复杂地质条件下岩溶区特大桥桩基施工关键技术

2022-07-06柳学伟

地质灾害与环境保护 2022年2期

柳学伟

中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401121)

我国岩溶地区分布面积广[1]，按可溶岩分布面积计达344×104km2，岩溶地区约占国土面积的三分之一[2]。近年来，随着一带一路建设的推进，西部岩溶地区工程建设激增，工程中如何正确有效的处理岩溶地质问题，保障工程安全，成为学术界与工程界关注的焦点[3]。

针对桩基稳定性问题，国内外学者通过理论分析[4]、数值模拟[5]和试验模型[6]进行了大量研究。李金良[7]采用非线性有限元分析软件ABAQUS对不同溶洞顶板厚度的单桩承载特性进行数值模拟，分析顶板厚度对单桩极限承载力以及变形的影响规律；董芸秀等[8]依托平顶山市西斜立交桥实体工程进行竖向静载试验，研究了岩溶区桥梁桩基的承载特性；赵明华[9]研究基桩嵌岩段侧阻力对安全厚度影响，结合工程实例重点分析了顶板厚跨比对抗弯安全厚度的影响。

云南省北部某高速公路全长24.13 km，桥梁基础为桩基础。根据地质勘察报告，桥梁范围岩溶强烈发育，岩溶形态为石芽、溶沟、溶槽、溶洞、局部为土洞，由软～可塑状黏性土填充、半填充、空腔。桥址区地质情况复杂，地下水位低，对桩基稳定性影响较大，桩基础稳定与施工质量成为桥梁质量控制的关键环节。鉴于此，本文分析了桩基荷载作用下溶腔上部最小安全厚度，提出了桩基区溶洞分类处理措施，介绍了某特大桥桩基施工流程，研究成果可为岩溶区桥梁桩基施工提供借鉴。

1 工程概况与地质环境

云南省北部某高速公路主要工程包括隧道8座，桥梁17座，互通5座。某特大桥是全线的控制性工程，桥梁全长1 458 m，桥面平均高度约60 m，最大桥高约222 m。桥梁起点高程1 291 m，终点高程1 298 m。某特大桥纵断面采用-2.5%和0.5%组合的凹曲线纵坡，大桥横断面采用双向四车道，分离式桥面全宽12.55 m，净宽11.45 m，整体式桥面全宽25.5 m，净宽2×11.45 m。基础采用钻孔灌注桩，因地形条件较差及环保要求较高，实际施工采用人工挖孔桩成孔工艺施工。

桥址区西岸岩层走向为115°～145°，倾向北东，倾角20°～24°,岩层走向与坡面呈大角度斜交；东岸岩层走向为115°～150°，倾向北东，倾角14°～30°，岩层倾向坡内。构造形迹主要表现为节理、层理、裂隙、小断层等。

桥位区地下水类型主要为松散土层孔隙水及基岩裂隙水、岩溶水，不具承压性，富水性弱，主要受大气降水补给，向沟谷或地形低洼处排泄，地下水位埋藏较深。其中9号、10号桥墩位于河谷边缘，纵坡、横坡坡度均较陡，地面距江底高差约40.0～55.0 m，坡面上覆残坡积含碎石粉质黏土，厚度为2.8～6.8 m，下伏基岩为灰岩，呈中风化，节理、裂隙发育，岩体较破碎，坡面侵蚀较严重，岩溶强发育，分布多处溶洞。

2 岩溶处理技术

据地质勘察报告及类似桥梁施工经验，本工程可能出现溶洞有两种：一是小型土质溶洞类型，二是岩石类型溶洞。溶洞场地发育类型分为岩溶强发育、岩溶中等发育、岩溶弱发育等，岩溶地基类型分为溶洞地基、溶沟地基、溶蚀地基、土洞地基等。本工程岩石类型溶洞多以无填充或少量填充物为主，同时有部分填充型溶洞，与发育强烈裂隙伴生，填充物多为含碎石黏土和黄土。

2.1 岩石类溶洞

在岩溶地区桩基设计施工中，一般采用端承桩，即桩底直接作用在岩石顶面，溶洞顶板稳定性直接影响工程安全(图1(a))。溶洞岩板稳定性受到溶腔体积、桩基直径、桩基上部荷载、岩石的极限承载力等因素影响。下伏溶洞条件下桥梁桩基桩端力学模型可简化为受差异荷载q和q1的四周简支圆板模型(图1(b)和图1(c))。

图1 溶洞顶板简化模型

首先单独考虑桩基荷载作用，然后考虑顶板均布荷载作用。利用弹性理论知识，建立小挠度薄板弯曲的基本微分方程，如式(1)。

(1)

通过求解，式(1)的通解如下式：

ω=C1lnr+C2r2lnr+C3r2+C4+ω1

(2)

式中,ω为圆板挠度；ω1为任意特解；C1～ C4为任意常数，取决于边界条件。

根据弹性力学对薄板问题的解答，其挠度表达式可表示为：

(3)

式中,R为岩板的的半径。

在桩基荷载q单独作用下，满足位移边界条件：

(4)

将式(4)带入式(3)，求得圆板的挠度方程：

(5)

(6)

(7)

考虑土体作用在顶板上的应力为q1，即顶板受到满布q1的均布荷载，根据式(7)可计算在土体作用下顶板的最大应力如式(8)所示：

(8)

