巖溶+流砂地質(zhì)市政橋梁橋頭沉陷處理方案研究

彭李立

(廣州公路工程集團(tuán)有限公司, 廣東 廣州 510075)

橋梁樁基為隱蔽性工程,施工難點(diǎn)在于如何克服巖溶、流砂等不良地質(zhì)情況。在巖溶發(fā)育+流砂路段,樁基成孔過(guò)程中由于溶洞和流砂的雙重影響易發(fā)生砂層坍塌、流砂沿開(kāi)口溶洞流失的現(xiàn)象,進(jìn)而引起地下結(jié)構(gòu)層發(fā)生改變,造成成孔困難、地面沉陷變形等。城鎮(zhèn)建成區(qū)周邊建筑物密集,若施工中出現(xiàn)地面沉陷,不僅影響施工安全和進(jìn)度,對(duì)周邊建筑物基礎(chǔ)的穩(wěn)定也構(gòu)成隱患。本文以廣州某市政橋梁為例,針對(duì)巖溶+流砂地質(zhì)情況下樁基施工中的橋頭沉陷,分析沉陷原因及影響,并從勘察、設(shè)計(jì)及施工方面研究處理方案,保證工程質(zhì)量及安全。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

廣州某市政舊橋拆除重建工程,橋梁跨越河流,斜交角為70°,橋頭兩側(cè)為城市建成區(qū),建筑物密度高,建筑物層數(shù)為六七層。橋梁樁基距離建筑物的最小距離約7 m。橋梁寬度為12 m,跨徑組合為(10.0+20.0+11.6) m,為預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋,橋梁長(zhǎng)度為43.1 m(含橋臺(tái))。

設(shè)計(jì)過(guò)程中為保證橋頭房屋安全,減少基坑開(kāi)挖深度,采用柱式橋臺(tái)、樁柱式橋墩,每個(gè)墩臺(tái)均有2根樁基。樁基按嵌巖樁設(shè)計(jì),長(zhǎng)度按照嵌巖深度要求及溶洞頂板持力層厚度控制,其中0#橋臺(tái)樁長(zhǎng)為66.0 m,3#橋臺(tái)樁長(zhǎng)為34.3 m。

1.2 地質(zhì)狀況

如圖1所示,項(xiàng)目區(qū)灰?guī)r地層巖溶強(qiáng)發(fā)育,土洞、溶洞內(nèi)雖大部分有填充,但填充物多為軟塑～可塑的較松散物質(zhì),且部分溶洞頂板厚度較小,處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài),在長(zhǎng)期地下水溶蝕作用或外部力量沖擊(如樁基施工)下易發(fā)生溶洞頂板坍塌,造成地面沉陷等地質(zhì)災(zāi)害。場(chǎng)區(qū)基巖巖溶水較豐富,為微承壓水。全橋共有8根樁基,采用“一樁一鉆”。覆蓋層有細(xì)砂及粉砂層,細(xì)砂層厚度為2.8～4.5 m,粉砂層厚度為0.6～7.1 m。

圖1 橋臺(tái)樁基鉆孔柱狀圖(單位:m)

1.3 橋頭沉陷

在3#橋臺(tái)左側(cè)樁樁基鉆孔深度約16 m時(shí)發(fā)生橋頭地面沉陷,沉陷范圍以樁基為中心向河堤方向發(fā)展,沉陷裂縫呈半圓形分布,沉陷面積約158 m2(見(jiàn)圖2)。

圖2 橋頭沉陷區(qū)域分布及CT探測(cè)巖溶發(fā)育范圍

2 處理方案

2.1 沉陷原因分析

該項(xiàng)目區(qū)溶洞發(fā)育,且有流砂、承壓水等多種不良地質(zhì),沉陷發(fā)生于鉆孔穿越流砂土層的施工過(guò)程中,初步分析沉陷原因主要有施工和地質(zhì)兩方面。

由于地質(zhì)情況復(fù)雜,樁基按照先難后易的順序施工[1]。橋梁共有4個(gè)墩臺(tái),3#橋臺(tái)左側(cè)樁鉆孔前,0#～1#墩各順利完成一根樁基鉆孔與混凝土澆筑。0#臺(tái)處溶洞尺寸大,呈串珠狀分布,樁基穿過(guò)溶洞群落于穩(wěn)定巖層上,終孔樁長(zhǎng)接近65.0 m。相較于1#臺(tái),3#臺(tái)穩(wěn)定持力巖層深度較淺,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為34.3 m,比1#臺(tái)樁長(zhǎng)短約30.0 m。但1#臺(tái)流砂層深厚,厚度約12.5 m。

