復雜地質條件下大跨徑公路橋梁高質量安全施工技術研究

摘要：在山區及地質條件復雜的地區，大跨徑公路橋梁的建設施工面臨重大挑戰。為提升橋梁建設工程的安全性與穩定性，文章著重探討了復雜地質條件下大跨徑公路橋梁的高質量施工技術，特別聚焦于樁基施工環節。針對研究區域地下溶洞廣泛分布的特點，采用黏土和片巖進行回填處理。在施工過程中，結合普通鉆與旋挖鉆進行鉆孔作業，并采用鋼護筒施工技術進行樁基鉆孔及混凝土灌注。施工完成后，對樁基的沉降性、承載力、穩定性及抗震性能進行了測試。試驗結果顯示，橋梁樁基的沉降量與樁底深度成正比，當樁深達到20 m時，沉降趨于穩定；橋梁整體施工完成后，能夠有效分散荷載，確保橋梁及樁基具備較高的承載力。該研究為復雜地質條件下大跨徑公路橋梁建設提供了有力的技術支撐和理論依據。

關鍵詞：復雜地質條件；大跨徑；公路橋梁；樁基鉆孔；承載力

中圖分類號：U445.4 " " " 文獻標識碼：A " " "文章編號：1674-0688（2024）10-0099-05

0 引言

復雜地質條件下的大跨徑公路橋梁高質量安全施工技術，是一項既復雜又至關重要的研究領域。隨著社會經濟的快速發展，對交通基礎設施的需求日益增長，特別是在山區及地質條件復雜的地區，大跨徑公路橋梁的建設需求尤為迫切。然而，這些地區普遍存在斷層、褶皺、軟弱破碎帶、巖溶現象、特殊巖層分布以及流沙和膨脹土等復雜地質因素，給施工帶來了極大的挑戰，并可能對橋梁的整體安全性和耐久性構成威脅［1-2］。為了有效應對復雜地質條件帶來的挑戰，大跨徑公路橋梁的施工必須采取一系列高質量且安全的技術措施。學界對此進行了深入研究：廖立堅等 ［3］提出了一種適用于復雜特殊地質條件下鐵路橋梁樁基礎計算的通用方法，針對靜水、負摩阻力、膨脹土和地震液化土4種基本地質條件，分別制定了相應的計算方法，實現了對不同地質條件的精確區分；韓世德［4］結合具體工程實例，詳細探討了公路橋梁施工中軟土地基的處理技術，通過增加軟土地基的荷載以及在地基中插入鋼筋混凝土柱體等方式，有效提升了地基的承載能力；李宗衛等［5］以湖南喀斯特地區的一座大橋為例，深入分析了該地區的地質特點和樁基施工特點，包括溶洞、地下水及地質不穩定等問題，并詳細探討了樁基施工順序、挖掘樁孔等關鍵環節。

地基處理在大跨徑橋梁施工中占據關鍵地位。在復雜地質條件下，為確保橋梁基礎的穩定性，需要對地基進行特殊處理，如采用樁基加固、擴大基礎或地下連續墻等。此外，需進行詳盡的地質勘察工作，并結合土壤改良措施，進一步優化基礎設計。因此，本文重點研究與地質條件密切相關的樁基結構施工技術，在溶洞回填鉆孔施工技術及注漿固化施工方面，提出了針對性的改進措施。施工完成后，對樁基的沉降性、承載力、穩定性及抗震性進行了全面檢測。本研究旨在提升大跨徑公路橋梁的施工效率和質量，并為同類復雜地質條件下的橋梁建設項目提供有益的參考與借鑒。

1 橋梁工程概述

本文以坐落于我國西南地區地質結構復雜區域的大跨徑公路橋梁為研究對象。該橋梁坐落于該區域的主要公路線上，四周被山體環抱，并有一條大型河流流經。由于該地區的土體上層存在巖溶裂隙水和土層上層滯水，這些水體滲入地下，形成復雜的地下水系統。從地質剖面看，該區域的地質結構從上至下依次為人工雜土層、礫土層、碎土層、黏土層、伏基巖及石灰巖。其中，礫土層和碎土層的累計厚度接近25 m，導致地下空間穩定性不足。此外，該地區地下溶洞眾多，斜巖廣泛分布，軟土層也較為普遍。在橋梁建設過程中，需要穿越多個地下溶洞，這使得橋梁的施工難度顯著增大。

由于橋梁建設工藝涵蓋內容廣泛，難以全面介紹整個建設流程，因此本文重點研究與地質條件密切相關的樁基結構施工技術。針對本文研究的大跨徑公路橋梁，特別選定了3號樁與5號樁作為試驗樁，兩者均采用混凝土澆筑方式建造，樁基設計的基礎承載力為39 kN。

