普蘭店海灣特大橋深水巖溶區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

林兆宗，孫玉蘭

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142;2.哈大鐵路客運(yùn)專線有限公司，沈陽(yáng) 110002)

1 概述

(1)自然狀況

哈大客運(yùn)專線普蘭店海灣特大橋橋位處于既有沈大高速公路跨海灣大橋外海側(cè)與高速公路橋位平行。普蘭店海灣海面寬3 350 m，主海溝寬約1 000 m，兩側(cè)海灘主要為扇貝養(yǎng)殖區(qū)及海參池。灣內(nèi)水流主要受潮汐影響，普蘭店海灣屬渤海海域，介于正規(guī)與非正規(guī)半日潮之間，呈明顯往復(fù)流，漲潮潮差2.20 m，落潮潮差1.90 m。一般水深9.2 m，受潮汐影響，施工時(shí)最大水深達(dá)10.8 m，如考慮波浪影響則施工水深更深。

(2)橋跨形式

普蘭店海灣特大橋?yàn)檎€雙線橋，全長(zhǎng)4 960.85 m，共140個(gè)墩臺(tái)，起點(diǎn)里程DK61+789.17，終點(diǎn)里程DK66+750.02，中心里程DK64+269.60，橋跨布置自大連向沈陽(yáng)方向?yàn)?9－32 m+2－24 m+30－32 m+18－56 m+47－32 m+2－24 m+1－32 m簡(jiǎn)支箱梁。其中從71號(hào)～89號(hào)墩共18孔56 m簡(jiǎn)支箱梁跨越普蘭店海灣主海溝，屬大橋主橋部分。

大連側(cè)橋臺(tái)為一字形橋臺(tái)，基礎(chǔ)采用8根φ1.25 m鉆孔嵌巖樁，樁長(zhǎng)20 m。沈陽(yáng)側(cè)橋臺(tái)為擴(kuò)大基礎(chǔ)橋臺(tái)。兩岸引橋基礎(chǔ)采用10根或12根 φ1.00 m或φ1.25 m鉆孔嵌巖樁，樁長(zhǎng)6～49 m，承臺(tái)分2層，厚度分別為2.5 m和1.5 m，墩身采用實(shí)心圓端形橋墩，最大墩高15.5 m。

跨越主海溝71號(hào)～89號(hào)墩基礎(chǔ)采用13根φ1.5 m鉆孔嵌巖樁，承臺(tái)底層厚度為3 m，頂層厚度為2 m;上部結(jié)構(gòu)采用18孔56 m簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)，采用節(jié)段預(yù)制、移動(dòng)支架整孔拼裝的方法施工。

簡(jiǎn)支箱梁采用單箱單室的截面類型，箱梁頂板全寬13.4 m，底板寬6.7 m，箱梁全高5.3 m。整孔箱梁共分為11個(gè)節(jié)段，10道濕接縫，節(jié)段長(zhǎng)度除箱梁兩端1號(hào)(1'號(hào))節(jié)段為2.6 m外，其余節(jié)段長(zhǎng)度均為5.1 m，濕接縫長(zhǎng)度均為0.6 m，拼裝后箱梁總長(zhǎng)度為57.1 m。除箱梁1號(hào)(1'號(hào))節(jié)段、2號(hào)(2'號(hào))節(jié)段為變截面外，其余中間7個(gè)節(jié)段均為等截面箱梁。

普蘭店海灣特大橋是哈大鐵路客運(yùn)專線的重點(diǎn)控制性工程之一。

2 地質(zhì)情況

橋址區(qū)分布有軟土，地震液化層，巖溶，巖石構(gòu)造破碎帶、斷層。溶洞較為發(fā)育，多為全填充，部分?jǐn)D壓破碎帶發(fā)育，構(gòu)造較強(qiáng)烈，巖石受擠壓破碎強(qiáng)烈。巖漿運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，有燕山期輝綠巖脈侵入泥灰?guī)r中。地層從上到下分別為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)細(xì)砂、細(xì)砂、礫砂、細(xì)角礫土、泥灰?guī)r等，其中泥灰?guī)r地層成分以碳酸鈣礦物為主，易因地下水或裂隙水溶蝕形成溶槽、溶溝或溶洞，根據(jù)地質(zhì)勘察揭露，橋址區(qū)巖溶較發(fā)育。

