山區巖溶地質橋梁基礎設計及施工方法探討

李加柱

摘 要：溶洞是由于石灰巖長期受到水溶蝕而形成，巖溶區巖體承載能力較差，容易引起主體結構的不均勻沉降，給橋梁帶來安全隱患。本文結合國道G323線乳源上圍至沙坪段改建工程—月街大橋的橋梁基礎設計和溶洞處理方法來探討巖溶地質條件下橋梁設計和施工應當注意的問題及對策，可為同類建設條件下的橋梁基礎設計和施工提供參考。

關鍵詞：巖溶;橋梁基礎;設計;施工

中圖分類號：P642.25 文獻標識碼：A

0 引言

巖溶在我國分布廣泛，約占國土面積的1/3[1]，溶洞在雨水充沛、氣候濕潤的山區多發，在這種復雜的地質條件下的橋梁樁基的承載特性較為復雜，因此，巖溶區橋梁基礎的設計及施工方案是置得探討的課題。本文以國道G323線乳源上圍至沙坪段改建工程—月街大橋項目為載體，深入探析巖溶地區橋梁基礎設計和溶洞處理方法。

1 項目背景

1.1 工程概況

國道G323線乳源上圍至沙坪段改建工程全段位于廣東省韶關市乳源縣西南部，線路全長39.606 km。處于地形條件非常復雜的高山峻嶺地區，沿線地勢起伏，山體表面植被茂密。月街大橋橋位地處高陡丘陵，跨越丘陵間洼地及河谷溪流。該項目為二級公路，設計速度40 km/h，橋梁標準寬度為0.5 m（防護欄）+9 m（行車道）+0.5 m（防護欄），彎道橋梁加寬。地震動峰值加速度為0.05 g。

1.2 巖溶地貌

月街大橋橋位處處于巖溶地區，以孤峰地形為主，山坡坡度坡角相對較緩一般為10～30°，半山坡以上坡度相對較陡，一般為25～70°，相對高差一般達到50～300 m左右，孤峰間多見有溶蝕漏斗。山體表面多為天然林覆蓋，孤峰間多以農作物種植為主。

1.3 地層巖性及巖溶發育情況

本路段地基巖土層主要為第四系覆蓋層及侵入巖為燕山一期（早侏羅世）侵入巖（J1γ）花崗巖及泥盆系上統巴漆組與融縣組并層（D3b-r）風化層組成。橋位處兩側地形起伏大，地質情況差異很大，地形高處溶洞較多，巖溶發育程度為強烈發育，深達十幾米。主要表現為巖體中蜂窩狀溶孔、溶洞、溶隙等發育，另外在線路周邊發現多個巖溶漏斗，溶洞無充填或半充填軟塑狀粉質黏土為主，巖溶發育溶蝕灰使巖石強度低，這對于嵌巖樁基礎施工是不利的。區內總體工程地質條件一般。

1.4 水文及跨越情況

橋位位于低山丘陵區，山間谷地地表水發育。場區地下水類型主要為賦存于松散層的孔隙潛水、基巖風化裂隙中基巖裂隙水及巖溶水，地下水對砼微腐蝕。

2 溶洞區的橋梁基礎設計

2.1 橋梁總體設計方案

月街大橋主橋采用連續剛構橋梁方案，橋跨組合為（62+110+62）+4×25 m，橋梁長339.6 m。本橋位于 A=112緩和曲線及R=228 m圓曲線上。主橋上部（62+110+62）m連續剛構箱梁;下部結構為矩形薄壁空心墩，承臺平面尺寸為14.6×10.0 m，厚為4.0 m。主墩基礎采用6 根Φ220 cm鉆孔灌注樁，均采用摩擦樁設計，下圖為月街大橋主橋總體布置圖。

2.2 巖溶區橋梁基礎設計步驟

在充分了解項目區溶洞的發育狀況和分布情況后，應根據以下原則確定橋梁基礎方案：

確定樁型、樁長和樁徑。巖溶地區首選鉆孔灌注樁，樁長應根據溶洞的埋深確定。如果上部荷載較大、溶洞埋深較淺，可采用嵌巖樁。在保證樁基的承載能力基礎上應當注意樁型的優化，打破嵌巖樁技術框架，充分考慮溶洞的橫向空間和側摩阻力使樁型由單純的嵌巖樁轉變為嵌巖摩擦樁。

確定樁基的平面布置和數量。樁的根數可以根據單樁的豎向承載力進行計算，公式如下：

其中：n—樁基的根數;F—荷載設計值;G—承臺及其上方土的重力;R—單樁的豎向承載力設計值。對于偏心受壓的群樁基礎且截面形心與荷載的合力不重合時，可以適當將樁基的根數增加10%～20%。

樁間距和樁位布置應結合均布樁基承載力和工程造價，可采用對稱形、梅花形或環形，同時應遵循鉆孔樁中距不小于樁徑的2.5倍;鉆孔擴底灌注樁中距不小于1.5倍擴底直徑或擴底直徑加1.0 m，取較大者;端承樁中距不小于樁徑的2.0倍[2]。