2 復雜地質條件下大跨徑公路橋梁施工方法

2.1 地下空間回填

在建設大跨徑公路橋梁的過程中，由于地下區域分布著較多的溶洞，若直接進行橋梁建造，溶洞潛在失穩將嚴重威脅橋梁結構的穩定性。因此，為確保結構的穩定性，需采取有效措施對這些地下溶洞空間進行回填。

在進行溶洞鉆孔填充作業時，施工人員采用了特定的材料配比。其中，片石和黏土的使用比例為9∶1，這一比例能顯著提升鉆孔填充的效果。為進一步提升處理效果，在原有配比的基礎上添加了水泥和木屑。調整后的片石、黏土與水泥的比例為8∶1∶1，并且水泥采用的是普通硅酸鹽水泥。在填充溶孔隙區域時，采用了分層間隔填入的方式，以確保填充物均勻分布且密實。對于黏土球和水泥，為避免其在填充過程中發生松散，選擇了袋裝方式進行填充。作為溶洞填充的主要材料，片石的粒徑被控制在25～45 cm，以確保獲得良好的填充效果。在填充過程中，材料的整體高度被設定為超出溶洞頂板約1 m，確保整個橋梁結構在復雜地質條件下的安全性和穩定性。

2.2 樁基鉆孔施工

由于該橋梁建設區域存在黏土層，并且在回填溶洞過程中大量使用了片石和黏土球，導致回填后的土層質地偏軟且黏性增強。采用傳統鉆孔方法不僅施工速度慢且插打鋼護筒困難。因此，施工人員決定采用混合鉆孔方法克服這一難題。具體施工步驟如下：①利用旋挖鉆機對研究區域進行樁基鉆孔作業。②通過振動錘插法將大直徑的外鋼護筒打入地下，直至鋼護筒無法繼續深入。③完成鋼護筒的初步錘插后，再次啟動旋挖鉆機對施工區域進行旋挖作業。在旋挖過程中，需持續監測土層狀況，一旦鉆頭觸及黏土層，即暫停旋挖作業，并繼續利用振動錘插法插入小直徑的內鋼護筒。內鋼護筒需穿透黏土層，直到接近伏基巖位置。④切換回旋挖鉆頭繼續施工，直至穿過巖土層。⑤改用正反循環回旋鉆機在研究區域內繼續鉆孔作業。在鉆孔過程中，還要根據水頭高度選擇合適的成孔方式：當水頭高度超過15 m時，采用正循環成孔方式；當水頭不足15 m時，則采用反循環成孔方式。

這種樁基鉆孔施工技術結合了鉆機作業，并與內外護筒協同應用，有效避免了樁基施工過程中因穿越黏土等特殊地層而引發孔壁穩定性被破壞問題，極大地提升了樁基鉆孔的整體穩定性。同時，通過正反循環回旋鉆與旋挖鉆機相結合的鉆孔方式，降低了在軟土層等特殊地質條件下施工的難度，顯著提高了鉆孔施工的效率。

2.3 注漿固化施工

樁基施工完成后，需進行注漿加固處理。注漿作業中，選用直徑為50 mm的注漿管進行施工，注漿管的輸出端呈梅花形狀布置，以確保漿料能均勻地分布。注漿孔的位置以護筒周邊1 m的間距為基準進行布置，注漿管埋設深度直達鋼護筒底部，并與鋼護筒之間保持約0.5 m的間距。注漿管安裝完成后，即可開始注漿作業。注漿材料采用水玻璃與水泥的混合漿料，配比為10∶8。注漿過程中，注漿壓力設定為1 MPa，注漿時間為20 min。預計注漿后漿料的擴散半徑為0.5 m。注漿時，工作人員需密切監控注漿壓力的變化及進漿量，一旦發現進漿量明顯減少或注漿壓力降至1 MPa以下，即可判定注漿作業已完成，此時應停止注漿。

3 施工效果測試

3.1 樁基沉降測試

該大跨徑公路橋中的3號樁與5號樁被設定為試驗樁，采用精密水準儀對其沉降變化進行監測。同時，利用沉降計和應變計對樁基的壓縮變形進行測試，采用兩種監測方式獲得的結果可以互相驗證，以確保數據的準確性。檢測設備安裝位置示意圖見圖1。

圖1中布置了4個測點，分別為應變測點A、應變測點B、沉降測點A、沉降測點B。施工人員設計了3種典型工況（工況1為承臺澆筑完成后，工況2為橋梁澆筑完成，工況3為橋梁整體施工完成），分析不同施工階段完成后，采用本文施工方法所建橋梁樁基的沉降變化。

