普蘭店海灣特大橋深水巖溶區橋梁基礎設計

林兆宗，孫玉蘭

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142;2.哈大鐵路客運專線有限公司，沈陽 110002)

1 概述

(1)自然狀況

哈大客運專線普蘭店海灣特大橋橋位處于既有沈大高速公路跨海灣大橋外海側與高速公路橋位平行。普蘭店海灣海面寬3 350 m，主海溝寬約1 000 m，兩側海灘主要為扇貝養殖區及海參池。灣內水流主要受潮汐影響，普蘭店海灣屬渤海海域，介于正規與非正規半日潮之間，呈明顯往復流，漲潮潮差2.20 m，落潮潮差1.90 m。一般水深9.2 m，受潮汐影響，施工時最大水深達10.8 m，如考慮波浪影響則施工水深更深。

(2)橋跨形式

普蘭店海灣特大橋為正線雙線橋，全長4 960.85 m，共140個墩臺，起點里程DK61+789.17，終點里程DK66+750.02，中心里程DK64+269.60，橋跨布置自大連向沈陽方向為39－32 m+2－24 m+30－32 m+18－56 m+47－32 m+2－24 m+1－32 m簡支箱梁。其中從71號～89號墩共18孔56 m簡支箱梁跨越普蘭店海灣主海溝，屬大橋主橋部分。

大連側橋臺為一字形橋臺，基礎采用8根φ1.25 m鉆孔嵌巖樁，樁長20 m。沈陽側橋臺為擴大基礎橋臺。兩岸引橋基礎采用10根或12根 φ1.00 m或φ1.25 m鉆孔嵌巖樁，樁長6～49 m，承臺分2層，厚度分別為2.5 m和1.5 m，墩身采用實心圓端形橋墩，最大墩高15.5 m。

跨越主海溝71號～89號墩基礎采用13根φ1.5 m鉆孔嵌巖樁，承臺底層厚度為3 m，頂層厚度為2 m;上部結構采用18孔56 m簡支箱梁結構，采用節段預制、移動支架整孔拼裝的方法施工。

簡支箱梁采用單箱單室的截面類型，箱梁頂板全寬13.4 m，底板寬6.7 m，箱梁全高5.3 m。整孔箱梁共分為11個節段，10道濕接縫，節段長度除箱梁兩端1號(1'號)節段為2.6 m外，其余節段長度均為5.1 m，濕接縫長度均為0.6 m，拼裝后箱梁總長度為57.1 m。除箱梁1號(1'號)節段、2號(2'號)節段為變截面外，其余中間7個節段均為等截面箱梁。

普蘭店海灣特大橋是哈大鐵路客運專線的重點控制性工程之一。

2 地質情況

橋址區分布有軟土，地震液化層，巖溶，巖石構造破碎帶、斷層。溶洞較為發育，多為全填充，部分擠壓破碎帶發育，構造較強烈，巖石受擠壓破碎強烈。巖漿運動強烈，有燕山期輝綠巖脈侵入泥灰巖中。地層從上到下分別為淤泥質粉質黏土、粉質細砂、細砂、礫砂、細角礫土、泥灰巖等，其中泥灰巖地層成分以碳酸鈣礦物為主，易因地下水或裂隙水溶蝕形成溶槽、溶溝或溶洞，根據地質勘察揭露，橋址區巖溶較發育。

橋址區巖溶主要集中在南引橋和主橋部分，在不同深度有大小不等的溶洞，局部形成串珠狀溶洞且連續出現。地質勘探按照采用的樁基布置形式，逐樁布置勘探孔進行勘探，鉆孔最深70 m。勘探資料揭示，DK62+315.20～DK63+035.1(陸地南引橋)溶洞一般埋深20～30 m，最大溶洞高度2.4 m，洞內多為全充填粉質黏土和原巖風化細角礫土，呈中密～密實狀;DK64+098.82～DK65+075.21(71號墩～88號墩，海灣主橋)溶洞、溶隙、溶蝕發育，其中72號～80號墩溶洞極為發育，多呈串珠狀，溶洞大小不一，一般洞高0.1～13.5 m，最大溶洞高18 m，埋深21.7～59.8 m，底面高程－22.82～－60.97 m，多為無充填空洞，少為半充填及全充填，洞內多充填粉質黏土和原巖風化細角礫土。

溶洞多沿節理面、層理面發育，巖面上凹凸不平，溶蝕、風化較為發育，使得基巖表面起伏較大。

根據鉆孔的巖芯取樣試驗，橋區巖石單軸極限抗壓強度值見表1。

表1 普蘭店海灣特大橋巖芯單軸極限抗壓強度

地震動峰值加速度0.20g，Ⅷ度震區。

3 橋梁基礎設計

本橋橋址處水深，溶洞覆蓋層厚，上層淤泥承載力很低，基礎下分布單層、多層的無填充或半填充溶洞，橋梁基礎設計均采用鉆孔灌注樁，樁直徑1.50 m，每墩13根，樁基布置見圖1。

(1)嵌巖深度的確定

圖1 橋墩樁基礎布置(單位:cm)

