廣東省巖溶區某橋梁樁頂失穩塌陷的成因及處理方法研究

蘇海亮

摘要：廣東巖溶地區某高速公路橋梁樁基礎已灌注完畢，該區域地下巖溶較為發育，貫通性較好。在施工期間，灌樁超方量較大，后續開挖樁頭時未發現樁基混凝土，地面也出現一定范圍的開裂，因此，塌陷是巖溶地區普遍存在的一種不良地質現象，在巖溶設計、施工時不可掉以輕心，本研究提出了相應的處理方法。

關鍵詞：橋梁；巖溶區；失穩塌陷；處理方法

1.前言

巖溶區樁基失穩塌陷是公路常見的地質災害之一，前人圍繞著公路巖溶地區的發育規律、成因及處理方案開展了大量的研究工作[1，2]，相關的研究成果為生產實踐提供了重要的指導和技術支撐。在廣東省內，巖溶區某公路橋梁樁基已灌注完畢，在沖樁過程中未出現泥漿液面下降，但灌注時發現混凝土超方和后續的樁頂塌陷，樁位地表也出現了沉降和開裂，根據檢測結果，在設計樁頂標高以下6m處發現了樁身混凝土。鑒于此，本研究以廣東省巖溶區某公路橋梁樁頂失穩塌陷為例開展了成因及處理方案的研究，旨在為類似工程提供一定的借鑒。

2.區域概況

橋位地處珠三角沖積平原區，跨越雅瑤水道，橋梁長約700m，水道長約140m，最大水深4m，勘察期間潮差約1m～2m，地形平坦，地面標高1.0m～5.7m。區域地質構造為東西向高要—惠來構造帶，位于恩平—新豐褶斷構造帶中段，產狀310°～330°∠40°～60°，力學性質主要為壓扭或張扭，最早發生于加里東期，主要活動于中生代以來，至今仍在活動。長約120km，沿斷裂兩側巖相及構造線方向均不同，斷裂面發育硅化角礫巖及糜棱巖化構造巖，角礫巖帶寬6m～10m，局部20m～100m。

此斷裂從線路終點附近側通過，與線位大角度相交，主要造成構造影響帶附近巖體破碎，巖石風化不均勻，硅化角礫巖帶明顯，對擬建路線穩定性有一定的影響，應加強邊坡的支護，同時，注意橋梁柱狀的軟弱夾層等問題。

橋位區覆蓋層主要為第四系素填土、砂土層、海陸交互相淤泥、淤泥質粉質黏土；基底由白堊系含礫砂巖、灰巖及其風化層組成，場地基巖面起伏較大，具風化倒置現象，屬工程地質條件屬復雜類型。

3.水文地質與工程地質

3.1水文地質

3.1.1地下水類型及特征

根據地下水的形成條件和賦存特征，將調查區地下水類型分成三類，即松散巖類孔隙水、碳酸鹽類裂隙巖溶水及基巖裂隙水。

（1）松散巖類孔隙水。項目區主要含水層由第四系河流沖積砂礫土、卵礫土、砂土、粉土、砂質黏土組成，表層有灰褐色淤泥質粉質黏土層。該類土體結構松散，以孔隙水潛水為主，富水性較強，涌水量受控于松散堆積層的厚度。其中淤泥質粉質黏土層為弱透水層，砂礫石層為強透水層。

（2）碳酸鹽類裂隙巖溶水。項目區主要分布于珠江三角洲沖積平原區，面積較大，巖溶化強度各地不一，順層發育甚為顯著，富水程度差異明顯，碳酸鹽巖裂隙溶洞水含水層為石磴子組和測水組灰巖，季節變化大，多呈窄條狀隱伏于第四系之下。地下水以裂隙、巖隙、巖溶管道、落水洞的形成運移和儲存，與上部的第四系孔隙水、基巖風化裂隙水有水力聯系，含水量大，一般埋藏較深。

在通常情況下，在沒有外力作用時，巖溶水處于一種相對平衡狀態，一旦在各種外來因素影響下打破這種平衡，巖溶水就會沿巖溶通道（溶洞、巖溶裂隙、溶蝕裂隙等）產生高速流動，并攜帶部分松散物質（如砂粒、黏粒）一起流動，在不利條件組合下（如上部荷載較大、上部頂板較薄、頂部壓力突然被減弱、與相鄰含水層連通且相鄰含水層徑流加強等）就會引起地面沉陷、塌方以及巖溶水突頂等現象。

（3）基巖裂隙水。賦存在白堊系泥質粉砂巖、含礫砂巖中，其層理、片理、節理、裂隙發育。裂隙潛水富水程度相對較低，深部多為構造裂隙，表層主要賦存網狀裂隙水，下部則為脈狀裂隙水，呈不連續分布。由于巖石結構不同，風化帶因地而異，水量微弱—中等。

3.1.2地下水補給、徑流、排泄

區內地下水比較豐富，這與該區的近海洋性氣候、地貌、降水量有關。地下水的補給、徑流、排泄，主要取決于兩點，即自然地理及構造地貌條件。地下水的補給以大氣降水、河流為主，其他方式局限。徑流受地形地貌控制，流向與河流走向完全一致。排泄方式主要包括：向區外側向徑流、向河流排泄及局部蒸發等。

