蘇海亮

摘要：廣東巖溶地區(qū)某高速公路橋梁樁基礎(chǔ)已灌注完畢，該區(qū)域地下巖溶較為發(fā)育，貫通性較好。在施工期間，灌樁超方量較大，后續(xù)開挖樁頭時(shí)未發(fā)現(xiàn)樁基混凝土，地面也出現(xiàn)一定范圍的開裂，因此，塌陷是巖溶地區(qū)普遍存在的一種不良地質(zhì)現(xiàn)象，在巖溶設(shè)計(jì)、施工時(shí)不可掉以輕心，本研究提出了相應(yīng)的處理方法。

關(guān)鍵詞：橋梁；巖溶區(qū)；失穩(wěn)塌陷；處理方法

1.前言

巖溶區(qū)樁基失穩(wěn)塌陷是公路常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，前人圍繞著公路巖溶地區(qū)的發(fā)育規(guī)律、成因及處理方案開展了大量的研究工作[1，2]，相關(guān)的研究成果為生產(chǎn)實(shí)踐提供了重要的指導(dǎo)和技術(shù)支撐。在廣東省內(nèi)，巖溶區(qū)某公路橋梁樁基已灌注完畢，在沖樁過程中未出現(xiàn)泥漿液面下降，但灌注時(shí)發(fā)現(xiàn)混凝土超方和后續(xù)的樁頂塌陷，樁位地表也出現(xiàn)了沉降和開裂，根據(jù)檢測結(jié)果，在設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高以下6m處發(fā)現(xiàn)了樁身混凝土。鑒于此，本研究以廣東省巖溶區(qū)某公路橋梁樁頂失穩(wěn)塌陷為例開展了成因及處理方案的研究，旨在為類似工程提供一定的借鑒。

2.區(qū)域概況

橋位地處珠三角沖積平原區(qū)，跨越雅瑤水道，橋梁長約700m，水道長約140m，最大水深4m，勘察期間潮差約1m～2m，地形平坦，地面標(biāo)高1.0m～5.7m。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造為東西向高要—惠來構(gòu)造帶，位于恩平—新豐褶斷構(gòu)造帶中段，產(chǎn)狀310°～330°∠40°～60°，力學(xué)性質(zhì)主要為壓扭或張扭，最早發(fā)生于加里東期，主要活動于中生代以來，至今仍在活動。長約120km，沿?cái)嗔褍蓚?cè)巖相及構(gòu)造線方向均不同，斷裂面發(fā)育硅化角礫巖及糜棱巖化構(gòu)造巖，角礫巖帶寬6m～10m，局部20m～100m。

此斷裂從線路終點(diǎn)附近側(cè)通過，與線位大角度相交，主要造成構(gòu)造影響帶附近巖體破碎，巖石風(fēng)化不均勻，硅化角礫巖帶明顯，對擬建路線穩(wěn)定性有一定的影響，應(yīng)加強(qiáng)邊坡的支護(hù)，同時(shí)，注意橋梁柱狀的軟弱夾層等問題。

橋位區(qū)覆蓋層主要為第四系素填土、砂土層、海陸交互相淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；基底由白堊系含礫砂巖、灰?guī)r及其風(fēng)化層組成，場地基巖面起伏較大，具風(fēng)化倒置現(xiàn)象，屬工程地質(zhì)條件屬復(fù)雜類型。

3.水文地質(zhì)與工程地質(zhì)

3.1水文地質(zhì)

3.1.1地下水類型及特征

根據(jù)地下水的形成條件和賦存特征，將調(diào)查區(qū)地下水類型分成三類，即松散巖類孔隙水、碳酸鹽類裂隙巖溶水及基巖裂隙水。

（1）松散巖類孔隙水。項(xiàng)目區(qū)主要含水層由第四系河流沖積砂礫土、卵礫土、砂土、粉土、砂質(zhì)黏土組成，表層有灰褐色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。該類土體結(jié)構(gòu)松散，以孔隙水潛水為主，富水性較強(qiáng)，涌水量受控于松散堆積層的厚度。其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層為弱透水層，砂礫石層為強(qiáng)透水層。

（2）碳酸鹽類裂隙巖溶水。項(xiàng)目區(qū)主要分布于珠江三角洲沖積平原區(qū)，面積較大，巖溶化強(qiáng)度各地不一，順層發(fā)育甚為顯著，富水程度差異明顯，碳酸鹽巖裂隙溶洞水含水層為石磴子組和測水組灰?guī)r，季節(jié)變化大，多呈窄條狀隱伏于第四系之下。地下水以裂隙、巖隙、巖溶管道、落水洞的形成運(yùn)移和儲存，與上部的第四系孔隙水、基巖風(fēng)化裂隙水有水力聯(lián)系，含水量大，一般埋藏較深。

