岩溶强发育区桥梁基础设计研究

2013-01-17王德华

铁道标准设计 2013年6期

谢珲,王德华

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院,北京 100055)

1 概述

南广铁路是以客为主的客货混运铁路，旅客列车设计行车速度目标值250 km/h，其中桂肇段全长284.92 km。该段岩溶发育区桥长约25.6 km，大部分为强发育岩溶。针对岩溶不同特点，采用明挖基础、钻孔灌注桩、打入桩等相应的桥梁基础类型和恰当的岩溶处理措施，既可确保桥梁基础安全，同时可避免出现施工安全问题，保证施工顺利进行，使工程投资和工期可控。结合南广线岩溶桥梁基础设计，研究探讨岩溶强发育区桥梁基础设计方法和辅助处理措施。

2 岩溶强发育区桥梁地基特点

岩溶强发育区桥梁地基特点突出表现为线岩溶率高、溶腔大、呈串珠状、覆盖层中存在强透水层等。部分溶洞上下连通性好，为地下水与地表水之间流通提供了有利途径，形成强透水带，岩溶水富集。个别桥梁处于砂岩与灰岩结合带处，土洞发育，存在竖向高度大于90 m的溶蚀深槽。南广铁路典型岩溶强发育区桥梁的地基特点见表1。

表1 典型岩溶强发育区桥梁地基特点统计

3 稳定性评价和分析

基础设计前须对地基稳定性进行评价，并对桥梁基础进行稳定性分析。

3.1 地基稳定性评价

稳定性评价的目的是根据岩溶发育强烈程度，选择合理的基础类型，确定恰当的岩溶处理辅助措施。线岩溶率是岩溶地基稳定性评价的一个重要指标(表2)，某桥墩所在地基的线岩溶率=(该墩所有地质钻孔中的累计溶洞高度/灰岩累计总进尺)×100%[1]。

表2 岩溶地基稳定性与线岩溶率

土洞由于没有顶板岩层，容易受地下水、动荷载等外部因素影响而向上扩展，从而破坏地基稳定性[2]。如岩土交界面存在土洞，应视其规模相应评价为不稳定或极不稳定。

3.2 桥梁基础稳定性分析

桥梁基础稳定性包括覆盖土层稳定性及桩底持力层稳定性。覆盖土层的稳定影响施工安全及进度，同时也影响桩侧土抗力、桩基水平刚度及明挖基础安全。桩底稳定性直接关系到持力层确定，合理确定持力层既可确保桩基础安全，同时不致造成桩太长而增加投资。

4 基础类型选择和持力层稳定性分析

岩溶发育区桥梁基础的设计，应根据地基稳定性评价、溶洞发育形态、上覆土层性质、桥墩荷载等诸多因素综合考虑，本工程岩溶区桥梁的基础形式有明挖基础、钻孔灌注摩擦桩、钻孔灌注嵌岩桩、打入钢管桩。

4.1 明挖基础

地基评价为稳定时，可采用明挖基础。覆盖层很浅的，基底直接置于灰岩岩面，岩面表层溶沟、溶槽可补块处理，浅层较小溶隙采取揭盖灌混凝土填充处理。

中等稳定时，一般需保证基底以下20 m范围内无溶洞。若20 m范围内存在单个小型溶洞时，需满足顶板厚跨比大于2，顶板厚度大于5 m，否则应参照图1分析顶板附加应力，确定安全的覆盖层厚度，必要时对溶洞进行注浆加固处理。

图1 摩擦桩持力层稳定性分析图示

明挖基础经济性好，但地基评价为不稳定时不应采用。

4.2 钻孔灌注摩擦桩

地基评价为稳定时，可采用摩擦桩。中等稳定时，一般需保证桩底至溶洞顶大于20 m，对溶洞及桩底土采取注浆加固措施后，该距离可缩短至12 m。摩擦桩持力层的稳定性分析，可采用群桩沉降计算的模型[3，4]。

图1中σ为群桩桩底平面处的最大压应力，σ0为群桩桩底平面处土自重应力，σz0为溶洞顶板上土自重应力，σz为溶洞顶板上附加压应力。σz=α(σ-σ0)，α为应力系数，可参考群桩沉降计算查表取值。溶洞内无填充物或填充物无承载力时，计算的σz一般应比σz0小一个量级(即σz<0.1σz0)，否则应对溶洞顶板进行检算；溶洞内填充物具有承载能力时，σz小于洞内填充物的容许承载力可认为是安全的。受承台尺寸、桩基长度、土层情况、地下水情况影响，具体情况应具体计算，经对本线32 m跨度简支梁基础的统计分析，当桩底至空洞的距离Z大于20 m时是较安全的。

