巖溶地區鐵路橋梁基礎設計

蔣 鵬

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

某鐵路沿線巖溶出露廣泛，覆蓋層較薄，斷裂構造發育，地下水豐富，巖溶現象發育，主要發育有溶洞、溶溝、溶槽、石牙、溶蝕裂隙、溶孔等，勘察揭示溶洞直徑最大超過50m。巖溶地區的橋梁基礎設計比較復雜，結合該鐵路線設計經驗，總結巖溶地區橋梁基礎的設計方法。

1 巖溶地區橋梁必須有勘探詳細地質資料

由于巖溶地區地質的復雜性，詳細準確的地質資料是橋梁基礎選型和設計的關鍵。只有布置科學合理的鉆孔位置，查明每個基礎范圍內巖溶的發育規律、基本形態、規模大小、洞穴頂板巖層厚度和完整性，以及洞內充填物性狀，才能合理設計橋梁基礎。巖溶地區的橋梁結合定測鉆孔資料，由梁跨和墩高初步擬定出基礎尺寸和樁基布置形式提供給地質專業布置鉆孔。對于明挖基礎一般按對角線布鉆，每個明挖基礎至少應有2～4個鉆孔，施工時需加強驗槽，基坑開挖后進行物探探測驗槽等。對于樁基礎，一般要求逐樁鉆探，條件困難時每個基礎不應少于4個鉆孔，施工時應加強補鉆。鉆孔在完整基巖內鉆進不少于5～10 m，在該深度內遇到溶洞時應穿過，在洞穴底板完整基巖內鉆進不小于5 m，必要時采用物探等其他方法予以補充。勘探后地質專業提供每根樁詳細的地質鉆探資料，繪制地質剖面圖，詳細說明溶洞深度、高度、填充物、巖面傾斜等情況。對于巖溶地質復雜，如直徑過大、層數多、設計施工困難大的溶洞，需及時調整孔跨，有效避開大溶洞，減小投資。

2 巖溶地區橋梁基礎形式的選擇

根據勘探揭示的溶洞規模及類型，選擇合適的基礎形式，能減少施工困難，降低投資成本。對于淺層、較小的溶洞，可視溶洞內填充物的形式和密實程度，采用注漿等方式對溶洞進行加固處理后，再選擇合適的淺基礎形式。

若溶洞位于基底以下一定距離，溶洞形態大小能探測清楚，溶洞直徑較小或頂板巖層厚度很大，頂板巖層完整性較好，一般可采用擴大基礎如明挖和挖井基礎，有需要時可采用筏板基礎等。

樁基礎是處理橋梁巖溶地基最常見也是最有效的方法。當橋梁地基下的溶洞較大，埋藏較深，但又不滿足頂板厚度檢算要求時，只能采用樁基礎。若溶洞的頂板很薄，溶洞內的底面很深，且洞內填充土較為密實，承載力較高，可按常規摩擦樁考慮。合理選取溶洞區樁側土的極限摩阻力是摩擦樁設計的關鍵。摩擦樁通常較長，樁底部分的力一般難以發揮，樁底土的承載力可不予計入，為安全儲備。若溶洞頂板較厚，巖層完整性好，巖石承載力好，可采用柱樁基礎。柱樁基礎有承載力大、沉降小、抗震性能好等優點，樁身穿透多層溶洞和溶槽，嵌固在完整巖層上，是巖溶地區最常見的樁基礎形式。

3 嵌巖柱樁長的確定

柱樁樁長的確定需要考慮的因素比較多，只有確定合理的樁長，使得樁尖嵌入合理的巖層并保證嵌入深度，才能有效發揮樁基的作用，保證設計的安全性和經濟性。確定每根樁的合理樁長，需要注意以下幾點。

(1)樁尖需嵌入基巖面一定的深度，當嵌入深度很淺時，樁身混凝土與其側面巖石之間的摩擦力和黏結力難以保證，一般嵌入深度不得小于0.5 m，當嵌入深度小于0.5 m時，其嵌入部分樁身側面承載力不應考慮。一般認為當嵌巖深度大于3～4倍的樁徑時，可不考慮樁端下伏溶洞的影響。樁尖巖石持力層厚度的計算：對巖層比較完整，巖體強度高的巖層，通常根據溶洞跨度的大小，按溶洞頂板受彎和受剪的簡化算法來粗略計算溶洞頂板厚度。一般視巖層的巖性和完整程度，樁端下有5～6 m持力層厚度的完整巖體認為是安全的。

(2)地質剖面展開圖：為了繪圖的美觀起見，縱橫向繪圖比例通常情況下不一致，大部分情況是橫向比例大于縱向比例，鉆孔深度越深，縱橫向比例的差值越大，這樣一來，在地質剖面展開圖中顯示的地層線與實際地層線的傾斜度是不一樣的，原本很傾斜的巖層線，在地質剖面圖中顯示可能就比較平緩，這樣易引起設計者的視覺誤差，按照剖面圖中巖層線確定樁長易導致嵌巖深度不能滿足要求。

