臨水環境下矮塔斜拉橋樁基施工關鍵技術與巖溶地質風險防控研究

摘要：在臨水環境與巖溶地質條件下，矮塔斜拉橋樁基施工面臨施工環境復雜、地質不確定性強等挑戰。基于具體工程實例，分析了矮塔斜拉橋樁基施工的關鍵技術，包括臨水環境作業平臺搭建技術、旋挖鉆、沖擊鉆工藝優化與溶洞地層成孔穩定性控制。針對巖溶地質風險，構建了風險評估模型，并提出了超前地質勘探、溶洞處理綜合技術、樁基承載力動態評估等防控措施，以期提升施工安全性和結構穩定性。

關鍵詞：臨水環境" "矮塔斜拉橋" "樁基施工" "巖溶地質" "風險防控

Key Technologies for Pile Foundation Construction of Low Tower Cable-Stayed Bridges in Water Environments and Research on Karst Geological Risk Prevention and Control

FU Xingxing1" " TANG Weiwei2" " "DUANG Chao2" " ZHANG Xiaoqiang2

1．Guangzhou Railway Investment and Construction Group Co.， Ltd.， Guangzhou， Guangdong Province， 511493 China; 2. China Railway Tenth Bureau Group Urban Rail Transit Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou， Guangdong Province， 511493 China

Abstract： In the water environment and karst geological conditions， the pile foundation construction of low tower cable-stayed bridge faces challenges such as complex construction environment and strong geological uncertainty. Based on concrete engineering examples， the key technologies of pile foundation construction of low tower cable-stayed bridge are analyzed， including working platform construction technology in water environment， optimization of rotary drilling， and impact drilling processes and pore stability control of karst cave formation. A risk assessment model is constructed for karst geological risks， and prevention and control measures such as advanced geological exploration， comprehensive technology of karst cave treatment and dynamic assessment of pile foundation bearing capacity are proposed to improve construction safety and structural stability.

Key Words： Water environment; Short tower cable-stayed bridge; Pile foundation construction; Karst geology; Risk prevention and control

矮塔斜拉橋因其結構受力合理、自重較輕、跨越能力強等優點被廣泛應用于各類橋梁工程。然而，在臨水環境及復雜巖溶地質條件下，樁基施工面臨諸多技術難題，如水流沖刷、基坑穩定性控制、溶洞發育影響等。因此，如何在確保施工質量和結構安全的前提下高效實施樁基施工，并有效防控巖溶地質風險，是工程建設中的重要課題。本文結合具體工程案例，分析臨水環境與巖溶地質的影響，提出樁基施工關鍵技術，并且基于風險評估方法，探討巖溶地質的防控策略，以期為同類橋梁工程提供參考。

1 工程概況與地質水文條件

1.1 矮塔斜拉橋工程概況

新建珠三角城際軌道交通廣佛環線炭步白坭河特大橋50～53號墩，以（115+230+115）m 雙線斜拉橋跨白坭河，位于廣州花都區炭步鎮，橋長460 m。主墩為Ф2 m鉆孔樁，承臺雙層矩形，橋墩門式，主塔高59 m和56.5 m，主橋為雙塔雙索面矮塔斜拉橋。結構設計復雜，承受多種荷載，是五工區關鍵控制性工程。

1.2 地質水文條件

施工區域線路上跨白坭河二級水源保護區，水流復雜，水位受潮汐和季節影響變化大，汛期流速加快，地下水位與樁基孔內聯通，河水水質影響混凝土和鋼材，周邊地表水易致積水。斜拉橋主墩位于兩岸，巖溶強烈發育，砂層厚，溶洞、溶隙多，樁基礎施工風險高，需要針對性處理。

2 臨水環境下矮塔斜拉橋樁基施工的關鍵技術

2.1 臨水環境作業平臺搭建技術

臨水環境下矮塔斜拉橋樁基施工，依水域地形、地質、水流、水位等選平臺搭建方案。當水域淺、地質好時，用鋼管樁圍堰結合貝雷梁搭建。以振動錘將鋼管樁打入河床，安裝貝雷梁并鋪作業面板，保障強度和穩定性[1]。在水深且水流急區域，采用浮式平臺。拼接專業浮箱組成浮式基礎，經精確計算，布置錨碇系統固定平臺，確保定位精度。平臺配備安全防護設施，其合理搭建為后續樁基施工設備作業提供穩定基礎。2.2 旋挖鉆、沖擊鉆工藝優化

