胡 偉

（蘇交科集團股份有限公司貴州分公司,貴州 貴陽 550081）

0 引言

巖溶是我國西南地區(qū)廣泛存在的一種不良工程地質，在建設橋梁工程時不可避免地會穿越溶洞。尤其是在強烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)，地層結構復雜，溶洞發(fā)育機理復雜，溶洞內一般無填充物或以流塑填充物為主，給橋梁工程的勘察和設計帶來了許多不利。如果選擇的勘察技術不合理，溶洞勘察結果不準確，無法為橋梁基礎設計提供可靠的依據(jù)。同時，如果橋梁基礎設計方案不合理，會給橋梁工程的建設和運營帶來安全隱患，嚴重的會導致橋梁坍塌或傾覆，造成一定的人員傷亡和經(jīng)濟損失[1]。如何降低巖溶、確保樁橋梁工程的安全已成為亟待解決的難題。因此，進一步研究強烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)的橋梁勘察方法和基礎設計要點具有十分重要的工程意義。

1 巖溶發(fā)育區(qū)橋梁勘察要求及主要勘察方法

1.1 巖溶區(qū)勘察要求

在巖溶發(fā)育地區(qū)，溶洞的存在會給橋梁設計帶來了一定的困難。橋梁基礎在設計之前，需結合《公路工程地質勘察規(guī)范》（JTG C20—2011），選擇合理的勘察方法查明橋位處的溶洞分布情況。巖溶勘察按不同階段可分為可行性研究勘察、初步勘察、詳細勘察、施工勘察。不同勘察階段的要求如下[2]：①可行性研究勘察階段，應查明巖溶洞隙、土洞發(fā)育條件，對場地穩(wěn)定性和工程建設適宜性做出初步評價；②初步勘察階段，要查明巖溶洞隙的發(fā)育程度和發(fā)育規(guī)律，對場地穩(wěn)定性和工程建設適應性進行分區(qū)；③詳細勘察階段，要查明擬建橋梁工程范圍內的各種巖溶洞隙位置、規(guī)模、埋深及地下水特征等，為溶洞處理和橋梁基礎設計提供合理建議；④施工勘察階段，主要是針對施工期間發(fā)現(xiàn)的與勘察設計不符的問題。

1.2 巖溶區(qū)勘察方法

1.2.1 工程鉆探

工程鉆探是巖溶區(qū)橋梁勘察最常用的方法，不僅能夠查明鉆孔附近地層條件，還可利用鉆取的巖土芯樣開展室內試驗，獲得巖土體的各種物理力學參數(shù)。按照破碎巖土體方法的不同，可將鉆探設備分為回轉鉆探（利用鉆桿將扭矩傳遞至鉆頭鉆進）、沖擊鉆探（利用鉆具沖擊破碎巖土層鉆進）、振動鉆探（利用鉆桿將振動器激發(fā)的振動力傳遞到鉆頭鉆進）、沖洗鉆探（利用高壓射水破壞孔底土層鉆進）。相關工程實踐經(jīng)驗表明，公路工程勘察中回轉鉆探法效果最佳，應優(yōu)先選擇。條件不允許，再選擇其他鉆探方法。

1.2.2 地球物理勘探

巖溶區(qū)橋梁勘察最常用的地球物理勘探技術是高密度電阻率法和地質雷達法[3]。

高密度電阻率法：該方法是利用巖土體電阻率差異來區(qū)分巖性，識別巖土體的空間分布特征。和常規(guī)電阻率法測試原理基本相同，主要區(qū)別在于測點密度。高密度電阻率法使用大規(guī)模集成電路，電極覆蓋范圍更廣，能獲取豐富的地質信息，且數(shù)據(jù)采集和收錄基本實現(xiàn)了自動化，減少了人為因素引起的誤差。高密度電阻率法處理測試信息的主要步驟如下：繪制等值斷面圖→二維反演軟件擬合→抽取測深曲線，給出初步的物理模型→繪出物探地質解釋斷面。

探地雷達法（GPR）：探地雷達是利用高頻短脈沖電磁波來探測巖土體的一種勘探方法，測試效率高、精確度高、可視化強。探地雷達工作原理如圖1所示：發(fā)射天線將高頻電磁波以脈沖形式送入地下，經(jīng)地下巖土體反射后回到地面，被接收天線接收。反射信號經(jīng)增益調節(jié)和濾波處理后，可得到不同地層的雷達剖面圖像。探地雷達測試效果的好壞與巖土體介電常數(shù)的取值密切相關，介電常數(shù)越大，探地雷達越敏感。一般情況下空氣的介電常數(shù)取1，巖石的介電常數(shù)在4～20（具體參數(shù)可根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗標定），水的介電常數(shù)取81。