橋址區(qū)巖溶主要集中在南引橋和主橋部分，在不同深度有大小不等的溶洞，局部形成串珠狀溶洞且連續(xù)出現(xiàn)。地質(zhì)勘探按照采用的樁基布置形式，逐樁布置勘探孔進(jìn)行勘探，鉆孔最深70 m?？碧劫Y料揭示，DK62+315.20～DK63+035.1(陸地南引橋)溶洞一般埋深20～30 m，最大溶洞高度2.4 m，洞內(nèi)多為全充填粉質(zhì)黏土和原巖風(fēng)化細(xì)角礫土，呈中密～密實(shí)狀;DK64+098.82～DK65+075.21(71號(hào)墩～88號(hào)墩，海灣主橋)溶洞、溶隙、溶蝕發(fā)育，其中72號(hào)～80號(hào)墩溶洞極為發(fā)育，多呈串珠狀，溶洞大小不一，一般洞高0.1～13.5 m，最大溶洞高18 m，埋深21.7～59.8 m，底面高程－22.82～－60.97 m，多為無(wú)充填空洞，少為半充填及全充填，洞內(nèi)多充填粉質(zhì)黏土和原巖風(fēng)化細(xì)角礫土。

溶洞多沿節(jié)理面、層理面發(fā)育，巖面上凹凸不平，溶蝕、風(fēng)化較為發(fā)育，使得基巖表面起伏較大。

根據(jù)鉆孔的巖芯取樣試驗(yàn)，橋區(qū)巖石單軸極限抗壓強(qiáng)度值見表1。

表1 普蘭店海灣特大橋巖芯單軸極限抗壓強(qiáng)度

地震動(dòng)峰值加速度0.20g，Ⅷ度震區(qū)。

3 橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本橋橋址處水深，溶洞覆蓋層厚，上層淤泥承載力很低，基礎(chǔ)下分布單層、多層的無(wú)填充或半填充溶洞，橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)均采用鉆孔灌注樁，樁直徑1.50 m，每墩13根，樁基布置見圖1。

(1)嵌巖深度的確定

圖1 橋墩樁基礎(chǔ)布置(單位:cm)

為保證樁底側(cè)面巖石的嵌固作用，將樁底嵌固住，設(shè)計(jì)采用樁底進(jìn)入微風(fēng)化巖面不小于2倍樁徑，即不小于3 m，按規(guī)范嵌入巖層內(nèi)的鉆挖孔灌注樁公式計(jì)算樁基承載力。

(2)樁底溶洞頂板厚度的確定

巖溶地區(qū)嵌巖樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，原則上應(yīng)盡量穿過(guò)巖溶發(fā)育地帶或溶洞，將樁底置于溶洞下完整微風(fēng)化或弱風(fēng)化巖層上。當(dāng)溶洞覆蓋層較深，或溶洞呈串珠狀無(wú)法全部穿過(guò)，或溶洞上有一定頂板厚度，考慮投資方面，將樁底置于該頂板上，所以正確估算、確定溶洞頂板持力層厚度是巖溶地區(qū)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及節(jié)省投資的關(guān)鍵問(wèn)題。

雖然目前有一些對(duì)溶洞頂板安全估算及評(píng)估的定量方法，但溶洞體受力狀況十分復(fù)雜，溶洞發(fā)育的不規(guī)則性，溶洞平面、立面大小尺寸等難以完全探明，取得符合實(shí)際的巖體力學(xué)參數(shù)很困難，很難確定洞體的破壞形式，因此在工程實(shí)際中準(zhǔn)確應(yīng)用存在很大困難。半定量計(jì)算方法有荷載傳遞線交匯法、類比法、結(jié)構(gòu)力學(xué)近似分析法、有限元分析法等。

