普兰店海湾特大桥深水岩溶区桥梁基础设计

林兆宗，孙玉兰

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142;2.哈大铁路客运专线有限公司，沈阳 110002)

1 概述

(1)自然状况

哈大客运专线普兰店海湾特大桥桥位处于既有沈大高速公路跨海湾大桥外海侧与高速公路桥位平行。普兰店海湾海面宽3 350 m，主海沟宽约1 000 m，两侧海滩主要为扇贝养殖区及海参池。湾内水流主要受潮汐影响，普兰店海湾属渤海海域，介于正规与非正规半日潮之间，呈明显往复流，涨潮潮差2.20 m，落潮潮差1.90 m。一般水深9.2 m，受潮汐影响，施工时最大水深达10.8 m，如考虑波浪影响则施工水深更深。

(2)桥跨形式

普兰店海湾特大桥为正线双线桥，全长4 960.85 m，共140个墩台，起点里程DK61+789.17，终点里程DK66+750.02，中心里程DK64+269.60，桥跨布置自大连向沈阳方向为39－32 m+2－24 m+30－32 m+18－56 m+47－32 m+2－24 m+1－32 m简支箱梁。其中从71号～89号墩共18孔56 m简支箱梁跨越普兰店海湾主海沟，属大桥主桥部分。

大连侧桥台为一字形桥台，基础采用8根φ1.25 m钻孔嵌岩桩，桩长20 m。沈阳侧桥台为扩大基础桥台。两岸引桥基础采用10根或12根 φ1.00 m或φ1.25 m钻孔嵌岩桩，桩长6～49 m，承台分2层，厚度分别为2.5 m和1.5 m，墩身采用实心圆端形桥墩，最大墩高15.5 m。

跨越主海沟71号～89号墩基础采用13根φ1.5 m钻孔嵌岩桩，承台底层厚度为3 m，顶层厚度为2 m;上部结构采用18孔56 m简支箱梁结构，采用节段预制、移动支架整孔拼装的方法施工。

简支箱梁采用单箱单室的截面类型，箱梁顶板全宽13.4 m，底板宽6.7 m，箱梁全高5.3 m。整孔箱梁共分为11个节段，10道湿接缝，节段长度除箱梁两端1号(1'号)节段为2.6 m外，其余节段长度均为5.1 m，湿接缝长度均为0.6 m，拼装后箱梁总长度为57.1 m。除箱梁1号(1'号)节段、2号(2'号)节段为变截面外，其余中间7个节段均为等截面箱梁。

普兰店海湾特大桥是哈大铁路客运专线的重点控制性工程之一。

2 地质情况

桥址区分布有软土，地震液化层，岩溶，岩石构造破碎带、断层。溶洞较为发育，多为全填充，部分挤压破碎带发育，构造较强烈，岩石受挤压破碎强烈。岩浆运动强烈，有燕山期辉绿岩脉侵入泥灰岩中。地层从上到下分别为淤泥质粉质黏土、粉质细砂、细砂、砾砂、细角砾土、泥灰岩等，其中泥灰岩地层成分以碳酸钙矿物为主，易因地下水或裂隙水溶蚀形成溶槽、溶沟或溶洞，根据地质勘察揭露，桥址区岩溶较发育。

桥址区岩溶主要集中在南引桥和主桥部分，在不同深度有大小不等的溶洞，局部形成串珠状溶洞且连续出现。地质勘探按照采用的桩基布置形式，逐桩布置勘探孔进行勘探，钻孔最深70 m。勘探资料揭示，DK62+315.20～DK63+035.1(陆地南引桥)溶洞一般埋深20～30 m，最大溶洞高度2.4 m，洞内多为全充填粉质黏土和原岩风化细角砾土，呈中密～密实状;DK64+098.82～DK65+075.21(71号墩～88号墩，海湾主桥)溶洞、溶隙、溶蚀发育，其中72号～80号墩溶洞极为发育，多呈串珠状，溶洞大小不一，一般洞高0.1～13.5 m，最大溶洞高18 m，埋深21.7～59.8 m，底面高程－22.82～－60.97 m，多为无充填空洞，少为半充填及全充填，洞内多充填粉质黏土和原岩风化细角砾土。

溶洞多沿节理面、层理面发育，岩面上凹凸不平，溶蚀、风化较为发育，使得基岩表面起伏较大。

根据钻孔的岩芯取样试验，桥区岩石单轴极限抗压强度值见表1。

表1 普兰店海湾特大桥岩芯单轴极限抗压强度

地震动峰值加速度0.20g，Ⅷ度震区。

3 桥梁基础设计

本桥桥址处水深，溶洞覆盖层厚，上层淤泥承载力很低，基础下分布单层、多层的无填充或半填充溶洞，桥梁基础设计均采用钻孔灌注桩，桩直径1.50 m，每墩13根，桩基布置见图1。

(1)嵌岩深度的确定

图1 桥墩桩基础布置(单位:cm)

