謝 琿,王德華

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

1 概述

南廣鐵路是以客為主的客貨混運(yùn)鐵路，旅客列車設(shè)計(jì)行車速度目標(biāo)值250 km/h，其中桂肇段全長284.92 km。該段巖溶發(fā)育區(qū)橋長約25.6 km，大部分為強(qiáng)發(fā)育巖溶。針對(duì)巖溶不同特點(diǎn)，采用明挖基礎(chǔ)、鉆孔灌注樁、打入樁等相應(yīng)的橋梁基礎(chǔ)類型和恰當(dāng)?shù)膸r溶處理措施，既可確保橋梁基礎(chǔ)安全，同時(shí)可避免出現(xiàn)施工安全問題，保證施工順利進(jìn)行，使工程投資和工期可控。結(jié)合南廣線巖溶橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，研究探討巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法和輔助處理措施。

2 巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)橋梁地基特點(diǎn)

巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)橋梁地基特點(diǎn)突出表現(xiàn)為線巖溶率高、溶腔大、呈串珠狀、覆蓋層中存在強(qiáng)透水層等。部分溶洞上下連通性好，為地下水與地表水之間流通提供了有利途徑，形成強(qiáng)透水帶，巖溶水富集。個(gè)別橋梁處于砂巖與灰?guī)r結(jié)合帶處，土洞發(fā)育，存在豎向高度大于90 m的溶蝕深槽。南廣鐵路典型巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)橋梁的地基特點(diǎn)見表1。

表1 典型巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)橋梁地基特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

3 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和分析

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前須對(duì)地基穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3.1 地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的目的是根據(jù)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈程度，選擇合理的基礎(chǔ)類型，確定恰當(dāng)?shù)膸r溶處理輔助措施。線巖溶率是巖溶地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)(表2)，某橋墩所在地基的線巖溶率=(該墩所有地質(zhì)鉆孔中的累計(jì)溶洞高度/灰?guī)r累計(jì)總進(jìn)尺)×100%[1]。

表2 巖溶地基穩(wěn)定性與線巖溶率

土洞由于沒有頂板巖層，容易受地下水、動(dòng)荷載等外部因素影響而向上擴(kuò)展，從而破壞地基穩(wěn)定性[2]。如巖土交界面存在土洞，應(yīng)視其規(guī)模相應(yīng)評(píng)價(jià)為不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定。

3.2 橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定性分析

橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定性包括覆蓋土層穩(wěn)定性及樁底持力層穩(wěn)定性。覆蓋土層的穩(wěn)定影響施工安全及進(jìn)度，同時(shí)也影響樁側(cè)土抗力、樁基水平剛度及明挖基礎(chǔ)安全。樁底穩(wěn)定性直接關(guān)系到持力層確定，合理確定持力層既可確保樁基礎(chǔ)安全，同時(shí)不致造成樁太長而增加投資。

4 基礎(chǔ)類型選擇和持力層穩(wěn)定性分析

巖溶發(fā)育區(qū)橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、溶洞發(fā)育形態(tài)、上覆土層性質(zhì)、橋墩荷載等諸多因素綜合考慮，本工程巖溶區(qū)橋梁的基礎(chǔ)形式有明挖基礎(chǔ)、鉆孔灌注摩擦樁、鉆孔灌注嵌巖樁、打入鋼管樁。

4.1 明挖基礎(chǔ)

地基評(píng)價(jià)為穩(wěn)定時(shí)，可采用明挖基礎(chǔ)。覆蓋層很淺的，基底直接置于灰?guī)r巖面，巖面表層溶溝、溶槽可補(bǔ)塊處理，淺層較小溶隙采取揭蓋灌混凝土填充處理。

中等穩(wěn)定時(shí)，一般需保證基底以下20 m范圍內(nèi)無溶洞。若20 m范圍內(nèi)存在單個(gè)小型溶洞時(shí)，需滿足頂板厚跨比大于2，頂板厚度大于5 m，否則應(yīng)參照?qǐng)D1分析頂板附加應(yīng)力，確定安全的覆蓋層厚度，必要時(shí)對(duì)溶洞進(jìn)行注漿加固處理。