圖1 探地雷達工作原理示意

1.2.3 遙感技術和原位測試

遙感技術是基于電磁輻射理論，是利用探測器接收巖土體輻射來的電磁波數(shù)據(jù)，并傳遞到地面接收站處理成遙感圖像，以此來識別溶洞巖區(qū)地貌形態(tài)和溶洞發(fā)育情況，尤其適用于裸露型巖溶地區(qū)。

巖溶區(qū)公路橋梁工程勘察中常用的原位測試技術包括靜力觸探、標準貫入試驗、動力觸探試驗等，施工簡單，成本較低，測試效率高。比如靜力觸探技術能夠查明第四紀覆蓋層中是否存在隱蔽土洞、土洞規(guī)模大小和具體埋藏位置等。

綜上可知，每種勘察技術都有一定的優(yōu)勢和缺陷。強烈?guī)r溶區(qū)的溶洞在空間上的發(fā)育上具有不均勻性和不確定性，如果在進行勘察時只采用某一種勘察方法探測溶洞形態(tài)，可能導致對巖溶、裂隙等發(fā)育情況認識不足，無法作為橋梁基礎設計的依據(jù)，使得施工期間出現(xiàn)大變更，延誤施工工期，對工程造價控制也是不利的。因此，建議強烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)的橋梁勘察要將工程鉆探與地球物理勘探、原位測試、遙感技術等相結合，全面分析巖溶發(fā)育特點，提高勘察水平。

2 巖溶發(fā)育區(qū)橋梁基礎設計要點

2.1 工程概況

該文依托貴州省江口至都格高速公路甕安至開陽段高速公路項目，分析強烈發(fā)育區(qū)橋梁基礎的設計要點。公路路線全長48.5 km，設計荷載為公路—I級，主線為雙向4車道，位于山區(qū)地帶，地形地貌起伏大，工程地質和水文地質復雜，地下水豐富，雨水較充足，年平均降雨量約1 216 mm，主要集中在7—10月份。

2.2 橋梁擴大基礎設計要點

花梨互通A匝道橋，上部結構采用3×18.5 m的普通鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁，橋面鋪裝10 cm，與路線正交，下部構造采用“柱式墩+擴大基礎、肋式臺+擴大基礎”。根據(jù)施工圖勘察資料，0號橋臺處有溶洞，地層從上至下雜填土、卵石土、黏土、灰?guī)r。溶洞上的覆蓋土層厚，頂板完整性好，但雜填土、卵石土的承載力不足（160 kPa），需換填強度高的碎石或砂礫并分層壓實。

擴大基礎的換填厚度d可按式（1）計算[4]：

式中，Q——換算荷載（kN/m）；[σ]——溶洞填充物的基本承載力（kPa）；b——換填材料頂面寬度（m）；β——換填材料的應力擴散角，一般取25°。

2.3 橋梁樁基礎設計要點

2.3.1 樁型選擇

橋梁樁基形式應根據(jù)溶洞分布情況確定。對于埋藏深度淺的溶洞，樁基可直接跨越，并以溶洞下的堅硬巖土層作為持力層，按端承樁設計；對于溶洞埋深＞設計樁長，且裂隙發(fā)育、溶蝕現(xiàn)象明顯的路段，溶洞頂板承載能力差，不宜將溶洞頂板作為持力層，可按摩擦樁進行設計；對于溶洞埋深大，頂板完整性好的路段，如果“頂板安全厚度”滿足規(guī)范要求，可按端承樁設計，否則仍按摩擦樁設計。

高枧互通A匝道橋上部結構采用9×40 m預應力混凝土T梁，橋面鋪裝10 cm，與路線交角90°，下部構造為“柱式墩+樁基、肋式臺+樁基”。根據(jù)施工圖勘察資料，地層從上至下雜填土、卵石土、黏土、灰?guī)r，物理力學性質如表1所示：

表1 不同地層力學指標

溶洞位于灰?guī)r地層中，溶洞頂埋深在15.6～32.3 m，因此，一部分樁基需端承樁設計（樁基以溶洞頂板為持力層），一部分樁基需按摩擦樁設計（樁基穿越溶洞）。

2.3.2 溶洞頂板厚度計算

對于摩擦樁，不需要驗算溶洞頂板安全厚度。而端承樁主要是靠樁端阻力來承擔橋梁荷載，如果溶洞頂板厚度過小，端承樁可能刺穿頂板，使橋梁產(chǎn)生不均勻沉降失穩(wěn)，影響橋梁在建設或運營期間的安全性。該文對溶洞頂板安全厚度H常用的驗算方法及適用條件進行了歸納總結，見表2[5]。

表2 溶洞頂板安全厚度的計算方法

2.3.3 樁間距、基樁根數(shù)計算

樁間距：強烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)的橋梁樁基間距不宜過大或過小。橋梁樁基間距過大，會導致承臺面積大，相應的混凝土體積也都過大，圬工體積增加，很大程度上提高了工程造價；橋梁樁基間距過小，不僅會導致樁基施工困難，豎向承載力也不能充分發(fā)揮。結合項目設計經(jīng)驗，建議強烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)的橋梁樁基設計中心距取2.5倍樁徑。

