巖溶強發(fā)育區(qū)橋梁基礎設計研究

謝 琿,王德華

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院,北京 100055)

1 概述

南廣鐵路是以客為主的客貨混運鐵路，旅客列車設計行車速度目標值250 km/h，其中桂肇段全長284.92 km。該段巖溶發(fā)育區(qū)橋長約25.6 km，大部分為強發(fā)育巖溶。針對巖溶不同特點，采用明挖基礎、鉆孔灌注樁、打入樁等相應的橋梁基礎類型和恰當的巖溶處理措施，既可確保橋梁基礎安全，同時可避免出現施工安全問題，保證施工順利進行，使工程投資和工期可控。結合南廣線巖溶橋梁基礎設計，研究探討巖溶強發(fā)育區(qū)橋梁基礎設計方法和輔助處理措施。

2 巖溶強發(fā)育區(qū)橋梁地基特點

巖溶強發(fā)育區(qū)橋梁地基特點突出表現為線巖溶率高、溶腔大、呈串珠狀、覆蓋層中存在強透水層等。部分溶洞上下連通性好，為地下水與地表水之間流通提供了有利途徑，形成強透水帶，巖溶水富集。個別橋梁處于砂巖與灰?guī)r結合帶處，土洞發(fā)育，存在豎向高度大于90 m的溶蝕深槽。南廣鐵路典型巖溶強發(fā)育區(qū)橋梁的地基特點見表1。

表1 典型巖溶強發(fā)育區(qū)橋梁地基特點統(tǒng)計

3 穩(wěn)定性評價和分析

基礎設計前須對地基穩(wěn)定性進行評價，并對橋梁基礎進行穩(wěn)定性分析。

3.1 地基穩(wěn)定性評價

穩(wěn)定性評價的目的是根據巖溶發(fā)育強烈程度，選擇合理的基礎類型，確定恰當的巖溶處理輔助措施。線巖溶率是巖溶地基穩(wěn)定性評價的一個重要指標(表2)，某橋墩所在地基的線巖溶率=(該墩所有地質鉆孔中的累計溶洞高度/灰?guī)r累計總進尺)×100%[1]。

表2 巖溶地基穩(wěn)定性與線巖溶率

土洞由于沒有頂板巖層，容易受地下水、動荷載等外部因素影響而向上擴展，從而破壞地基穩(wěn)定性[2]。如巖土交界面存在土洞，應視其規(guī)模相應評價為不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定。

3.2 橋梁基礎穩(wěn)定性分析

橋梁基礎穩(wěn)定性包括覆蓋土層穩(wěn)定性及樁底持力層穩(wěn)定性。覆蓋土層的穩(wěn)定影響施工安全及進度，同時也影響樁側土抗力、樁基水平剛度及明挖基礎安全。樁底穩(wěn)定性直接關系到持力層確定，合理確定持力層既可確保樁基礎安全，同時不致造成樁太長而增加投資。

4 基礎類型選擇和持力層穩(wěn)定性分析

巖溶發(fā)育區(qū)橋梁基礎的設計，應根據地基穩(wěn)定性評價、溶洞發(fā)育形態(tài)、上覆土層性質、橋墩荷載等諸多因素綜合考慮，本工程巖溶區(qū)橋梁的基礎形式有明挖基礎、鉆孔灌注摩擦樁、鉆孔灌注嵌巖樁、打入鋼管樁。

4.1 明挖基礎

地基評價為穩(wěn)定時，可采用明挖基礎。覆蓋層很淺的，基底直接置于灰?guī)r巖面，巖面表層溶溝、溶槽可補塊處理，淺層較小溶隙采取揭蓋灌混凝土填充處理。

中等穩(wěn)定時，一般需保證基底以下20 m范圍內無溶洞。若20 m范圍內存在單個小型溶洞時，需滿足頂板厚跨比大于2，頂板厚度大于5 m，否則應參照圖1分析頂板附加應力，確定安全的覆蓋層厚度，必要時對溶洞進行注漿加固處理。

圖1 摩擦樁持力層穩(wěn)定性分析圖示

明挖基礎經濟性好，但地基評價為不穩(wěn)定時不應采用。

4.2 鉆孔灌注摩擦樁

地基評價為穩(wěn)定時，可采用摩擦樁。中等穩(wěn)定時，一般需保證樁底至溶洞頂大于20 m，對溶洞及樁底土采取注漿加固措施后，該距離可縮短至12 m。摩擦樁持力層的穩(wěn)定性分析，可采用群樁沉降計算的模型[3，4]。

