广东省岩溶区某桥梁桩顶失稳塌陷的成因及处理方法研究

2021-12-20苏海亮

西部资源 2021年4期

苏海亮

摘要：广东岩溶地区某高速公路桥梁桩基础已灌注完毕，该区域地下岩溶较为发育，贯通性较好。在施工期间，灌桩超方量较大，后续开挖桩头时未发现桩基混凝土，地面也出现一定范围的开裂，因此，塌陷是岩溶地区普遍存在的一种不良地质现象，在岩溶设计、施工时不可掉以轻心，本研究提出了相应的处理方法。

关键词：桥梁；岩溶区；失稳塌陷；处理方法

1.前言

岩溶区桩基失稳塌陷是公路常见的地质灾害之一，前人围绕着公路岩溶地区的发育规律、成因及处理方案开展了大量的研究工作[1，2]，相关的研究成果为生产实践提供了重要的指导和技术支撑。在广东省内，岩溶区某公路桥梁桩基已灌注完毕，在冲桩过程中未出现泥浆液面下降，但灌注时发现混凝土超方和后续的桩顶塌陷，桩位地表也出现了沉降和开裂，根据检测结果，在设计桩顶标高以下6m处发现了桩身混凝土。鉴于此，本研究以广东省岩溶区某公路桥梁桩顶失稳塌陷为例开展了成因及处理方案的研究，旨在为类似工程提供一定的借鉴。

2.区域概况

桥位地处珠三角冲积平原区，跨越雅瑶水道，桥梁长约700m，水道长约140m，最大水深4m，勘察期间潮差约1m～2m，地形平坦，地面标高1.0m～5.7m。区域地质构造为东西向高要—惠来构造带，位于恩平—新丰褶断构造带中段，产状310°～330°∠40°～60°，力学性质主要为压扭或张扭，最早发生于加里东期，主要活动于中生代以来，至今仍在活动。长约120km，沿断裂两侧岩相及构造线方向均不同，断裂面发育硅化角砾岩及糜棱岩化构造岩，角砾岩带宽6m～10m，局部20m～100m。

此断裂从线路终点附近侧通过，与线位大角度相交，主要造成构造影响带附近岩体破碎，岩石风化不均匀，硅化角砾岩带明显，对拟建路线稳定性有一定的影响，应加强边坡的支护，同时，注意桥梁柱状的软弱夹层等问题。

桥位区覆盖层主要为第四系素填土、砂土层、海陆交互相淤泥、淤泥质粉质黏土；基底由白垩系含砾砂岩、灰岩及其风化层组成，场地基岩面起伏较大，具风化倒置现象，属工程地质条件属复杂类型。

3.水文地质与工程地质

3.1水文地质

3.1.1地下水类型及特征

根据地下水的形成条件和赋存特征，将调查区地下水类型分成三类，即松散岩类孔隙水、碳酸盐类裂隙岩溶水及基岩裂隙水。

（1）松散岩类孔隙水。项目区主要含水层由第四系河流冲积砂砾土、卵砾土、砂土、粉土、砂质黏土组成，表层有灰褐色淤泥质粉质黏土层。该类土体结构松散，以孔隙水潜水为主，富水性较强，涌水量受控于松散堆积层的厚度。其中淤泥质粉质黏土层为弱透水层，砂砾石层为强透水层。

（2）碳酸盐类裂隙岩溶水。项目区主要分布于珠江三角洲冲积平原区，面积较大，岩溶化强度各地不一，顺层发育甚为显著，富水程度差异明显，碳酸盐岩裂隙溶洞水含水层为石磴子组和测水组灰岩，季节变化大，多呈窄条状隐伏于第四系之下。地下水以裂隙、岩隙、岩溶管道、落水洞的形成运移和储存，与上部的第四系孔隙水、基岩风化裂隙水有水力联系，含水量大，一般埋藏较深。

在通常情况下，在没有外力作用时，岩溶水处于一种相对平衡状态，一旦在各种外来因素影响下打破这种平衡，岩溶水就会沿岩溶通道（溶洞、岩溶裂隙、溶蚀裂隙等）产生高速流动，并携带部分松散物质（如砂粒、黏粒）一起流动，在不利条件组合下（如上部荷载较大、上部顶板较薄、顶部压力突然被减弱、与相邻含水层连通且相邻含水层径流加强等）就会引起地面沉陷、塌方以及岩溶水突顶等现象。