顶板的最大应力为式(7)与式(8)的叠加，结果如式(9)所示：

(9)

安全起见，假定岩板的极限应力为极限抗拉强度，由式(9)可求溶洞顶板容许安全厚度，如式(10)所示:

(10)

由式(10)可知，桥基岩板安全厚度主要受岩体质量、溶腔体积、桩基半径影响。

2.2 溶洞处理措施

当桩基通过溶洞时，可根据溶洞的类型，采用不同的加固处理措施。

(1) 填充型溶洞

填充型溶洞大部分揭露为含泥量、含水量较大的碎石泥土夹层，遇到该类溶洞时，可采用护壁加厚(50 cm)，护壁钢筋加密等方式进行处理(图2)。

图2 填充型溶洞处理护壁加厚示意图

(2) 岩层中空腔型溶洞

对于中空腔型溶洞，需要根据空腔高度进行分类处理。当空腔溶洞高度小于4 m，横向发育较大时，采用砌墙处理(图3)。首先开挖到溶洞底部，凿打平整孔底，清除虚土、软土、淤泥，若溶洞内有泥浆或者水溢出的，需进行抽水。孔底清理完毕后开始处理溶洞，沿溶洞边的孔壁四周砌筑1 m厚浆砌片石或砖墙体，留出50 cm厚的护壁空间，兼顾护壁的外模。

图3 小于4 m高空腔型溶洞处理示意图(单位：mm)

墙体砌筑完毕后，绑扎加固护壁的钢筋，再用固定模板，内直径为挖孔桩的直径大小，护壁厚度为50 cm厚。采用与桩身混凝土强度相同等级的C30混凝土浇筑。混凝土浇筑完成后停止作业，待混凝土强度达到70%后继续作业，施工护壁后按此方法继续进行护壁施工，直至溶洞全部处理完毕，恢复正常人工挖孔施工。

当空腔溶洞高度大于4 m，横向发育较大时，采用钢护筒处理。钢护筒分节高度1.5～2 m，壁厚根据溶洞高度计算确定。先开挖到溶洞底部，凿打平整孔底，清除虚土、软土、淤泥，然后逐节安装钢护筒，接头采用焊接。钢护筒上部与岩层间孔隙采用砂浆填筑密实。

(3) 桩基侧壁溶洞

对于桩基侧壁发现的溶洞，无法施工护壁的情况下，在大概探明溶洞的走向后，采用C15素混凝土进行回填，回填高度超过揭示溶洞顶面，待混凝土到达设计强度后，重新开挖桩孔。

3 桩基成孔技术

3.1 工艺原理

由于桥基区地层为中风化灰岩，强度70～90 MPa，溶蚀现象发育。经对比分析，选用三一重工SR415R-H10旋挖钻，其最大输出扭矩415 kN·m，最大钻孔深度110 m，能满足高强度岩层地质条件钻孔作业。采用“掏心钻”分级钻进工艺成孔，对溶蚀地质针对性采取回填石渣、素混凝土、安装钢护筒方式处理。

3.2 施工准备

钻孔前将场地用挖机进行整平，清除杂物，更换软土，碾压密实，承压面必须坚实平整，满足旋挖钻机的施工场地要求。场地整平的大小要能满足钻机的放置及混凝土运输车等协调工作的要求。

3.3 埋设护筒

护筒采用2 cm的钢板制作而成，护筒直径大于桩基直径10 cm，护筒高度为2～6 m，护筒中心与桩位中心的偏差不大于50 mm，垂直度偏差不大于1%，保证钻机沿着桩位垂直方向顺利工作。护筒高出地面0.5 m。

3.4 成孔工艺

采用掏心钻成孔工艺，各级钻头钻孔中，钻孔作业应先慢后快，开始每次进尺宜为400～500 mm，确认地下是否有不利地层，进尺5 m后如钻进正常，可适当加大尺寸，每次控制在700～900 mm。在钻进过程中，操作人员应记录成孔过程的各种参数，如钻进深度、地质特征、机械设备损坏、障碍物等情况。旋挖钻机配备电子控制系统显示并调整钻杆的垂直度，同时在钻进过程中用垂线法观察钻杆的垂直度，通过电子控制和人工测量两个方面来保证钻孔的垂直度。桩基终孔后采用平底进行清孔，沉渣厚度满足设计及规范要求。

3.5 旋挖钻成孔岩溶处理措施

遇到填充型溶洞，且填充物稳定时，正常钻进即可；当填充物具有软塑或流塑形态时，孔壁自稳较差时，减少分级直径的进尺差，零星塌孔采用C15素混凝土回填，强度达到10 MPa以上时重新钻进；如塌孔严重，孔壁无法自稳，则需采用钢护筒处理。

遇到竖向空腔型溶洞时，钻至溶洞底部，观察溶洞四周有无出口，如有出口，则用C15素混凝土回填至溶洞顶部，待混凝土达到5 MPa以上时重新钻进；如无出口，在溶洞平面超出桩身范围低于0.5 m，则无需处理，和桩身一起灌注即可;当溶洞平面位置较大，超出桩身范围0.5 m以上时，则用C15素混凝土回填至溶洞顶部，待混凝土达到5 MPa以上时重新钻进。

遇到较大溶洞(高度大于5 m)，回填混凝土无法填满时或成本较大时，则应采用钢护筒进行处理。