廣清城際北延線巖溶樁基設計總結

張子為

摘要 廣清城際北延線位于粵北巖溶強發育區，全線以高架敷設為主，復雜巖溶條件下的橋梁樁基設計是勘察設計工作中的重難點。根據項目地質環境特點，總結了巖溶樁基勘察設計過程中的常見問題，結合實例淺析了類似地質條件下的樁基選型原則，對巖溶區普遍存在的不等長樁基受力及溶洞頂板安全厚度兩大最常見設計問題進行數學分析，以典型案例計算為引總結分析相關受力規律并提出了指導性設計方法。

關鍵詞 巖溶地區;基礎設計;不等長樁;溶洞頂板

中圖分類號 U443.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0135-04

0 引言

我國約 1/3 國土面積地處巖溶區，尤以西南及其周邊分布最為密集。因巖溶區地質特點導致該區域工程勘察難度大、基礎施工風險高、建設成本代價大[1-4]。文章以粵北巖溶強發育區的廣清城際鐵路北延線工程為例，總結分析了此類環境中基礎設計的的一些問題及處理原則，梳理了項目勘察設計過程中的一些代表性案例，對規范中尚無明確規定的不等長樁基受力及溶洞頂板安全厚度的問題予以計算分析，為類似工程的設計及施工提供一定參考。

1 工程概況

廣清城際北延線（以下簡稱該項目或該線）位于粵北清遠市境內，線路全長19.736 km，設計標準為時速200 km無砟無縫城際鐵路，全線以高架橋梁敷設為主，橋梁長度占比為87.85%;結合地質情況，全線橋梁均采用樁基礎。

沿線主要揭露的地層有第四系全新統（Q）人工堆積層與沖洪積層、泥盆系上統（D）泥質粉砂巖、炭質頁巖、粉砂巖及石灰巖。線路所經區域屬華南褶皺系粵中拗陷帶，位于花縣凹褶斷束北部，不良地質主要以覆蓋性巖溶為主。巖溶發育情況定測期間判定為中等-強烈，隨著進場后逐步補勘，揭露的強發育巖溶墩臺比例進一步提高。此外部分墩臺位于灰巖-砂巖交界段，基巖非常破碎，溶洞體量明顯偏大，巖面起伏大，甚至出現同一承臺半邊不足30 m見巖而另一半80 m仍未見巖的情況。該線灰巖覆蓋層以全風化泥質粉砂巖居多，該層風化巖強度較好，但遇水易崩解，在地下水作用下，易在巖土界面形成土洞，一旦受到施工擾動，則快速失穩坍塌，施工安全風險高。

2 巖溶區橋梁工程勘察

目前鐵路工程巖溶區橋梁地勘按照分步實施、動態調整的原則開展。優先實施角樁，并依此初判溶洞發育情況，若揭露巖溶中等或強烈發育則適當增孔補鉆。該方式在鉆探初期有效保障了勘察效率，但隨著地質核查及施工補勘的深入開展，純靠角樁控制的方式暴露了一些問題。

（1）該項目青欖海特大橋某墩12根樁定測期間僅鉆了四個角樁，未發現有溶洞，但該墩前后墩臺巖溶均為強烈發育。實際施工時，施工單位按照溶洞不發育選擇了泥漿比重偏低、護壁效果較差的旋挖鉆工法，鋼護筒下放長度也偏短，在實施某無鉆孔樁基時，因潛伏溶洞頂板破裂，導致塌孔、地表塌陷。后經逐樁補鉆，7根樁揭露有溶洞，巖溶發育情況為中等-強烈。

（2）該項目燕湖新城西特大橋某墩首次地勘僅在4、5號樁中心施鉆，其中4號鉆孔未考慮臨近5號孔溶洞橫向發育的可能，應設計專業要求在4號樁邊緣靠近5號孔方向補鉆一孔，實勘證明溶洞已經侵入原擬定的樁底區域，若僅按自身鉆孔確定樁底標高，擬設計樁底距離溶洞頂板底僅不足3 m，承載力難以保證。

針對與上述問題，該項目增加了強發育巖溶區的樁基鉆探量，設計時除了考慮樁基自身鉆孔資料外，也充分結合臨近鉆孔情況綜合判斷溶洞分布，必要時通過孔位微調、補增鉆孔的方式強化了斜巖、大溶洞邊界的探測。

3 巖溶區橋梁基礎設計

3.1 基礎類型選擇

根據基礎與覆蓋層、灰巖層的位置關系，可分為接觸巖面和非接觸巖面兩類。前者以嵌入灰巖的柱樁為主，后者以摩擦樁、擴大基礎、沉井基礎等為主，基礎結構本身不接觸灰巖，不擾動灰巖天然平衡狀態，充分利用巖體長年累月自重作用下的穩定性。

