广清城际北延线岩溶桩基设计总结

张子为

摘要 广清城际北延线位于粤北岩溶强发育区，全线以高架敷设为主，复杂岩溶条件下的桥梁桩基设计是勘察设计工作中的重难点。根据项目地质环境特点，总结了岩溶桩基勘察设计过程中的常见问题，结合实例浅析了类似地质条件下的桩基选型原则，对岩溶区普遍存在的不等长桩基受力及溶洞顶板安全厚度两大最常见设计问题进行数学分析，以典型案例计算为引总结分析相关受力规律并提出了指导性设计方法。

关键词 岩溶地区;基础设计;不等长桩;溶洞顶板

中图分类号 U443.1 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）10-0135-04

0 引言

我国约 1/3 国土面积地处岩溶区，尤以西南及其周边分布最为密集。因岩溶区地质特点导致该区域工程勘察难度大、基础施工风险高、建设成本代价大[1-4]。文章以粤北岩溶强发育区的广清城际铁路北延线工程为例，总结分析了此类环境中基础设计的的一些问题及处理原则，梳理了项目勘察设计过程中的一些代表性案例，对规范中尚无明确规定的不等长桩基受力及溶洞顶板安全厚度的问题予以计算分析，为类似工程的设计及施工提供一定参考。

1 工程概况

广清城际北延线（以下简称该项目或该线）位于粤北清远市境内，线路全长19.736 km，设计标准为时速200 km无砟无缝城际铁路，全线以高架桥梁敷设为主，桥梁长度占比为87.85%;结合地质情况，全线桥梁均采用桩基础。

沿线主要揭露的地层有第四系全新统（Q）人工堆积层与冲洪积层、泥盆系上统（D）泥质粉砂岩、炭质页岩、粉砂岩及石灰岩。线路所经区域属华南褶皱系粤中拗陷带，位于花县凹褶断束北部，不良地质主要以覆盖性岩溶为主。岩溶发育情况定测期间判定为中等-强烈，随着进场后逐步补勘，揭露的强发育岩溶墩台比例进一步提高。此外部分墩台位于灰岩-砂岩交界段，基岩非常破碎，溶洞体量明显偏大，岩面起伏大，甚至出现同一承台半边不足30 m见岩而另一半80 m仍未见岩的情况。该线灰岩覆盖层以全风化泥质粉砂岩居多，该层风化岩强度较好，但遇水易崩解，在地下水作用下，易在岩土界面形成土洞，一旦受到施工扰动，则快速失稳坍塌，施工安全风险高。

2 岩溶区桥梁工程勘察

目前铁路工程岩溶区桥梁地勘按照分步实施、动态调整的原则开展。优先实施角桩，并依此初判溶洞发育情况，若揭露岩溶中等或强烈发育则适当增孔补钻。该方式在钻探初期有效保障了勘察效率，但随着地质核查及施工补勘的深入开展，纯靠角桩控制的方式暴露了一些问题。

（1）该项目青榄海特大桥某墩12根桩定测期间仅钻了四个角桩，未发現有溶洞，但该墩前后墩台岩溶均为强烈发育。实际施工时，施工单位按照溶洞不发育选择了泥浆比重偏低、护壁效果较差的旋挖钻工法，钢护筒下放长度也偏短，在实施某无钻孔桩基时，因潜伏溶洞顶板破裂，导致塌孔、地表塌陷。后经逐桩补钻，7根桩揭露有溶洞，岩溶发育情况为中等-强烈。

（2）该项目燕湖新城西特大桥某墩首次地勘仅在4、5号桩中心施钻，其中4号钻孔未考虑临近5号孔溶洞横向发育的可能，应设计专业要求在4号桩边缘靠近5号孔方向补钻一孔，实勘证明溶洞已经侵入原拟定的桩底区域，若仅按自身钻孔确定桩底标高，拟设计桩底距离溶洞顶板底仅不足3 m，承载力难以保证。

针对与上述问题，该项目增加了强发育岩溶区的桩基钻探量，设计时除了考虑桩基自身钻孔资料外，也充分结合临近钻孔情况综合判断溶洞分布，必要时通过孔位微调、补增钻孔的方式强化了斜岩、大溶洞边界的探测。

3 岩溶区桥梁基础设计

3.1 基础类型选择

根据基础与覆盖层、灰岩层的位置关系，可分为接触岩面和非接触岩面两类。前者以嵌入灰岩的柱桩为主，后者以摩擦桩、扩大基础、沉井基础等为主，基础结构本身不接触灰岩，不扰动灰岩天然平衡状态，充分利用岩体长年累月自重作用下的稳定性。

采用非接触岩面的基础方案要非常慎重，以摩擦桩为例，首先要确保下卧灰岩层整体完整稳定，在基础附加应力下不致引起岩体顶板垮塌失稳;其次桩底距离岩土界面要保持足够距离，一是减少桩基对下层灰岩的扰动，二是前文提及岩土界面处有一定概率出现土洞，尤其是地下水丰富、灰岩表层破碎时，更要保证足够的安全距离。同时即便设计成摩擦桩，也应开展逐桩钻探排查土洞存在的可能性。