（3）基岩裂隙水。赋存在白垩系泥质粉砂岩、含砾砂岩中，其层理、片理、节理、裂隙发育。裂隙潜水富水程度相对较低，深部多为构造裂隙，表层主要赋存网状裂隙水，下部则为脉状裂隙水，呈不连续分布。由于岩石结构不同，风化带因地而异，水量微弱—中等。

3.1.2地下水補给、径流、排泄

区内地下水比较丰富，这与该区的近海洋性气候、地貌、降水量有关。地下水的补给、径流、排泄，主要取决于两点，即自然地理及构造地貌条件。地下水的补给以大气降水、河流为主，其他方式局限。径流受地形地貌控制，流向与河流走向完全一致。排泄方式主要包括：向区外侧向径流、向河流排泄及局部蒸发等。

3.1.3地下水的动态

工作区地下水具有显著的年变化规律，每年4～9月出现1～2次水位高峰，9月后随着降水和灌溉回归水的减少，水位缓慢下降，常在1月出现水位低谷。此外，第四系松散岩类孔隙水水位埋藏较浅，每次暴雨后水位迅速上升，一般10h左右达到水位峰值，水位年变化幅度1m～4m，而孔隙承压水动态亦受季节的影响，但比潜水变化幅度小。基岩山区裂隙泉流量年变化幅度一般3～5倍，最大达38倍。岩溶平原区地下水受大气降水影响大，降水时变化速度快、变幅大。

3.2工程地质

根据区域地质资料结合勘探成果，在本项目区内，隐伏岩溶位于第四系之下，局部呈串珠状，岩溶的埋藏深度变化较大，规模大小不一，洞高0.8m～15.7m，一般都有充填物，充填物为流塑状粉质黏土、砂夹卵石等。全线遇洞率59.0%，场地岩溶属强发育，线岩溶率8.0%～49.5%，桩基岩溶属中等～极强发育。

桥位塌陷区在标高4.57m～-14.93m为第四系覆盖层，依次为素填土、粉质黏土、中砂、淤泥质粉质黏土、粉质黏土，标高-14.93m～-24.93m为全风化含砾砂岩，标高-24.93m～-47.2m为强风化含砾砂岩，标高-47.2m～-61.4m为中风化碎裂灰岩，存在串珠状溶洞。

4.场地稳定性评价

4.1天然状态

岩溶场地稳定性划分为四类：极不稳定场地、不稳定场地、中等稳定场地、稳定场地。

桥位于岩溶属于中等—极强发育区，具有多层土层结构，根据定性分析，旧路营运多年，大型货车车流密集，路面未出现明显裂缝、塌陷等情况，说明在天然状态下，该路段岩溶是处于稳定状态的。

式中h——崩坏拱高度或垂直荷载的高度（m）

S——围岩类别

W——洞穴宽度影响系数，其值为W=1+i（B+5）

其中B——隧道开挖宽度（m），采用溶洞或异常点高度

i——系数。当B<5m时，i=0.2；当B≥5m时，i=0.1。

根据经验公式法，全线选取代表性的5个钻孔进行计算，得出5个钻孔溶洞崩坏拱高度h=15.55m～21.1m。钻孔溶洞崩坏拱高度h/溶洞高度比=1.48～19.44。说明该路段天然地基处于基本稳定状态。

4.2施工状态

桩基施工时，将潜水与基岩裂隙水、岩溶水等连通，改变了地下水的埋藏条件，导致水文地质条件改变，天然状态稳定的溶洞可能会失稳。表层的粉细砂层通过钻孔流失到土洞或溶洞，在地表施工或车辆震动的情况下，地面会出现一定的塌陷。

5.塌陷情况

5.1灌注超方

桩基设计桩径1.3m，桩顶标高3.8m，桩底标高-46m，设计桩长49.8m，护筒标高5.525m，设计孔深51.525m，采用冲击钻冲击成孔，地质资料揭露该桩位处无溶洞、裂隙等不良地质现象，冲击钻在冲桩过程中也未发现泥浆液面下降等异常情况。设计混凝土方量66m3，实际灌注127m3，超方61m3。