摩擦桩桩底溶洞的处理，一般采取钻孔灌沙、注浆填充固结的方式，必要时可对桩底土层进行注浆加固。由于摩擦桩无需击穿溶洞顶板穿越溶洞，施工进度快、风险小，成孔成本也较小，但当地基评价为不稳定、中等稳定且覆盖层较薄时应按嵌岩桩设计。

4.3 钻孔灌注嵌岩桩

嵌岩桩具有安全性高、稳定性好的特点，是本线岩溶强发育区桥梁广泛采用的桩基形式。

(1)桩底溶洞顶板安全厚度研究

溶洞形态千变万化，而钻孔又仅仅是管中窥豹，溶洞形状、顶板岩层节理裂隙分布及胶结情况很难完整确定。文献资料中常用的计算模型有拱模型和梁板模型[5，6]，经比较，按拱模型计算的顶板厚度较小，考虑到目前地勘手段的局限性，为安全起见，按梁板模型来分析顶板安全厚度。经对单向板模型进行抗弯、抗剪、冲切验算后，发现大跨径溶洞顶板抗弯是控制顶板厚度的主要因素。

若桩底上覆土层厚度25 m、桩径1.25 m、单桩竖向力6 000 kN，假定弱风化灰岩抗压极限强度30 MPa、抗拉极限强度1.8 MPa。将不同的溶洞跨度条件下，顶板自重、上覆土层自重对顶板产生的拉应力σ1与桩底荷载产生的拉应力σ2进行对比，可得出相对安全合理的顶板厚度。

图2～图5的对比数据显示，顶板厚度3 m时，上覆土层及顶板自重产生的拉应力σ1与桩底荷载产生的拉应力σ2较接近，σ2数值大且随溶洞跨径增长快，可见顶板厚度3 m时安全系数小；而当顶板厚度增大到5～6 m时，σ2将远小于σ1，当σ1已经接近灰岩极限抗拉强度时，σ2仍然维持在较低应力水平且随跨径增长缓慢(占总应力的12%～15%)。

通过计算统计，弱风化灰岩顶板厚度大于5～7 m(4～5倍桩径)时，可作为常规简支梁桥理想的桩底持力层，该结果也与以往工程推荐的经验值吻合。

图2 顶板厚度3 m时拉应力对比

图3 顶板厚度4 m时拉应力对比

图4 顶板厚度5 m时拉应力对比

图5 顶板厚度6 m时拉应力对比

(2)特殊情况下持力层厚度研究

穿越多层串珠状溶洞且各层溶洞顶板均较薄的桩基，可能在钻孔深度范围内无法找到合适的持力层。岩溶区桩基施工时的漏浆塌孔可能破坏上覆土层的摩阻力，薄顶板能否提供有效端阻又存在不确定性，这时较保守的设计就是让各层溶洞顶板的累计有效侧阻Σf>单桩竖向荷载P。即相当于将《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5—2005)中柱桩容许承载力[P]=R(C1A+C2Uh)修改为[P]=RC2Uh[7]。

弱风化灰岩属硬质岩，地质资料中完整灰岩抗压极限强度都大于30 MPa，但层厚较小的灰岩承载力却均进行了折减，如折减后灰岩抗压极限强度取15 MPa，C2取较差值0.02，当φ1.25 m桩穿越的串珠状溶洞顶板累计有效厚度达6 m时(层厚大于1 m的顶板计入有效厚度)，桩基容许承载力约为7 540 kN，结果满足φ1.25 m桩承载力要求。为确保安全，本线设计时同时要求桩底所在顶板厚度不小于3 m。鼎湖特大桥串珠状溶洞处桩基设置如图6所示。

图6 鼎湖特大桥串珠状溶洞处桩基设置(单位：m)

(3)嵌岩桩设计注意事项

由于溶洞的复杂多变，嵌岩桩经常采用不等长桩，不等长桩各桩受力不均匀，短桩受力更为不利，桩基计算时需将水平力及对应的弯矩反号重新组合后再计算一次，以防漏掉对短桩不利的控制工况；各桩入土深度值按桩顶至第一层溶洞顶板的深度取值；另外短桩刚度较大，承担的剪力也较大，设计时注意根据计算结果加强短桩桩顶处箍筋及主筋的配置。

周边钻孔溶洞形态相差太大时，应结合周边钻孔综合分析可能的溶洞形态，避免将石笋尖当作桩底持力层，必要时参考周边岩面高程确定本钻孔桩底高程。嵌岩深度要考虑岩面倾斜和表层风化等预留富余量。

4.4 打入桩

本线鼎湖特大桥跨越长利涌河道段上部30～45 m为软～硬塑状冲洪积层，冲积层下伏灰岩强溶蚀区，表现为串珠状溶洞，串珠状岩石层厚多为0.2～2.0 m，且大多小于1.0 m，灰岩强溶蚀区往下为巨型溶洞，单孔钻探深度达151 m未见底板，洞内充填物主要为软塑状粉质黏土，与灰岩强溶蚀区结合部位局部有空洞[8]。