根據以上步驟，結合月街大橋的橋位建設條件及承載力要求，主墩基礎采用6根Φ220 cm鉆孔灌注樁，雙排對稱布置，間距5.5 m，采用摩擦樁設計。

2.3 巖溶區橋梁基礎設計要點

樁基礎設計要安全適用又要經濟合理，在設計過程中還需要注意以下幾個問題：

（1）設計時要全面掌握場地的巖溶發育狀況、埋深、規模、走向等基本信息，判別溶洞與線路的相對關系及溶洞頂板基巖的完整性、風化程度，了解溶洞是否有充填物。根據溶洞具體情況采用不同的處理方式和設計方案。

（2）如果巖溶發育且巖體破碎，使得基巖的承載力大大降低，在設計時應留有足夠的安全儲備，以確保樁基的承載力。

（3）嵌巖深度在滿足樁基承載力的前提下宜淺不宜深，硬質和軟質巖嵌入深度分別為50～70 cm和（80±20）cm，嵌入深度過大，施工的條件較差，采用爆破會對周圍巖體產生破壞。

（4）溶洞距地面較深，溶洞以上地質情況不理想時，下部應采用樁基礎。若樁基進入溶洞深度較小，宜采用擴大樁基直徑或是增加樁基根數的方法來減少樁長，盡量避免樁基伸入溶洞。

（5）溶洞分布較廣泛但彼此間存在一定的間隙，下部宜采用群樁基礎，盡量減少樁基穿過溶洞的長度，避免溶洞內過長的樁基增加施工難度。巖溶特別發育且互相關聯形成巨大溶洞，橋梁下部或采用超長樁基穿過溶洞，或增大橋梁跨徑跨越溶洞，或采用高填路基方案。

3 溶洞區樁基施工要點

3.1 溶洞處理措施

巖溶地區橋梁的樁基處理措施包括：回填法、高壓注漿法、鋼護筒跟進法、旋噴注漿加固法等。

（1）一般情況下，對于小溶洞（高度≤3 m），建議采用充填封閉法填充溶洞，充填物根據地質鉆孔揭示的溶洞情況確定，如果溶洞內無充填物，則充填碎石或干沙，通過鉆孔將填料自上而下依次填充夯實。

（2）如果巖體較為破碎，或者溶洞內的填充物呈現流塑或者軟塑，可以采用高壓注漿法，將水泥漿液或者其他加固漿液壓向溶洞內以提高填充物的強度。

（3）對規模較大的溶洞和多層溶洞，樁基持力層的穩定性和承載力不能滿足設計需求時，可將護筒穿過溶洞，嵌套在巖面上，鋼護筒跟進法一般與回填法或注漿法結合使用，確保施工順利進行。

3.2 溶洞處理工法及流程

根據溶洞樁基特點，利用超前鉆對每一根樁的地層情況、溶洞位置、大小、洞內狀況等要素進行針對性的方案處理。根據超前鉆地質柱狀圖、樁基溶洞底板厚度等對嵌巖深度等參數進行優化。

處理流程：超前鉆探資料確認→收集樁周邊影響因素→設計確定樁長→四方現場確定施工方案→技術交底→前期準備→施工處理→成孔成樁。

根據地鉆孔柱狀圖判別土層中易塌層（淤泥、粉質黏土、砂土、粉土、卵石土）位置及厚度、溶洞地層位置、空洞大小、有無填充物等實際情況，在不同的地質情況下考慮技術、經濟等因素，采用單個或綜合的溶洞處理工法，達到既經濟又安全的目的。

（1）大溶洞處理工法：單層鋼護筒跟進到頂層溶洞巖面，采用小直徑沖擊錘低幅高頻擊破溶洞頂巖層，再用適徑沖擊錘擴孔，成功后向溶洞內反復拋填片石黏土塊，必要時加投袋裝水泥，直到不再下沉為止。

（2）串珠型溶洞部分及既有通車線路附近溶洞處理工法：雙層鋼護筒跟進，外護筒直徑比樁徑大40 cm，其余處理同上。在溶洞頂板50～80 cm位置時采用沖擊錘先把洞頂擊穿讓內護筒落到溶洞的底板面以下5～10 cm。

（3）河灘段溶洞工法：先采用靜壓注漿預處理技術處理表層細砂層，然后采用雙層鋼護筒跟進。

4 結語

通過結合實際工程項目對巖溶地區橋梁樁基的設計流程和施工方法進行探討，總結了溶洞地質橋梁樁基的設計步驟和設計要點以及樁基施工過程中溶洞處理方案、施工工法和施工流程，對復雜地質條件下橋梁樁基的設計和施工具有非常重要的應用價值和實際工程意義，也為巖溶地區橋梁樁基設計和溶洞處理提供借鑒。

參考文獻：

[1]袁道先.現代巖溶學在中國的發展[J].地質論評，2006（6）：733-736.

[2]公路橋涵地基與基礎設計規范：JTG 3363-2019[S].