3.1.3地下水的動態

工作區地下水具有顯著的年變化規律，每年4～9月出現1～2次水位高峰，9月后隨著降水和灌溉回歸水的減少，水位緩慢下降，常在1月出現水位低谷。此外，第四系松散巖類孔隙水水位埋藏較淺，每次暴雨后水位迅速上升，一般10h左右達到水位峰值，水位年變化幅度1m～4m，而孔隙承壓水動態亦受季節的影響，但比潛水變化幅度小。基巖山區裂隙泉流量年變化幅度一般3～5倍，最大達38倍。巖溶平原區地下水受大氣降水影響大，降水時變化速度快、變幅大。

3.2工程地質

根據區域地質資料結合勘探成果，在本項目區內，隱伏巖溶位于第四系之下，局部呈串珠狀，巖溶的埋藏深度變化較大，規模大小不一，洞高0.8m～15.7m，一般都有充填物，充填物為流塑狀粉質黏土、砂夾卵石等。全線遇洞率59.0%，場地巖溶屬強發育，線巖溶率8.0%～49.5%，樁基巖溶屬中等～極強發育。

橋位塌陷區在標高4.57m～-14.93m為第四系覆蓋層，依次為素填土、粉質黏土、中砂、淤泥質粉質黏土、粉質黏土，標高-14.93m～-24.93m為全風化含礫砂巖，標高-24.93m～-47.2m為強風化含礫砂巖，標高-47.2m～-61.4m為中風化碎裂灰巖，存在串珠狀溶洞。

4.場地穩定性評價

4.1天然狀態

巖溶場地穩定性劃分為四類：極不穩定場地、不穩定場地、中等穩定場地、穩定場地。

橋位于巖溶屬于中等—極強發育區，具有多層土層結構，根據定性分析，舊路營運多年，大型貨車車流密集，路面未出現明顯裂縫、塌陷等情況，說明在天然狀態下，該路段巖溶是處于穩定狀態的。

式中h——崩壞拱高度或垂直荷載的高度（m）

S——圍巖類別

W——洞穴寬度影響系數，其值為W=1+i（B+5）

其中B——隧道開挖寬度（m），采用溶洞或異常點高度

i——系數。當B<5m時，i=0.2；當B≥5m時，i=0.1。

根據經驗公式法，全線選取代表性的5個鉆孔進行計算，得出5個鉆孔溶洞崩壞拱高度h=15.55m～21.1m。鉆孔溶洞崩壞拱高度h/溶洞高度比=1.48～19.44。說明該路段天然地基處于基本穩定狀態。

4.2施工狀態

樁基施工時，將潛水與基巖裂隙水、巖溶水等連通，改變了地下水的埋藏條件，導致水文地質條件改變，天然狀態穩定的溶洞可能會失穩。表層的粉細砂層通過鉆孔流失到土洞或溶洞，在地表施工或車輛震動的情況下，地面會出現一定的塌陷。

5.塌陷情況

5.1灌注超方

樁基設計樁徑1.3m，樁頂標高3.8m，樁底標高-46m，設計樁長49.8m，護筒標高5.525m，設計孔深51.525m，采用沖擊鉆沖擊成孔，地質資料揭露該樁位處無溶洞、裂隙等不良地質現象，沖擊鉆在沖樁過程中也未發現泥漿液面下降等異常情況。設計混凝土方量66m3，實際灌注127m3，超方61m3。

5.2樁頭塌陷

在后續開挖樁頭時未發現樁基混凝土，且超方量較大，為查明地質情況，在塌陷樁位邊補充三個鉆孔：

ZK1，鉆孔位置離樁外側0.3m，靠北側，在-47.3m處為灰巖，并揭露約1.2m大小的溶洞。

ZK2，鉆孔位置在樁中心位置，在-2.1m位置發現樁頭。

ZK3，鉆孔位置離樁外側1.0m，靠南側，在-29.1m處發現混凝土，混凝土底標高-46.6m。鉆孔在-47.7m處為灰巖，揭露約1.6m大小的溶洞。

6.成因及處理方法

6.1巖溶塌陷條件

巖溶塌陷是巖溶區地質環境條件長期發展與演變的結果，其形成條件十分復雜，影響因素很多，突發性和隱蔽性強。

早期研究者認為，巖溶塌陷的成因是潛蝕作用，潛蝕論是巖溶塌陷的傳統成因論，不管是哪種成因機制，都離不開巖溶塌陷的三個形成條件：下部發育有可溶巖溶隙或洞穴（空間條件）、巖溶洞穴上方上部有一定厚度的蓋層（物質條件）、致塌作用力（水動力條件）[1]。