由于覆盖层差、灰岩溶蚀强烈、串珠状溶洞顶板均很薄，所以找不到很理想的持力层。如采用钻孔灌注桩，施工时的漏浆塌孔将扰动破坏覆盖层，施工风险极大，成孔措施费用及工期不可控。经比选，该区域部分桥墩采用了24根φ0.8 m及32根φ0.8 m打入开口钢管桩。如图7所示。

图7 跨越长利涌段典型断面(单位：cm)

《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5—2005)中打入桩容许承载力公式未考虑开口桩的挤土效应及桩端闭塞效应，可将其修正为[P]=1/2(U∑αiλsfili+λpARα)，其中λs为侧阻挤土效应系数，λp为桩端闭塞效应系数，根据以往试验研究成果[9]，φ0.8 m的开口钢管桩λs取0.87，持力层深度与桩内径之比大于5时，λp取0.8λs。经计算，长利涌河道段钢管桩[P]在2 400～3 000 kN范围。

为保证桩端闭塞效应的发挥，使桩侧及桩底形成整体持力层，桩底应尽量不击穿溶洞顶板，而是支立于岩面或岩面附近，并对桩底与岩面之间空隙和桩尖钢管内5 m范围的土体进行注浆加固。对于已穿透溶洞顶板支立于下一层溶洞顶板上的桩，要求对被穿透的溶洞吹沙填充，同时对被穿透的溶洞顶板以上桩周覆盖层进行注浆封闭及加固。

经采用锚桩反力梁法对2根试验桩进行单桩竖向抗压静载试验，竖向静载最大加载量可达6 000 kN，满足设计要求并留有安全富余。打入桩虽不是岩溶地区桥基的常规方法，但在某些特殊地段，既能避免钻孔时漏浆塌孔对覆盖层摩阻力的破坏及施工风险，也可节省成孔措施费。

5 岩溶强发育区桥梁基础辅助施工措施研究

岩溶区桥梁设计时，需根据基础类型、岩溶形态、持力层情况等确定岩溶处理辅助措施，才能估算岩溶处理费用。岩溶处理的常用措施有抛填片石夹黏土、单层或多层钢护筒跟进和注浆。

5.1 抛填片石夹黏土

桩基础穿越有充填溶洞或洞径较小的空洞时，采用抛填片石夹黏土稳固孔壁成孔的方法较经济，片石黏土比例一般采用1∶1。钻孔过程中应分层面填黏土和片石，经反复冲砸成孔。具体抛填数量可按图8根据溶洞高度H进行估算。有填充的溶洞可按空洞填充数量的60%估算[10]。

图8 抛填数量估算图示

5.2 单层或多层钢护筒跟进成孔

桩基础穿越单个大溶洞成孔较困难时，可采用单层钢护筒跟进。

溶洞顶板覆盖有软土、松软土及砂、卵砾石时，钻孔过程中容易发生漏浆坍孔、埋钻，可采用单层钢护筒跟进至岩面或不易坍塌土层。

桩基础穿越串珠状溶洞，单层钢护筒跟进成孔困难时，可采用多层钢护筒跟进方法成孔[11]，各层钢护筒直径按10 cm逐级递增，内外护筒间以水泥浆填充。

5.3 注浆

溶洞较深不适合采用钢护筒跟进，而抛填后又难以成孔时，可采取注水泥浆预处理。注浆也适用于对基底一定范围内岩溶地基的加固。

当预判溶洞较大时，可先钻孔灌石子和砂后再注浆固结。为防止浆液流失造成浪费，应采用间歇注浆方式，使先注入的浆液与砂子初步达到胶结后再继续注浆。当注入率较大时可掺入一定量的粉土或粉煤灰，粉土掺入量<水泥质量的10%，粉煤灰掺入量为水泥质量的20%～50%。使用以纯水泥浆为主的单液注浆，水泥采用PO 32.5级水泥，水灰比为0.6∶1～1∶1。注浆压力为0.2～0.4 MPa(孔口压力表读数)，终注压力0.2～0.5 MPa。当连续注浆10 min的注入率不大于5 L/min时，可终止注浆。

注浆量估算公式P=V×β×α/m，其中：V=A×L×η[12]。

式中P——注浆折合水泥质量，t；

V——岩溶注浆体积，m3；

β——岩溶中水泥结石充填系数，空洞β=1，充填溶洞β=0.7～0.2；

α——浆液损失系数，注浆加固范围较大时取1.1，范围较小时取1.2；

m——水泥结石率，根据溶洞充填物情况一般采用0.6～0.9；

A——注浆控制面积，m2，按最外侧的注浆孔连线后向外偏移2 m计算；

L——注浆段长度，m，注浆孔深度范围内灰岩厚度+交界面处土层加固厚度0.5 m；

η——岩溶率或土层裂隙率，一般可采用线岩溶率。