圖1中σ為群樁樁底平面處的最大壓應力，σ0為群樁樁底平面處土自重應力，σz0為溶洞頂板上土自重應力，σz為溶洞頂板上附加壓應力。σz=α(σ-σ0)，α為應力系數，可參考群樁沉降計算查表取值。溶洞內無填充物或填充物無承載力時，計算的σz一般應比σz0小一個量級(即σz<0.1σz0)，否則應對溶洞頂板進行檢算；溶洞內填充物具有承載能力時，σz小于洞內填充物的容許承載力可認為是安全的。受承臺尺寸、樁基長度、土層情況、地下水情況影響，具體情況應具體計算，經對本線32 m跨度簡支梁基礎的統(tǒng)計分析，當樁底至空洞的距離Z大于20 m時是較安全的。

摩擦樁樁底溶洞的處理，一般采取鉆孔灌沙、注漿填充固結的方式，必要時可對樁底土層進行注漿加固。由于摩擦樁無需擊穿溶洞頂板穿越溶洞，施工進度快、風險小，成孔成本也較小，但當地基評價為不穩(wěn)定、中等穩(wěn)定且覆蓋層較薄時應按嵌巖樁設計。

4.3 鉆孔灌注嵌巖樁

嵌巖樁具有安全性高、穩(wěn)定性好的特點，是本線巖溶強發(fā)育區(qū)橋梁廣泛采用的樁基形式。

(1)樁底溶洞頂板安全厚度研究

溶洞形態(tài)千變萬化，而鉆孔又僅僅是管中窺豹，溶洞形狀、頂板巖層節(jié)理裂隙分布及膠結情況很難完整確定。文獻資料中常用的計算模型有拱模型和梁板模型[5，6]，經比較，按拱模型計算的頂板厚度較小，考慮到目前地勘手段的局限性，為安全起見，按梁板模型來分析頂板安全厚度。經對單向板模型進行抗彎、抗剪、沖切驗算后，發(fā)現大跨徑溶洞頂板抗彎是控制頂板厚度的主要因素。

若樁底上覆土層厚度25 m、樁徑1.25 m、單樁豎向力6 000 kN，假定弱風化灰?guī)r抗壓極限強度30 MPa、抗拉極限強度1.8 MPa。將不同的溶洞跨度條件下，頂板自重、上覆土層自重對頂板產生的拉應力σ1與樁底荷載產生的拉應力σ2進行對比，可得出相對安全合理的頂板厚度。

圖2～圖5的對比數據顯示，頂板厚度3 m時，上覆土層及頂板自重產生的拉應力σ1與樁底荷載產生的拉應力σ2較接近，σ2數值大且隨溶洞跨徑增長快，可見頂板厚度3 m時安全系數小；而當頂板厚度增大到5～6 m時，σ2將遠小于σ1，當σ1已經接近灰?guī)r極限抗拉強度時，σ2仍然維持在較低應力水平且隨跨徑增長緩慢(占總應力的12%～15%)。

通過計算統(tǒng)計，弱風化灰?guī)r頂板厚度大于5～7 m(4～5倍樁徑)時，可作為常規(guī)簡支梁橋理想的樁底持力層，該結果也與以往工程推薦的經驗值吻合。

圖2 頂板厚度3 m時拉應力對比

圖3 頂板厚度4 m時拉應力對比

圖4 頂板厚度5 m時拉應力對比

圖5 頂板厚度6 m時拉應力對比

(2)特殊情況下持力層厚度研究

穿越多層串珠狀溶洞且各層溶洞頂板均較薄的樁基，可能在鉆孔深度范圍內無法找到合適的持力層。巖溶區(qū)樁基施工時的漏漿塌孔可能破壞上覆土層的摩阻力，薄頂板能否提供有效端阻又存在不確定性，這時較保守的設計就是讓各層溶洞頂板的累計有效側阻Σf>單樁豎向荷載P。即相當于將《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》(TB10002.5—2005)中柱樁容許承載力[P]=R(C1A+C2Uh)修改為[P]=RC2Uh[7]。

弱風化灰?guī)r屬硬質巖，地質資料中完整灰?guī)r抗壓極限強度都大于30 MPa，但層厚較小的灰?guī)r承載力卻均進行了折減，如折減后灰?guī)r抗壓極限強度取15 MPa，C2取較差值0.02，當φ1.25 m樁穿越的串珠狀溶洞頂板累計有效厚度達6 m時(層厚大于1 m的頂板計入有效厚度)，樁基容許承載力約為7 540 kN，結果滿足φ1.25 m樁承載力要求。為確保安全，本線設計時同時要求樁底所在頂板厚度不小于3 m。鼎湖特大橋串珠狀溶洞處樁基設置如圖6所示。

