京沈客專柴河特大橋巖溶區橋梁設計與基礎施工

霍 翼

(京沈鐵路客運專線京冀有限公司，北京 100142)

1 工程概況

京沈鐵路客運專線(簡稱“京沈客專”)所經承德境內為山區地形，地勢起伏較大，站位選址尤為重要。為了保證線路順直，線路在柴河地區附近，綜合跨越G112國道、柴河防洪要求等因素確定了柴河特大橋的橋位。由于柴河特大橋穿越強烈發育巖溶區，從降低施工風險、保證工期和后期運營安全等角度，選擇最優的孔跨布置及施工技術方案。柴河特大橋12號墩～17號臺原設計采用(64+64)m T型剛構跨越柴河主河槽和G112國道(見圖1)，根據已完成地勘資料采用了摩擦樁和柱樁基礎；連續梁采用掛籃懸澆施工、簡支梁橋位支架現澆施工。

圖1 原設計方案孔跨布置及地質狀況(單位：m)

2 工程地質特征

2.1 地層巖性

2.2 不良地質影響及評價

勘察揭示該橋址區主要的不良地質為巖溶。巖溶主要發育在白云質灰巖層中，均被第四系沖洪積的圓礫土、卵石土層所覆蓋，埋藏于地表22.60～26.60 m以下，屬淺覆蓋型巖溶，下伏基巖埋藏較淺。溶洞發育呈串珠狀，相鄰上下層溶洞的基巖厚度一般在0.70～3.00 m之間，溶洞內被粗、細角礫土及粉土、砂類土充填，揭露溶洞高度為4.20～28.90 m。地下水與地表水連通較密切，主要為河水補給地下水。

本橋巖溶補充勘察主要涉及到12～16號墩。根據鉆探及物探結果、巖溶的形態、溶洞的連通性以及地下水與地表水的水力聯系情況綜合分析，巖溶發育強度如下：10～11號墩為巖溶中等發育段； 12～16號墩為巖溶強烈發育段，其中14、15號墩巖溶發育尤為強烈，14號墩基礎左側樁鉆至90 m仍未揭穿溶洞底板；15號墩基礎左中線處樁鉆至89.6 m才揭露溶洞底板，鉆探過程中極易塌孔，成孔困難；13號墩巖溶空腔高度達20 m，巖溶樁基施工風險極大、工期難以控制。巖溶補勘后地質縱斷面如圖1所示。

3 設計方案的比選

本線巖溶地質工點較少，參照國內滬昆鐵路、貴廣客專等鐵路的巖溶樁基設計施工經驗，對于一般溶洞要求樁底巖層溶洞頂板厚度≥6 m且需考慮臨近鉆孔巖溶情況，避免將石筍尖當作頂板；對于多層溶洞，深度達到40～50 m仍找不到6 m以上厚度的頂板作為持力層時，按柱樁側頂板累計厚度>5 m、支承樁尖的頂板厚度≥3 m的要求設計[1-2]?？紤]本橋14號墩90 m深度仍未揭穿溶洞底板且極易塌孔、成樁困難，為保證結構運營安全、減少巖溶橋墩、降低施工風險、確保施組工期，組織參建單位對橋梁孔跨布置方案進行調整，重點研究了兩聯(64+64)m T型剛構與主跨128 m連續梁方案[1-4]。

3.1 雙聯(64+64)m T構方案

雙聯(64+64)m T型剛構方案如圖2所示。梁部采用掛籃懸澆施工，基礎采用鉆孔灌注樁(支承樁)，最大樁長91 m。

圖2 雙聯(64+64)m T型剛構方案孔跨布置

雙聯(64+64)m T型剛構方案可避讓原14號墩位置未揭示底板的深大溶洞，但13號墩樁基仍需穿越深大溶洞，最大樁長達91 m，施工風險較大，施工周期難以控制。

3.2 主跨128 m連續梁方案

為進一步降低施工風險及難度，在雙聯(64+64)m T型剛構方案基礎上優化主橋孔跨布置、采用1×(64+128+64)m連續梁跨越原14號墩位置的深大溶洞(具體方案見圖3)，避免深長樁施工，降低施工風險。

12號墩巖溶強烈發育，存在較大空腔(最大高度20 m)。為確保結構安全，樁基穿透串珠狀溶洞，樁尖置于完整基巖內，樁底嵌入完整基巖不小于0.5 m。樁基采用16根?1.8 m鉆孔樁矩陣排列(4×4)、不等長樁布置，樁長30～65.5 m[3-4]。