为保证桩底侧面岩石的嵌固作用，将桩底嵌固住，设计采用桩底进入微风化岩面不小于2倍桩径，即不小于3 m，按规范嵌入岩层内的钻挖孔灌注桩公式计算桩基承载力。

(2)桩底溶洞顶板厚度的确定

岩溶地区嵌岩桩基础设计，原则上应尽量穿过岩溶发育地带或溶洞，将桩底置于溶洞下完整微风化或弱风化岩层上。当溶洞覆盖层较深，或溶洞呈串珠状无法全部穿过，或溶洞上有一定顶板厚度，考虑投资方面，将桩底置于该顶板上，所以正确估算、确定溶洞顶板持力层厚度是岩溶地区桩基础设计及节省投资的关键问题。

虽然目前有一些对溶洞顶板安全估算及评估的定量方法，但溶洞体受力状况十分复杂，溶洞发育的不规则性，溶洞平面、立面大小尺寸等难以完全探明，取得符合实际的岩体力学参数很困难，很难确定洞体的破坏形式，因此在工程实际中准确应用存在很大困难。半定量计算方法有荷载传递线交汇法、类比法、结构力学近似分析法、有限元分析法等。

设计中考虑设计周期及可操作性，本桥采用荷载传递线交汇法、结构力学近似分析法。

(1)荷载传递线交汇法

当溶洞顶板岩层完整时，可采用应力传递线及洞体顶板厚跨比进行稳定评价，根据相邻桩的钻孔情况，首先确定该桩下可能的最不利溶洞横向尺寸，在剖面上从基础边缘按30°～45°扩散角向下做应力传递线，当洞体位于该线所确定的应力扩散范围之外时，即可认为洞体不会危及基础安全;当洞体位于该线所确定的应力扩散范围之内时，如洞体顶板厚跨比大于0.5～0.87，一般也认为是稳定的。

(2)结构力学近似分析法

用该方法的前提也必须首先假定溶洞的最不利溶洞横向尺寸，确定受力条件，按照顶板抗弯、抗剪要求分别计算出洞体顶板的安全厚度T1、T2，取大值作为溶洞的安全厚度，认为该情况下，基底以下溶洞顶板厚度满足该厚度时，溶洞评价是稳定的。

①顶板抗弯安全厚度计算

当洞体顶板完整性较好时，可按四周嵌固板验算其稳定性，板的最大弯矩在长边支点间的中心处，顶板安全厚度T1按下式计算

式中 q——长边每延米均布荷载，kN/m;

L，b——洞体的平面长、短径;

σ——岩体弯曲应力，kPa，灰岩一般取其抗压强度的0.1～0.125倍。

当顶板岩层裂隙发育，可按不同情况，模拟为悬臂梁或简支梁情况进行计算。

②顶板抗剪安全厚度计算

T2=(F+G)/Ufr

式中 F——上部荷载传至洞体的竖向力，kN;

G——顶板自重，kN;

U——洞体平均周长，m;

fr——岩体顶板抗剪强度，kPa，灰岩一般取其抗压强度的0.06～0.13倍。

4 深水基础施工措施

本桥主墩位于普兰店渤海湾主海沟深水处，深水区域段基础施工是桥梁工程的重点，是控制工期的关键。海湾内72号～88号墩56 m梁深水基础采用钢便桥结合逐墩双壁钢围堰施工。便桥搭设于线路一侧，6 m宽;海参池内筑岛施工。承台施工时71、89号墩采用钢板桩防护，施工方法如下。

(1)在水上施工钻孔桩时，建立固定的工作平台和栈桥。

(2)在承台和墩身水下施工时，采用整体性好的钢壳围堰结构。

(3)制定一系列的抗洪、防冲浪倾覆措施。

(4)不设水上混凝土工厂，由栈桥运输混凝土。

(5)先下钢护筒设置平台进行钻孔，最后下钢壳围堰以减少冲淤变化的影响。

(6)在上下游均设栈桥，铺设龙门吊机轨道和运输轨道，2个栈桥适当联接。

(7)扦打钢护筒

由于水上钻孔需要先扦打钢护筒(护筒同时作为工作平台支承立柱与平台共同整体受力)，钻孔桩钢护筒用10 mm厚钢板制作，入土部分用8 mm钢板，外壁每隔一定距离用钢板箍加劲。护筒下沉用160型振动打桩机。先打支承平台的定位护筒，桩护筒在平台安装后再打，护筒下沉慢时，可在筒内吸泥。