圖6 鼎湖特大橋串珠狀溶洞處樁基設置(單位：m)

(3)嵌巖樁設計注意事項

由于溶洞的復雜多變，嵌巖樁經常采用不等長樁，不等長樁各樁受力不均勻，短樁受力更為不利，樁基計算時需將水平力及對應的彎矩反號重新組合后再計算一次，以防漏掉對短樁不利的控制工況；各樁入土深度值按樁頂至第一層溶洞頂板的深度取值；另外短樁剛度較大，承擔的剪力也較大，設計時注意根據計算結果加強短樁樁頂處箍筋及主筋的配置。

周邊鉆孔溶洞形態(tài)相差太大時，應結合周邊鉆孔綜合分析可能的溶洞形態(tài)，避免將石筍尖當作樁底持力層，必要時參考周邊巖面高程確定本鉆孔樁底高程。嵌巖深度要考慮巖面傾斜和表層風化等預留富余量。

4.4 打入樁

本線鼎湖特大橋跨越長利涌河道段上部30～45 m為軟～硬塑狀沖洪積層，沖積層下伏灰?guī)r強溶蝕區(qū)，表現為串珠狀溶洞，串珠狀巖石層厚多為0.2～2.0 m，且大多小于1.0 m，灰?guī)r強溶蝕區(qū)往下為巨型溶洞，單孔鉆探深度達151 m未見底板，洞內充填物主要為軟塑狀粉質黏土，與灰?guī)r強溶蝕區(qū)結合部位局部有空洞[8]。

由于覆蓋層差、灰?guī)r溶蝕強烈、串珠狀溶洞頂板均很薄，所以找不到很理想的持力層。如采用鉆孔灌注樁，施工時的漏漿塌孔將擾動破壞覆蓋層，施工風險極大，成孔措施費用及工期不可控。經比選，該區(qū)域部分橋墩采用了24根φ0.8 m及32根φ0.8 m打入開口鋼管樁。如圖7所示。

圖7 跨越長利涌段典型斷面(單位：cm)

《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》(TB10002.5—2005)中打入樁容許承載力公式未考慮開口樁的擠土效應及樁端閉塞效應，可將其修正為[P]=1/2(U∑αiλsfili+λpARα)，其中λs為側阻擠土效應系數，λp為樁端閉塞效應系數，根據以往試驗研究成果[9]，φ0.8 m的開口鋼管樁λs取0.87，持力層深度與樁內徑之比大于5時，λp取0.8λs。經計算，長利涌河道段鋼管樁[P]在2 400～3 000 kN范圍。

為保證樁端閉塞效應的發(fā)揮，使樁側及樁底形成整體持力層，樁底應盡量不擊穿溶洞頂板，而是支立于巖面或巖面附近，并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。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封閉及加固。

經采用錨樁反力梁法對2根試驗樁進行單樁豎向抗壓靜載試驗，豎向靜載最大加載量可達6 000 kN，滿足設計要求并留有安全富余。打入樁雖不是巖溶地區(qū)橋基的常規(guī)方法，但在某些特殊地段，既能避免鉆孔時漏漿塌孔對覆蓋層摩阻力的破壞及施工風險，也可節(jié)省成孔措施費。

5 巖溶強發(fā)育區(qū)橋梁基礎輔助施工措施研究

巖溶區(qū)橋梁設計時，需根據基礎類型、巖溶形態(tài)、持力層情況等確定巖溶處理輔助措施，才能估算巖溶處理費用。巖溶處理的常用措施有拋填片石夾黏土、單層或多層鋼護筒跟進和注漿。

5.1 拋填片石夾黏土

樁基礎穿越有充填溶洞或洞徑較小的空洞時，采用拋填片石夾黏土穩(wěn)固孔壁成孔的方法較經濟，片石黏土比例一般采用1∶1。鉆孔過程中應分層面填黏土和片石，經反復沖砸成孔。具體拋填數量可按圖8根據溶洞高度H進行估算。有填充的溶洞可按空洞填充數量的60%估算[10]。

