淺析強(qiáng)烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)的橋梁勘察與設(shè)計(jì)

胡 偉

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司貴州分公司,貴州 貴陽 550081）

0 引言

巖溶是我國西南地區(qū)廣泛存在的一種不良工程地質(zhì)，在建設(shè)橋梁工程時(shí)不可避免地會(huì)穿越溶洞。尤其是在強(qiáng)烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溶洞發(fā)育機(jī)理復(fù)雜，溶洞內(nèi)一般無填充物或以流塑填充物為主，給橋梁工程的勘察和設(shè)計(jì)帶來了許多不利。如果選擇的勘察技術(shù)不合理，溶洞勘察結(jié)果不準(zhǔn)確，無法為橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。同時(shí)，如果橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案不合理，會(huì)給橋梁工程的建設(shè)和運(yùn)營帶來安全隱患，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致橋梁坍塌或傾覆，造成一定的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]。如何降低巖溶、確保樁橋梁工程的安全已成為亟待解決的難題。因此，進(jìn)一步研究強(qiáng)烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)的橋梁勘察方法和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)具有十分重要的工程意義。

1 巖溶發(fā)育區(qū)橋梁勘察要求及主要勘察方法

1.1 巖溶區(qū)勘察要求

在巖溶發(fā)育地區(qū)，溶洞的存在會(huì)給橋梁設(shè)計(jì)帶來了一定的困難。橋梁基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)之前，需結(jié)合《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011），選擇合理的勘察方法查明橋位處的溶洞分布情況。巖溶勘察按不同階段可分為可行性研究勘察、初步勘察、詳細(xì)勘察、施工勘察。不同勘察階段的要求如下[2]：①可行性研究勘察階段，應(yīng)查明巖溶洞隙、土洞發(fā)育條件，對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性和工程建設(shè)適宜性做出初步評(píng)價(jià)；②初步勘察階段，要查明巖溶洞隙的發(fā)育程度和發(fā)育規(guī)律，對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性和工程建設(shè)適應(yīng)性進(jìn)行分區(qū)；③詳細(xì)勘察階段，要查明擬建橋梁工程范圍內(nèi)的各種巖溶洞隙位置、規(guī)模、埋深及地下水特征等，為溶洞處理和橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供合理建議；④施工勘察階段，主要是針對(duì)施工期間發(fā)現(xiàn)的與勘察設(shè)計(jì)不符的問題。

1.2 巖溶區(qū)勘察方法

1.2.1 工程鉆探

工程鉆探是巖溶區(qū)橋梁勘察最常用的方法，不僅能夠查明鉆孔附近地層條件，還可利用鉆取的巖土芯樣開展室內(nèi)試驗(yàn)，獲得巖土體的各種物理力學(xué)參數(shù)。按照破碎巖土體方法的不同，可將鉆探設(shè)備分為回轉(zhuǎn)鉆探（利用鉆桿將扭矩傳遞至鉆頭鉆進(jìn)）、沖擊鉆探（利用鉆具沖擊破碎巖土層鉆進(jìn)）、振動(dòng)鉆探（利用鉆桿將振動(dòng)器激發(fā)的振動(dòng)力傳遞到鉆頭鉆進(jìn)）、沖洗鉆探（利用高壓射水破壞孔底土層鉆進(jìn)）。相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，公路工程勘察中回轉(zhuǎn)鉆探法效果最佳，應(yīng)優(yōu)先選擇。條件不允許，再選擇其他鉆探方法。

1.2.2 地球物理勘探

巖溶區(qū)橋梁勘察最常用的地球物理勘探技術(shù)是高密度電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)法[3]。

高密度電阻率法：該方法是利用巖土體電阻率差異來區(qū)分巖性，識(shí)別巖土體的空間分布特征。和常規(guī)電阻率法測(cè)試原理基本相同，主要區(qū)別在于測(cè)點(diǎn)密度。高密度電阻率法使用大規(guī)模集成電路，電極覆蓋范圍更廣，能獲取豐富的地質(zhì)信息，且數(shù)據(jù)采集和收錄基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，減少了人為因素引起的誤差。高密度電阻率法處理測(cè)試信息的主要步驟如下：繪制等值斷面圖→二維反演軟件擬合→抽取測(cè)深曲線，給出初步的物理模型→繪出物探地質(zhì)解釋斷面。

