馬 雷,張 浩

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司 合肥市 230088)

0 引言

山區(qū)巖溶結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,巖溶頂部較脆弱,破碎、開口的情況經(jīng)常發(fā)生,我國巖溶分布廣、面積大,樁基施工是地下工程,容易出現(xiàn)漏漿、塌孔、斷樁、埋鉆、卡鉆、鉆孔偏斜等情況,施工不當可能引發(fā)安全事故。樁基是橋梁體系的根基,支撐整個橋梁結(jié)構(gòu),由于個體差異,巖溶區(qū)樁長取值有較大的區(qū)別,有的比較激進,有的比較保守;針對巖溶區(qū)橋梁樁基,多數(shù)工程師單獨從設(shè)計理念或者施工手段進行了深入的研究,勘察、設(shè)計和施工并未形成一個完整體系[1],在這樣的背景下,探究山區(qū)橋梁溶洞樁基的處理方法具有重要現(xiàn)實意義。文章以宜賓至昭通高速公路二期工程為切入點,分析巖溶地區(qū)橋梁樁基設(shè)計的核心問題和施工過程中溶洞處理的關(guān)鍵技術(shù)、控制要點。

1 工程概述

宜賓至昭通高速公路項目地處云貴高原與四川盆地的結(jié)合部,地形起伏大,不良地質(zhì)以巖溶為主。主線全長42.89km,灰?guī)r區(qū)長度21.41km,主線橋26座,其中巖溶區(qū)橋梁14座。樁基施工中遇溶洞較多,部分樁基施工至原設(shè)計樁底高程后,物探或釬探結(jié)果表明樁底一定深度范圍內(nèi)存在溶洞,影響橋梁結(jié)構(gòu)安全,需對樁基進行加深;部分樁基樁身范圍內(nèi)遇到溶洞、遲遲不入巖或者嵌巖深度不夠,產(chǎn)生較多的樁長調(diào)整。2022年7月8日,宜昭高速公路二期正式通車運營。

2 巖溶地質(zhì)橋梁樁基處理

2.1 巖溶地質(zhì)勘察

(1)巖溶區(qū)橋梁地質(zhì)勘察應(yīng)根據(jù)確定的線位和構(gòu)筑物位置,每個墩臺勘探鉆孔數(shù)量不少于2個,必要時應(yīng)結(jié)合物探進行綜合勘探,對物探異常區(qū)適當鉆孔驗證,巖溶發(fā)育復(fù)雜的橋位,應(yīng)逐樁進行鉆探,提供完整地質(zhì)信息,并對橋梁樁基設(shè)計和巖溶治理提出建議。

(2)鉆孔應(yīng)穿過溶洞進入穩(wěn)定巖土層,一般性樁基礎(chǔ)勘探應(yīng)深入預(yù)計樁端平面以下不小于1～3倍樁徑并且不小于4m;端承樁的鉆孔應(yīng)深入不小于 3～5倍樁徑。

(3)巖溶為地下隱蔽的不良地質(zhì)條件,巖溶洞隙空間形態(tài)復(fù)雜,按照現(xiàn)行規(guī)范及勘探技術(shù)還難以完全準確查明,只能代表性勘探,應(yīng)加強動態(tài)設(shè)計,加強勘察技術(shù)人員與設(shè)計人員交流互動及技術(shù)交底,加強地質(zhì)分析與定量評價,以便合理確定樁基方案。

2.2 樁基設(shè)計

橋梁墩臺盡量選擇在巖溶發(fā)育弱、洞穴層數(shù)少、頂板穩(wěn)固、受巖溶水影響小的地段,必要時可根據(jù)地質(zhì)勘察成果優(yōu)化橋梁跨徑布置或基礎(chǔ)形式,靈活設(shè)計,確保橋梁建設(shè)安全及提高投資效益[2]。

2.2.1巖溶地區(qū)的樁基設(shè)計原則

(1)巖溶地區(qū)樁基應(yīng)按照承載能力極限狀態(tài)以及正常使用極限狀態(tài)進行設(shè)計,驗算溶洞頂板厚度的穩(wěn)定性和安全性。