圖1 摩擦樁持力層穩(wěn)定性分析圖示

明挖基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性好，但地基評(píng)價(jià)為不穩(wěn)定時(shí)不應(yīng)采用。

4.2 鉆孔灌注摩擦樁

地基評(píng)價(jià)為穩(wěn)定時(shí)，可采用摩擦樁。中等穩(wěn)定時(shí)，一般需保證樁底至溶洞頂大于20 m，對(duì)溶洞及樁底土采取注漿加固措施后，該距離可縮短至12 m。摩擦樁持力層的穩(wěn)定性分析，可采用群樁沉降計(jì)算的模型[3，4]。

圖1中σ為群樁樁底平面處的最大壓應(yīng)力，σ0為群樁樁底平面處土自重應(yīng)力，σz0為溶洞頂板上土自重應(yīng)力，σz為溶洞頂板上附加壓應(yīng)力。σz=α(σ-σ0)，α為應(yīng)力系數(shù)，可參考群樁沉降計(jì)算查表取值。溶洞內(nèi)無填充物或填充物無承載力時(shí)，計(jì)算的σz一般應(yīng)比σz0小一個(gè)量級(jí)(即σz<0.1σz0)，否則應(yīng)對(duì)溶洞頂板進(jìn)行檢算；溶洞內(nèi)填充物具有承載能力時(shí)，σz小于洞內(nèi)填充物的容許承載力可認(rèn)為是安全的。受承臺(tái)尺寸、樁基長度、土層情況、地下水情況影響，具體情況應(yīng)具體計(jì)算，經(jīng)對(duì)本線32 m跨度簡支梁基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)樁底至空洞的距離Z大于20 m時(shí)是較安全的。

摩擦樁樁底溶洞的處理，一般采取鉆孔灌沙、注漿填充固結(jié)的方式，必要時(shí)可對(duì)樁底土層進(jìn)行注漿加固。由于摩擦樁無需擊穿溶洞頂板穿越溶洞，施工進(jìn)度快、風(fēng)險(xiǎn)小，成孔成本也較小，但當(dāng)?shù)鼗u(píng)價(jià)為不穩(wěn)定、中等穩(wěn)定且覆蓋層較薄時(shí)應(yīng)按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

4.3 鉆孔灌注嵌巖樁

嵌巖樁具有安全性高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，是本線巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)橋梁廣泛采用的樁基形式。

(1)樁底溶洞頂板安全厚度研究

溶洞形態(tài)千變?nèi)f化，而鉆孔又僅僅是管中窺豹，溶洞形狀、頂板巖層節(jié)理裂隙分布及膠結(jié)情況很難完整確定。文獻(xiàn)資料中常用的計(jì)算模型有拱模型和梁板模型[5，6]，經(jīng)比較，按拱模型計(jì)算的頂板厚度較小，考慮到目前地勘手段的局限性，為安全起見，按梁板模型來分析頂板安全厚度。經(jīng)對(duì)單向板模型進(jìn)行抗彎、抗剪、沖切驗(yàn)算后，發(fā)現(xiàn)大跨徑溶洞頂板抗彎是控制頂板厚度的主要因素。

若樁底上覆土層厚度25 m、樁徑1.25 m、單樁豎向力6 000 kN，假定弱風(fēng)化灰?guī)r抗壓極限強(qiáng)度30 MPa、抗拉極限強(qiáng)度1.8 MPa。將不同的溶洞跨度條件下，頂板自重、上覆土層自重對(duì)頂板產(chǎn)生的拉應(yīng)力σ1與樁底荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力σ2進(jìn)行對(duì)比，可得出相對(duì)安全合理的頂板厚度。