探地雷達(dá)法（GPR）：探地雷達(dá)是利用高頻短脈沖電磁波來探測(cè)巖土體的一種勘探方法，測(cè)試效率高、精確度高、可視化強(qiáng)。探地雷達(dá)工作原理如圖1所示：發(fā)射天線將高頻電磁波以脈沖形式送入地下，經(jīng)地下巖土體反射后回到地面，被接收天線接收。反射信號(hào)經(jīng)增益調(diào)節(jié)和濾波處理后，可得到不同地層的雷達(dá)剖面圖像。探地雷達(dá)測(cè)試效果的好壞與巖土體介電常數(shù)的取值密切相關(guān)，介電常數(shù)越大，探地雷達(dá)越敏感。一般情況下空氣的介電常數(shù)取1，巖石的介電常數(shù)在4～20（具體參數(shù)可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)標(biāo)定），水的介電常數(shù)取81。

圖1 探地雷達(dá)工作原理示意

1.2.3 遙感技術(shù)和原位測(cè)試

遙感技術(shù)是基于電磁輻射理論，是利用探測(cè)器接收巖土體輻射來的電磁波數(shù)據(jù)，并傳遞到地面接收站處理成遙感圖像，以此來識(shí)別溶洞巖區(qū)地貌形態(tài)和溶洞發(fā)育情況，尤其適用于裸露型巖溶地區(qū)。

巖溶區(qū)公路橋梁工程勘察中常用的原位測(cè)試技術(shù)包括靜力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)等，施工簡(jiǎn)單，成本較低，測(cè)試效率高。比如靜力觸探技術(shù)能夠查明第四紀(jì)覆蓋層中是否存在隱蔽土洞、土洞規(guī)模大小和具體埋藏位置等。

綜上可知，每種勘察技術(shù)都有一定的優(yōu)勢(shì)和缺陷。強(qiáng)烈?guī)r溶區(qū)的溶洞在空間上的發(fā)育上具有不均勻性和不確定性，如果在進(jìn)行勘察時(shí)只采用某一種勘察方法探測(cè)溶洞形態(tài)，可能導(dǎo)致對(duì)巖溶、裂隙等發(fā)育情況認(rèn)識(shí)不足，無法作為橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的依據(jù)，使得施工期間出現(xiàn)大變更，延誤施工工期，對(duì)工程造價(jià)控制也是不利的。因此，建議強(qiáng)烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)的橋梁勘察要將工程鉆探與地球物理勘探、原位測(cè)試、遙感技術(shù)等相結(jié)合，全面分析巖溶發(fā)育特點(diǎn)，提高勘察水平。

2 巖溶發(fā)育區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 工程概況

該文依托貴州省江口至都格高速公路甕安至開陽段高速公路項(xiàng)目，分析強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。公路路線全長48.5 km，設(shè)計(jì)荷載為公路—I級(jí)，主線為雙向4車道，位于山區(qū)地帶，地形地貌起伏大，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)復(fù)雜，地下水豐富，雨水較充足，年平均降雨量約1 216 mm，主要集中在7—10月份。

2.2 橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

花梨互通A匝道橋，上部結(jié)構(gòu)采用3×18.5 m的普通鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁，橋面鋪裝10 cm，與路線正交，下部構(gòu)造采用“柱式墩+擴(kuò)大基礎(chǔ)、肋式臺(tái)+擴(kuò)大基礎(chǔ)”。根據(jù)施工圖勘察資料，0號(hào)橋臺(tái)處有溶洞，地層從上至下雜填土、卵石土、黏土、灰?guī)r。溶洞上的覆蓋土層厚，頂板完整性好，但雜填土、卵石土的承載力不足（160 kPa），需換填強(qiáng)度高的碎石或砂礫并分層壓實(shí)。

擴(kuò)大基礎(chǔ)的換填厚度d可按式（1）計(jì)算[4]：

式中，Q——換算荷載（kN/m）；[σ]——溶洞填充物的基本承載力（kPa）；b——換填材料頂面寬度（m）；β——換填材料的應(yīng)力擴(kuò)散角，一般取25°。