設(shè)計(jì)中考慮設(shè)計(jì)周期及可操作性，本橋采用荷載傳遞線交匯法、結(jié)構(gòu)力學(xué)近似分析法。

(1)荷載傳遞線交匯法

當(dāng)溶洞頂板巖層完整時(shí)，可采用應(yīng)力傳遞線及洞體頂板厚跨比進(jìn)行穩(wěn)定評(píng)價(jià)，根據(jù)相鄰樁的鉆孔情況，首先確定該樁下可能的最不利溶洞橫向尺寸，在剖面上從基礎(chǔ)邊緣按30°～45°擴(kuò)散角向下做應(yīng)力傳遞線，當(dāng)洞體位于該線所確定的應(yīng)力擴(kuò)散范圍之外時(shí)，即可認(rèn)為洞體不會(huì)危及基礎(chǔ)安全;當(dāng)洞體位于該線所確定的應(yīng)力擴(kuò)散范圍之內(nèi)時(shí)，如洞體頂板厚跨比大于0.5～0.87，一般也認(rèn)為是穩(wěn)定的。

(2)結(jié)構(gòu)力學(xué)近似分析法

用該方法的前提也必須首先假定溶洞的最不利溶洞橫向尺寸，確定受力條件，按照頂板抗彎、抗剪要求分別計(jì)算出洞體頂板的安全厚度T1、T2，取大值作為溶洞的安全厚度，認(rèn)為該情況下，基底以下溶洞頂板厚度滿足該厚度時(shí)，溶洞評(píng)價(jià)是穩(wěn)定的。

①頂板抗彎安全厚度計(jì)算

當(dāng)洞體頂板完整性較好時(shí)，可按四周嵌固板驗(yàn)算其穩(wěn)定性，板的最大彎矩在長(zhǎng)邊支點(diǎn)間的中心處，頂板安全厚度T1按下式計(jì)算

式中 q——長(zhǎng)邊每延米均布荷載，kN/m;

L，b——洞體的平面長(zhǎng)、短徑;

σ——巖體彎曲應(yīng)力，kPa，灰?guī)r一般取其抗壓強(qiáng)度的0.1～0.125倍。

當(dāng)頂板巖層裂隙發(fā)育，可按不同情況，模擬為懸臂梁或簡(jiǎn)支梁情況進(jìn)行計(jì)算。

②頂板抗剪安全厚度計(jì)算

T2=(F+G)/Ufr

式中 F——上部荷載傳至洞體的豎向力，kN;

G——頂板自重，kN;

U——洞體平均周長(zhǎng)，m;

fr——巖體頂板抗剪強(qiáng)度，kPa，灰?guī)r一般取其抗壓強(qiáng)度的0.06～0.13倍。

4 深水基礎(chǔ)施工措施

本橋主墩位于普蘭店渤海灣主海溝深水處，深水區(qū)域段基礎(chǔ)施工是橋梁工程的重點(diǎn)，是控制工期的關(guān)鍵。海灣內(nèi)72號(hào)～88號(hào)墩56 m梁深水基礎(chǔ)采用鋼便橋結(jié)合逐墩雙壁鋼圍堰施工。便橋搭設(shè)于線路一側(cè)，6 m寬;海參池內(nèi)筑島施工。承臺(tái)施工時(shí)71、89號(hào)墩采用鋼板樁防護(hù)，施工方法如下。

(1)在水上施工鉆孔樁時(shí)，建立固定的工作平臺(tái)和棧橋。

(2)在承臺(tái)和墩身水下施工時(shí)，采用整體性好的鋼殼圍堰結(jié)構(gòu)。

(3)制定一系列的抗洪、防沖浪傾覆措施。

(4)不設(shè)水上混凝土工廠，由棧橋運(yùn)輸混凝土。

(5)先下鋼護(hù)筒設(shè)置平臺(tái)進(jìn)行鉆孔，最后下鋼殼圍堰以減少?zèng)_淤變化的影響。

(6)在上下游均設(shè)棧橋，鋪設(shè)龍門吊機(jī)軌道和運(yùn)輸軌道，2個(gè)棧橋適當(dāng)聯(lián)接。

(7)扦打鋼護(hù)筒

由于水上鉆孔需要先扦打鋼護(hù)筒(護(hù)筒同時(shí)作為工作平臺(tái)支承立柱與平臺(tái)共同整體受力)，鉆孔樁鋼護(hù)筒用10 mm厚鋼板制作，入土部分用8 mm鋼板，外壁每隔一定距離用鋼板箍加勁。護(hù)筒下沉用160型振動(dòng)打樁機(jī)。先打支承平臺(tái)的定位護(hù)筒，樁護(hù)筒在平臺(tái)安裝后再打，護(hù)筒下沉慢時(shí)，可在筒內(nèi)吸泥。