3.2 樁基承載力分析

樁基承載力測試分析測試需嚴格遵循《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTGD63—2007）中的標準。計算樁基豎向承載力[Q]的公式為

[Q=Qp+Qs=Apqu+uqsuili]， " " " " " " （1）

其中：[Qp]與[Qs]分別代表總極限端阻力與總極限側阻力；[Ap]與[qu]分別代表樁頂面積與極限端阻力；[u]代表樁基周長；[qsui]代表樁側第[i]層土的極限側阻力；[li]代表第[i]段樁基的長度。

針對3種不同的工況，可將其視為3種不同的荷載條件。在這3種工況下，需要分析不同樁基深度對樁身軸力與樁身阻力的影響。根據這些軸力與阻力數據，可以確定樁基在承受外部荷載作用時承載力的變化情況。

3.3 穩定性測試

該大跨度公路橋梁建于復雜的地質環境中，需對地下溶洞進行回填處理。回填材料會對地下樁基產生擠壓作用，引起樁基變形。為監測這一影響過程，采用位移計等設備，在材料擠壓荷載分別為100 kN、150 kN、200 kN的條件下，測量不同深度樁基的位移與彎矩變化情況。

3.4 抗震性能分析

為確保大跨徑公路橋梁能夠長期安全地服役，其抗震性能的提升至關重要。為此，在建設完成的大跨徑公路橋梁上，采用振搗設備模擬地震效果，并逐步增大地震強度。通過采集設備監測樁基在不同地震荷載（分別為1 000 kN、800 kN、600 kN）作用下的曲率變化，以評估橋梁的抗震性能。

4 施工效果分析

4.1 不同工況影響下樁基沉降分析

為分析采用本文所述施工技術后，樁基的沉降與壓縮變化情況，設定了多種工況進行試驗。不同工況下樁基的沉降與壓縮變化見圖2。

從圖2（a）可以看出，隨著樁底深度的增大，樁基的沉降量呈現上升趨勢，并且在距離樁底20 m處，沉降趨于穩定。不同施工階段的樁基沉降量存在差異，承臺施工完成后，樁基出現初步且最小的沉降，而在橋梁整體施工完成后，樁基沉降量顯著增加，在距離樁底20 m處同樣趨于穩定，表明樁基底部未發生嚴重沉降且該沉降量處于安全范圍內。圖2（b）顯示，樁基的壓縮變形趨勢與沉降變化基本一致，施工后期壓縮變形量達到最大值。隨著樁基底深度的增加，壓縮變形量逐漸增大，而在接近樁基底時，壓縮變形量減少。這是由于接近樁底時，附加應力降低，樁基底部土體壓縮模量能夠抵消部分壓縮變形力，因此樁基底部的壓縮變形不明顯。綜上所述，采用本文介紹的施工技術建造的大跨徑橋梁樁基結構具有良好的穩定性。

4.2 承載力性能測試

3種工況下，樁基樁身軸力與樁身阻力測試結果見圖3。

分析圖3（a）可知，不同工況條件對樁基產生的荷載影響不同。隨著樁基深度的增加，軸力呈現下降趨勢，其中樁基頂部的軸力最大，樁基底部的軸力最小。隨著樁基深度進一步增加，軸力降低幅度逐漸增大，表現為樁基的曲線斜率顯著增大。對比各工況，高荷載的工況（如工況3）在初始階段的軸力更高。這是由于大跨徑橋梁上部結構雖然整體荷載增大，但是也分散了部分外部荷載。因此，在工況3下，樁基軸力相對較大；而工況1中，樁基直接承受外部荷載，其軸力反而較低。分析圖3（b）可知，各工況下樁身的阻力變化趨勢基本一致，隨著樁基深度的增加，樁身阻力先升后降，在樁基深度為20 m時阻力達到最大值，隨后阻力開始下降，表明樁身中間區域承受的阻力最大，而樁頂與樁底的阻力并未達到最大值。工況3下的樁基阻力明顯高于工況1和工況2，這是由于橋梁建設完成后，大跨徑橋梁的各結構分散了整體荷載，使得樁基承受的荷載減小，但在此工況下樁基的阻力值卻更高。由此可推斷，采用本文介紹的施工技術建設的大跨徑橋梁具有較高的承載力。