圖2～圖5的對(duì)比數(shù)據(jù)顯示，頂板厚度3 m時(shí)，上覆土層及頂板自重產(chǎn)生的拉應(yīng)力σ1與樁底荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力σ2較接近，σ2數(shù)值大且隨溶洞跨徑增長快，可見頂板厚度3 m時(shí)安全系數(shù)?。欢?dāng)頂板厚度增大到5～6 m時(shí)，σ2將遠(yuǎn)小于σ1，當(dāng)σ1已經(jīng)接近灰?guī)r極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，σ2仍然維持在較低應(yīng)力水平且隨跨徑增長緩慢(占總應(yīng)力的12%～15%)。

通過計(jì)算統(tǒng)計(jì)，弱風(fēng)化灰?guī)r頂板厚度大于5～7 m(4～5倍樁徑)時(shí)，可作為常規(guī)簡支梁橋理想的樁底持力層，該結(jié)果也與以往工程推薦的經(jīng)驗(yàn)值吻合。

圖2 頂板厚度3 m時(shí)拉應(yīng)力對(duì)比

圖3 頂板厚度4 m時(shí)拉應(yīng)力對(duì)比

圖4 頂板厚度5 m時(shí)拉應(yīng)力對(duì)比

圖5 頂板厚度6 m時(shí)拉應(yīng)力對(duì)比

(2)特殊情況下持力層厚度研究

穿越多層串珠狀溶洞且各層溶洞頂板均較薄的樁基，可能在鉆孔深度范圍內(nèi)無法找到合適的持力層。巖溶區(qū)樁基施工時(shí)的漏漿塌孔可能破壞上覆土層的摩阻力，薄頂板能否提供有效端阻又存在不確定性，這時(shí)較保守的設(shè)計(jì)就是讓各層溶洞頂板的累計(jì)有效側(cè)阻Σf>單樁豎向荷載P。即相當(dāng)于將《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.5—2005)中柱樁容許承載力[P]=R(C1A+C2Uh)修改為[P]=RC2Uh[7]。

弱風(fēng)化灰?guī)r屬硬質(zhì)巖，地質(zhì)資料中完整灰?guī)r抗壓極限強(qiáng)度都大于30 MPa，但層厚較小的灰?guī)r承載力卻均進(jìn)行了折減，如折減后灰?guī)r抗壓極限強(qiáng)度取15 MPa，C2取較差值0.02，當(dāng)φ1.25 m樁穿越的串珠狀溶洞頂板累計(jì)有效厚度達(dá)6 m時(shí)(層厚大于1 m的頂板計(jì)入有效厚度)，樁基容許承載力約為7 540 kN，結(jié)果滿足φ1.25 m樁承載力要求。為確保安全，本線設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)要求樁底所在頂板厚度不小于3 m。鼎湖特大橋串珠狀溶洞處樁基設(shè)置如圖6所示。

圖6 鼎湖特大橋串珠狀溶洞處樁基設(shè)置(單位：m)

(3)嵌巖樁設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

由于溶洞的復(fù)雜多變，嵌巖樁經(jīng)常采用不等長樁，不等長樁各樁受力不均勻，短樁受力更為不利，樁基計(jì)算時(shí)需將水平力及對(duì)應(yīng)的彎矩反號(hào)重新組合后再計(jì)算一次，以防漏掉對(duì)短樁不利的控制工況；各樁入土深度值按樁頂至第一層溶洞頂板的深度取值；另外短樁剛度較大，承擔(dān)的剪力也較大，設(shè)計(jì)時(shí)注意根據(jù)計(jì)算結(jié)果加強(qiáng)短樁樁頂處箍筋及主筋的配置。

周邊鉆孔溶洞形態(tài)相差太大時(shí)，應(yīng)結(jié)合周邊鉆孔綜合分析可能的溶洞形態(tài)，避免將石筍尖當(dāng)作樁底持力層，必要時(shí)參考周邊巖面高程確定本鉆孔樁底高程。嵌巖深度要考慮巖面傾斜和表層風(fēng)化等預(yù)留富余量。

