廣東清遠北江四橋工程巖溶地區(qū)樁基設計及施工關鍵技術

唐明裴，梁小聰，寧平華

（廣州市市政工程設計研究院，廣東　廣州　510060）

廣東清遠北江四橋工程巖溶地區(qū)樁基設計及施工關鍵技術

唐明裴，梁小聰，寧平華

（廣州市市政工程設計研究院，廣東廣州510060）

通過廣東清遠北江四橋工程實例，提出復雜巖溶地區(qū)的橋梁樁基設計思路，結合不同施工環(huán)境分析三種不同形式的溶洞樁基，保證復雜巖溶地區(qū)橋梁樁基設計滿足其承載能力要求，同時針對不同的地質條件提出樁基關鍵技術施工措施，為類似工程設計和施工提供了參考借鑒。

巖溶地區(qū)；樁基；設計；關鍵技術

0　引言

隨著城市建設的快速發(fā)展，位于巖溶地區(qū)的工程建設項目越來越多，巖溶作為一種特殊的不良地質作用，一直以來都是工程建設的棘手問題，尤其是上覆有松軟土層、砂層時，都是勘察、設計、施工的難題。對于巖溶發(fā)育地區(qū)的樁基，如何確定橋梁基礎型式、樁基持力層標高、確保樁基工程質量，如何采用安全、經(jīng)濟、合理的樁基設計及溶洞處理方案及措施，是橋梁設計和施工普通關注的問題，有關這方面的研究較多［1-3］。

1　工程概述

清遠市北江四橋位于三橋和五橋之間，距兩座橋均為2.2 km，地理位置十分重要，是清遠市區(qū)新的城市景觀中軸線。北江四橋建成后，將省職教基地和蓮湖工業(yè)園區(qū)緊密的連接起來，對北江兩岸及新舊城之間的交通分流及疏導亦將起到巨大作用，對城區(qū)擴容提質、促進區(qū)域協(xié)調發(fā)展都具有重要的意義。橋位位于江北中下游，飛來峽水利樞紐下游約27 km處。橋位處江面開闊，河床底標高一般為1.16～9.46 m，兩岸河流階地地面標高為13.80～20.10 m。

主橋采用100 m+218 m+100 m雙塔單索面斜拉橋，兩岸引橋均采用預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁，水中段跨徑為47 m、50 m，陸上段跨徑為30 m；橋跨布置為6×30 m+8×50 m+（100 m+218 m+100 m）+ 3×50 m+2×47 m+9×30 m，橋梁全長1 512 m。

2　基礎設計

巖溶地區(qū)的地質物探，應以查明巖溶發(fā)育程度及地下溶洞的空間分布規(guī)律為目的［4］。結合本工程特點，在施工圖設計前開展地質詳勘，根據(jù)施工圖詳勘報告進行橋梁基礎設計，為進一步查明溶洞大小、填充及滲水情況，為溶洞處理施工提供依據(jù)，樁基施工前先進行超前鉆和CT掃描，對于每根樁基，均補充一樁多孔的超前鉆資料，進一步查明溶洞大小、填充及滲水情況，為溶洞預處理施工提供依據(jù)，進一步查明橋梁沿線地形、地貌、地層巖性、地質構造及不良地質現(xiàn)象的分布和工程地質特性，并評價樁位處各層巖土的物理力學性質，明確基礎持力層深度，提供樁基設計所需的巖土技術參數(shù)。

據(jù)野外鉆探資料，場區(qū)上覆地層為第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)河流相沖積層（Q4al）、殘積層（Qel），基巖主要為泥盆系帽子峰組（DCm）泥質粉砂巖、天子嶺組（Dt）石灰?guī)r。地層自上而下為：①素填土、②1粉、細砂、②2中、粗砂、②3淤泥、淤泥質粉質粘土、②4粉質粘土、②5粉、細砂、③1粗、礫砂、③2泥炭土、③3含卵石礫砂、③4卵石質礫砂、③5礫砂、③6卵石質粉質粘土、④1硬塑粉質粘土、④2可塑粉質粘土、④3軟塑粉質粘土、⑤1a堅硬土狀全風化帶：褐黃色，暗紅，巖石風化強烈，帶厚12.80 m、⑤1b可塑土狀全風化帶帶厚12.80 m，帶厚4.20 m、⑤2a堅硬土狀強風化帶：褐紅色，巖石風化強烈，巖芯呈堅硬土狀，手折可斷，遇水易軟化，厚度1.50～3.00 m、⑤2b碎塊狀強風化帶：褐黃色，巖石風化強烈，裂隙發(fā)育，裂面鐵染明顯，帶厚8.50 m、⑤3中風化帶：灰白色，灰黃色，巖石裂隙較發(fā)育，帶厚0.40～2.30 m、⑥1中風化帶：巖石裂隙和方解石脈發(fā)育，厚度0.20～15.60 m、⑥2微風化帶：灰色，巖石裂隙不甚發(fā)育，巖芯較完整，揭露厚度0.40～26.70 m，統(tǒng)計微風化石灰?guī)r飽和單軸抗壓強度 31組，frb= 27.00～108.50 MPa，平均49.95 MPa。

