山区岩溶地质桥梁基础设计及施工方法探讨

李加柱

摘 要：溶洞是由于石灰岩长期受到水溶蚀而形成，岩溶区岩体承载能力较差，容易引起主体结构的不均匀沉降，给桥梁带来安全隐患。本文结合国道G323线乳源上围至沙坪段改建工程—月街大桥的桥梁基础设计和溶洞处理方法来探讨岩溶地质条件下桥梁设计和施工应当注意的问题及对策，可为同类建设条件下的桥梁基础设计和施工提供参考。

关键词：岩溶;桥梁基础;设计;施工

中图分类号：P642.25 文献标识码：A

0 引言

岩溶在我国分布广泛，约占国土面积的1/3[1]，溶洞在雨水充沛、气候湿润的山区多发，在这种复杂的地质条件下的桥梁桩基的承载特性较为复杂，因此，岩溶区桥梁基础的设计及施工方案是置得探讨的课题。本文以国道G323线乳源上围至沙坪段改建工程—月街大桥项目为载体，深入探析岩溶地区桥梁基础设计和溶洞处理方法。

1 项目背景

1.1 工程概况

国道G323线乳源上围至沙坪段改建工程全段位于广东省韶关市乳源县西南部，线路全长39.606 km。处于地形条件非常复杂的高山峻岭地区，沿线地势起伏，山体表面植被茂密。月街大桥桥位地处高陡丘陵，跨越丘陵间洼地及河谷溪流。该项目为二级公路，设计速度40 km/h，桥梁标准宽度为0.5 m（防護栏）+9 m（行车道）+0.5 m（防护栏），弯道桥梁加宽。地震动峰值加速度为0.05 g。

1.2 岩溶地貌

月街大桥桥位处处于岩溶地区，以孤峰地形为主，山坡坡度坡角相对较缓一般为10～30°，半山坡以上坡度相对较陡，一般为25～70°，相对高差一般达到50～300 m左右，孤峰间多见有溶蚀漏斗。山体表面多为天然林覆盖，孤峰间多以农作物种植为主。

1.3 地层岩性及岩溶发育情况

本路段地基岩土层主要为第四系覆盖层及侵入岩为燕山一期（早侏罗世）侵入岩（J1γ）花岗岩及泥盆系上统巴漆组与融县组并层（D3b-r）风化层组成。桥位处两侧地形起伏大，地质情况差异很大，地形高处溶洞较多，岩溶发育程度为强烈发育，深达十几米。主要表现为岩体中蜂窝状溶孔、溶洞、溶隙等发育，另外在线路周边发现多个岩溶漏斗，溶洞无充填或半充填软塑状粉质黏土为主，岩溶发育溶蚀灰使岩石强度低，这对于嵌岩桩基础施工是不利的。区内总体工程地质条件一般。

1.4 水文及跨越情况

桥位位于低山丘陵区，山间谷地地表水发育。场区地下水类型主要为赋存于松散层的孔隙潜水、基岩风化裂隙中基岩裂隙水及岩溶水，地下水对砼微腐蚀。

2 溶洞区的桥梁基础设计

2.1 桥梁总体设计方案

月街大桥主桥采用连续刚构桥梁方案，桥跨组合为（62+110+62）+4×25 m，桥梁长339.6 m。本桥位于 A=112缓和曲线及R=228 m圆曲线上。主桥上部（62+110+62）m连续刚构箱梁;下部结构为矩形薄壁空心墩，承台平面尺寸为14.6×10.0 m，厚为4.0 m。主墩基础采用6 根Φ220 cm钻孔灌注桩，均采用摩擦桩设计，下图为月街大桥主桥总体布置图。

2.2 岩溶区桥梁基础设计步骤

在充分了解项目区溶洞的发育状况和分布情况后，应根据以下原则确定桥梁基础方案：

确定桩型、桩长和桩径。岩溶地区首选钻孔灌注桩，桩长应根据溶洞的埋深确定。如果上部荷载较大、溶洞埋深较浅，可采用嵌岩桩。在保证桩基的承载能力基础上应当注意桩型的优化，打破嵌岩桩技术框架，充分考虑溶洞的横向空间和侧摩阻力使桩型由单纯的嵌岩桩转变为嵌岩摩擦桩。

确定桩基的平面布置和数量。桩的根数可以根据单桩的竖向承载力进行计算，公式如下：

其中：n—桩基的根数;F—荷载设计值;G—承台及其上方土的重力;R—单桩的竖向承载力设计值。对于偏心受压的群桩基础且截面形心与荷载的合力不重合时，可以适当将桩基的根数增加10%～20%。

桩间距和桩位布置应结合均布桩基承载力和工程造价，可采用对称形、梅花形或环形，同时应遵循钻孔桩中距不小于桩径的2.5倍;钻孔扩底灌注桩中距不小于1.5倍扩底直径或扩底直径加1.0 m，取较大者;端承桩中距不小于桩径的2.0倍[2]。