4.4 打入樁

本線鼎湖特大橋跨越長利涌河道段上部30～45 m為軟～硬塑狀沖洪積層，沖積層下伏灰?guī)r強(qiáng)溶蝕區(qū)，表現(xiàn)為串珠狀溶洞，串珠狀巖石層厚多為0.2～2.0 m，且大多小于1.0 m，灰?guī)r強(qiáng)溶蝕區(qū)往下為巨型溶洞，單孔鉆探深度達(dá)151 m未見底板，洞內(nèi)充填物主要為軟塑狀粉質(zhì)黏土，與灰?guī)r強(qiáng)溶蝕區(qū)結(jié)合部位局部有空洞[8]。

由于覆蓋層差、灰?guī)r溶蝕強(qiáng)烈、串珠狀溶洞頂板均很薄，所以找不到很理想的持力層。如采用鉆孔灌注樁，施工時(shí)的漏漿塌孔將擾動(dòng)破壞覆蓋層，施工風(fēng)險(xiǎn)極大，成孔措施費(fèi)用及工期不可控。經(jīng)比選，該區(qū)域部分橋墩采用了24根φ0.8 m及32根φ0.8 m打入開口鋼管樁。如圖7所示。

圖7 跨越長利涌段典型斷面(單位：cm)

《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.5—2005)中打入樁容許承載力公式未考慮開口樁的擠土效應(yīng)及樁端閉塞效應(yīng)，可將其修正為[P]=1/2(U∑αiλsfili+λpARα)，其中λs為側(cè)阻擠土效應(yīng)系數(shù)，λp為樁端閉塞效應(yīng)系數(shù)，根據(jù)以往試驗(yàn)研究成果[9]，φ0.8 m的開口鋼管樁λs取0.87，持力層深度與樁內(nèi)徑之比大于5時(shí)，λp取0.8λs。經(jīng)計(jì)算，長利涌河道段鋼管樁[P]在2 400～3 000 kN范圍。

為保證樁端閉塞效應(yīng)的發(fā)揮，使樁側(cè)及樁底形成整體持力層，樁底應(yīng)盡量不擊穿溶洞頂板，而是支立于巖面或巖面附近，并對(duì)樁底與巖面之間空隙和樁尖鋼管內(nèi)5 m范圍的土體進(jìn)行注漿加固。對(duì)于已穿透溶洞頂板支立于下一層溶洞頂板上的樁，要求對(duì)被穿透的溶洞吹沙填充，同時(shí)對(duì)被穿透的溶洞頂板以上樁周覆蓋層進(jìn)行注漿封閉及加固。

經(jīng)采用錨樁反力梁法對(duì)2根試驗(yàn)樁進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，豎向靜載最大加載量可達(dá)6 000 kN，滿足設(shè)計(jì)要求并留有安全富余。打入樁雖不是巖溶地區(qū)橋基的常規(guī)方法，但在某些特殊地段，既能避免鉆孔時(shí)漏漿塌孔對(duì)覆蓋層摩阻力的破壞及施工風(fēng)險(xiǎn)，也可節(jié)省成孔措施費(fèi)。

5 巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)橋梁基礎(chǔ)輔助施工措施研究

巖溶區(qū)橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)基礎(chǔ)類型、巖溶形態(tài)、持力層情況等確定巖溶處理輔助措施，才能估算巖溶處理費(fèi)用。巖溶處理的常用措施有拋填片石夾黏土、單層或多層鋼護(hù)筒跟進(jìn)和注漿。

5.1 拋填片石夾黏土

樁基礎(chǔ)穿越有充填溶洞或洞徑較小的空洞時(shí)，采用拋填片石夾黏土穩(wěn)固孔壁成孔的方法較經(jīng)濟(jì)，片石黏土比例一般采用1∶1。鉆孔過程中應(yīng)分層面填黏土和片石，經(jīng)反復(fù)沖砸成孔。具體拋填數(shù)量可按圖8根據(jù)溶洞高度H進(jìn)行估算。有填充的溶洞可按空洞填充數(shù)量的60%估算[10]。

