喀斯特地區(qū)橋梁樁基穩(wěn)定性評價(jià)及施工決策優(yōu)化設(shè)計(jì)

覃景業(yè)

(廣西北部灣投資集團(tuán)有限公司沿海高速公路分公司，廣西 南寧 530027)

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)由主梁上部結(jié)構(gòu)、支撐體系和以樁基為主體的下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)組成。

樁基作為下部結(jié)構(gòu)的重要組成部分，通過樁與周圍土體之間的摩擦力和樁端支承力的作用，樁基可以將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到較深的穩(wěn)定土壤層或巖石上。樁基根據(jù)不同的施工工藝分為灌注樁，預(yù)制樁等。其中，灌注樁基礎(chǔ)承載力高、抗震性能好、適用范圍廣。但灌注樁基施工技術(shù)較為復(fù)雜，質(zhì)量控制有限。在施工過程中，可能存在混凝土離析、沉降變化或樁徑變化等缺陷。樁基是一個(gè)隱蔽的工程，結(jié)構(gòu)檢測的方法是有限的。國內(nèi)統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國樁基施工質(zhì)量約為80%合格。喀斯特地區(qū)的形成是由于水溶性巖石之間的化學(xué)和機(jī)械作用引起的化學(xué)現(xiàn)象，在施工過程中將降低橋梁樁基的穩(wěn)定性。因此，有必要根據(jù)喀斯特地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，設(shè)計(jì)合理的橋梁樁基施工方案，盡量避免喀斯特溶洞對樁基水穩(wěn)定性的影響；同時(shí)，在實(shí)際施工中，影響喀斯特地區(qū)樁基穩(wěn)定性的因素很多，可以采取進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的措施，提高橋基的穩(wěn)定性，建立喀斯特地區(qū)橋梁樁基穩(wěn)定性評價(jià)模型。通過對廣西南寧吳圩機(jī)場至大塘高速橋梁基礎(chǔ)巖溶整治工程進(jìn)行分析，建立喀斯特地區(qū)樁基穩(wěn)定性評價(jià)模型，使橋梁基礎(chǔ)的施工決策更加科學(xué)合理。

進(jìn)一步的分析表明，在喀斯特地區(qū)的橋梁施工過程中，經(jīng)常會遇到橋梁基礎(chǔ)的沉降，地下涌水會破壞橋梁基礎(chǔ)等，從而降低了橋梁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量。因此，面對喀斯特地區(qū)橋梁基礎(chǔ)施工問題，應(yīng)根據(jù)喀斯特地區(qū)巖溶洞穴的大小和地質(zhì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合理的橋梁基礎(chǔ)施工方案，以提高橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。另外，在實(shí)際施工中，影響喀斯特地區(qū)橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定性的因素很多，不僅與巖溶洞穴分布有關(guān)，而且與喀斯特地貌巖溶結(jié)構(gòu)及巖溶參數(shù)有關(guān)。

1 工程概況

廣西南寧吳圩機(jī)場至大塘高速公路是北流(清灣)至南寧(蘇圩)高速公路中的一段，全長約40 km，路線經(jīng)南寧吳圩機(jī)場、那陳，止于南寧市良慶區(qū)大塘鎮(zhèn)團(tuán)福村附近與南北高速公路相交，設(shè)樞紐互通立交，同步建設(shè)機(jī)場連接線0.96 km。

本項(xiàng)目位于廣西首府南寧市西南部，路線總體呈北西-南東走向展布，地勢為東高西低。主要地貌形態(tài)表現(xiàn)為山丘連綿起伏，地形起伏較大，山頂多呈渾圓狀，標(biāo)高在106～230 m之間，自然斜坡坡度中等偏緩，丘陵間沖溝比較發(fā)育，多呈條帶狀分布，局部路段分布比較密集。

