綜合勘察方法在復雜巖溶樁基勘察中的應用

魏東旭，李 健，王 勝，王 帥

（山東省交通規劃設計院有限公司，山東 濟南 250031）

引言

巖溶地質災害具有空間分布隱蔽性、發育不規則性、事故發生的突發性等特點，這些特點給高速公路橋梁地質勘察、設計及施工等帶來了巨大的難度，是影響施工進度、工程質量及安全運營等關鍵因素之一,如何更好地開展巖溶勘察與評價工作成為了亟待研究的重要課題[1]。

在高速公路巖溶地質災害勘察及防治措施方面，提出了很多理論。何高峰等[2]以南寧地鐵2 號線工程為例，針對不同巖溶塌陷風險等級的巖溶處理原則，提出巖溶地區城市隧道施工相應的處理措施。王寶亮和李修君[3]，采用地質工程測繪、物探、地質鉆探及原位測試等技術手段對高速公路服務站的斷層破碎帶、含水帶、巖溶等不利地質進行了綜合勘察及評價。陳華興等[4]以麻駕高速公路為依托，對高速公路巖溶發育程度進行了分級，對巖溶地面塌陷進行了預測。以上研究主要是在地質測繪的基礎上，結合物探及鉆探等資料查明地下巖溶的分布規律及充填情況，進而提出相應的處治措施，而針對巖溶樁基范圍內進行巖溶發育程度劃分，找出樁基危險性區域的研究較少。

1 工程概況

青塘互通G106 跨線橋位于粵北翁源縣白屋村北，為溶蝕洼地地貌單元。由于前期對“地質選線”重視不夠，選址時沒有避開斷裂構造帶，施工階段，采取樁位內“一樁一孔”的方式進行逐樁補充勘察，布設地質鉆孔24 個，其中溶洞鉆孔17 個，見洞率為70.83%，其中2#、3#墩巖溶極強發育，原樁基位置無法滿足樁基承載力要求，在此背景下，只有通過多種勘察手段，才能在橋址區內找出適合的樁基落墩位置，確保橋梁安全。

2 綜合勘察

鑒于場區地質條件的復雜性、施工進度的緊迫性以及事故后果的嚴重性，施工過程中對橋址區補充地質測繪、物探、鉆探等工作，目的是查明橋梁基礎范圍的地質情況，解決樁基落墩問題。

2.1 地質測繪

巖溶地區巖溶地質測繪，應著重查明場區的地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質條件、洞穴形態等。在此基礎上，著重分析巖溶發育情況、分布規律與線路的關系，為選擇合理的線路方案提供依據。

2.1.1 地形地貌

橋址區地貌形態屬溶蝕洼地地貌單元，微地貌發育，地面標高在182.70～183.60 m 之間，地勢起伏不大。

2.1.2 地層巖性

場區上覆地層為第四系沖洪積礫質粉質黏土，可塑～軟塑狀態，下伏基巖為石炭系測水段（C1dc）海陸交互相炭質灰巖等。巖地層走向近東西，傾向165°～205°，傾角22°～53°，溶發育強烈，為覆蓋型巖溶。

2.1.3 地質構造

項目區域內經受多期地質構造運動的影響，地層復雜多變，構造較為復雜。根據地質構造圖判斷橋址區位于北東向與北西向次級斷裂交匯處。

根據地質鉆孔揭示，原設計方案的2#、3#、4#號墩鉆孔內的巖芯異常破碎，巖溶十分發育。0#、1#、5#墩臺內巖體較完整，巖溶微發育，由此推測斷裂帶位于1#與5#墩中間區段內。

2.1.4 水文地質

橋址區地表水發育，區內有小河經過，附近泉眼出露；地下水類型主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水以及裂隙構造水等，地下水位埋深較淺，穩定水位在1.20～3.50 m。

2.2 物探及解譯

巖溶勘察應在地質測繪的基礎上，采用物探先行、物探指導鉆探和鉆探驗證物探的綜合勘察方法。該工程采用高密度電阻率法對巖溶病害進行探測，目的是探明場區巖溶的分布范圍及深度，在結合鉆探資料的基礎上找出適合做樁基落墩的范圍。為此，在沿橋位縱向布設1 條測線，測線參數采用Wenner 裝置型式，極距為5 m，電極數152 個，恒流（20 mA，100 V）采集。高密度電法反演電阻率斷面，見圖1。