圖8 拋填數(shù)量估算圖示

5.2 單層或多層鋼護(hù)筒跟進(jìn)成孔

樁基礎(chǔ)穿越單個(gè)大溶洞成孔較困難時(shí)，可采用單層鋼護(hù)筒跟進(jìn)。

溶洞頂板覆蓋有軟土、松軟土及砂、卵礫石時(shí)，鉆孔過程中容易發(fā)生漏漿坍孔、埋鉆，可采用單層鋼護(hù)筒跟進(jìn)至巖面或不易坍塌土層。

樁基礎(chǔ)穿越串珠狀溶洞，單層鋼護(hù)筒跟進(jìn)成孔困難時(shí)，可采用多層鋼護(hù)筒跟進(jìn)方法成孔[11]，各層鋼護(hù)筒直徑按10 cm逐級(jí)遞增，內(nèi)外護(hù)筒間以水泥漿填充。

5.3 注漿

溶洞較深不適合采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)，而拋填后又難以成孔時(shí)，可采取注水泥漿預(yù)處理。注漿也適用于對(duì)基底一定范圍內(nèi)巖溶地基的加固。

當(dāng)預(yù)判溶洞較大時(shí)，可先鉆孔灌石子和砂后再注漿固結(jié)。為防止?jié){液流失造成浪費(fèi)，應(yīng)采用間歇注漿方式，使先注入的漿液與砂子初步達(dá)到膠結(jié)后再繼續(xù)注漿。當(dāng)注入率較大時(shí)可摻入一定量的粉土或粉煤灰，粉土摻入量<水泥質(zhì)量的10%，粉煤灰摻入量為水泥質(zhì)量的20%～50%。使用以純水泥漿為主的單液注漿，水泥采用PO 32.5級(jí)水泥，水灰比為0.6∶1～1∶1。注漿壓力為0.2～0.4 MPa(孔口壓力表讀數(shù))，終注壓力0.2～0.5 MPa。當(dāng)連續(xù)注漿10 min的注入率不大于5 L/min時(shí)，可終止注漿。

注漿量估算公式P=V×β×α/m，其中：V=A×L×η[12]。

式中P——注漿折合水泥質(zhì)量，t；

V——巖溶注漿體積，m3；

β——巖溶中水泥結(jié)石充填系數(shù)，空洞β=1，充填溶洞β=0.7～0.2；

α——漿液損失系數(shù)，注漿加固范圍較大時(shí)取1.1，范圍較小時(shí)取1.2；

m——水泥結(jié)石率，根據(jù)溶洞充填物情況一般采用0.6～0.9；

A——注漿控制面積，m2，按最外側(cè)的注漿孔連線后向外偏移2 m計(jì)算；

L——注漿段長度，m，注漿孔深度范圍內(nèi)灰?guī)r厚度+交界面處土層加固厚度0.5 m；

η——巖溶率或土層裂隙率，一般可采用線巖溶率。

5.4 巖溶處理綜合措施

遇到巖溶強(qiáng)發(fā)育地基時(shí)，經(jīng)常要幾種措施綜合運(yùn)用，才能保證施工順利進(jìn)行，采用單一措施往往功效很低。

以類似圖6的地層情況為例，上覆強(qiáng)透水性土層，下伏串珠狀溶洞。該情況可預(yù)先對(duì)樁底空洞進(jìn)行灌砂，再注漿固結(jié)灌入物。為防止漏漿塌孔引發(fā)地表強(qiáng)透水層塌陷，可采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)至不透水層。鉆孔時(shí)如泥漿面持續(xù)快速下降，泥漿比重降低，則立即拋填片石夾黏土填充，基本穩(wěn)定后再反復(fù)沖砸成孔。

6 結(jié)語

南廣鐵路巖溶區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，針對(duì)不同的巖溶特點(diǎn)，采用不同的分析方法、基礎(chǔ)形式和處理措施，解決了巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)橋梁設(shè)計(jì)難題，大大節(jié)省了工程費(fèi)用，縮短了工期，確保了南廣鐵路巖溶橋梁基礎(chǔ)安全和施工順利完成。

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