臨水環境下，根據地質勘察報告選擇鉆頭。軟土層采用大直徑筒式鉆頭，砂卵石層采用特殊合金齒螺旋鉆頭。鉆進時，先慢進，保證垂直；隨著深度增加，根據地層變換鉆進速度；嚴格控制泥漿比重（1.1～1.3）、黏度（18～22 s）、含砂率（低于4%）；使用高強度抗彎曲鉆桿，以提高精度[2]。

根據地質不同，沖擊鉆需要改變鉆頭形狀和重量。硬巖層采用重十字形尖銳齒鉆頭，軟土層應減輕鉆頭重量并提高沖擊頻率。施工中，精確控制沖程（1～3 m）和沖擊次數，避免孔壁坍塌與疲勞破壞；加強泥漿循環系統的管理，清除鉆渣，保證護壁性能，以提高樁基施工質量。2.3 溶洞地層成孔穩定性控制

施工前，通過地質勘察和超前鉆探，全面掌握溶洞相關信息，為方案制訂提供依據。利用泥漿相對密度計算公式，調整泥漿性能。

式（1）中：ρ為泥漿相對密度；m為泥漿質量；V為泥漿體積。在溶洞區域，提高泥漿相對密度至1.2～1.3，同時增加黏度，以增強護壁效果[3-4]。針對小溶洞，回填黏土和片石形成防護層后再鉆進；針對大溶洞或多層溶洞，采用鋼護筒跟進技術，依據溶洞高度、地質選擇合適的鋼護筒下沉至穩定地層。施工中，實時監測孔內水位、泥漿指標和孔壁穩定性，一旦異常，立即停止鉆進并進行分析，采取補漿、回填或調整鋼護筒位置等措施。

3 巖溶地質風險分析與評估

3.1 巖溶地質對樁基施工的風險識別

巖溶地質給樁基施工帶來諸多風險，準確識別風險對保障工程安全與質量至關重要。首先，需要收集工區地質勘察報告等資料，了解巖溶詳細信息。其次，通過跨孔CT等技術現場勘查，確定巖溶具體位置和特征。從施工工藝來看，氣舉反循環成孔易出現溶洞漏漿、鉆頭偏斜等問題，鋼筋籠下放時孔壁也可能垮塌。從工程安全角度，溶洞會使樁基持力層不穩定，甚至引發坍塌事故，威脅設備和人員安全。

3.2 風險評估模型構建

在巖溶地質風險評估中，采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP） 構建風險評估模型。一是構筑地層結構模型，把目標層設置成樁基施工風險評估的巖溶地質；準則層涵蓋了關鍵因素，如溶洞的大小、溶洞的發育程度、地下水的情況、施工工藝的復雜性；方案層是施工的具體階段，也是施工的具體環節。

通過專家打分構建判斷矩陣，比較各準則層因素的相對重要性。以判斷矩陣為例，其中，aij表示第i個因素相對第j個因素的重要性標度，取值遵循1～9標度法。之后，計算判斷矩陣的特征向量和最大特征值λmax，利用一致性指標公式（其中，n為判斷矩陣階數）衡量判斷矩陣的一致性，再引入隨機一致性指標（Random Consistency Index，RI），計算隨機一致性比率。當 CRlt;0.1 時，判斷矩陣一致性良好。綜合風險值是根據各種因素的權重和風險分數計算出來的，以此來確定巖溶地質風險等級，從而提供量化的依據，以防治后續的風險。

3.3 風險評估結果分析

從風險評估結果來看，該工區矮塔斜拉橋樁基施工在巖溶地質條件下面臨高風險，具體如表1所示。

其中：巖溶發育程度的權重為0.4、風險評分為8分、風險值為3.2，處于中等-強烈發育狀態，對整體風險影響最大；溶洞規模、施工工藝復雜程度的評分均為7分，風險值分別為1.4和1.75 ，提升了風險水平；；地下水活動的評分為6分、風險值為0.9，影響相對較小；綜合風險值為7.25分，屬高風險等級，施工時需要高度重視并防控。