根据以上步骤，结合月街大桥的桥位建设条件及承载力要求，主墩基础采用6根Φ220 cm钻孔灌注桩，双排对称布置，间距5.5 m，采用摩擦桩设计。

2.3 岩溶区桥梁基础设计要点

桩基础设计要安全适用又要经济合理，在设计过程中还需要注意以下几个问题：

（1）设计时要全面掌握场地的岩溶发育状况、埋深、规模、走向等基本信息，判别溶洞与线路的相对关系及溶洞顶板基岩的完整性、风化程度，了解溶洞是否有充填物。根据溶洞具体情况采用不同的处理方式和设计方案。

（2）如果岩溶发育且岩体破碎，使得基岩的承载力大大降低，在设计时应留有足够的安全储备，以确保桩基的承载力。

（3）嵌岩深度在满足桩基承载力的前提下宜浅不宜深，硬质和软质岩嵌入深度分别为50～70 cm和（80±20）cm，嵌入深度过大，施工的条件较差，采用爆破会对周围岩体产生破坏。

（4）溶洞距地面较深，溶洞以上地质情况不理想时，下部应采用桩基础。若桩基进入溶洞深度较小，宜采用扩大桩基直径或是增加桩基根数的方法来减少桩长，尽量避免桩基伸入溶洞。

（5）溶洞分布较广泛但彼此间存在一定的间隙，下部宜采用群桩基础，尽量减少桩基穿过溶洞的长度，避免溶洞内过长的桩基增加施工难度。岩溶特别发育且互相关联形成巨大溶洞，桥梁下部或采用超长桩基穿过溶洞，或增大桥梁跨径跨越溶洞，或采用高填路基方案。

3 溶洞区桩基施工要点

3.1 溶洞处理措施

岩溶地区桥梁的桩基处理措施包括：回填法、高压注浆法、钢护筒跟进法、旋喷注浆加固法等。

（1）一般情况下，对于小溶洞（高度≤3 m），建议采用充填封闭法填充溶洞，充填物根据地质钻孔揭示的溶洞情况确定，如果溶洞内无充填物，则充填碎石或干沙，通过钻孔将填料自上而下依次填充夯实。

（2）如果岩体较为破碎，或者溶洞内的填充物呈现流塑或者软塑，可以采用高压注浆法，将水泥浆液或者其他加固浆液压向溶洞内以提高填充物的强度。

（3）对规模较大的溶洞和多层溶洞，桩基持力层的稳定性和承载力不能满足设计需求时，可将护筒穿过溶洞，嵌套在岩面上，钢护筒跟进法一般与回填法或注浆法结合使用，确保施工顺利进行。

3.2 溶洞处理工法及流程

根据溶洞桩基特点，利用超前钻对每一根桩的地层情况、溶洞位置、大小、洞内状况等要素进行针对性的方案处理。根据超前钻地质柱状图、桩基溶洞底板厚度等对嵌岩深度等参数进行优化。

处理流程：超前钻探资料确认→收集桩周边影响因素→设计确定桩长→四方现场确定施工方案→技术交底→前期准备→施工处理→成孔成桩。

根据地钻孔柱状图判别土层中易塌层（淤泥、粉质黏土、砂土、粉土、卵石土）位置及厚度、溶洞地层位置、空洞大小、有无填充物等实际情况，在不同的地质情况下考虑技术、经济等因素，采用单个或综合的溶洞处理工法，达到既经济又安全的目的。

（1）大溶洞处理工法：单层钢护筒跟进到顶层溶洞岩面，采用小直径冲击锤低幅高频击破溶洞顶岩层，再用适径冲击锤扩孔，成功后向溶洞内反复抛填片石黏土块，必要时加投袋装水泥，直到不再下沉为止。

（2）串珠型溶洞部分及既有通车线路附近溶洞处理工法：双层钢护筒跟进，外护筒直径比桩径大40 cm，其余处理同上。在溶洞顶板50～80 cm位置时采用冲击锤先把洞顶击穿让内护筒落到溶洞的底板面以下5～10 cm。

（3）河滩段溶洞工法：先采用静压注浆预处理技术处理表层细砂层，然后采用双层钢护筒跟进。

4 结语

通过结合实际工程项目对岩溶地区桥梁桩基的设计流程和施工方法进行探讨，总结了溶洞地质桥梁桩基的设计步骤和设计要点以及桩基施工过程中溶洞处理方案、施工工法和施工流程，对复杂地质条件下桥梁桩基的设计和施工具有非常重要的應用价值和实际工程意义，也为岩溶地区桥梁桩基设计和溶洞处理提供借鉴。

参考文献：

[1]袁道先.现代岩溶学在中国的发展[J].地质论评，2006（6）：733-736.

[2]公路桥涵地基与基础设计规范：JTG 3363-2019[S].