(2)根據(jù)地形地貌、地質(zhì)狀況、施工設(shè)備、現(xiàn)場條件,結(jié)合類似工程確定適宜的樁型。

2.2.2巖溶地區(qū)樁基尺寸、長度設(shè)計

巖溶地區(qū)樁徑應(yīng)兼顧一座橋盡量統(tǒng)一,特別是樁柱式橋墩,一座橋中直徑不宜超過3種[3-4]。當樁端持力層溶洞頂板跨度小于8倍樁徑,宜滿足:

d≥L-2htanθ

(1)

式中:d為巖溶地區(qū)嵌巖樁樁徑;L為頂板跨度;h為頂板厚度;θ為巖石應(yīng)力擴散角。

樁基長度可以按照以下三種情況來確定:

(1)樁位處開孔后即進入弱風化巖層,采用端承樁設(shè)計,嵌巖深度需結(jié)合溶洞頂板厚度綜合確定,樁基入土深度保持在沖刷線以下6m。

(2)開孔后未直接進入弱風化巖層,存在單個或者多個巖土覆蓋層,可以先按照摩擦樁驗算巖土覆蓋層的承載力,若覆蓋層不能支撐上部荷載,則采用端承樁設(shè)計,樁基需進入巖層。

(3)樁位處開孔后遲遲未進入弱風化巖層,存在一定厚度的巖土覆蓋層,若巖層以上各地層能夠支撐上部荷載,可采用摩擦樁設(shè)計,不需要入巖。

2.2.3樁基嵌巖深度和頂板厚度取值分析

山區(qū)巖溶地質(zhì)樁基設(shè)計應(yīng)按照“嵌巖深度宜淺不宜深,優(yōu)先保證頂板安全厚度”的原則[5-6]:樁端入巖深度和溶洞頂板厚度兩個因素相互制約時,在滿足承載力條件下,嵌巖深度不宜過長,一般不大于3倍樁徑,同時樁基入巖深度不宜小于1倍樁徑或者2m,具體應(yīng)根據(jù)樁位處覆蓋層情況、基巖特性、溶洞發(fā)育情況綜合確定最優(yōu)取值。山區(qū)地形復(fù)雜,起伏多變,樁基中心線距離斜坡面不小于4d(樁基直徑)才能計入有效嵌巖深度,如圖1所示。

圖1 樁基嵌巖深度示意圖

關(guān)于頂板厚度的確定,可以采用以下2種方法。

(1)樁端持力層抗剪強度確定法

V≤0.07dhfc

(2)

式中:V為抗剪承載力;fc為頂板巖石的單軸抗壓強度設(shè)計值;d為巖溶地區(qū)嵌巖樁樁徑;h為溶洞頂板的厚度。

(2)頂板抗彎承載力確定法

σ≥6KM/Bh2

(3)

式中:σ為巖石彎曲應(yīng)力的允許值;K為抗彎承載力的安全系數(shù);M為頂板彎矩;B為溶洞頂板的寬度;h為溶洞頂板的安全厚度。

結(jié)合本項目,一般可以根據(jù)樁側(cè)摩阻力占樁基總承載力的比例按照表1取值[7-8]。

表1 溶洞頂板的安全厚度取值

2.3 溶洞處理方案

常見的溶洞處理方法有回填法、壓漿法、鋼護筒跟進法、旋噴注漿加固法等,在滿足施工條件、保證工程質(zhì)量和安全的條件下,對不同類型的溶洞采取不同的處理方法[9]。基于上述原則,結(jié)合本項目工程實踐,溶洞處治方法如表2所示。

表2 不同類型溶洞常見處理方法

3 工程案例分析

(1)回龍溝大橋右幅橋臺7-0樁基為端承樁,樁徑1.6m,長度為17m?，F(xiàn)場挖至孔深11.73m時,發(fā)現(xiàn)孔底左側(cè)有溶洞發(fā)育,測線量測深度約14m,面積約1～2m2,如圖2～圖3所示。

圖2 橋臺7-0樁位處溶洞現(xiàn)場照片

圖3 橋臺7-0樁位處溶洞示意圖(單位:cm)

