山区高速公路岩溶地质桥梁桩基处理方案分析

马 雷,张 浩

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 合肥市 230088)

0 引言

山区岩溶结构较为复杂,岩溶顶部较脆弱,破碎、开口的情况经常发生,我国岩溶分布广、面积大,桩基施工是地下工程,容易出现漏浆、塌孔、断桩、埋钻、卡钻、钻孔偏斜等情况,施工不当可能引发安全事故。桩基是桥梁体系的根基,支撑整个桥梁结构,由于个体差异,岩溶区桩长取值有较大的区别,有的比较激进,有的比较保守;针对岩溶区桥梁桩基,多数工程师单独从设计理念或者施工手段进行了深入的研究,勘察、设计和施工并未形成一个完整体系[1],在这样的背景下,探究山区桥梁溶洞桩基的处理方法具有重要现实意义。文章以宜宾至昭通高速公路二期工程为切入点,分析岩溶地区桥梁桩基设计的核心问题和施工过程中溶洞处理的关键技术、控制要点。

1 工程概述

宜宾至昭通高速公路项目地处云贵高原与四川盆地的结合部,地形起伏大,不良地质以岩溶为主。主线全长42.89km,灰岩区长度21.41km,主线桥26座,其中岩溶区桥梁14座。桩基施工中遇溶洞较多,部分桩基施工至原设计桩底高程后,物探或钎探结果表明桩底一定深度范围内存在溶洞,影响桥梁结构安全,需对桩基进行加深;部分桩基桩身范围内遇到溶洞、迟迟不入岩或者嵌岩深度不够,产生较多的桩长调整。2022年7月8日,宜昭高速公路二期正式通车运营。

2 岩溶地质桥梁桩基处理

2.1 岩溶地质勘察

(1)岩溶区桥梁地质勘察应根据确定的线位和构筑物位置,每个墩台勘探钻孔数量不少于2个,必要时应结合物探进行综合勘探,对物探异常区适当钻孔验证,岩溶发育复杂的桥位,应逐桩进行钻探,提供完整地质信息,并对桥梁桩基设计和岩溶治理提出建议。

(2)钻孔应穿过溶洞进入稳定岩土层,一般性桩基础勘探应深入预计桩端平面以下不小于1～3倍桩径并且不小于4m;端承桩的钻孔应深入不小于 3～5倍桩径。

(3)岩溶为地下隐蔽的不良地质条件,岩溶洞隙空间形态复杂,按照现行规范及勘探技术还难以完全准确查明,只能代表性勘探,应加强动态设计,加强勘察技术人员与设计人员交流互动及技术交底,加强地质分析与定量评价,以便合理确定桩基方案。

2.2 桩基设计

桥梁墩台尽量选择在岩溶发育弱、洞穴层数少、顶板稳固、受岩溶水影响小的地段,必要时可根据地质勘察成果优化桥梁跨径布置或基础形式,灵活设计,确保桥梁建设安全及提高投资效益[2]。

2.2.1岩溶地区的桩基设计原则

(1)岩溶地区桩基应按照承载能力极限状态以及正常使用极限状态进行设计,验算溶洞顶板厚度的稳定性和安全性。

(2)根据地形地貌、地质状况、施工设备、现场条件,结合类似工程确定适宜的桩型。

2.2.2岩溶地区桩基尺寸、长度设计

岩溶地区桩径应兼顾一座桥尽量统一,特别是桩柱式桥墩,一座桥中直径不宜超过3种[3-4]。当桩端持力层溶洞顶板跨度小于8倍桩径,宜满足:

d≥L-2htanθ

(1)

式中:d为岩溶地区嵌岩桩桩径;L为顶板跨度;h为顶板厚度;θ为岩石应力扩散角。

桩基长度可以按照以下三种情况来确定:

(1)桩位处开孔后即进入弱风化岩层,采用端承桩设计,嵌岩深度需结合溶洞顶板厚度综合确定,桩基入土深度保持在冲刷线以下6m。

(2)开孔后未直接进入弱风化岩层,存在单个或者多个岩土覆盖层,可以先按照摩擦桩验算岩土覆盖层的承载力,若覆盖层不能支撑上部荷载,则采用端承桩设计,桩基需进入岩层。

(3)桩位处开孔后迟迟未进入弱风化岩层,存在一定厚度的岩土覆盖层,若岩层以上各地层能够支撑上部荷载,可采用摩擦桩设计,不需要入岩。

2.2.3桩基嵌岩深度和顶板厚度取值分析

山区岩溶地质桩基设计应按照“嵌岩深度宜浅不宜深,优先保证顶板安全厚度”的原则[5-6]:桩端入岩深度和溶洞顶板厚度两个因素相互制约时,在满足承载力条件下,嵌岩深度不宜过长,一般不大于3倍桩径,同时桩基入岩深度不宜小于1倍桩径或者2m,具体应根据桩位处覆盖层情况、基岩特性、溶洞发育情况综合确定最优取值。山区地形复杂,起伏多变,桩基中心线距离斜坡面不小于4d(桩基直径)才能计入有效嵌岩深度,如图1所示。

图1 桩基嵌岩深度示意图

关于顶板厚度的确定,可以采用以下2种方法。

(1)桩端持力层抗剪强度确定法

V≤0.07dhfc

(2)