采用非接觸巖面的基礎方案要非常慎重，以摩擦樁為例，首先要確保下臥灰巖層整體完整穩定，在基礎附加應力下不致引起巖體頂板垮塌失穩;其次樁底距離巖土界面要保持足夠距離，一是減少樁基對下層灰巖的擾動，二是前文提及巖土界面處有一定概率出現土洞，尤其是地下水豐富、灰巖表層破碎時，更要保證足夠的安全距離。同時即便設計成摩擦樁，也應開展逐樁鉆探排查土洞存在的可能性。

參照建筑基礎規范[5] “當基礎底面以下的土層厚度大于三倍獨立基礎底寬，或大于六倍條形基礎底寬，且在使用期間不具備形成土洞的條件時，可不考慮巖溶對地基穩定性的影響”，結合項目特點，認為覆蓋層經鉆探排查無土洞發育且樁底距離灰巖頂面超過3倍承臺短邊寬度，同時下方的灰巖層溶洞頂板厚度超過3 m時，可考慮設計為摩擦樁，若下層溶洞頂板較厚、溶洞內為全填充、灰巖覆蓋層為不透水土層時，可適當放寬樁底距巖面最小距離的要求。同時樁基布置上宜采用小樁徑、多根數的布置方式，以縮短樁長分散應力。

作為無砟軌道，沉降變形也是控制基礎設計的關鍵。采用摩擦樁時除了要驗算整體沉降外，還應結合基底下巖面起伏情況判定是否會因樁底壓縮層厚度不同導致同一承臺的差異沉降。北江特大橋某墩承臺一側深度約32 m見巖，另一側超過70 m深仍未見巖。即便通過增加樁數可保證樁長28 m時樁基承載力及整體沉降滿足要求，但由于承臺橫向兩側樁基樁底壓縮層厚度差異，承臺橫向將產生約7 mm的沉降差，即0.01 rad的傾角，最終綜合分析后，通過調跨避讓了該處不利地質。

當溶洞始終呈串珠狀分布，樁基無法進入完整基巖時，也可考慮設計為嵌巖的摩擦樁。承載力計算時，僅統計灰巖層內各溶洞隔板的累計有效側阻力，一般認為有效的隔板厚度不應小于1 m，并取消樁底豎向抗力，按照[P]=RCUh計算。以常見的1.25 m樁基為例，C按0.02取值，R值在該線均值基礎上適當折減取用15 MPa，經計算當灰巖層內溶洞隔板累計厚度超過6 m時，樁基承載力基本超過設計控制上限值7 000 kN，滿足受力要求，同時出于安全，還應保證樁底立于隔板厚度不小于3 m的完整巖層上。

3.2 不等長樁的受力計算

灰巖區樁基受巖面起伏、溶洞分布影響，同一承臺各樁長難以一致，目前群樁樁基主要采用基于等樁長的“m法”計算，面對不等長樁，仍按等長樁計算得出的樁基內力和實際情況會存在一定差異，以項目中常見的8根1.0 m嵌巖樁為例，分別建立等長與不等長群樁有限元模型，m值取用5 000 kPa/m，樁土間不考慮豎向約束，水平約束按土彈簧計，等長樁樁長30 m，不等長樁25～36 m不等，但平均長度30 m。

分別在墩頂施加縱、橫及豎向力，兩種情況樁基受力對照情況如圖1、圖2、圖3。

由圖可見：（1）由于短樁剛度高，內力分配上明顯長度更短的樁基分配的內力更多。其中墩頂水平力下分配的差異較大，樁頂豎向力最大差異超過20%，而墩頂豎向力下兩者最大差異為6.5%。

（2）水平力產生的彎矩主要由群樁豎向反力平衡，因此等長與不等長樁基彎矩結果差異不大，不超過1%。

（3）由于不等長樁各樁剛度不同，純豎向力作用下，樁身會產生額外的彎矩和剪力。該內力大小一方面取決于樁長差異，另一方面與土層 m值及樁徑有關，經測算提高樁徑至1.25 m，彎矩值提了43%，維持樁徑不變，提高 m值至7 500 kPa/m彎矩值提高了8%。

目前鐵路設計院在群樁計算時普遍采用“空間樁基優化設計繪圖程序”（B89），該程序在計算時也考慮了各樁的差異性。結合該項目中較常見的（32+32）m簡支梁橋墩具體受力情況，選取兩組控制性荷載組合，對比等長樁基及不等長樁基分別按B89和有限元計算的差異。