場區(qū)地處于北江中下游，地勢較低平，北江為地表水和地下水的逕流排泄區(qū)，場區(qū)地下水類型主要有上層滯水、孔隙潛水和巖溶承壓水。場區(qū)基巖主要為可溶石灰?guī)r，巖溶發(fā)育，鉆探過程中漏水現(xiàn)象較嚴重，說明溶洞和溶蝕裂隙的連通性和導水性較好。巖溶承壓水一般較豐富，并與孔隙水有密切的水力聯(lián)系。巖溶水主要靠上部孔隙水的直接補給或越流補給，補給來源充足。

場區(qū)的不良地質現(xiàn)象主要為巖溶。場區(qū)揭露基巖有可溶石灰?guī)r，巖溶發(fā)育。

全橋共有樁基164根，其中直徑2.5 m樁基44根，直徑2.2 m樁基56根，直徑1.6 m樁基64根。其中0#～7#墩、22#～31#墩的樁基是陸地樁基，8#～21#墩的樁基位于北江河中，7#、8#、22#、23#墩分別在北江兩岸河堤的兩側，施工時對河堤的穩(wěn)定有一定的影響。

3　溶洞影響分析

場區(qū)揭露泥盆系天子嶺組的基巖均為石灰?guī)r，巖溶發(fā)育，從揭露的溶洞分布情況可發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

（1）本次鉆遇灰?guī)r的16個鉆孔中有13個遇到溶洞，見洞率為81.25%。

（2）洞頂埋深18.50～72.00 m，洞頂標高-15.88～-69.51 m。溶洞高度一般0.20～12.20 m，其中洞高小于1.00 m的占35.42%，介于1.00～3.00 m的占41.67%，洞高不小于3.00 m的占22.92%。

（3）本次鉆到溶洞的13個鉆孔，共揭露出48個溶洞。其中僅揭露到1個溶洞的有2個孔，占15.38%；揭露到 2～3層溶洞的有 6個孔，占46.15%；揭露到 4～5層溶洞的有 3個孔，占23.08%；揭露到大于5層溶洞的有2個孔，占15.38%。部分鉆孔呈串珠狀小溶洞發(fā)育。

（4）溶洞主要為全充填或無充填，少量為半充填，填充物主要為軟塑～可塑狀粉質粘土，鉆進時多發(fā)生微漏水～全漏水現(xiàn)象。

（5）鉆孔揭露洞頂石灰?guī)r多呈微風化狀，可見不同程度溶蝕現(xiàn)象，頂板厚度一般0.40～12.20 m。其中頂板石灰?guī)r厚度小于 1.00 m占 33.33%，1.00～3.00 m占43.75%，大于3.00 m占22.92%。

根據(jù)鉆探揭露的溶洞分布范圍和相鄰鉆孔的揭露情況，部分地段的溶洞存在相連通的可能，其對橋梁樁基穩(wěn)定性非常不利。因此，樁基設計、施工時應注意將樁置于穩(wěn)定的具有一定持力層厚度的基巖上。

值得注意的是，在北江主航道線兩側巖溶一般很發(fā)育，多呈多層、串珠狀分布，其穩(wěn)定基巖面一般深約53.80～72.40 m，標高-51.11～-69.91 m，尤其是在鉆孔Czk9上覆全、強風化土層厚度較大，推測為次一級小斷裂，此類地帶往往地下水連通性較好，巖面傾斜，巖溶發(fā)育，樁基應進入穩(wěn)定基巖面一定深度，否則有造成樁底傾斜變形滑動的可能。

目前已開展主墩16軸第4根樁基的施工，其超前鉆布置3個孔，CK16-4-2地質資料見圖1。

4　溶洞處理措施

根據(jù)現(xiàn)有地質勘探資料顯示，本工程橋位處溶洞發(fā)育，多為1～11層不同高度的溶洞，部分鉆孔呈串珠狀小溶洞發(fā)育，溶洞主要為全充填或無充填，少量為半充填，填充物主要為軟塑～可塑狀粉質粘土，鉆進時多發(fā)生微漏水～全漏水現(xiàn)象，鉆孔揭露洞頂石灰?guī)r多呈微風化狀，可見不同程度溶蝕現(xiàn)象，頂板厚度一般為0.2～14.4 m。橋位處地層自上而下大部分主要由粉質粘土層、砂層、卵石層、風化程度不同的石灰?guī)r組成。

溶洞樁基施工過程中易出現(xiàn)卡錘、斜孔偏孔、塌孔、漏漿、埋錘等危害，一旦出現(xiàn)上述意外情況，將給施工帶來巨大的安全、質量、進度的隱患，有關這方面的研究較多［5-10］。本文以地質詳勘、超前鉆和CT掃描的結果為依據(jù)，進行逐樁設計，并提出幾種處理措施。