（1）空間條件。巖溶是在極其漫長的時間中形成的。可溶巖中普遍存在的垂向巖溶是其上方巖土體在水滲入作用下的垂直通道，而層狀巖溶、構造巖溶和層間巖溶，既是垂直通道運移來的物質在水動力作用下進一步運移的水平通道，也是當溶洞發展到一定規模時直接容納冒落和塌陷物質的空間，它控制了巖溶塌陷的分布。簡言之，洞隙是塌陷產生的基礎，是地下水和塌陷物質的存儲場所或通道。巖溶發育受斷層、褶皺核部等構造控制，在破碎帶附近以及可溶巖與非可溶巖的地層接觸地帶，巖溶一般比較發育，易形成溶洞。并且地下巖溶發育具有表層以垂向巖溶發育為主，深部以水文巖溶為主，形成了錯綜復雜的洞隙網絡系統，垂向上的溶洞裂隙，是接受塌陷物質的門戶和窗口，是塌陷產生的重要因素。

（2）物質條件。巖溶塌陷是蓋層土體在各種致塌因素作用下所產生的塌落現象，溶洞土洞上方蓋層的性質根據其膠結程度分為巖石和土石兩類。巖石指各種堅硬巖石，裂隙發育，具破碎性；土石主要為散土石，是主要的塌陷蓋層。

（3）水動力條件。具有空間條件和物質條件后，還需要一定的誘發因素才會觸發塌陷，誘發因素一般是水動力的條件變化，包括地表水入滲、降水入滲或抽排地下水等引起的地下水位波動變化。因此，水動力條件的變化是巖溶塌陷的主導因素。地下水動力條件的改變，從某種程度上來講就是使塌陷產生的作用力，即致塌力。這種力主要來自地下水位改變及水流產生的水、氣作用力及巖土體的自重。當上覆蓋層是因為地下水位的變化而被不斷掏空致塌時，塌陷的成因則偏向于潛蝕論；當上覆蓋層是因地下水位的變化所產生的吸引力而致塌時，塌陷成因則偏向于真空吸蝕論。而實際的塌陷中往往是這兩種致塌因素共同作用形成的。總之，地下水動力條件的改變是塌陷形成的主要原因；而可溶巖淺部發育溶洞，上覆蓋層較薄，力學性質較弱，則是塌陷發生必須具備的條件。只有上述條件同時具備，才有可能形成巖溶塌陷。

6.2成因分析

據勘探、物探和三維地質模型的研究分析，本橋梁樁基塌陷成因主要有以下幾點：

（1）勘察資料表明，該樁基基巖上覆層為砂巖，下覆層為灰巖。且受東西向斷層影響，基底巖層較為破碎，巖面起伏大，地質條件復雜；

（2）原設計樁底標高為-47.0m，處于砂巖和灰巖接觸部位，下部灰巖頂板較薄，沖樁過程中極易引起頂板開裂；

（3）樁側外鉆孔揭露約17m的混凝土，根據物探資料推測，在南側也存在溶洞或破碎帶通道；

（4）樁頭下沉約6.0m，不排除樁底存在巖溶空洞的可能性，但地質鉆孔溶洞中未見砼填充，故混凝土超方主要由于南側存在溶洞及少量塌孔的影響。

（5）樁基后續樁頂塌陷，是由于樁位處于砂巖和灰巖的不整合接觸帶，地質復雜，巖溶突變明顯等原因造成。

6.3處理方法

根據前人研究成果[2，3]，本研究提出的處理應對方案為：

（1）因原樁已坍塌，建議沖孔重新成樁，樁基應穿透溶洞，按嵌巖樁設計；

（2）設計應對樁的承載力進行計算，需在樁中心進行超前鉆或抽芯補鉆，查明病害樁及處置樁的預計樁端3～5樁徑的持力層情況；

（3）建議施工過程中外護筒穿過覆蓋層，避免造成因地下水和溶洞影響，造成地面塌陷等地質災害；

（4）周邊超方嚴重的樁基建議進行樁側補充勘察，根據勘察成果進行設計復算。

7.結論

本研究主要得到的結論如下：

（1）本次勘察采用了鉆探、物探以及三維地質建模等手段，所采用的方法正確、適當，所取得的成果客觀、準確地反映了橋梁塌陷區工程地質條件，地質資料滿足塌陷區橋梁設計的要求；

（2）塌陷區可溶性灰巖屬于巖溶相對發育區，巖面埋藏深度起伏變化很大，巖溶的發育無一定的規律，場區工程地質條件屬于復雜場區；

（3）塌陷是巖溶區地質環境條件長期發展與演變的結果，突發性和隱蔽性強。無論如何復雜，都離不開三個形成條件：下部發育有可溶巖溶隙或洞穴（空間條件）、巖溶洞穴上方上部有一定厚度的蓋層（物質條件）、致塌作用力（水動力條件）；

（4）樁基澆筑混凝土過程中超方和后續樁頂塌陷，是由于樁位處于砂巖和灰巖的接觸帶，地質復雜，存在不整合接觸面，巖溶突變明顯等原因造成。建議在原樁位進行地質勘察后，沖孔重新成樁，樁基應穿透溶洞，按嵌巖樁設計。

參考文獻：

[1]房兆祥，等；西南地區巖溶發育的某些特征——兼述巖溶地區建筑物地基處理[J].工程勘察， 1995.（4）， 9-13.

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[3]朱祖友，任惠國.巖溶地面塌陷特征的力學成因分析[J].科技資訊. 2007， No26，53-54.

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