經計算B89與有限元計算結果基本吻合，兩者誤差不超過3.6%。鑒于B89計算便捷，誤差可控，對不等長樁基的計算可在該項目上推廣使用。但無論采用何種方式計算，不等長樁與等長樁基樁頂力均有較大差異，采用B89計算時最大誤差9.3%，采用有限元計算時最大誤差12%。因此巖溶區樁基樁長度差異較大時必須單獨驗算分析。

3.3 溶洞頂板安全厚度及穩定性判斷

鐵路橋梁基礎規范[6]中尚無關于巖溶區溶洞頂板安全厚度的明確規定或計算方法，公路橋涵基礎規范[7]中提出溶洞頂板厚度不宜小于3d。部分文獻[8-9]結合試驗數據及理論分析，提出了將溶洞頂板視為板、梁結構，驗算其抗彎、抗剪及抗沖切能力，并提出了相對簡化的計算方法。為了便于了解溶洞頂板承載力的規律，找出適合該項目常規情況下合理的頂板厚度，參照上述文獻中按板、梁模式的簡化算法進行對比分析。計算模型分別按圓形等厚板、正方形等厚板及寬梁考慮，約束情況按照全部簡支及全部固定分別計算，計算公式如圖4。

該項目灰巖區常規簡支梁段落樁基主要以1.0 m和1.25 m樁徑為主，巖面深度基本超過20 m，根據嵌巖樁受力機理，樁端承擔的荷載隨著樁長增加而逐漸減少，目前尚無明確的分擔比例，出于保守，計算時按照1.25 m樁徑，樁底分擔5 000 kN計算各種模式的承載能力，泊松比取0.26。按照不同計算方法及不同頂板跨度依次計算頂板厚度2～6 m范圍的巖石最大拉應力。

由圖5可見，按簡支寬梁和圓形固結板計算的頂板應力明顯異于其他模式。同時當頂板厚度超過4.5 m后，各模式厚度-應力曲線基本趨于平緩，說明頂板厚度對頂板應力的影響逐步變小。當厚度超過4.5 m后，按圓形簡支板、矩形簡支板、矩形固結板、固結寬梁模式計算的結果非常接近，且頂板最大拉應力均低于500 kPa。取用上述成果相對一致的四種模式里略偏保守的圓形簡支板進一步分析不同溶洞跨度條件下各頂板厚度對應力的影響時發現，隨著頂板的增厚，不同頂板跨度下的應力差異越來越小，當頂板厚度超過4.5 m時，跨度60 m與20 m最大拉應力差160 kPa，當頂板厚度達到6 m時，二者僅差90 kPa。

以上計算從板、梁受力情況推擬了溶洞頂板的受力狀態，雖然計算參數的選取可能會與實際溶洞形態及巖石物理性質有一定出入，且計算時未考慮覆土壓力、多樁基作用等情況，但結合參考文獻中的一些試驗數據，能夠基本明確溶洞頂板承載力的共性規律：

（1）溶洞頂板承載力僅與板、梁的尺寸、約束情況及材料有關，與溶洞洞高無關。承載力特點類似板、梁結構，隨著溶洞頂板厚跨比的增加而提高。

（2）根據部分仿真分析[10]，同一頂板跨度下，樁基承載力隨著頂板厚度增加而增加，但當頂板厚度超過3倍樁徑時，承載能力增幅平緩。該節計算分析中也得出了類似結論，即頂板厚度超過4.5 m（約3倍樁徑）頂板應力受溶洞跨度影響較小，該結論與《公路橋涵地基與基礎設計規范》中建議的3d安全厚度基本吻合。

由于巖溶區巖石完整程度及溶洞頂板真實狀態很難精確判斷，任何計算方法與實際情況都會存在一定出入，因此該項目常規簡支梁段落嵌巖樁在規范建議值基礎上適當提高標準，除需滿足樁底距離溶洞頂板底層不小于3d的基本要求外，當樁長按摩擦樁計算承載力無法滿足要求時，還應執行樁底距離溶洞頂板底不小于5 m（連續梁等大跨結構單獨分析）。

4 結束語

該文基于廣清城際北延線勘察設計及施工過程中的一些具體情況，總結了巖溶區樁基常見問題的解決思路和處理原則。就受力分析中比較關注的不等長樁基及溶洞頂板穩定性進行了定量分析，梳理了其力學規律，并提出了便于設計的參考數據。通過對該項目的技術總結，進一步指導項目后續工作的開展，同時也為類似工程的設計及施工提供一定參考。

參考文獻

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