圖1　鉆孔柱狀圖

（1）覆蓋層高壓旋噴帷幕：主要采用單管旋噴注漿法進行施工，即利用旋噴鉆機成孔后，將特制的單管及噴射器下到孔底（基巖面），然后利用高壓脈沖泵把水泥漿液從噴射器高壓噴出，形成高壓射流，通過高壓射流把土體切割攪動，同時將噴桿旋轉和提升，使土體和水泥漿均勻混合，經(jīng)凝固后形成圓柱狀固結體，即旋噴樁。將每根旋噴樁順樁周并排而緊密的膠結在一起，形成樁周帷幕。

（2）溶洞內壓漿固結：對于有填充且鉆進過程中漏水的溶洞，為防止施工過程中漏漿，利用鉆機把安裝在注漿管底部側面的單噴嘴置入土層設計預定深度后，利用高壓泥漿泵把漿液從噴嘴中噴射出去形成高壓噴射流，沖擊破壞巖土體，同時借助注漿管的旋轉和提升，使?jié){液與從土體崩落（切割）下來的土粒、砂粒攪拌混合，經(jīng)凝固后，便在巖土體中形成水泥、砂、土體混合的一定強度的固結體。

（3）溶洞內灌注混凝土：對于高度小于10m的無填充溶洞，采用地質鉆鉆穿溶洞頂板后，利用輸送泵向孔內灌注小石子混凝土，直至填滿整個溶洞。當混凝土無法將溶洞填滿時，改用雙液旋噴注漿處理。

（4）雙液旋噴注漿：采用水泥凈漿與水玻璃混合液從下至上旋噴注漿，使空洞緊密充填高強度的水泥漿固結體。采用雙液注漿的目的是，按一定比例摻入水玻璃，縮短水泥漿的凝固時間，降低水泥漿液在空洞內的流動速度，使水泥漿能在可控制的范圍內高效固結，利于溶洞的充填，極大的提高了溶洞的處理效率。

（5）鋼護筒跟進：對于高度較大的溶洞（h＞10 m），采用內鋼護筒穿過溶洞，保證順利成樁，同時避免混凝土灌注過程中出現(xiàn)意外。

（6）充填封閉：樁基預處理后，實際成樁過程中仍可能出現(xiàn)漏漿的現(xiàn)象。實際施工過程中，如遇漏漿，需在溶洞范圍內反復拋填黃泥、片石等材料，不斷用鉆機沖擊密實，直至將溶洞填滿。

根據(jù)本工程不同施工環(huán)境，全橋溶洞樁基分水中樁基、北江河堤兩側樁基和重要結構物周邊樁基三種形式。

4.1水中樁基

根據(jù)詳勘資料，10#～21#墩的樁基均存在溶洞（主橋橋位處溶洞發(fā)育尤其明顯）。為確保水上施工平臺安全，降低樁基施工風險，水中樁基溶洞處理采用覆蓋層高壓旋噴帷幕、溶洞內壓漿固結、溶洞內灌注混凝土（雙液旋噴）、鋼護筒跟進、反復充填等方法。對于土洞，全部采用鋼護筒穿透后再施工，見表1。

表1　水中樁基溶洞處理措施表

4.2北江河堤兩側樁基

7#、8#墩樁基礎在北江北岸河堤兩側，21#、22#墩樁基礎在北江南岸河堤兩側。覆蓋層以粗砂、卵石層為主，且有堤壩車輛行走引起的震動與側壓力的影響，在施工中若出現(xiàn)突然漏漿等突發(fā)事件，極易孔壁不穩(wěn)，引起塌孔、埋鉆等事故。若河堤兩側溶洞聯(lián)通，一旦樁基施工出現(xiàn)意外，甚至可能影響到河堤安全。為安全起見，河堤兩側的樁基均采用覆蓋層高壓旋噴帷幕、溶洞內灌注混凝土（雙液旋噴）、反復充填的方法進行處理。對于土洞，全部采用鋼護筒穿透后再施工，見表2。

表2　北江河堤兩側樁基溶洞處理措施表

4.3重要結構物周邊樁基

0#～6#墩位于北岸村莊內，周邊民房林立；24#～31#墩位于兩個大型樓盤之間。為確保施工安全，保證不對周邊房屋造成影響，這些墩溶洞處理采用覆蓋層高壓旋噴帷幕注漿、溶洞內壓漿固結、反復充填、溶洞內灌注混凝土（雙液旋噴）、鋼護筒跟進等方法。對于土洞，全部采用鋼護筒穿透后再施工，見表3。

表3　重要結構物周邊樁基溶洞處理措施表

5　結　語

目前，主橋16軸4號樁基按以上處理方法順利完成施工，達到設計和規(guī)范要求。實線證明，復雜巖溶地區(qū)地質條件樁基設計及基礎處理時，應逐孔進行地質鉆探，以地質詳勘、超前鉆和CT掃描的結果為依據(jù)，根據(jù)不同施工環(huán)境采用不同樁基形式，進行總體控制、逐樁設計和提出具體關鍵技術處理措施。通過總結設計經(jīng)驗和施工方法，能夠給復雜巖溶地區(qū)的工程設計及施工提供參考。

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U445

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1009-7716（2016）07-0195-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.056

2016-04-07

唐明裴（1976-），男，湖南邵陽人，高級工程師、從事橋梁與隧道工程設計工作。