場(chǎng)地內(nèi)基巖強(qiáng)度較高,考慮到旋挖鉆施工效率低,設(shè)備要求高,樁基施工選用沖擊鉆+雙層鋼護(hù)筒工藝。其中內(nèi)層鋼護(hù)筒為全護(hù)筒跟進(jìn),外層鋼護(hù)筒穿過(guò)軟弱覆蓋層置于中、微風(fēng)化巖層中。由于地質(zhì)條件復(fù)雜,施工過(guò)程中可能會(huì)遇到流砂層坍塌、穿越溶洞漏漿、塌孔、掉鉆等現(xiàn)象,對(duì)護(hù)筒埋設(shè)深度、沖程、鉆孔進(jìn)尺、泥漿濃度都提出了較高的控制要求。

施工場(chǎng)地溶洞強(qiáng)發(fā)育,溶洞呈串珠狀分布,溶洞頂板較薄,不穩(wěn)定,樁基施工中易發(fā)生塌孔。若樁基施工導(dǎo)致溶洞開(kāi)口連通,樁孔內(nèi)泥漿容易突然大量流失引發(fā)孔壁垮塌甚至地面沉陷。地面沉陷發(fā)生時(shí),鉆孔深度約16 m,處于穿越砂土層的過(guò)程中。事故樁基所在位置砂土層厚度大,周邊施工如果過(guò)度降水、鋼護(hù)筒施工跟進(jìn)不及時(shí)或泥漿護(hù)壁壓力不滿(mǎn)足要求,砂土層受到機(jī)械施工擾動(dòng)會(huì)發(fā)生沉陷或溶解于泥漿中[2-3],基巖面附近開(kāi)孔溶洞可能形成流砂通道或泥漿循環(huán)流失。隨著砂土層的流失,砂土上覆蓋層失去支撐作用,進(jìn)而引起地面沉陷。

2.2 處理方案

由于橋頭沉陷區(qū)緊鄰周邊建筑物,沉陷發(fā)生后立即采取措施避免沉陷區(qū)擴(kuò)大,確保周邊建筑物安全。其次進(jìn)行補(bǔ)充勘察,查明溶洞分布和連通情況,以便確定后續(xù)施工方案。因此,沉陷發(fā)生后,立即停止樁基施工,并對(duì)樁孔進(jìn)行回填,阻止孔道周?chē)巴翆永^續(xù)流失。同時(shí)對(duì)沉陷區(qū)進(jìn)行注漿加固,避免沉陷范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。處理措施及布置方案如下:

(1) 停止橋臺(tái)樁基施工,并用水泥漿注漿回填鉆孔。

(2) 對(duì)沉陷范圍進(jìn)行預(yù)注漿處理,固化該區(qū)域土體。

(3) 對(duì)地表沉陷、地下水位、周邊建筑物沉降及傾斜情況進(jìn)行24 h監(jiān)測(cè)。

(4) 對(duì)橋頭沉陷區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充勘察,明確溶洞走向、空間分布及連通情況。

(5) 根據(jù)補(bǔ)充勘察資料及沉降監(jiān)測(cè)情況確定進(jìn)一步加固沉陷區(qū)的措施。

(6) 研究橋梁或橋臺(tái)樁基調(diào)整及施工方案,確保后續(xù)施工安全。

2.3 補(bǔ)充勘察

施工時(shí)僅有鉆探成果,無(wú)法判斷橋頭沉陷區(qū)溶洞分布,尤其是溶洞的連通情況和空間分布。為此,除進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)充鉆孔外,利用跨孔彈性波CT對(duì)場(chǎng)地區(qū)域進(jìn)行三維空間探測(cè),了解巖體空間分布和發(fā)育情況[4]。跨孔彈性波CT作業(yè)配合地質(zhì)鉆孔進(jìn)行,在橋頭沉陷區(qū)布置3個(gè)鉆孔,進(jìn)行彈性波CT探測(cè),結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 跨孔彈性波CT 地質(zhì)解釋剖面圖

鉆孔及CT勘察結(jié)果顯示,場(chǎng)地內(nèi)巖面起伏較大,巖溶極強(qiáng)發(fā)育,溶洞頂板厚度較小,存在開(kāi)口溶洞。驗(yàn)證了受施工擾動(dòng)影響砂土層沿溶洞流失,形成地面沉陷及地裂縫的分析結(jié)論。

2.4 監(jiān)測(cè)方案

沿沉陷區(qū)布置觀測(cè)點(diǎn),觀測(cè)沉陷區(qū)及沉陷深度發(fā)展趨勢(shì)。鉆孔施工停止后,經(jīng)過(guò)緊急注漿加固后沉陷區(qū)基本趨于穩(wěn)定,沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)展。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,若樁基施工對(duì)鄰近建筑物產(chǎn)生影響,施工期間及使用期間均須進(jìn)行沉降變形觀測(cè)。為確保周邊建筑物安全,對(duì)3#橋臺(tái)周邊30 m范圍內(nèi)4棟建筑物進(jìn)行沉降和傾斜觀測(cè),并每天對(duì)房屋門(mén)窗、結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)變形及裂縫進(jìn)行巡檢。表1為沉陷發(fā)生后建筑物沉降變化情況。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),在回填樁基鉆孔并對(duì)沉陷區(qū)預(yù)注漿加固后,建筑物沉降依舊處于緩慢發(fā)展(A3-4監(jiān)測(cè)點(diǎn))中,應(yīng)采取措施控制建筑物基礎(chǔ)沉降發(fā)展。