式中:V为抗剪承载力;fc为顶板岩石的单轴抗压强度设计值;d为岩溶地区嵌岩桩桩径;h为溶洞顶板的厚度。

(2)顶板抗弯承载力确定法

σ≥6KM/Bh2

(3)

式中:σ为岩石弯曲应力的允许值;K为抗弯承载力的安全系数;M为顶板弯矩;B为溶洞顶板的宽度;h为溶洞顶板的安全厚度。

结合本项目,一般可以根据桩侧摩阻力占桩基总承载力的比例按照表1取值[7-8]。

表1 溶洞顶板的安全厚度取值

2.3 溶洞处理方案

常见的溶洞处理方法有回填法、压浆法、钢护筒跟进法、旋喷注浆加固法等,在满足施工条件、保证工程质量和安全的条件下,对不同类型的溶洞采取不同的处理方法[9]。基于上述原则,结合本项目工程实践,溶洞处治方法如表2所示。

表2 不同类型溶洞常见处理方法

3 工程案例分析

(1)回龙沟大桥右幅桥台7-0桩基为端承桩,桩径1.6m,长度为17m。现场挖至孔深11.73m时,发现孔底左侧有溶洞发育,测线量测深度约14m,面积约1～2m2,如图2～图3所示。

图2 桥台7-0桩位处溶洞现场照片

图3 桥台7-0桩位处溶洞示意图(单位:cm)

结合现场勘察,对该溶洞先采用低标号混凝土填充密实处理,然后继续施工,配合跟进动态设计。实际揭露地质情况为11.73～15.12m范围内为混凝土填充物,15.12～38m范围内为碎石土填充物,38～40m为中风化灰岩。经核查承载力满足要求,桩侧摩阻力占比大于50%,地质雷达孔底岩溶探测显示顶板厚度≥4m,满足要求,最终按照40m桩长浇筑终孔。

(2)鱼井村2号大桥(右线桥)2号桥墩为薄壁空心墩,承台下设置四根桩基,其中2a-1桩基施工过程中,孔深16m处漏浆一次,采用回填粘土处理;继续施工进入全填充溶洞(深度5m),在孔深21m和24m处均出现漏浆现象,采用灌注C20混凝土处理;孔深24.2m处进入中风化灰岩,孔深26.7m处浇筑终孔,嵌岩深度2.5m,根据原位钻孔地层信息显示孔底5m范围内无溶洞,顶板厚度满足要求,承载力满足要求。桩位处钻孔信息如图4所示。

图4 桥墩2a-1桩基原位钻孔地层信息示意图(单位:m)

(3)牛街特大桥(右幅)主墩采用双肢薄壁空心墩,墩身最高达135m,基础为群桩基础,单个桥墩承台下设置15根桩基,直径均为2.0m,如图5所示。

图5 牛街特大桥(右幅)主桥桥型立面图(单位:cm)

右幅8号墩10号桩基开挖至孔深14m时出露溶洞,溶洞面积约26m2(4m×6.5m),溶洞内无填充物,有滴水状岩溶裂隙水,溶洞穿越13号桩基。根据现场勘查溶洞走向,溶洞区下部采用石渣回填封堵,靠近桩基约3m位置溶洞区采用C15混凝土回填密实,如图6～图7所示。

图6 右幅8号墩溶洞处理示意图

图7 右幅8号墩溶洞现场照片

4 溶洞处理关键技术和控制要点

(1)处理串珠状溶洞,宜自上往下进行,确保每一层的溶洞不漏浆。对于高度较大的有填充溶洞,可采用旋喷帷幕或者压注水泥砂浆进行预处理,处理范围控制在桩身外侧0.5～1.0m范围。

(2)单个溶洞采用一层钢护筒,两个溶洞用双层护筒并以此类推;单层护筒内径大于桩直径10cm;多层护筒外面一层内径大于内层护筒外径10cm,并以此类推[10]。

(3)对于持力层裂隙发育强烈,岩性较差的情况,可采取后注浆技术处治措施。在桩端后注浆中,应以注浆量为主控因素,以注浆压力为辅控因素,具体结合岩层发育情况控制。

(4)处理裂隙发育较丰富的大型溶洞可先采用4～8cm连续粒径的级配碎石进行填充,形成阻隔层,然后压注低标号混凝土;压注过程中应对地表位移及高程进行监测;处理完成后应钻孔抽芯检测溶洞充填的致密性以及填充体的强度,若有空洞应采取措施充填密实。

(5)为确保压注混凝土能够有效地固结成块,可采用分层分次方式压注,即压注进去的混凝土达到初凝后再进行第二次进料,如此反复压注。

5 结语

(1)文章依托宜昭高速岩溶地质桩基设计到施工完成的实际情况,总结了桩基岩溶地质勘察的目标和主要内容,分析了桩基尺寸、长度和桩基嵌岩深度、顶板厚度的取值原则。

(2)结合具体案例给出了对于不同类型的溶洞采取的处理方法,分析了施工过程中溶洞处理的关键技术、控制要点。

(3)岩溶区桥梁工程中,应根据地质条件制定科学合理的设计、施工方案,并优化桩基施工工艺。