(8)钻孔桩施工

用膨胀土泥浆护壁，气压反循环减压钻进，平台上有泥浆筒及沉碴筒。

(9)钢壳围堰的制造和安装

钢结构在工厂制造。水平内环和竖向腹板加劲肋。围堰可分节分块制造，即上下两节，底节下端做成钢刃角，双密部分做水密试验，上下节间和上节分块间填防水橡胶板。

钻孔桩完成后，即可将工作平台拆除，安装钢围堰。

钢围堰在岸上拼装成节后拖移至海边，由栈桥运至桥墩处安装。围堰上下节采用螺栓连接，两节之间填防水橡胶板，外围再涂防水材料。

水下灌注封底混凝土，厚度4 m，封底混凝土用直升导管灌注，待封底混凝土达到100%强度后，即可在围堰内抽水，进行承台及墩身施工。

(10)栈桥施工方法

墩旁修建1座栈桥，在墩处设活动工作平台进行施工。栈桥用吊机悬拼，并进行吊装振打基础桩。栈桥临时墩由每组8根φ55 cm管桩组成，用钢结构将8根桩联成整体。栈桥用贝雷梁拼装架设。

5 深水岩溶处理措施

本桥主桥跨越普兰店海湾，施工时最大水深达10.8 m，桥址区溶洞极为发育，多呈串珠状，覆盖层上层地层为淤泥，厚达9 m，下层为中粗砂层，施工过程中极易发生塌孔等事故。一旦塌孔，埋住护筒及施工设备等，后期处理相当困难，所以在桩基础施工时必须采取妥善措施，防止事故发生。本桥设计采取以下措施。

(1)预注浆

本桥大部分溶洞发育地带的顶板较薄或上层岩层风化严重，为防止击穿溶洞顶板时发生顶板垮塌引起塌孔，根据钻孔资料确定的溶洞情况，在钻孔桩施工前，采用先打小孔至溶洞顶板深度，埋设注浆管，向顶板风化岩层内注浆，按照施工时间控制，添加适当速凝剂，防止浆液过渡流失，边注浆边提升注浆管，将溶洞提前处理密实，减少桩基施工时塌孔可能性。

(2)钢护筒防护

对于较大空溶洞，尤其多层串珠状溶洞，为防止击穿溶洞顶板后大量漏浆，引发塌孔，采用钢护筒防护岩层以上土层，尤其水中的粉细砂、细砂、中砂等在孔外水头作用下易发生塌孔的地层。如多层溶洞的下层溶洞较大，必要时可采用多层护筒，施工前应根据地质柱状图确定方案，先下外层护筒，再下内侧护筒，护筒直径差10 cm，防止由于斜孔等使内层护筒难以下到位，最内侧护筒内径应不小于设计孔径加10 cm，以保证成孔后有效桩径不小于设计桩径。

施工时，钻孔到溶洞顶板后时，击穿溶洞顶板前，应尽快使第一层护筒到位，护筒底宜位于岩石顶面，防护住所有覆盖层土层。护筒就位后，钻机采用小冲程钻进，尤其溶洞顶板较薄时，防止顶板破碎塌落，引起塌孔。

两层护筒之间空隙宜采用水泥砂浆压浆处理，以保证桩的横向刚度。

(3)抛填片石黏土

岩溶地区最常见的问题就是施工漏浆，溶蚀发育轻微，溶洞发育不大的地区，虽然有漏浆，但过程一般是缓慢的，随着钻进的过程，随时向钻孔中补充黏土及水，保证必要的水头及泥浆比重，一般可顺利成孔。

对于本桥溶洞发育强烈，多层尤其大型空溶洞地区，施工前应根据地质情况做好充分准备，备足填充材料，溶洞较深时，抛填的黏土宜做成球状备用，一方面填充迅速，另外可以保证黏土补充到底部，有利于迅速堵塞溶洞裂隙等，止住漏浆。

对于较大溶洞，有时虽抛填黏土难以止漏，或止漏后，由于施工振动，较软的泥浆容易塌落，造成二次漏浆，因此对较大溶洞，在抛填黏土时，伴以片石，反复冲砸，挤密溶洞孔壁，保证成孔质量。抛填片石大小以10～15 cm为宜，建议不要扁平的，利于在钻头冲击下挤密孔壁，黏土与片石的比例宜为1∶1。

(4)抛填混凝土

如溶洞较大，以上处理措施难以奏效，不能有效止漏时，可考虑在孔内回填低强度等级混凝土至不漏浆为止，待混凝土达到一定强度后再行钻进，一般可顺利穿过该层溶洞漏浆区。

该桥在钻孔施工过程中，根据以上原则制定的溶洞施工技术措施，溶洞处理效果良好，虽发生漏浆等情况，但未发生塌孔。经检测钻孔桩均达到Ⅰ类优质桩的标准，可见溶洞地质钻孔施工技术措施的制定和执行是可行和有效的。

6 结语

根据以上基底溶洞顶板安全厚度的方法确定的桥梁桩底设置位置，可确保桥梁结构的安全性;深水区的施工防护方案切实可行，有效保证了施工进度;溶洞处理措施的指导性原则、建议措施对保证桩基顺利成孔切实有效，为岩溶地区桥梁基础设计、施工提供借鉴。由于岩溶发育情况没有规律，设计中应根据逐桩钻探情况逐墩分析，分清其规模、类型，最大程度保证桥梁安全及顺利施工。

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