(3)地質剖面展開圖顯示的是沿著鉆孔連線方向的地質情況，需要結合地質鉆孔平面示意圖，判斷溶洞在空間的分布情況，以判斷溶洞的橫向發展情況。對于靠近溶洞發展方向的樁長需要參考附近的樁長確定，以保證樁身有效的嵌入基巖面。必要時需補充鉆探，探明設計樁位與溶洞的關系。

(4)群樁基礎每根樁由基頂傳遞下來的荷載大小與樁的平面位置及樁身的剛度有關，因此樁長設計中應避免樁長度一邊倒的現象，即應避免承臺一側的樁長與另一側的樁長差值過大，這樣將導致群樁中荷載分布不均，影響到整體受力。

(5)位于坡上的橋墩基礎除考慮自由樁長外，還需注意樁尖巖層是否為順層巖石，應充分考慮巖層的順層角度及穩定巖層線的位置等，確定合理的樁長，適當加大樁基配筋量，防止巖層整體滑移對樁基產生不利影響。

4 樁徑的選擇

樁徑的選擇需結合梁跨、墩高、承臺尺寸、樁長、墩臺基礎下部結構的剛度、地質資料等多方面情況綜合確定。當橋梁墩臺下地基有呈上下成串分布的溶洞時，在充分探明溶洞最下層分布的前提下，宜采用直徑不小于1.5 m的鉆孔樁。對于穿越大直徑溶洞的樁基宜選擇大直徑樁，可有效減少樁根數，既能減小施工困難，也能較好地滿足設計的要求。

對于穿越較大溶洞的樁來說，若溶洞中無填充物或者填充物承載力較弱時，可以將穿越溶洞的這部分樁看做是下端嵌巖固定，上端鉸支的壓桿，按照混凝土構件壓桿穩定的簡化算法。

具有縱筋及一般箍筋的軸心受壓構件的穩定性按下列公式計算

式中：N—計算軸向壓力(MN)，忽略溶洞頂部以上巖土層的摩阻力對樁身軸向的作用，近似按嵌入巖石層的鉆孔樁容許承載力計算。考慮巖石層破碎程度和清底情況為一般情況，嵌巖深取2倍樁徑，巖石單軸極限抗壓強度取8 000 kPa，計算各樁徑的容許承載力如表1。

表1 各樁徑嵌巖樁的容許承載力

φ—縱向彎曲系數，根據構件的長細比查表確定，一端剛性固定另一端為不移動的鉸時構件計算長度l0=0.7D，D為溶洞直徑；

σ0—混凝土壓應力/MPa；

m—鋼筋抗拉強度標準值與混凝土抗壓極限強度之比，采用C30混凝土及HPB235鋼筋時，m值取11.8。

按壓桿穩定計算的各直徑樁樁身混凝土壓應力如表2所示。

表2 各直徑樁樁身混凝土壓應力

當鉆孔樁達到樁身容許承載力時，樁徑較大的樁能適應于更大的溶洞，能較好的滿足受壓構件穩定性要求。

5 樁基展布圖輔助程序設計思路

地質專業逐樁鉆孔后，按照一定的樁基布置路徑展開生成地質鉆孔剖面圖。根據逐樁平面關系圖和逐樁地質剖面圖，設計者就能大致的判斷溶洞的空間分布情況。施工圖設計時，為便于清楚的呈現各橋墩的樁基與溶洞空間的關系，常在地質剖面圖中將樁基按一定的順序逐樁展開布置，以較全面的展示各樁的設計信息，再根據各樁對應的地層信息進行詳細的工程數量計算。手工完成基礎展開布置繪圖、工程數量計算及校核工作相當繁瑣，尤其對于巖溶地區長大線鐵路設計，需要耗費相當多的人力物力，尋求優質高效的計算機程序輔助顯得尤為重要。根據以往的設計經驗和設計思路，提出以下程序編制構思流程，探索輔助程序設計編制方法(如圖1)。

6 結束語

巖溶地質對橋梁的危害很大，探明巖溶地質情況是巖溶地區工程建設十分必要的前提，地質勘察、設計和施工單位都應給予足夠的重視，必須持有詳細準確的地質資料。進行基礎設計時需針對不同位置的具體地質情況采取不同的處理措施，確定合理的持力巖層，選擇合適的橋梁基礎形式，選擇合適的溶洞加固處理方式，確定合理的樁基樁根數、樁長、樁徑等，綜合考慮各方面的影響因素，保證橋梁建設和運營的安全。

圖1 樁基展布圖輔助程序設計

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