。

5.3 樁長設計原則

打入鋼管樁的樁長根據地質展開圖，逐根確定，最短設計樁長為33.8 m，最長設計樁長為49.5 m，樁長的主要設計原則為:

①考慮到長利涌段地質條件復雜罕見的情況，樁基承載力安全系數大于2。

②樁底盡量不擊穿溶洞頂、底板，應支立于巖面或支立于巖面附近。

6 施工要求和控制措施

6.1 樁底支撐條件要求

為保證樁端閉塞效應的發揮，減少對地層穩定性的影響，達到設計預期目的，樁底支撐條件如下:

①樁底盡量不擊穿溶洞頂、底板，應支立于巖面或支立于巖面附近。對于串珠狀溶洞較薄的頂板，施工未控制好已穿越時，要求支立于下層巖溶頂板上;對于已穿越整個串珠狀溶洞層的樁，要求進入大型溶洞填充層不小于5 m。

②對于樁底未穿透溶洞頂板支立于巖面的樁，為提高樁尖承載能力，要求對樁底與巖面之間空隙和樁尖鋼管內5 m范圍的土體進行注漿加固。

③對于已穿透溶洞頂板支立于下一層溶洞頂板上的樁，要求對被穿透的溶洞吹沙填充，同時對被穿透的溶洞頂板以上樁周覆蓋層進行注漿加固，對樁底與巖面之間空隙和樁尖鋼管內5 m范圍的土體進行注漿加固。

④對于已穿透溶洞進入大型溶洞填充層的樁，要求對被穿透的溶洞吹沙填充，對被穿透的溶洞頂板以上樁周覆蓋層進行注漿加固。

⑤對所穿越的土洞，應吹沙填充。

⑥對相鄰墩鉆孔樁施工引起的坍孔，已破壞的覆蓋層范圍應進行注漿加固。

6.2 沉樁施工要求及控制措施

沉樁標準均以高程控制為主，貫入度校核。主要的控制措施如下:

①鋼管樁應直接打入直至巖面。

②對于部分難以打到設計要求高程的樁，可通過加大打樁能力打入，或采用鋼管內清孔等輔助措施打入。鋼管內清孔深度應小于鋼管已打入深度減2 m。

③每個墩鋼管樁打入完成后，對巖面和鋼管之間土體以及樁尖鋼管內5 m范圍的土體進行注漿加固。

④利用注漿孔檢查鋼管樁與巖面的接觸情況，當樁尖與巖面高差大于1 m時，應復打到巖面。

7 鋼管樁試樁

由于地質條件的復雜性，以及區域內類似工程經驗的缺乏，為檢驗設計的正確性，選取2組樁進行單樁豎向抗壓靜載試驗、高應變法進行初、復打試驗［10-11］。通過試樁可為工程樁的沉樁錘型選擇及樁型提供參照資料，確定不同的地質情況下的終錘條件，測定試驗樁側各土層的分層摩阻力和樁尖端阻力反饋設計，通過高應變動測和靜載荷試驗的對比，為工程樁的檢測提供依據。

采用錨樁反力梁法進行單樁豎向抗壓靜載試驗、采用高應變法進行初、復打試驗。豎向抗壓靜載試驗采用慢速維持荷載法，豎向靜載最大加載量為6 000 kN。試驗項目包括沉樁參數、動測(初打、復打)、靜載試驗、軸向反力系數、泥面測試、側摩阻力、端承力。

8 結束語

巖溶極發育區，在覆蓋層穩定的前提下，采用鋼管樁基礎能避免鉆孔灌注樁成孔困難的問題;但覆蓋層下為灰巖強溶蝕區的串珠型溶洞，鋼管樁樁端與串珠型溶洞頂接觸條件復雜，無既有的工程經驗參考，首先需要要通過細致嚴格的控制措施及樁基試驗來達到設計預期目的和驗證設計，并為后續工程樁施工提供控制經驗。通過試樁，豎向靜載最大加載量達到6 000 kN，滿足結構受力要求。目前，本段主體結構工程已順利完工。

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