圖8 拋填數量估算圖示

5.2 單層或多層鋼護筒跟進成孔

樁基礎穿越單個大溶洞成孔較困難時，可采用單層鋼護筒跟進。

溶洞頂板覆蓋有軟土、松軟土及砂、卵礫石時，鉆孔過程中容易發(fā)生漏漿坍孔、埋鉆，可采用單層鋼護筒跟進至巖面或不易坍塌土層。

樁基礎穿越串珠狀溶洞，單層鋼護筒跟進成孔困難時，可采用多層鋼護筒跟進方法成孔[11]，各層鋼護筒直徑按10 cm逐級遞增，內外護筒間以水泥漿填充。

5.3 注漿

溶洞較深不適合采用鋼護筒跟進，而拋填后又難以成孔時，可采取注水泥漿預處理。注漿也適用于對基底一定范圍內巖溶地基的加固。

當預判溶洞較大時，可先鉆孔灌石子和砂后再注漿固結。為防止?jié){液流失造成浪費，應采用間歇注漿方式，使先注入的漿液與砂子初步達到膠結后再繼續(xù)注漿。當注入率較大時可摻入一定量的粉土或粉煤灰，粉土摻入量<水泥質量的10%，粉煤灰摻入量為水泥質量的20%～50%。使用以純水泥漿為主的單液注漿，水泥采用PO 32.5級水泥，水灰比為0.6∶1～1∶1。注漿壓力為0.2～0.4 MPa(孔口壓力表讀數)，終注壓力0.2～0.5 MPa。當連續(xù)注漿10 min的注入率不大于5 L/min時，可終止注漿。

注漿量估算公式P=V×β×α/m，其中：V=A×L×η[12]。

式中P——注漿折合水泥質量，t；

V——巖溶注漿體積，m3；

β——巖溶中水泥結石充填系數，空洞β=1，充填溶洞β=0.7～0.2；

α——漿液損失系數，注漿加固范圍較大時取1.1，范圍較小時取1.2；

m——水泥結石率，根據溶洞充填物情況一般采用0.6～0.9；

A——注漿控制面積，m2，按最外側的注漿孔連線后向外偏移2 m計算；

L——注漿段長度，m，注漿孔深度范圍內灰?guī)r厚度+交界面處土層加固厚度0.5 m；

η——巖溶率或土層裂隙率，一般可采用線巖溶率。

5.4 巖溶處理綜合措施

遇到巖溶強發(fā)育地基時，經常要幾種措施綜合運用，才能保證施工順利進行，采用單一措施往往功效很低。

以類似圖6的地層情況為例，上覆強透水性土層，下伏串珠狀溶洞。該情況可預先對樁底空洞進行灌砂，再注漿固結灌入物。為防止漏漿塌孔引發(fā)地表強透水層塌陷，可采用鋼護筒跟進至不透水層。鉆孔時如泥漿面持續(xù)快速下降，泥漿比重降低，則立即拋填片石夾黏土填充，基本穩(wěn)定后再反復沖砸成孔。

6 結語

南廣鐵路巖溶區(qū)地質條件復雜多樣，針對不同的巖溶特點，采用不同的分析方法、基礎形式和處理措施，解決了巖溶強發(fā)育區(qū)橋梁設計難題，大大節(jié)省了工程費用，縮短了工期，確保了南廣鐵路巖溶橋梁基礎安全和施工順利完成。

[1] 陸杰.邵懷高速公路巖溶環(huán)境淺析[J].勘察科學技術，2003(2)：36-38.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10027—2012 鐵路工程不良地質勘察規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2012．

[3] 鐵道第三勘察設計院.橋涵地基和基礎[M].北京：中國鐵道出版社，2002．

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.JGJ94—2008 建筑樁基技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[5] 鐵道第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999．

[6] 黃光強.巖溶地區(qū)鐵路橋梁地基穩(wěn)定分析與基礎設計[J].鐵道運營技術，2007(3)：16-19．

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005．

[8] 李海霞，王德華，任為東，陳進昌.巖溶極發(fā)育區(qū)鐵路橋梁鋼管樁基礎設計[J].鐵道勘察，2012(3)：82-86．

[9] 俞振全.鋼管樁的設計與施工[M].北京.地震出版社，1993．

[10] 趙榮營.巖溶地區(qū)橋梁基礎設計[J].鐵道標準設計，2007(2)：98-99．

[11] 羅新梅.巖溶復雜地質條件下橋梁鉆孔樁施工技術[J].鐵道標準設計，2006(7)：43-45．

[12] 唐勇軍.注漿加固高速公路巖溶路基的施工技術探討[J].中國高新技術企業(yè)，2008(8)：175-179．