在通常情況下，在沒有外力作用時(shí)，巖溶水處于一種相對平衡狀態(tài)，一旦在各種外來因素影響下打破這種平衡，巖溶水就會沿巖溶通道（溶洞、巖溶裂隙、溶蝕裂隙等）產(chǎn)生高速流動，并攜帶部分松散物質(zhì)（如砂粒、黏粒）一起流動，在不利條件組合下（如上部荷載較大、上部頂板較薄、頂部壓力突然被減弱、與相鄰含水層連通且相鄰含水層徑流加強(qiáng)等）就會引起地面沉陷、塌方以及巖溶水突頂?shù)痊F(xiàn)象。

（3）基巖裂隙水。賦存在白堊系泥質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖中，其層理、片理、節(jié)理、裂隙發(fā)育。裂隙潛水富水程度相對較低，深部多為構(gòu)造裂隙，表層主要賦存網(wǎng)狀裂隙水，下部則為脈狀裂隙水，呈不連續(xù)分布。由于巖石結(jié)構(gòu)不同，風(fēng)化帶因地而異，水量微弱—中等。

3.1.2地下水補(bǔ)給、徑流、排泄

區(qū)內(nèi)地下水比較豐富，這與該區(qū)的近海洋性氣候、地貌、降水量有關(guān)。地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄，主要取決于兩點(diǎn)，即自然地理及構(gòu)造地貌條件。地下水的補(bǔ)給以大氣降水、河流為主，其他方式局限。徑流受地形地貌控制，流向與河流走向完全一致。排泄方式主要包括：向區(qū)外側(cè)向徑流、向河流排泄及局部蒸發(fā)等。

3.1.3地下水的動態(tài)

工作區(qū)地下水具有顯著的年變化規(guī)律，每年4～9月出現(xiàn)1～2次水位高峰，9月后隨著降水和灌溉回歸水的減少，水位緩慢下降，常在1月出現(xiàn)水位低谷。此外，第四系松散巖類孔隙水水位埋藏較淺，每次暴雨后水位迅速上升，一般10h左右達(dá)到水位峰值，水位年變化幅度1m～4m，而孔隙承壓水動態(tài)亦受季節(jié)的影響，但比潛水變化幅度小?；鶐r山區(qū)裂隙泉流量年變化幅度一般3～5倍，最大達(dá)38倍。巖溶平原區(qū)地下水受大氣降水影響大，降水時(shí)變化速度快、變幅大。

3.2工程地質(zhì)

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料結(jié)合勘探成果，在本項(xiàng)目區(qū)內(nèi)，隱伏巖溶位于第四系之下，局部呈串珠狀，巖溶的埋藏深度變化較大，規(guī)模大小不一，洞高0.8m～15.7m，一般都有充填物，充填物為流塑狀粉質(zhì)黏土、砂夾卵石等。全線遇洞率59.0%，場地巖溶屬強(qiáng)發(fā)育，線巖溶率8.0%～49.5%，樁基巖溶屬中等～極強(qiáng)發(fā)育。

橋位塌陷區(qū)在標(biāo)高4.57m～-14.93m為第四系覆蓋層，依次為素填土、粉質(zhì)黏土、中砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土，標(biāo)高-14.93m～-24.93m為全風(fēng)化含礫砂巖，標(biāo)高-24.93m～-47.2m為強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖，標(biāo)高-47.2m～-61.4m為中風(fēng)化碎裂灰?guī)r，存在串珠狀溶洞。

4.場地穩(wěn)定性評價(jià)

4.1天然狀態(tài)

巖溶場地穩(wěn)定性劃分為四類：極不穩(wěn)定場地、不穩(wěn)定場地、中等穩(wěn)定場地、穩(wěn)定場地。

橋位于巖溶屬于中等—極強(qiáng)發(fā)育區(qū)，具有多層土層結(jié)構(gòu)，根據(jù)定性分析，舊路營運(yùn)多年，大型貨車車流密集，路面未出現(xiàn)明顯裂縫、塌陷等情況，說明在天然狀態(tài)下，該路段巖溶是處于穩(wěn)定狀態(tài)的。

式中h——崩壞拱高度或垂直荷載的高度（m）

S——圍巖類別

W——洞穴寬度影響系數(shù)，其值為W=1+i（B+5）

其中B——隧道開挖寬度（m），采用溶洞或異常點(diǎn)高度

i——系數(shù)。當(dāng)B<5m時(shí)，i=0.2；當(dāng)B≥5m時(shí)，i=0.1。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法，全線選取代表性的5個(gè)鉆孔進(jìn)行計(jì)算，得出5個(gè)鉆孔溶洞崩壞拱高度h=15.55m～21.1m。鉆孔溶洞崩壞拱高度h/溶洞高度比=1.48～19.44。說明該路段天然地基處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2施工狀態(tài)