圖3 主跨128 m連續梁方案孔跨布置

13號墩溶洞多填充密實且弱風化灰巖，單軸飽和極限抗壓強度較高，樁基設計及終孔根據以下原則確定：①巖層完整、溶洞頂板厚度大于5 m時，可按照支立于巖面的柱樁設計，樁底嵌入完整基巖不小于0.5 m；②樁側巖壁累積厚度大于5 m時(巖板厚度小于樁徑的不計)，樁尖可置于厚度不小于3 m的巖溶頂板上，樁底嵌入完整基巖不小于0.5 m。樁基采用20根?1.8 m鉆孔樁矩陣排列(4×5)、不等長樁布置，樁長26～58.5 m[3-4]。

3.3 方案確定

根據施組安排柴河特大橋為本段工程控制節點，為加快施工進度采用大節段原位支架澆筑，根據拌合站混凝土供應能力確定梁部節段劃分。主跨128 m連續梁方案進一步減少巖溶橋墩個數、有效降低施工風險，工期總體可控，但主體結構增加工程投資較多。具體方案比較見表1。

考慮規避巖溶地質區域深長樁施工風險及減小對柴河河道過水的影響，結合總體進度安排及現場施工需要，決定采用主跨128 m連續梁繞避深大溶洞方案，梁部采用大節段原位支架澆筑施工，基礎采用鉆孔灌注樁。

表1 孔跨布置方案對比

4 巖溶區基礎施工

巖溶地段鐵路橋梁樁基處理措施一般有片石黏土筑壁法、護筒跟進法、超前注漿填充法、全回轉全套管法等。針對本橋巖溶分布特點、重點研究12號墩巖溶樁基施工方案。

4.1 巖溶分布

12號墩逐樁鉆探揭示溶洞35次，溶洞高度為0.7～22.1 m，洞頂標高為534.72～579.02 m，洞底標高為529.53～577.03 m。中下層溶洞基本無充填物，為空洞；上層溶洞基本為全填充，充填物為粉質黏土、細角礫土。受地下徑流影響，充填物可能隨時間逐漸減少，易形成新的空洞。該墩遇洞率為87.5%，線溶率為13.56%～61.47%，巖溶發育程度為強烈發育。單個溶洞最大高度15.7 m，單個溶腔最大高度19.6 m。溶洞頂板以上土層整體采用預注漿處理、沖擊鉆施工工藝。

4.2 巖溶處理措施

根據巖溶分布及填充情況，綜合采用了鋼護筒跟進法、超前注漿法和片石黏土筑壁法進行施工。根據實際情況按照有利于及時封閉溶洞、隔斷通道、先邊后中、先長后短、隔樁跳打的原則安排施工[5]。

(1)表層卵石層(最深24.5 m)部分在鉆機鉆進至卵石層底部以下白云質灰巖時，極易塌孔，及時下放一級鋼護筒確保順利穿越。

(2)鉆進過程中存在斜巖，容易偏孔、偏錘、卡鉆，造成進尺較為緩慢；及時回填混凝土待強度滿足要求后再次沖擊成孔。

(3)24.5 m以下第1層巖溶的填充體在沖擊鉆進過程中漏漿十分嚴重，頻繁回填造成進尺十分緩慢。在樁基開孔前對樁基周圍布置注漿孔，采取雙漿液樁位注漿對該部分地層進行預加固處理，減少漏漿。

(4)第2層大型巖溶空腔(較低空腔為2.7 m，最高空腔為19.6 m)，一般空腔采取拋填片石、黏土、混凝土筑填成孔；溶腔高度較高的溶洞在設計樁位周圍根據實際情況開小孔(直徑500 mm)，采用灌注水下混凝土處理漏漿。最高空腔溶洞鉆至溶腔內時多次嚴重漏漿，采取灌裝絮狀混凝土的辦法，對漏漿進行處理。

本橋巖溶區樁身混凝土質量均達到Ⅰ類樁標準，驗證了所采取措施的可行性。

5 結束語

目前，該巖溶區域的橋梁及無砟軌道均已按施組安排高質量完工，滿足了京沈客專的工期要求，收到了良好的效果。本橋巖溶地區的孔跨布置和施工技術方案，對保證工期起到了至關重要的作用，對今后其他鐵路建設項目的類似方案研究具有一定的參考價值。