為保證樁底側面巖石的嵌固作用，將樁底嵌固住，設計采用樁底進入微風化巖面不小于2倍樁徑，即不小于3 m，按規范嵌入巖層內的鉆挖孔灌注樁公式計算樁基承載力。

(2)樁底溶洞頂板厚度的確定

巖溶地區嵌巖樁基礎設計，原則上應盡量穿過巖溶發育地帶或溶洞，將樁底置于溶洞下完整微風化或弱風化巖層上。當溶洞覆蓋層較深，或溶洞呈串珠狀無法全部穿過，或溶洞上有一定頂板厚度，考慮投資方面，將樁底置于該頂板上，所以正確估算、確定溶洞頂板持力層厚度是巖溶地區樁基礎設計及節省投資的關鍵問題。

雖然目前有一些對溶洞頂板安全估算及評估的定量方法，但溶洞體受力狀況十分復雜，溶洞發育的不規則性，溶洞平面、立面大小尺寸等難以完全探明，取得符合實際的巖體力學參數很困難，很難確定洞體的破壞形式，因此在工程實際中準確應用存在很大困難。半定量計算方法有荷載傳遞線交匯法、類比法、結構力學近似分析法、有限元分析法等。

設計中考慮設計周期及可操作性，本橋采用荷載傳遞線交匯法、結構力學近似分析法。

(1)荷載傳遞線交匯法

當溶洞頂板巖層完整時，可采用應力傳遞線及洞體頂板厚跨比進行穩定評價，根據相鄰樁的鉆孔情況，首先確定該樁下可能的最不利溶洞橫向尺寸，在剖面上從基礎邊緣按30°～45°擴散角向下做應力傳遞線，當洞體位于該線所確定的應力擴散范圍之外時，即可認為洞體不會危及基礎安全;當洞體位于該線所確定的應力擴散范圍之內時，如洞體頂板厚跨比大于0.5～0.87，一般也認為是穩定的。

(2)結構力學近似分析法

用該方法的前提也必須首先假定溶洞的最不利溶洞橫向尺寸，確定受力條件，按照頂板抗彎、抗剪要求分別計算出洞體頂板的安全厚度T1、T2，取大值作為溶洞的安全厚度，認為該情況下，基底以下溶洞頂板厚度滿足該厚度時，溶洞評價是穩定的。

①頂板抗彎安全厚度計算

當洞體頂板完整性較好時，可按四周嵌固板驗算其穩定性，板的最大彎矩在長邊支點間的中心處，頂板安全厚度T1按下式計算

式中 q——長邊每延米均布荷載，kN/m;

L，b——洞體的平面長、短徑;

σ——巖體彎曲應力，kPa，灰巖一般取其抗壓強度的0.1～0.125倍。

當頂板巖層裂隙發育，可按不同情況，模擬為懸臂梁或簡支梁情況進行計算。

②頂板抗剪安全厚度計算

T2=(F+G)/Ufr

式中 F——上部荷載傳至洞體的豎向力，kN;

G——頂板自重，kN;

U——洞體平均周長，m;

fr——巖體頂板抗剪強度，kPa，灰巖一般取其抗壓強度的0.06～0.13倍。

4 深水基礎施工措施

本橋主墩位于普蘭店渤海灣主海溝深水處，深水區域段基礎施工是橋梁工程的重點，是控制工期的關鍵。海灣內72號～88號墩56 m梁深水基礎采用鋼便橋結合逐墩雙壁鋼圍堰施工。便橋搭設于線路一側，6 m寬;海參池內筑島施工。承臺施工時71、89號墩采用鋼板樁防護，施工方法如下。

(1)在水上施工鉆孔樁時，建立固定的工作平臺和棧橋。

(2)在承臺和墩身水下施工時，采用整體性好的鋼殼圍堰結構。

(3)制定一系列的抗洪、防沖浪傾覆措施。

(4)不設水上混凝土工廠，由棧橋運輸混凝土。

(5)先下鋼護筒設置平臺進行鉆孔，最后下鋼殼圍堰以減少沖淤變化的影響。

(6)在上下游均設棧橋，鋪設龍門吊機軌道和運輸軌道，2個棧橋適當聯接。

(7)扦打鋼護筒

由于水上鉆孔需要先扦打鋼護筒(護筒同時作為工作平臺支承立柱與平臺共同整體受力)，鉆孔樁鋼護筒用10 mm厚鋼板制作，入土部分用8 mm鋼板，外壁每隔一定距離用鋼板箍加勁。護筒下沉用160型振動打樁機。先打支承平臺的定位護筒，樁護筒在平臺安裝后再打，護筒下沉慢時，可在筒內吸泥。