結(jié)合現(xiàn)場勘察,對該溶洞先采用低標號混凝土填充密實處理,然后繼續(xù)施工,配合跟進動態(tài)設(shè)計。實際揭露地質(zhì)情況為11.73～15.12m范圍內(nèi)為混凝土填充物,15.12～38m范圍內(nèi)為碎石土填充物,38～40m為中風化灰?guī)r。經(jīng)核查承載力滿足要求,樁側(cè)摩阻力占比大于50%,地質(zhì)雷達孔底巖溶探測顯示頂板厚度≥4m,滿足要求,最終按照40m樁長澆筑終孔。

(2)魚井村2號大橋(右線橋)2號橋墩為薄壁空心墩,承臺下設(shè)置四根樁基,其中2a-1樁基施工過程中,孔深16m處漏漿一次,采用回填粘土處理;繼續(xù)施工進入全填充溶洞(深度5m),在孔深21m和24m處均出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象,采用灌注C20混凝土處理;孔深24.2m處進入中風化灰?guī)r,孔深26.7m處澆筑終孔,嵌巖深度2.5m,根據(jù)原位鉆孔地層信息顯示孔底5m范圍內(nèi)無溶洞,頂板厚度滿足要求,承載力滿足要求。樁位處鉆孔信息如圖4所示。

圖4 橋墩2a-1樁基原位鉆孔地層信息示意圖(單位:m)

(3)牛街特大橋(右幅)主墩采用雙肢薄壁空心墩,墩身最高達135m,基礎(chǔ)為群樁基礎(chǔ),單個橋墩承臺下設(shè)置15根樁基,直徑均為2.0m,如圖5所示。

圖5 牛街特大橋(右幅)主橋橋型立面圖(單位:cm)

右幅8號墩10號樁基開挖至孔深14m時出露溶洞,溶洞面積約26m2(4m×6.5m),溶洞內(nèi)無填充物,有滴水狀巖溶裂隙水,溶洞穿越13號樁基。根據(jù)現(xiàn)場勘查溶洞走向,溶洞區(qū)下部采用石渣回填封堵,靠近樁基約3m位置溶洞區(qū)采用C15混凝土回填密實,如圖6～圖7所示。

圖6 右幅8號墩溶洞處理示意圖

圖7 右幅8號墩溶洞現(xiàn)場照片

4 溶洞處理關(guān)鍵技術(shù)和控制要點

(1)處理串珠狀溶洞,宜自上往下進行,確保每一層的溶洞不漏漿。對于高度較大的有填充溶洞,可采用旋噴帷幕或者壓注水泥砂漿進行預(yù)處理,處理范圍控制在樁身外側(cè)0.5～1.0m范圍。

(2)單個溶洞采用一層鋼護筒,兩個溶洞用雙層護筒并以此類推;單層護筒內(nèi)徑大于樁直徑10cm;多層護筒外面一層內(nèi)徑大于內(nèi)層護筒外徑10cm,并以此類推[10]。

(3)對于持力層裂隙發(fā)育強烈,巖性較差的情況,可采取后注漿技術(shù)處治措施。在樁端后注漿中,應(yīng)以注漿量為主控因素,以注漿壓力為輔控因素,具體結(jié)合巖層發(fā)育情況控制。

(4)處理裂隙發(fā)育較豐富的大型溶洞可先采用4～8cm連續(xù)粒徑的級配碎石進行填充,形成阻隔層,然后壓注低標號混凝土;壓注過程中應(yīng)對地表位移及高程進行監(jiān)測;處理完成后應(yīng)鉆孔抽芯檢測溶洞充填的致密性以及填充體的強度,若有空洞應(yīng)采取措施充填密實。

(5)為確保壓注混凝土能夠有效地固結(jié)成塊,可采用分層分次方式壓注,即壓注進去的混凝土達到初凝后再進行第二次進料,如此反復(fù)壓注。

5 結(jié)語

(1)文章依托宜昭高速巖溶地質(zhì)樁基設(shè)計到施工完成的實際情況,總結(jié)了樁基巖溶地質(zhì)勘察的目標和主要內(nèi)容,分析了樁基尺寸、長度和樁基嵌巖深度、頂板厚度的取值原則。

(2)結(jié)合具體案例給出了對于不同類型的溶洞采取的處理方法,分析了施工過程中溶洞處理的關(guān)鍵技術(shù)、控制要點。

(3)巖溶區(qū)橋梁工程中,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件制定科學(xué)合理的設(shè)計、施工方案,并優(yōu)化樁基施工工藝。