表1 周邊建筑物沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

橋位區(qū)基巖巖溶水較豐富,地下水位變化極易引起水土尤其是砂土層沿連通溶洞孔道流失,進(jìn)一步影響周邊地塊的穩(wěn)定性。因此,除監(jiān)測(cè)建筑物沉降變形外,對(duì)地下水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.5 橋頭土體加固

根據(jù)彈性波CT探測(cè)結(jié)果,橋頭范圍為溶洞強(qiáng)發(fā)育區(qū),推斷溶洞發(fā)育范圍朝向建筑物方向。預(yù)注漿加固后建筑物沉降量依然為0.43 mm/d,且總沉降量接近3 cm,建筑物沉降仍在緩慢發(fā)展。因此,須擴(kuò)大注漿范圍,除對(duì)沉陷區(qū)進(jìn)行注漿外,在橋頭靠近沉陷區(qū)的建筑物一側(cè)增加注漿孔。由于溶洞強(qiáng)發(fā)育,注漿料沿溶洞通道從地下流失可能性較大,為保障建筑物基礎(chǔ)注漿效果,在該建筑物基礎(chǔ)周邊注漿孔外圍增加一排D600 mm@400 mm旋噴樁,待旋噴樁施工完成后再進(jìn)行建筑物基礎(chǔ)加密注漿,避免注漿料沿溶洞通道方向流失。

2.6 橋梁調(diào)整方案

樁基鉆孔越長(zhǎng),樁基施工難度越大。橋梁樁基在穿越流砂層的過(guò)程中發(fā)生橋頭塌陷,橋梁調(diào)整方案有3種:方案一為增加樁基數(shù)量,減小樁長(zhǎng)[5];方案二為取消樁基礎(chǔ),將橋臺(tái)改為擴(kuò)大基礎(chǔ);方案三為調(diào)整第三跨橋梁跨徑,適當(dāng)避開(kāi)橋頭沉陷區(qū)。

該橋?yàn)榕f橋拆除重建,為減少河堤開(kāi)挖,橋梁拆除過(guò)程中保留部分舊橋橋臺(tái),若減小橋梁跨徑,則新舊橋臺(tái)沖突,橋臺(tái)樁位無(wú)法向小樁號(hào)調(diào)整;根據(jù)橋頭沉陷區(qū)地質(zhì)情況,若增加橋梁跨徑避開(kāi)沉陷區(qū),則橋梁跨徑增加至少15 m,橋梁工程規(guī)模增加較多,經(jīng)濟(jì)性差。因此,方案三不可取。

根據(jù)橋臺(tái)基礎(chǔ)沖刷深度及地基承載力要求,經(jīng)初步測(cè)算,橋臺(tái)基礎(chǔ)埋深約5 m。考慮到橋臺(tái)鄰近建筑物已發(fā)生沉降,地質(zhì)條件復(fù)雜,基坑開(kāi)挖安全隱患較大,方案二可行性較差。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析,橋梁調(diào)整采用方案一,即增加樁基數(shù)量、減小樁長(zhǎng)。橋位左側(cè)建筑物距離較近,橋梁左側(cè)樁基施工空間受限,左側(cè)樁位置保持不變,調(diào)整右側(cè)樁基位置,并增加1根樁基,減小單根樁樁長(zhǎng)。

考慮到左側(cè)樁在穿越砂土層的過(guò)程中孔壁支護(hù)措施不足,導(dǎo)致砂土沿開(kāi)口溶洞流失,在左側(cè)樁繼續(xù)施工前,對(duì)周邊土體采用D600 mm@400 mm高壓旋噴樁加固,確保左側(cè)樁第二次沖孔施工時(shí)周邊土體穩(wěn)定。

2.7 處理效果

3#橋臺(tái)經(jīng)過(guò)橋頭加固處理及樁基方案調(diào)整后,橋頭周邊建筑物沉降趨于穩(wěn)定,樁基后期施工得以順利進(jìn)行。

結(jié)合3#橋臺(tái)的施工經(jīng)驗(yàn),為避免樁基施工引起周邊建筑物沉降,0#橋臺(tái)剩余樁基施工前進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)鉆及CT探測(cè),根據(jù)探測(cè)結(jié)果對(duì)橋頭范圍土體進(jìn)行預(yù)加固處理。

3 結(jié)語(yǔ)

市政橋梁由于建設(shè)條件限制,橋位選擇受限,橋梁樁位難以避開(kāi)地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域,樁基施工影響因素多、難度大,樁基施工前應(yīng)加強(qiáng)勘察,必要時(shí)采取預(yù)加固措施,避免發(fā)生樁基施工安全事故。本文結(jié)合廣州某市政橋梁在巖溶+流砂地區(qū)樁基施工中橋頭沉陷案例,根據(jù)地質(zhì)情況和沉陷原因提出解決方法,保證施工安全。