本項(xiàng)目所在區(qū)域地質(zhì)條件相對簡單，位于南寧緯向構(gòu)造和新華夏系第二沉降帶西南端這兩大二級構(gòu)造單元交接地帶，也是構(gòu)造體系的復(fù)合地帶。區(qū)內(nèi)發(fā)育有規(guī)模較小的皺褶和斷層，進(jìn)入第四紀(jì)以來，本區(qū)構(gòu)造活動趨于穩(wěn)定，所有斷層均無明顯復(fù)活跡象，均為非活動性斷層，對項(xiàng)目無重大影響，屬相對穩(wěn)定地區(qū)，區(qū)域穩(wěn)定性較好，適宜公路工程建設(shè)。

本工程控制性的大橋?yàn)榱畮齑髽?15×20 m小箱梁)，六冬水庫大橋跨越水庫，有14個(gè)橋墩在水中(1#～14#號墩)，水深基本變化不大，與正常蓄水位相比，水深在4～6 m之間，淤泥較多，施工難度比較大，項(xiàng)目計(jì)劃聯(lián)系相關(guān)水利部門放水后再進(jìn)行橋梁下部構(gòu)造施工，減少施工時(shí)間。

本工程有2座現(xiàn)澆橋梁，C50現(xiàn)澆混凝土方量為3 718 m3。現(xiàn)澆橋梁主要是跨越主線或高速公路、二級路等，現(xiàn)澆橋梁的墩身最高為12 m，主要是跨越南友高速公路。跨線橋梁難度大的方面主要是跨越南友高速公路橋梁(F匝道)，該跨線橋是本工程的控制性工程。

由于本工程的橋梁結(jié)構(gòu)的多樣性，造成橋梁施工難度加大，橋梁生產(chǎn)的投入增加，橋梁管理難度加大，對橋梁的施工必須科學(xué)組織、精心施工、精細(xì)化管理，持之以恒地保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度進(jìn)行管理，確保橋梁施工的順利進(jìn)行。

2 構(gòu)建喀斯特地區(qū)橋梁樁基穩(wěn)定性評價(jià)模型

2.1 制定樁基穩(wěn)定性的模糊算法評價(jià)指標(biāo)

結(jié)合六冬水庫大橋工程地質(zhì)實(shí)勘數(shù)據(jù)，建立喀斯特地區(qū)橋梁樁基穩(wěn)定性評價(jià)模型，從巖石特征、巖溶洞穴和混凝土橋梁樁基施工項(xiàng)目環(huán)境特征三個(gè)方面綜合考慮，分析對六冬水庫大橋樁基施工穩(wěn)定指標(biāo)的影響；同時(shí)，采用因素分類方法，每個(gè)指標(biāo)的分類可以表示為以下形式評價(jià)等級集：評價(jià)等級集={C1,C2,C3,C4,C5}。為了評估六冬水庫大橋樁基的穩(wěn)定性水平，分別有5個(gè)級別的代表，用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ表示，具體內(nèi)容如下頁表1所示。

表1 六冬水庫大橋樁基的穩(wěn)定性等級評價(jià)內(nèi)容表

2.2 設(shè)計(jì)影響樁基穩(wěn)定性因素的評價(jià)矩陣的模糊算法

在實(shí)際施工中，為提升樁基穩(wěn)定性，可以應(yīng)用模糊層次分析方法，從能夠影響樁基穩(wěn)定性的因素中找出主要影響施工穩(wěn)定性的指標(biāo)，進(jìn)一步制定出優(yōu)化的喀斯特地區(qū)樁基施工方案，提升公路路基工程施工質(zhì)量。

在模糊層次分析方法中，針對單一因素的評價(jià)，假設(shè)存在集合U，則Ut為集合U的單因素，即Ui(i=1，2，…，m)；根據(jù)影響因素Ui，則設(shè)影響樁基穩(wěn)定性的隸屬度為vj(j=1，2，…，n)。

其中

最后，根據(jù)單因素評價(jià)向量進(jìn)行模糊評價(jià)，得到總評價(jià)矩陣：

另外，設(shè)模糊評價(jià)矩陣R存在一個(gè)已知值A(chǔ)，當(dāng)對該模糊評價(jià)矩陣R進(jìn)行模糊評價(jià)后，對影響樁基穩(wěn)定性的因素進(jìn)行模糊變換綜合評價(jià)：