参照建筑基础规范[5] “当基础底面以下的土层厚度大于三倍独立基础底宽，或大于六倍条形基础底宽，且在使用期间不具备形成土洞的条件时，可不考虑岩溶对地基稳定性的影响”，结合项目特点，认为覆盖层经钻探排查无土洞发育且桩底距离灰岩顶面超过3倍承台短边宽度，同时下方的灰岩层溶洞顶板厚度超过3 m时，可考虑设计为摩擦桩，若下层溶洞顶板较厚、溶洞内为全填充、灰岩覆盖层为不透水土层时，可适当放宽桩底距岩面最小距离的要求。同时桩基布置上宜采用小桩径、多根数的布置方式，以缩短桩长分散应力。

作为无砟轨道，沉降变形也是控制基础设计的关键。采用摩擦桩时除了要验算整体沉降外，还应结合基底下岩面起伏情况判定是否会因桩底压缩层厚度不同导致同一承台的差异沉降。北江特大桥某墩承台一侧深度约32 m见岩，另一侧超过70 m深仍未见岩。即便通过增加桩数可保证桩长28 m时桩基承载力及整体沉降满足要求，但由于承台横向两侧桩基桩底压缩层厚度差异，承台横向将产生约7 mm的沉降差，即0.01 rad的倾角，最终综合分析后，通过调跨避让了该处不利地质。

当溶洞始终呈串珠状分布，桩基无法进入完整基岩时，也可考虑设计为嵌岩的摩擦桩。承载力计算时，仅统计灰岩层内各溶洞隔板的累计有效侧阻力，一般认为有效的隔板厚度不应小于1 m，并取消桩底竖向抗力，按照[P]=RCUh计算。以常见的1.25 m桩基为例，C按0.02取值，R值在该线均值基础上适当折减取用15 MPa，经计算当灰岩层内溶洞隔板累计厚度超过6 m时，桩基承载力基本超过设计控制上限值7 000 kN，满足受力要求，同时出于安全，还应保证桩底立于隔板厚度不小于3 m的完整岩层上。

3.2 不等长桩的受力计算

灰岩区桩基受岩面起伏、溶洞分布影响，同一承台各桩长难以一致，目前群桩桩基主要采用基于等桩长的“m法”计算，面对不等长桩，仍按等长桩计算得出的桩基内力和实际情况会存在一定差异，以项目中常见的8根1.0 m嵌岩桩为例，分别建立等长与不等长群桩有限元模型，m值取用5 000 kPa/m，桩土间不考虑竖向约束，水平约束按土弹簧计，等长桩桩长30 m，不等长桩25～36 m不等，但平均长度30 m。

分别在墩顶施加纵、横及竖向力，两种情况桩基受力对照情况如图1、图2、图3。

由图可见：（1）由于短桩刚度高，内力分配上明显长度更短的桩基分配的内力更多。其中墩顶水平力下分配的差异较大，桩顶竖向力最大差异超过20%，而墩顶竖向力下两者最大差异为6.5%。

（2）水平力产生的弯矩主要由群桩竖向反力平衡，因此等长与不等长桩基弯矩结果差异不大，不超过1%。

（3）由于不等长桩各桩刚度不同，纯竖向力作用下，桩身会产生额外的弯矩和剪力。该内力大小一方面取决于桩长差异，另一方面与土层 m值及桩径有关，经测算提高桩径至1.25 m，弯矩值提了43%，维持桩径不变，提高 m值至7 500 kPa/m弯矩值提高了8%。

目前铁路设计院在群桩计算时普遍采用“空间桩基优化设计绘图程序”（B89），该程序在计算时也考虑了各桩的差异性。结合该项目中较常见的（32+32）m简支梁桥墩具体受力情况，选取两组控制性荷载组合，对比等长桩基及不等长桩基分别按B89和有限元计算的差异。

经计算B89与有限元计算结果基本吻合，两者误差不超过3.6%。鉴于B89计算便捷，误差可控，对不等长桩基的计算可在该项目上推广使用。但无论采用何种方式计算，不等长桩与等长桩基桩顶力均有较大差异，采用B89计算时最大误差9.3%，采用有限元计算时最大误差12%。因此岩溶区桩基桩长度差异较大时必须单独验算分析。

3.3 溶洞顶板安全厚度及稳定性判断

铁路橋梁基础规范[6]中尚无关于岩溶区溶洞顶板安全厚度的明确规定或计算方法，公路桥涵基础规范[7]中提出溶洞顶板厚度不宜小于3d。部分文献[8-9]结合试验数据及理论分析，提出了将溶洞顶板视为板、梁结构，验算其抗弯、抗剪及抗冲切能力，并提出了相对简化的计算方法。为了便于了解溶洞顶板承载力的规律，找出适合该项目常规情况下合理的顶板厚度，参照上述文献中按板、梁模式的简化算法进行对比分析。计算模型分别按圆形等厚板、正方形等厚板及宽梁考虑，约束情况按照全部简支及全部固定分别计算，计算公式如图4。