圖1 高密度電法反演電阻率

可以看出，電阻率斷面圖較復雜，電阻率值差異大。（1）RK0+535—RK0+600 區段，埋深在18.0～60.0 m 范圍內出現較多低電阻率值的封閉曲線，電阻率小于18.2 Ω·m，且呈上下貫通型，說明該范圍內巖體完整性差，溶蝕發育，推測為巖體破碎帶或巖溶發育區。（2）RK0+531—RK0+565及RK0+610—RK0+635 區段內，埋深在0～30 m范圍的電阻率值為375～1 000 Ω·m，說明該范圍內巖體完整性較好，推測為中風化灰巖。（3）RK0+531—RK0+565 范圍內，0～25 m 范圍內，大部分呈高阻反映，電阻率值1 500～2 500 Ω·m，推測為巖體較完整的基巖（微風化）。（4）橋址區內其他范圍，電阻率值在40～140 Ω·m，推斷為強風化灰巖，為斷層及風化作用導致巖體破碎充水所致。上述物探解譯結果與地質鉆探結果相吻合。測區巖土層與電阻率值對應見表1。

表1 巖土層與電阻率值對應

2.3 鉆探

為驗證物探成果的正確性，準確掌握樁基持力層的情況、基巖的完整性以及溶洞發育情況，采用樁位內逐樁布孔的方式進行鉆探。

原設計方案橋梁全長為135.6 m，橋跨徑組成為2×25 m +40 m +2×25 m，樁基鉆孔24 個，根據鉆探揭示，溶洞鉆孔17 個，見洞率為70.83%，鉆孔見洞率大于60%；有較大規模的溶洞（最大串珠型溶洞厚度達34.7 m），溶洞間管道連通性強；串珠狀豎向溶洞發育深度超過50 m；鉆孔線巖溶率4%～70%，最大鉆孔線容率為72.3%，平均鉆孔線容率為38.5%,大于20%。場地按巖溶發育程度綜合評價為極強發育區。其中2#、3#墩，鉆孔線容率57.2%～72.3%，巖溶非常發育。結合地質測繪及物探成果，推測2#、3#墩附近為斷裂構造帶，對樁基安全存在巨大風險。

考慮到橋梁兩端邊孔橋較低和盡量減少溶洞樁基數量，充分利用物探及鉆探成果，將原設計方案中孔跨徑40 m改為60 m跨徑，取消第一跨及最后一跨，并增設路基擋墻，橋跨布置改為25 m +60 m +25 m。變更后樁基孔18 個，鉆探揭示溶洞鉆孔為9 個，見洞率為50%，鉆孔見洞率小于60%；鉆孔線巖溶率6.5%～38%，最大鉆孔線容率為39.6%，平均鉆孔線容率為16.3%,小于20%。調整后樁基內巖溶發育程度綜合評價為強發育區。樁位調整前后的鉆孔巖溶發育埋深見圖2、圖3。

圖2 原設計方案巖溶發育埋深

圖3 調整后設計方案巖溶發育埋深

3 巖溶發育程度劃分

場地巖溶發育程度劃分主要通過鉆探鉆孔取得定量指標，通過遇洞率和線巖溶率兩個重要指標判斷場地巖溶發育程度和樁基巖溶發育程度。

巖溶發育程度可劃分為巖溶極強發育、巖溶強發育、巖溶中等發育及巖溶弱發育四個等級。（1）巖溶極強發育區，鉆孔遇洞率大于60%、鉆孔線巖溶率大于20%；（2）巖溶強發育區，鉆孔遇洞率30%～60%、鉆孔線巖溶率10%～20%；（3）巖溶中等發育區，鉆孔遇洞率10%～30%、鉆孔線巖溶率3%～10%；（4）巖溶弱發育區，鉆孔遇洞率小于10%、鉆孔線巖溶率小于3%。根據上述標準將該橋進行巖溶發育程度分類，分類結果見表2 及圖4。

表2 樁基巖溶發育程度分類

圖4 巖溶發育程度分布

由表2、圖4 可以看出，設計方案調整后，橋梁樁基有效地避開了巖溶極強發育區域，降低了安全風險。

4 工程方案對比分析

原設計方案樁基施工需穿過深厚層的巖溶，且2#、3#樁基均位于巖溶極強發育區域，除給施工帶來巨大難度外，樁基處于高危險區域范圍內，樁基的微小變形勢必給橋墩乃至橋梁上部結構安全帶來極大風險。采用調整跨徑后方案，能夠避開巖溶極強發育等高危險區域，保證橋梁安全運營。調整跨徑方案前后對比見表3。

表3 橋梁跨徑方案綜合對比

5 結語

（1）橋梁選址時應堅持貫徹“地質選線”的原則和指導思想，查明斷裂構造帶及巖溶發育強烈的區域，避免不必要的經濟損失及安全風險。（2）復雜巖溶地區橋梁樁基墩位應充分結合地質測繪、物探及鉆探等手段，詳細了解橋址區的巖溶發育及分布情況，為設計方案比選提供依據。（3）巖溶強烈發育等地質條件復雜地區的橋梁工程，隨著勘察階段深入以及對場地工程地質條件全面了解，可以通過調整跨徑和樁基位置來避開巖溶極強發育區，降低安全風險。