2.3 橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.3.1 樁型選擇

橋梁樁基形式應(yīng)根據(jù)溶洞分布情況確定。對(duì)于埋藏深度淺的溶洞，樁基可直接跨越，并以溶洞下的堅(jiān)硬巖土層作為持力層，按端承樁設(shè)計(jì)；對(duì)于溶洞埋深＞設(shè)計(jì)樁長，且裂隙發(fā)育、溶蝕現(xiàn)象明顯的路段，溶洞頂板承載能力差，不宜將溶洞頂板作為持力層，可按摩擦樁進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)于溶洞埋深大，頂板完整性好的路段，如果“頂板安全厚度”滿足規(guī)范要求，可按端承樁設(shè)計(jì)，否則仍按摩擦樁設(shè)計(jì)。

高枧互通A匝道橋上部結(jié)構(gòu)采用9×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，橋面鋪裝10 cm，與路線交角90°，下部構(gòu)造為“柱式墩+樁基、肋式臺(tái)+樁基”。根據(jù)施工圖勘察資料，地層從上至下雜填土、卵石土、黏土、灰?guī)r，物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示：

表1 不同地層力學(xué)指標(biāo)

溶洞位于灰?guī)r地層中，溶洞頂埋深在15.6～32.3 m，因此，一部分樁基需端承樁設(shè)計(jì)（樁基以溶洞頂板為持力層），一部分樁基需按摩擦樁設(shè)計(jì)（樁基穿越溶洞）。

2.3.2 溶洞頂板厚度計(jì)算

對(duì)于摩擦樁，不需要驗(yàn)算溶洞頂板安全厚度。而端承樁主要是靠樁端阻力來承擔(dān)橋梁荷載，如果溶洞頂板厚度過小，端承樁可能刺穿頂板，使橋梁產(chǎn)生不均勻沉降失穩(wěn)，影響橋梁在建設(shè)或運(yùn)營期間的安全性。該文對(duì)溶洞頂板安全厚度H常用的驗(yàn)算方法及適用條件進(jìn)行了歸納總結(jié)，見表2[5]。

表2 溶洞頂板安全厚度的計(jì)算方法

2.3.3 樁間距、基樁根數(shù)計(jì)算

樁間距：強(qiáng)烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)的橋梁樁基間距不宜過大或過小。橋梁樁基間距過大，會(huì)導(dǎo)致承臺(tái)面積大，相應(yīng)的混凝土體積也都過大，圬工體積增加，很大程度上提高了工程造價(jià)；橋梁樁基間距過小，不僅會(huì)導(dǎo)致樁基施工困難，豎向承載力也不能充分發(fā)揮。結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建議強(qiáng)烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)的橋梁樁基設(shè)計(jì)中心距取2.5倍樁徑。

基樁根數(shù)計(jì)算：

（1）承臺(tái)軸心受壓時(shí)，基樁根數(shù)可根據(jù)單樁豎向承載力特征值估算，見式（2）：

式中，R——單樁豎向承載力特征值（kN）；F——作用在承載豎向力特征值（kN）；G——承臺(tái)及承臺(tái)上土的重力（kN），重度按20 kN/m3計(jì)算；n——樁基礎(chǔ)根數(shù)。

（2）承臺(tái)偏心受壓時(shí)，群樁形心與豎向合力作用點(diǎn)一致，樁基礎(chǔ)根數(shù)按上式計(jì)算；群樁形心與豎向合力作用點(diǎn)不同，把上式計(jì)算的樁基礎(chǔ)數(shù)量額外增加10%～20%即可。

2.3.4 樁基強(qiáng)度驗(yàn)算

強(qiáng)烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)的橋梁樁基礎(chǔ)通常是選用鋼筋混凝土灌注樁，即利用機(jī)械鉆孔、在孔內(nèi)放置鋼筋籠并灌注混凝土而成。在軸心荷載作用下，鋼筋混凝土灌注樁的樁身截面強(qiáng)度用式（3）驗(yàn)算[6]：

式中，R——樁基豎向承載力（kN）；φ——構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，非擠土灌注樁干作業(yè)施工取0.9，其他工況取0.8；Ap——樁基礎(chǔ)橫截面面積（m2）；As——樁基礎(chǔ)縱向鋼筋截面面積（m2）；fc——樁基礎(chǔ)混凝土抗壓強(qiáng)度（kPa）；fy——樁基礎(chǔ)縱向鋼筋抗壓強(qiáng)度（kPa）。