该项目灰岩区常规简支梁段落桩基主要以1.0 m和1.25 m桩径为主，岩面深度基本超过20 m，根据嵌岩桩受力机理，桩端承担的荷载随着桩长增加而逐渐减少，目前尚无明确的分担比例，出于保守，计算时按照1.25 m桩径，桩底分担5 000 kN计算各种模式的承载能力，泊松比取0.26。按照不同计算方法及不同顶板跨度依次计算顶板厚度2～6 m范围的岩石最大拉应力。

由图5可见，按简支宽梁和圆形固结板计算的顶板应力明显异于其他模式。同时当顶板厚度超过4.5 m后，各模式厚度-应力曲线基本趋于平缓，说明顶板厚度对顶板应力的影响逐步变小。当厚度超过4.5 m后，按圆形简支板、矩形简支板、矩形固结板、固结宽梁模式计算的结果非常接近，且顶板最大拉应力均低于500 kPa。取用上述成果相对一致的四种模式里略偏保守的圆形简支板进一步分析不同溶洞跨度条件下各顶板厚度对应力的影响时发现，随着顶板的增厚，不同顶板跨度下的应力差异越来越小，当顶板厚度超过4.5 m时，跨度60 m与20 m最大拉应力差160 kPa，当顶板厚度达到6 m时，二者仅差90 kPa。

以上计算从板、梁受力情况推拟了溶洞顶板的受力状态，虽然计算参数的选取可能会与实际溶洞形态及岩石物理性质有一定出入，且计算时未考虑覆土压力、多桩基作用等情况，但结合参考文献中的一些试验数据，能够基本明确溶洞顶板承载力的共性规律：

（1）溶洞顶板承载力仅与板、梁的尺寸、约束情况及材料有关，与溶洞洞高无关。承载力特点类似板、梁结构，随着溶洞顶板厚跨比的增加而提高。

（2）根据部分仿真分析[10]，同一顶板跨度下，桩基承载力随着顶板厚度增加而增加，但当顶板厚度超过3倍桩径时，承载能力增幅平缓。该节计算分析中也得出了类似结论，即顶板厚度超过4.5 m（约3倍桩径）顶板应力受溶洞跨度影响较小，该结论与《公路桥涵地基与基础设计规范》中建议的3d安全厚度基本吻合。

由于岩溶区岩石完整程度及溶洞顶板真实状态很难精确判断，任何计算方法与实际情况都会存在一定出入，因此该项目常规简支梁段落嵌岩桩在规范建议值基础上适当提高标准，除需满足桩底距离溶洞顶板底层不小于3d的基本要求外，当桩长按摩擦桩计算承载力无法满足要求时，还应执行桩底距离溶洞顶板底不小于5 m（连续梁等大跨结构单独分析）。

4 结束语

该文基于广清城际北延线勘察设计及施工过程中的一些具体情况，总结了岩溶区桩基常见问题的解决思路和处理原则。就受力分析中比较关注的不等长桩基及溶洞顶板稳定性进行了定量分析，梳理了其力学规律，并提出了便于设计的参考数据。通过对该项目的技术总结，进一步指导项目后续工作的开展，同时也为类似工程的设计及施工提供一定参考。

参考文献

[1]谢珲， 王德华. 岩溶强发育区桥梁基础设计研究[J]. 铁道标准设计， 2013（6）： 76-80.

[2]雷勇 刘泽宇 邓加政. 洞跨对下伏空洞岩石地基极限承载力影响研究[J]. 应用力学学报， 2021（5）： 1792-1800.

[3]柏华军. 考虑溶洞顶板自重时桩端持力岩层安全厚度计算方法[J]. 岩土力学， 2016（10）： 2945-2952.

[4]铁路工程不良地质勘察规范： TB10027—2012[S]. 北京：中国铁道出版社， 2012.

[5]建筑地基基础设计规范： GB50007—2011[S]. 北京：中国建材工业出版社， 2012.

[6]铁路桥涵地基和基础设计规范：  TB10093—2017[S]. 北京：中国铁道出版社， 2012.

[7]公路桥涵地基和基础设计规范： JTG3363—2019[S]. 北京：人民交通出版社， 2019.

[8]谢富贵. 岩溶地区桥梁桩基承载特性研究[D]. 西安：长安大学， 2007.

[9]王革立. 岩溶地基嵌岩桩桩基特性分析于试验研究[D]. 长沙：中南大学， 2002.

[10]谢书萌. 基于有限差分法的下伏岩溶对桩基承载特性的影响[J]. 长江科学院院报， 2019（4）： 77-81.