樁基施工時(shí)，將潛水與基巖裂隙水、巖溶水等連通，改變了地下水的埋藏條件，導(dǎo)致水文地質(zhì)條件改變，天然狀態(tài)穩(wěn)定的溶洞可能會失穩(wěn)。表層的粉細(xì)砂層通過鉆孔流失到土洞或溶洞，在地表施工或車輛震動的情況下，地面會出現(xiàn)一定的塌陷。

5.塌陷情況

5.1灌注超方

樁基設(shè)計(jì)樁徑1.3m，樁頂標(biāo)高3.8m，樁底標(biāo)高-46m，設(shè)計(jì)樁長49.8m，護(hù)筒標(biāo)高5.525m，設(shè)計(jì)孔深51.525m，采用沖擊鉆沖擊成孔，地質(zhì)資料揭露該樁位處無溶洞、裂隙等不良地質(zhì)現(xiàn)象，沖擊鉆在沖樁過程中也未發(fā)現(xiàn)泥漿液面下降等異常情況。設(shè)計(jì)混凝土方量66m3，實(shí)際灌注127m3，超方61m3。

5.2樁頭塌陷

在后續(xù)開挖樁頭時(shí)未發(fā)現(xiàn)樁基混凝土，且超方量較大，為查明地質(zhì)情況，在塌陷樁位邊補(bǔ)充三個(gè)鉆孔：

ZK1，鉆孔位置離樁外側(cè)0.3m，靠北側(cè)，在-47.3m處為灰?guī)r，并揭露約1.2m大小的溶洞。

ZK2，鉆孔位置在樁中心位置，在-2.1m位置發(fā)現(xiàn)樁頭。

ZK3，鉆孔位置離樁外側(cè)1.0m，靠南側(cè)，在-29.1m處發(fā)現(xiàn)混凝土，混凝土底標(biāo)高-46.6m。鉆孔在-47.7m處為灰?guī)r，揭露約1.6m大小的溶洞。

6.成因及處理方法

6.1巖溶塌陷條件

巖溶塌陷是巖溶區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件長期發(fā)展與演變的結(jié)果，其形成條件十分復(fù)雜，影響因素很多，突發(fā)性和隱蔽性強(qiáng)。

早期研究者認(rèn)為，巖溶塌陷的成因是潛蝕作用，潛蝕論是巖溶塌陷的傳統(tǒng)成因論，不管是哪種成因機(jī)制，都離不開巖溶塌陷的三個(gè)形成條件：下部發(fā)育有可溶巖溶隙或洞穴（空間條件）、巖溶洞穴上方上部有一定厚度的蓋層（物質(zhì)條件）、致塌作用力（水動力條件）[1]。

（1）空間條件。巖溶是在極其漫長的時(shí)間中形成的?？扇軒r中普遍存在的垂向巖溶是其上方巖土體在水滲入作用下的垂直通道，而層狀巖溶、構(gòu)造巖溶和層間巖溶，既是垂直通道運(yùn)移來的物質(zhì)在水動力作用下進(jìn)一步運(yùn)移的水平通道，也是當(dāng)溶洞發(fā)展到一定規(guī)模時(shí)直接容納冒落和塌陷物質(zhì)的空間，它控制了巖溶塌陷的分布。簡言之，洞隙是塌陷產(chǎn)生的基礎(chǔ)，是地下水和塌陷物質(zhì)的存儲場所或通道。巖溶發(fā)育受斷層、褶皺核部等構(gòu)造控制，在破碎帶附近以及可溶巖與非可溶巖的地層接觸地帶，巖溶一般比較發(fā)育，易形成溶洞。并且地下巖溶發(fā)育具有表層以垂向巖溶發(fā)育為主，深部以水文巖溶為主，形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的洞隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，垂向上的溶洞裂隙，是接受塌陷物質(zhì)的門戶和窗口，是塌陷產(chǎn)生的重要因素。

（2）物質(zhì)條件。巖溶塌陷是蓋層土體在各種致塌因素作用下所產(chǎn)生的塌落現(xiàn)象，溶洞土洞上方蓋層的性質(zhì)根據(jù)其膠結(jié)程度分為巖石和土石兩類。巖石指各種堅(jiān)硬巖石，裂隙發(fā)育，具破碎性；土石主要為散土石，是主要的塌陷蓋層。