5.2桩头塌陷

在后续开挖桩头时未发现桩基混凝土，且超方量较大，为查明地质情况，在塌陷桩位边补充三个钻孔：

ZK1，钻孔位置离桩外侧0.3m，靠北侧，在-47.3m处为灰岩，并揭露约1.2m大小的溶洞。

ZK2，钻孔位置在桩中心位置，在-2.1m位置发现桩头。

ZK3，钻孔位置离桩外侧1.0m，靠南侧，在-29.1m处发现混凝土，混凝土底标高-46.6m。钻孔在-47.7m处为灰岩，揭露约1.6m大小的溶洞。

6.成因及处理方法

6.1岩溶塌陷条件

岩溶塌陷是岩溶区地质环境条件长期发展与演变的结果，其形成条件十分复杂，影响因素很多，突发性和隐蔽性强。

早期研究者认为，岩溶塌陷的成因是潜蚀作用，潜蚀论是岩溶塌陷的传统成因论，不管是哪种成因机制，都离不开岩溶塌陷的三个形成条件：下部发育有可溶岩溶隙或洞穴（空间条件）、岩溶洞穴上方上部有一定厚度的盖层（物质条件）、致塌作用力（水动力条件）[1]。

（1）空间条件。岩溶是在极其漫长的时间中形成的。可溶岩中普遍存在的垂向岩溶是其上方岩土体在水渗入作用下的垂直通道，而层状岩溶、构造岩溶和层间岩溶，既是垂直通道运移来的物质在水动力作用下进一步运移的水平通道，也是当溶洞发展到一定规模时直接容纳冒落和塌陷物质的空间，它控制了岩溶塌陷的分布。简言之，洞隙是塌陷产生的基础，是地下水和塌陷物质的存储场所或通道。岩溶发育受断层、褶皱核部等构造控制，在破碎带附近以及可溶岩与非可溶岩的地层接触地带，岩溶一般比较发育，易形成溶洞。并且地下岩溶发育具有表层以垂向岩溶发育为主，深部以水文岩溶为主，形成了错综复杂的洞隙网络系统，垂向上的溶洞裂隙，是接受塌陷物质的门户和窗口，是塌陷产生的重要因素。

（2）物质条件。岩溶塌陷是盖层土体在各种致塌因素作用下所产生的塌落现象，溶洞土洞上方盖层的性质根据其胶结程度分为岩石和土石两类。岩石指各种坚硬岩石，裂隙发育，具破碎性；土石主要为散土石，是主要的塌陷盖层。

（3）水动力条件。具有空间条件和物质条件后，还需要一定的诱发因素才会触发塌陷，诱发因素一般是水动力的条件变化，包括地表水入渗、降水入渗或抽排地下水等引起的地下水位波动变化。因此，水动力条件的变化是岩溶塌陷的主导因素。地下水动力条件的改变，从某种程度上来讲就是使塌陷产生的作用力，即致塌力。这种力主要来自地下水位改变及水流产生的水、气作用力及岩土体的自重。当上覆盖层是因为地下水位的变化而被不断掏空致塌时，塌陷的成因则偏向于潜蚀论；当上覆盖层是因地下水位的变化所产生的吸引力而致塌时，塌陷成因则偏向于真空吸蚀论。而实际的塌陷中往往是这两种致塌因素共同作用形成的。总之，地下水动力条件的改变是塌陷形成的主要原因；而可溶岩浅部发育溶洞，上覆盖层较薄，力学性质较弱，则是塌陷发生必须具备的条件。只有上述条件同时具备，才有可能形成岩溶塌陷。

6.2成因分析

据勘探、物探和三维地质模型的研究分析，本桥梁桩基塌陷成因主要有以下几点：

（1）勘察资料表明，该桩基基岩上覆层为砂岩，下覆层为灰岩。且受东西向断层影响，基底岩层较为破碎，岩面起伏大，地质条件复杂；

（2）原设计桩底标高为-47.0m，处于砂岩和灰岩接触部位，下部灰岩顶板较薄，冲桩过程中极易引起頂板开裂；

（3）桩侧外钻孔揭露约17m的混凝土，根据物探资料推测，在南侧也存在溶洞或破碎带通道；

（4）桩头下沉约6.0m，不排除桩底存在岩溶空洞的可能性，但地质钻孔溶洞中未见砼填充，故混凝土超方主要由于南侧存在溶洞及少量塌孔的影响。

（5）桩基后续桩顶塌陷，是由于桩位处于砂岩和灰岩的不整合接触带，地质复杂，岩溶突变明显等原因造成。

6.3处理方法

根据前人研究成果[2，3]，本研究提出的处理应对方案为：

（1）因原桩已坍塌，建议冲孔重新成桩，桩基应穿透溶洞，按嵌岩桩设计；

（2）设计应对桩的承载力进行计算，需在桩中心进行超前钻或抽芯补钻，查明病害桩及处置桩的预计桩端3～5桩径的持力层情况；

（3）建议施工过程中外护筒穿过覆盖层，避免造成因地下水和溶洞影响，造成地面塌陷等地质灾害；