2.3 確定評價(jià)指標(biāo)在模型中的權(quán)重

為了確定評價(jià)指標(biāo)在模型中的權(quán)重，選用群組決策，評分方式可采用專家三角模糊數(shù)評分法來確定橋梁樁基穩(wěn)定性指標(biāo)權(quán)重，如表2所示。利用MATLAB可以設(shè)計(jì)如下程序進(jìn)行判斷：

(1)根據(jù)前文建立的基本評價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)集；

(2)根據(jù)評價(jià)指標(biāo)集，構(gòu)建判斷矩陣，并確定其特征向量；

(3)對特征向量進(jìn)行歸一化計(jì)算；

(4)計(jì)算橋梁樁基穩(wěn)定性指數(shù)；

(5)確定模糊層次分析法計(jì)算結(jié)果。

表2 模糊風(fēng)險(xiǎn)判斷矩陣表

通過以上步驟，可得到橋梁樁基穩(wěn)定性的基本情況分別為0.10、0.24和0.31。分別對溶洞巖體特征U1、溶洞特征U2、工程環(huán)境U3進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，結(jié)果如下：

各因素的權(quán)重矩陣分別為：

2.4 結(jié)果計(jì)算

重復(fù)運(yùn)行前文程序，對程序運(yùn)行結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

(1)溶洞巖體特征評價(jià)結(jié)果：

模糊矩陣：

A1=(0.15,0.28,0.31,0.26)

對溶洞巖體特征隸屬度計(jì)算結(jié)果分析，可以得到其最大隸屬度MAX(vj)=0.521 0。

(2)溶洞特性評價(jià)結(jié)果：

溶洞特性模糊矩陣：

A2=(0.21,0.25,0.31,0.33,0.09)

對溶洞特性隸屬度計(jì)算結(jié)果分析，可以得到其最大隸屬度MAX(vj)=0.451 0。

(3)工程環(huán)境評價(jià)結(jié)果：

工程環(huán)境模糊矩陣：

A3=(0.16,0.54)

在模糊評價(jià)向量中可以看出，其最大隸屬度MAX(vj)=0.623 0。

2.5 結(jié)果分析

對評價(jià)等級結(jié)果分析可知，三種因素對橋梁樁基的穩(wěn)定性影響程度排序如下：工程環(huán)境>溶洞巖體特征>溶洞特性，該結(jié)果也與工程實(shí)際相契合。如果風(fēng)險(xiǎn)水平達(dá)到Ⅲ級水平評價(jià)，則說明在該喀斯特地區(qū)，本工程橋梁樁基的穩(wěn)定性是正常的，風(fēng)險(xiǎn)也是可以接受的；進(jìn)而可以確定在喀斯特地區(qū)橋梁工程施工中其樁基處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，風(fēng)險(xiǎn)也處于允許范圍之內(nèi)，但仍需進(jìn)行有效的施工決策，以確保樁基的穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高。

根據(jù)相應(yīng)的評價(jià)等級作為評價(jià)結(jié)果，風(fēng)險(xiǎn)等級達(dá)到Ⅲ級，在喀斯特地區(qū)的工程施工中，橋基的穩(wěn)定性為一般，風(fēng)險(xiǎn)是可以接受的。換言之，已經(jīng)證實(shí)本喀斯特地區(qū)可以作為一個(gè)橋基施工場地，橋基失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)在允許范圍內(nèi)。進(jìn)一步分析表明，影響橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定性的因素主要體現(xiàn)在喀斯特地區(qū)的巖體特征、洞穴特征和工程環(huán)境等方面，因此，在實(shí)際施工中，應(yīng)加強(qiáng)施工設(shè)計(jì)和優(yōu)化管理，并采取一定的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，提高橋基施工的穩(wěn)定性和施工質(zhì)量。

3 提高喀斯特地區(qū)橋梁樁基穩(wěn)定性的施工決策優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 做好施工前方案比選工作