（3）水動力條件。具有空間條件和物質(zhì)條件后，還需要一定的誘發(fā)因素才會觸發(fā)塌陷，誘發(fā)因素一般是水動力的條件變化，包括地表水入滲、降水入滲或抽排地下水等引起的地下水位波動變化。因此，水動力條件的變化是巖溶塌陷的主導(dǎo)因素。地下水動力條件的改變，從某種程度上來講就是使塌陷產(chǎn)生的作用力，即致塌力。這種力主要來自地下水位改變及水流產(chǎn)生的水、氣作用力及巖土體的自重。當(dāng)上覆蓋層是因?yàn)榈叵滤坏淖兓徊粩嗵涂罩滤鷷r(shí)，塌陷的成因則偏向于潛蝕論；當(dāng)上覆蓋層是因地下水位的變化所產(chǎn)生的吸引力而致塌時(shí)，塌陷成因則偏向于真空吸蝕論。而實(shí)際的塌陷中往往是這兩種致塌因素共同作用形成的?？傊叵滤畡恿l件的改變是塌陷形成的主要原因；而可溶巖淺部發(fā)育溶洞，上覆蓋層較薄，力學(xué)性質(zhì)較弱，則是塌陷發(fā)生必須具備的條件。只有上述條件同時(shí)具備，才有可能形成巖溶塌陷。

6.2成因分析

據(jù)勘探、物探和三維地質(zhì)模型的研究分析，本橋梁樁基塌陷成因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）勘察資料表明，該樁基基巖上覆層為砂巖，下覆層為灰?guī)r。且受東西向斷層影響，基底巖層較為破碎，巖面起伏大，地質(zhì)條件復(fù)雜；

（2）原設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高為-47.0m，處于砂巖和灰?guī)r接觸部位，下部灰?guī)r頂板較薄，沖樁過程中極易引起頂板開裂；

（3）樁側(cè)外鉆孔揭露約17m的混凝土，根據(jù)物探資料推測，在南側(cè)也存在溶洞或破碎帶通道；

（4）樁頭下沉約6.0m，不排除樁底存在巖溶空洞的可能性，但地質(zhì)鉆孔溶洞中未見砼填充，故混凝土超方主要由于南側(cè)存在溶洞及少量塌孔的影響。

（5）樁基后續(xù)樁頂塌陷，是由于樁位處于砂巖和灰?guī)r的不整合接觸帶，地質(zhì)復(fù)雜，巖溶突變明顯等原因造成。

6.3處理方法

根據(jù)前人研究成果[2，3]，本研究提出的處理應(yīng)對方案為：

（1）因原樁已坍塌，建議沖孔重新成樁，樁基應(yīng)穿透溶洞，按嵌巖樁設(shè)計(jì)；

（2）設(shè)計(jì)應(yīng)對樁的承載力進(jìn)行計(jì)算，需在樁中心進(jìn)行超前鉆或抽芯補(bǔ)鉆，查明病害樁及處置樁的預(yù)計(jì)樁端3～5樁徑的持力層情況；

（3）建議施工過程中外護(hù)筒穿過覆蓋層，避免造成因地下水和溶洞影響，造成地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害；

（4）周邊超方嚴(yán)重的樁基建議進(jìn)行樁側(cè)補(bǔ)充勘察，根據(jù)勘察成果進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)算。

7.結(jié)論

本研究主要得到的結(jié)論如下：

（1）本次勘察采用了鉆探、物探以及三維地質(zhì)建模等手段，所采用的方法正確、適當(dāng)，所取得的成果客觀、準(zhǔn)確地反映了橋梁塌陷區(qū)工程地質(zhì)條件，地質(zhì)資料滿足塌陷區(qū)橋梁設(shè)計(jì)的要求；

（2）塌陷區(qū)可溶性灰?guī)r屬于巖溶相對發(fā)育區(qū)，巖面埋藏深度起伏變化很大，巖溶的發(fā)育無一定的規(guī)律，場區(qū)工程地質(zhì)條件屬于復(fù)雜場區(qū)；

（3）塌陷是巖溶區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件長期發(fā)展與演變的結(jié)果，突發(fā)性和隱蔽性強(qiáng)。無論如何復(fù)雜，都離不開三個(gè)形成條件：下部發(fā)育有可溶巖溶隙或洞穴（空間條件）、巖溶洞穴上方上部有一定厚度的蓋層（物質(zhì)條件）、致塌作用力（水動力條件）；

（4）樁基澆筑混凝土過程中超方和后續(xù)樁頂塌陷，是由于樁位處于砂巖和灰?guī)r的接觸帶，地質(zhì)復(fù)雜，存在不整合接觸面，巖溶突變明顯等原因造成。建議在原樁位進(jìn)行地質(zhì)勘察后，沖孔重新成樁，樁基應(yīng)穿透溶洞，按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

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