4 巖溶地質風險防控措施

4.1 強化超前地質勘探精度與廣度

在廣佛環線佛山西站至廣州北站工程五工區矮塔斜拉橋項目中，強化超前地質勘探是防控巖溶地質風險的關鍵。利用地質雷達，在已發現溶洞周邊以5 m間距掃描，調試參數，捕捉地質異常信號，發現潛在小型溶洞。超前鉆探采用回轉鉆進設備，在大型溶洞周邊扇形布孔，孔間距3～5 m 。鉆進時，依據巖芯提取情況調整參數，通過分析巖芯微觀結構、化學成分，探測溶洞邊界、填充物特性與地層連通性，為施工提供精準地質數據，降低施工地質風險。

4.2 優化施工過程中的風險應對策略

在新建珠三角城際軌道交通廣佛環線佛山西站至廣州北站工程五工區矮塔斜拉橋項目中，對于小型簡單溶洞，在樁基施工時，利用泥漿的護壁原理，將泥漿比重提升至1.2～1.3之間，選用優質膨潤土泥漿，增加泥漿膠體率，確保在鉆進過程中形成穩定的護壁，防止塌孔；遇到中型復雜溶洞，先采用水泥砂漿灌注處理，控制混凝土坍落度在180～220 mm，保證填充密實，同時跟進鋼護筒，護筒壁厚10～12 mm，確保樁基施工安全；針對大型極復雜溶洞，運用帷幕注漿止水技術，以50 ～80L/min的注漿速度，將雙液漿（水泥漿與水玻璃）注入溶洞周邊，形成止水帷幕[5]，同時配合鋼套筒護壁，鋼套筒直徑比樁徑大20～30 cm，壁厚15～20 mm，保障施工順利進行，有效降低施工風險。

4.3 完善應急預案與資源儲備

面對巖溶地質帶來的潛在風險，完善應急預案與資源儲備是保障施工安全的重要防線。

在應急預案方面，針對可能出現的涌水、坍塌等緊急情況，制定了詳細且操作性強的流程。當監測系統發現涌水跡象，立即啟動一級響應，現場人員迅速按照既定路線疏散至安全區域。技術人員利用專業檢測設備，快速測定涌水流量、水壓等參數，以此為依據，精準計算止水所需的注漿量和注漿壓力，指導搶險作業。

在資源儲備上，充分考慮巖溶地質施工的特殊需求，在施工現場周邊儲備足量的高強度水泥，標號不低于P.O 42.5，儲備量達300 t，確保在進行注漿封堵時水泥供應充足[6]。同時，配備不同規格的鋼支撐，長度從3 m至1 0m不等，數量50根，用于支撐溶洞周邊，防止坍塌；還儲備了大功率的抽水設備，流量不低于100 m3/h，揚程30 m以上，確保在涌水時能迅速排水，降低水位，保障施工安全。

5 結語

本文對廣佛西環五工區矮塔斜拉橋展開了研究，深入探討臨水環境下樁基施工技術與巖溶地質風險防控。通過優化水下鋼護筒沉放定位技術、改進氣舉反循環成孔工藝與控制溶洞地層成孔穩定性，使樁基施工的安全可靠程度得到提高。同時，通過巖溶地質風險的識別、評價模型的構建和防治措施的實施，降低了巖溶對樁基承載力的影響。本文的研究成果可以為改善橋梁樁基在復雜地質條件下施工的安全性和施工效率提供同類工程的技術參考。

參考文獻

祖重熙.斜拉橋建設中的RCD鉆孔樁基施工技術[J].工程建設與設計，2022（24）：150-152.

官顯金，龐鐵軍，周世雄.矮塔斜拉橋施工監控技術研究[J].廣東土木與建筑，2024，31（11）：85-88.

肖有健.連續體系矮塔斜拉橋施工關鍵技術研究[J].交通科技與管理，2024，5（24）：55-57.

陳瑞.矮塔斜拉橋施工關鍵技術與施工監控研究[J].山西建筑，2024，50（14）：163-166.[wl1]

陳朋，章偉，郭東浩，等.大跨鋼箱梁斜拉橋豎向支座頂升方案與維護技術研究[J].公路，2024，69（10）：143-149.

張捷，劉小波，楊霄，等.山區峽谷大跨度斜拉橋施工階段抖振響應及抗風索減振措施研究[J].世界橋梁，2025，53（1）：79-87.