基樁根數(shù)計算：

（1）承臺軸心受壓時，基樁根數(shù)可根據(jù)單樁豎向承載力特征值估算，見式（2）：

式中，R——單樁豎向承載力特征值（kN）；F——作用在承載豎向力特征值（kN）；G——承臺及承臺上土的重力（kN），重度按20 kN/m3計算；n——樁基礎根數(shù)。

（2）承臺偏心受壓時，群樁形心與豎向合力作用點一致，樁基礎根數(shù)按上式計算；群樁形心與豎向合力作用點不同，把上式計算的樁基礎數(shù)量額外增加10%～20%即可。

2.3.4 樁基強度驗算

強烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)的橋梁樁基礎通常是選用鋼筋混凝土灌注樁，即利用機械鉆孔、在孔內放置鋼筋籠并灌注混凝土而成。在軸心荷載作用下，鋼筋混凝土灌注樁的樁身截面強度用式（3）驗算[6]：

式中，R——樁基豎向承載力（kN）；φ——構件穩(wěn)定系數(shù)，非擠土灌注樁干作業(yè)施工取0.9，其他工況取0.8；Ap——樁基礎橫截面面積（m2）；As——樁基礎縱向鋼筋截面面積（m2）；fc——樁基礎混凝土抗壓強度（kPa）；fy——樁基礎縱向鋼筋抗壓強度（kPa）。

在偏心荷載作用下，應先計算樁身所承受的最大彎矩及最大彎矩所在的位置，再結合《混凝土結構結構設計規(guī)范》（DG310—2020）確定樁身主筋面積和最小配筋率。如果橋梁樁基礎長期水平力作用，還要對樁身裂縫寬度d進行驗算，要求d≤0.2 mm。

2.3.5 溶洞處治

對于需要穿越溶洞的摩擦樁，為了保證施工安全，需結合巖溶發(fā)育情況選擇合理的處治措施。

（1）回填法和注漿法。當溶洞無填充物或填充物較少可選擇回填法，回填材料可采用片石、混凝土等，結合筑路高速公路沿線的料場就近選擇。片石宜采用強度不小于30 MPa石灰?guī)r，粒徑在25～40 cm；混凝土強度等級不小于C20，如果施工工期緊張，可在混凝土中摻加早強劑快速提高其強度。如果樁基礎范圍內有多個溶洞，先處理上方的溶洞，再處理下方的溶洞。

當溶洞內流塑狀填充物較多時，可選擇注漿法。注漿材料可采用水泥漿、水泥砂漿等。注漿孔布布置應結合地勘單位提供的鉆孔柱狀圖，如發(fā)現(xiàn)溶洞處于連通狀態(tài)，只注漿最大的溶洞即可。同時，用注漿泵注漿時注漿管應插入溶洞填充物底部，注漿壓力不宜太小，注漿壓力宜在0.1～0.2 MPa，以確保漿液充分滲透到溶洞填充物內。如果樁基礎范圍內有多個溶洞，先處理下方的溶洞，再處理上方的溶洞。

（2）鋼護筒跟進法。在巖溶發(fā)育復雜的地區(qū)，溶洞交錯分布，鉆孔過程中容易出現(xiàn)塌孔、漏漿、卡鉆等問題。鑒于此，樁基礎施工時宜使用鋼護筒跟進法，如圖2所示：

圖2 鋼護筒跟進法

鋼護筒一般是用剛度較大、抗變形能力強的優(yōu)質鋼板拼接而成，根據(jù)地質情況不同，選用單護筒跟進或雙護筒跟進，然而鋼護筒跟進法施工工序復雜、施工效率低、造價較大，常與回填法或注漿法配合起來使用。

3 結論

該文分析了強烈?guī)r溶區(qū)常用勘察技術的應用，并依托貴州省江口至都格高速公路甕安至開陽段高速公路項目，探討了橋梁擴大基礎和樁基礎的設計要點，主要得出以下結論：①強烈?guī)r溶區(qū)地質情況復雜，應將工程鉆探與地球物理勘探、原位測試、遙感技術等相結合，全面分析巖溶發(fā)育特點，為橋梁基礎設計提供依據(jù)；②溶洞頂板較厚，且完整性好，換填碎石后能滿足設計承載力，可采用擴大基礎；③橋梁樁基形式應結合溶洞埋深、頂板巖土體強度、樁基礎設計參數(shù)等選擇端承樁或摩擦樁；④對于以溶洞頂板為持力層的端承樁需重點驗算頂板安全厚度，對于穿越溶洞的摩擦樁，需使用回填法、注漿法、鋼護筒跟進法等處理溶洞，防治各種病害。