在偏心荷載作用下，應(yīng)先計(jì)算樁身所承受的最大彎矩及最大彎矩所在的位置，再結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DG310—2020）確定樁身主筋面積和最小配筋率。如果橋梁樁基礎(chǔ)長期水平力作用，還要對(duì)樁身裂縫寬度d進(jìn)行驗(yàn)算，要求d≤0.2 mm。

2.3.5 溶洞處治

對(duì)于需要穿越溶洞的摩擦樁，為了保證施工安全，需結(jié)合巖溶發(fā)育情況選擇合理的處治措施。

（1）回填法和注漿法。當(dāng)溶洞無填充物或填充物較少可選擇回填法，回填材料可采用片石、混凝土等，結(jié)合筑路高速公路沿線的料場(chǎng)就近選擇。片石宜采用強(qiáng)度不小于30 MPa石灰?guī)r，粒徑在25～40 cm；混凝土強(qiáng)度等級(jí)不小于C20，如果施工工期緊張，可在混凝土中摻加早強(qiáng)劑快速提高其強(qiáng)度。如果樁基礎(chǔ)范圍內(nèi)有多個(gè)溶洞，先處理上方的溶洞，再處理下方的溶洞。

當(dāng)溶洞內(nèi)流塑狀填充物較多時(shí)，可選擇注漿法。注漿材料可采用水泥漿、水泥砂漿等。注漿孔布布置應(yīng)結(jié)合地勘單位提供的鉆孔柱狀圖，如發(fā)現(xiàn)溶洞處于連通狀態(tài)，只注漿最大的溶洞即可。同時(shí)，用注漿泵注漿時(shí)注漿管應(yīng)插入溶洞填充物底部，注漿壓力不宜太小，注漿壓力宜在0.1～0.2 MPa，以確保漿液充分滲透到溶洞填充物內(nèi)。如果樁基礎(chǔ)范圍內(nèi)有多個(gè)溶洞，先處理下方的溶洞，再處理上方的溶洞。

（2）鋼護(hù)筒跟進(jìn)法。在巖溶發(fā)育復(fù)雜的地區(qū)，溶洞交錯(cuò)分布，鉆孔過程中容易出現(xiàn)塌孔、漏漿、卡鉆等問題。鑒于此，樁基礎(chǔ)施工時(shí)宜使用鋼護(hù)筒跟進(jìn)法，如圖2所示：

圖2 鋼護(hù)筒跟進(jìn)法

鋼護(hù)筒一般是用剛度較大、抗變形能力強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)鋼板拼接而成，根據(jù)地質(zhì)情況不同，選用單護(hù)筒跟進(jìn)或雙護(hù)筒跟進(jìn)，然而鋼護(hù)筒跟進(jìn)法施工工序復(fù)雜、施工效率低、造價(jià)較大，常與回填法或注漿法配合起來使用。

3 結(jié)論

該文分析了強(qiáng)烈?guī)r溶區(qū)常用勘察技術(shù)的應(yīng)用，并依托貴州省江口至都格高速公路甕安至開陽段高速公路項(xiàng)目，探討了橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，主要得出以下結(jié)論：①強(qiáng)烈?guī)r溶區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，應(yīng)將工程鉆探與地球物理勘探、原位測(cè)試、遙感技術(shù)等相結(jié)合，全面分析巖溶發(fā)育特點(diǎn)，為橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；②溶洞頂板較厚，且完整性好，換填碎石后能滿足設(shè)計(jì)承載力，可采用擴(kuò)大基礎(chǔ)；③橋梁樁基形式應(yīng)結(jié)合溶洞埋深、頂板巖土體強(qiáng)度、樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)等選擇端承樁或摩擦樁；④對(duì)于以溶洞頂板為持力層的端承樁需重點(diǎn)驗(yàn)算頂板安全厚度，對(duì)于穿越溶洞的摩擦樁，需使用回填法、注漿法、鋼護(hù)筒跟進(jìn)法等處理溶洞，防治各種病害。