針對喀斯特地區(qū)的橋梁樁基施工，在施工之前應(yīng)能夠作好樁基附近地面的引排水準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)備好引排水設(shè)施。在施工之前，施工人員還必須認(rèn)真核對樁基施工設(shè)計(jì)文件與施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，確保樁基施工設(shè)計(jì)方案更具完善性，提升樁基施工質(zhì)量。對喀斯特地區(qū)開展樁基施工前，做好施工安全防護(hù)，還需要做好先期勘探工作。

六冬水庫大橋共計(jì)15排橋梁樁基在水中，橋梁樁基實(shí)測最深水深為2.8～3.5 m，樁基及下部結(jié)構(gòu)施工考慮采用鋼棧橋+鋼平臺和填土筑島便道及筑島平臺兩種方案，兩種方案對比分析如表3所示。

表3 方案對比分析表

通過上文構(gòu)建的喀斯特地區(qū)橋梁樁基穩(wěn)定性評價(jià)模型可以看出，工程環(huán)境對橋梁樁基的穩(wěn)定性影響最大，所以在施工前的方案比選期間，工程環(huán)境應(yīng)作為第一要素。

綜上所述，六冬水庫大橋施工考慮樁基及下部結(jié)構(gòu)施工時(shí)會被水庫水浸泡基礎(chǔ)的問題，施工時(shí)采取填土筑島便道及平臺進(jìn)行樁基及下部結(jié)構(gòu)施工，能有力保證工程施工時(shí)樁基的穩(wěn)定性。

3.2 解決好巖溶水問題

在喀斯特地區(qū)橋梁樁基的實(shí)際施工過程中，考慮巖溶水的滲漏作用，應(yīng)嚴(yán)格控制施工進(jìn)度，避免工期拖延造成嚴(yán)重的滲漏。同樣，在橋梁樁基施工中，應(yīng)做到具體問題具體分析，特別是對于非均衡流量巖溶水或間歇性巖溶水，需要合理設(shè)置排水孔或排水管[6]。在樁基施工中，要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件，不能隨意改變原來設(shè)計(jì)施工現(xiàn)場，保持巖溶水流動可控，確保施工項(xiàng)目及時(shí)完成，由此可提高樁基施工的穩(wěn)定性。

3.3 根據(jù)溶洞特性加固施工

在橋梁樁基施工中，由于施工現(xiàn)場是在喀斯特地區(qū)，因此在進(jìn)行樁基施工時(shí)，為提升樁基的穩(wěn)定性，需要觀測施工過程中的地面基礎(chǔ)的沉降量，施工前地面的沉降量應(yīng)保持穩(wěn)定的狀態(tài)；同時(shí)，在施工中，針對巖溶洞穴位置的樁基施工，可以應(yīng)用加固、跨越以及繞避等措施；而在具體施工過程之中，還應(yīng)隨時(shí)巡視巖溶施工場地周圍的環(huán)境變化，若是發(fā)現(xiàn)有異常的情況，應(yīng)該立即采取相應(yīng)措施，做好善后工作。無論在樁基施工中應(yīng)用什么處理方式，現(xiàn)場監(jiān)理人員一定要做好施工質(zhì)量檢查工作，樁基施工單位不可以隨意填塞巖溶或是擅自處理巖溶施工，樁基設(shè)計(jì)單位應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)巖溶處理情況。

4 結(jié)語

本文根據(jù)位于喀斯特地區(qū)的廣西南寧吳圩機(jī)場至大塘高速公路橋梁樁基施工過程中遇到的實(shí)際問題，提出喀斯特地區(qū)橋梁樁基施工決策方法，構(gòu)建喀斯特地區(qū)橋梁樁基穩(wěn)定性模糊評價(jià)模型，優(yōu)化了喀斯特地區(qū)橋梁樁基設(shè)計(jì)和施工過程，確保決策的正確性，可在提高橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定性與施工質(zhì)量方面發(fā)揮積極作用。