(8)鉆孔樁施工

用膨脹土泥漿護壁，氣壓反循環減壓鉆進，平臺上有泥漿筒及沉碴筒。

(9)鋼殼圍堰的制造和安裝

鋼結構在工廠制造。水平內環和豎向腹板加勁肋。圍堰可分節分塊制造，即上下兩節，底節下端做成鋼刃角，雙密部分做水密試驗，上下節間和上節分塊間填防水橡膠板。

鉆孔樁完成后，即可將工作平臺拆除，安裝鋼圍堰。

鋼圍堰在岸上拼裝成節后拖移至海邊，由棧橋運至橋墩處安裝。圍堰上下節采用螺栓連接，兩節之間填防水橡膠板，外圍再涂防水材料。

水下灌注封底混凝土，厚度4 m，封底混凝土用直升導管灌注，待封底混凝土達到100%強度后，即可在圍堰內抽水，進行承臺及墩身施工。

(10)棧橋施工方法

墩旁修建1座棧橋，在墩處設活動工作平臺進行施工。棧橋用吊機懸拼，并進行吊裝振打基礎樁。棧橋臨時墩由每組8根φ55 cm管樁組成，用鋼結構將8根樁聯成整體。棧橋用貝雷梁拼裝架設。

5 深水巖溶處理措施

本橋主橋跨越普蘭店海灣，施工時最大水深達10.8 m，橋址區溶洞極為發育，多呈串珠狀，覆蓋層上層地層為淤泥，厚達9 m，下層為中粗砂層，施工過程中極易發生塌孔等事故。一旦塌孔，埋住護筒及施工設備等，后期處理相當困難，所以在樁基礎施工時必須采取妥善措施，防止事故發生。本橋設計采取以下措施。

(1)預注漿

本橋大部分溶洞發育地帶的頂板較薄或上層巖層風化嚴重，為防止擊穿溶洞頂板時發生頂板垮塌引起塌孔，根據鉆孔資料確定的溶洞情況，在鉆孔樁施工前，采用先打小孔至溶洞頂板深度，埋設注漿管，向頂板風化巖層內注漿，按照施工時間控制，添加適當速凝劑，防止漿液過渡流失，邊注漿邊提升注漿管，將溶洞提前處理密實，減少樁基施工時塌孔可能性。

(2)鋼護筒防護

對于較大空溶洞，尤其多層串珠狀溶洞，為防止擊穿溶洞頂板后大量漏漿，引發塌孔，采用鋼護筒防護巖層以上土層，尤其水中的粉細砂、細砂、中砂等在孔外水頭作用下易發生塌孔的地層。如多層溶洞的下層溶洞較大，必要時可采用多層護筒，施工前應根據地質柱狀圖確定方案，先下外層護筒，再下內側護筒，護筒直徑差10 cm，防止由于斜孔等使內層護筒難以下到位，最內側護筒內徑應不小于設計孔徑加10 cm，以保證成孔后有效樁徑不小于設計樁徑。

施工時，鉆孔到溶洞頂板后時，擊穿溶洞頂板前，應盡快使第一層護筒到位，護筒底宜位于巖石頂面，防護住所有覆蓋層土層。護筒就位后，鉆機采用小沖程鉆進，尤其溶洞頂板較薄時，防止頂板破碎塌落，引起塌孔。

兩層護筒之間空隙宜采用水泥砂漿壓漿處理，以保證樁的橫向剛度。

(3)拋填片石黏土

巖溶地區最常見的問題就是施工漏漿，溶蝕發育輕微，溶洞發育不大的地區，雖然有漏漿，但過程一般是緩慢的，隨著鉆進的過程，隨時向鉆孔中補充黏土及水，保證必要的水頭及泥漿比重，一般可順利成孔。

對于本橋溶洞發育強烈，多層尤其大型空溶洞地區，施工前應根據地質情況做好充分準備，備足填充材料，溶洞較深時，拋填的黏土宜做成球狀備用，一方面填充迅速，另外可以保證黏土補充到底部，有利于迅速堵塞溶洞裂隙等，止住漏漿。

對于較大溶洞，有時雖拋填黏土難以止漏，或止漏后，由于施工振動，較軟的泥漿容易塌落，造成二次漏漿，因此對較大溶洞，在拋填黏土時，伴以片石，反復沖砸，擠密溶洞孔壁，保證成孔質量。拋填片石大小以10～15 cm為宜，建議不要扁平的，利于在鉆頭沖擊下擠密孔壁，黏土與片石的比例宜為1∶1。

(4)拋填混凝土

如溶洞較大，以上處理措施難以奏效，不能有效止漏時，可考慮在孔內回填低強度等級混凝土至不漏漿為止，待混凝土達到一定強度后再行鉆進，一般可順利穿過該層溶洞漏漿區。

該橋在鉆孔施工過程中，根據以上原則制定的溶洞施工技術措施，溶洞處理效果良好，雖發生漏漿等情況，但未發生塌孔。經檢測鉆孔樁均達到Ⅰ類優質樁的標準，可見溶洞地質鉆孔施工技術措施的制定和執行是可行和有效的。

6 結語

根據以上基底溶洞頂板安全厚度的方法確定的橋梁樁底設置位置，可確保橋梁結構的安全性;深水區的施工防護方案切實可行，有效保證了施工進度;溶洞處理措施的指導性原則、建議措施對保證樁基順利成孔切實有效，為巖溶地區橋梁基礎設計、施工提供借鑒。由于巖溶發育情況沒有規律，設計中應根據逐樁鉆探情況逐墩分析，分清其規模、類型，最大程度保證橋梁安全及順利施工。

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