4.3 穩定性測試

在確定樁基所屬區域中溶洞回填材料的承載特性時，施工人員分析了不同深度下樁基的位移與彎矩變化情況。穩定性測試結果見圖4。

分析圖4（a）可知，受溶洞回填土體影響，樁基頂部位移最大，自樁頂向樁底，位移變化逐漸減小。在樁基中間區域至樁底部分，受溶洞回填土體的擠壓作用，位移變化幾乎為零，說明采用本文介紹的施工技術建造的大跨徑公路橋梁樁基結構，其樁頂更易受地下溶洞回填材料的影響而發生變形，但自樁基中部以下則基本不受這些材料的擠壓影響。對比不同回填材料的荷載強度對樁基位移的影響發現，荷載越大，樁基位移越大。因此，在回填地下溶洞空間時，需合理控制回填材料產生的荷載影響。分析圖4（b）可知，樁基頂部和底部未出現嚴重彎曲，而中間位置彎曲較嚴重。這是由于溶洞回填材料的擠壓作用導致樁基中間區域彎曲，但樁頂和樁底區域能有效分散這些擠壓荷載，因此彎矩變化較小。然而，樁基中部所承受的荷載難以有效分散，因此彎矩較大。荷載大小對彎矩的影響與圖4（a）中的位移變化規律相似，即荷載增大導致彎矩增加，荷載減小則彎矩適當降低。因此，在大跨徑公路橋梁施工中，將回填材料荷載控制在適當范圍內，不會對樁基穩定性造成嚴重影響。

4.4 抗震性能分析

使用模擬地震設備對大跨徑公路橋梁施加地震荷載，引發橋梁顯著振動。隨后，使用位移計、應力片等設備采集振動數據，匯總橋梁樁基的曲率變化，據此評估采用本文介紹的施工技術建造的橋梁的抗震性能。曲率測試結果見圖5。

從圖5中能夠明顯地看出，隨著震動時間的增加，橋梁樁基的曲率呈現先增后減的趨勢。初期曲率增大是因為長時間的地震波震動導致樁基逐漸受損，曲率隨之上升。在震動后期，隨著地震荷載的降低，樁基曲率也相應減小，表明樁基曲率的較大變化得到了一定程度的緩解。對比不同地震荷載下的樁基曲率變化，較高地震荷載［如圖5（a）］導致樁基曲率數值較高，顯示出樁基在該等級地震荷載下遭受了較為嚴重的破壞，而在600 kN地震荷載下［如圖5（c）］，樁基曲率保持在較低水平，表明在該荷載作用下，樁基保持了較好的穩定性。

曲率與破壞等級的評價標準見表1。將圖5中的試驗結果與表1中的破壞等級進行對比分析可知，本文研究的大跨度公路橋梁樁基結構在地震荷載作用下，其曲率數值未達到完全倒塌的臨界值（0.037 3）。具體而言，在600 kN地震荷載下，樁基未出現破壞跡象；在800 kN地震荷載下，樁基的破壞程度接近嚴重破壞等級；而在1 000 kN地震荷載下，樁基的破壞程度雖然已超過嚴重破壞等級，但是并未導致橋梁倒塌。由此可見，采用本文施工技術建造的橋梁具有較高的抗震性能。

5 結論

本文研究了復雜地質條件下大跨徑公路橋梁的施工技術，重點聚焦于樁基施工，具體包括地下空間回填、樁基鉆孔及注漿固化等環節。針對地下溶洞密集的特殊情況，采取了有效的地下空間回填措施，使用特定配比的片石、黏土、水泥及木屑等材料，通過分層間隔回填的方式，確保了溶洞的穩定性。在樁基鉆孔施工過程中，針對黏土層和回填溶洞后形成的軟土層，采用了混合鉆孔技術，結合鉆機作業與內外護筒的應用，有效解決了孔壁穩定性受損的問題，提高了施工效率和質量。注漿固化環節則通過合理選用注漿管和注漿材料，對樁基進行了有效的加固處理。為驗證施工效果，進行了詳細的測試，涵蓋樁基沉降監測、承載力評估、穩定性驗證及抗震性能分析等方面，研究結果概述如下。

（1）樁基沉降量與樁底深度呈正相關，至20 m深度時沉降趨于穩定。壓縮變形趨勢與沉降相似，施工后期達到最大值，并且遠離樁底時壓縮變形劇。樁基頂部受溶洞回填土體影響顯著，位移最大，而中間至樁底區域位移變化甚微。

（2）回填材料荷載強度增大時，樁基位移亦隨之增大。樁基中部因溶洞回填材料擠壓而出現較嚴重彎曲，但樁頂和樁底區域能有效分散荷載，彎矩變化相對較小。

（3）在地震荷載作用下，橋梁樁基曲率呈現先增后減趨勢。高地震荷載導致樁基曲率數值較高，但樁基結構在地震中未發生完全倒塌，展現出良好的抗震性能。

6 參考文獻

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