(8)鉆孔樁施工

用膨脹土泥漿護(hù)壁，氣壓反循環(huán)減壓鉆進(jìn)，平臺(tái)上有泥漿筒及沉碴筒。

(9)鋼殼圍堰的制造和安裝

鋼結(jié)構(gòu)在工廠制造。水平內(nèi)環(huán)和豎向腹板加勁肋。圍堰可分節(jié)分塊制造，即上下兩節(jié)，底節(jié)下端做成鋼刃角，雙密部分做水密試驗(yàn)，上下節(jié)間和上節(jié)分塊間填防水橡膠板。

鉆孔樁完成后，即可將工作平臺(tái)拆除，安裝鋼圍堰。

鋼圍堰在岸上拼裝成節(jié)后拖移至海邊，由棧橋運(yùn)至橋墩處安裝。圍堰上下節(jié)采用螺栓連接，兩節(jié)之間填防水橡膠板，外圍再涂防水材料。

水下灌注封底混凝土，厚度4 m，封底混凝土用直升導(dǎo)管灌注，待封底混凝土達(dá)到100%強(qiáng)度后，即可在圍堰內(nèi)抽水，進(jìn)行承臺(tái)及墩身施工。

(10)棧橋施工方法

墩旁修建1座棧橋，在墩處設(shè)活動(dòng)工作平臺(tái)進(jìn)行施工。棧橋用吊機(jī)懸拼，并進(jìn)行吊裝振打基礎(chǔ)樁。棧橋臨時(shí)墩由每組8根φ55 cm管樁組成，用鋼結(jié)構(gòu)將8根樁聯(lián)成整體。棧橋用貝雷梁拼裝架設(shè)。

5 深水巖溶處理措施

本橋主橋跨越普蘭店海灣，施工時(shí)最大水深達(dá)10.8 m，橋址區(qū)溶洞極為發(fā)育，多呈串珠狀，覆蓋層上層地層為淤泥，厚達(dá)9 m，下層為中粗砂層，施工過(guò)程中極易發(fā)生塌孔等事故。一旦塌孔，埋住護(hù)筒及施工設(shè)備等，后期處理相當(dāng)困難，所以在樁基礎(chǔ)施工時(shí)必須采取妥善措施，防止事故發(fā)生。本橋設(shè)計(jì)采取以下措施。

(1)預(yù)注漿

本橋大部分溶洞發(fā)育地帶的頂板較薄或上層巖層風(fēng)化嚴(yán)重，為防止擊穿溶洞頂板時(shí)發(fā)生頂板垮塌引起塌孔，根據(jù)鉆孔資料確定的溶洞情況，在鉆孔樁施工前，采用先打小孔至溶洞頂板深度，埋設(shè)注漿管，向頂板風(fēng)化巖層內(nèi)注漿，按照施工時(shí)間控制，添加適當(dāng)速凝劑，防止?jié){液過(guò)渡流失，邊注漿邊提升注漿管，將溶洞提前處理密實(shí)，減少樁基施工時(shí)塌孔可能性。

(2)鋼護(hù)筒防護(hù)

對(duì)于較大空溶洞，尤其多層串珠狀溶洞，為防止擊穿溶洞頂板后大量漏漿，引發(fā)塌孔，采用鋼護(hù)筒防護(hù)巖層以上土層，尤其水中的粉細(xì)砂、細(xì)砂、中砂等在孔外水頭作用下易發(fā)生塌孔的地層。如多層溶洞的下層溶洞較大，必要時(shí)可采用多層護(hù)筒，施工前應(yīng)根據(jù)地質(zhì)柱狀圖確定方案，先下外層護(hù)筒，再下內(nèi)側(cè)護(hù)筒，護(hù)筒直徑差10 cm，防止由于斜孔等使內(nèi)層護(hù)筒難以下到位，最內(nèi)側(cè)護(hù)筒內(nèi)徑應(yīng)不小于設(shè)計(jì)孔徑加10 cm，以保證成孔后有效樁徑不小于設(shè)計(jì)樁徑。

施工時(shí)，鉆孔到溶洞頂板后時(shí)，擊穿溶洞頂板前，應(yīng)盡快使第一層護(hù)筒到位，護(hù)筒底宜位于巖石頂面，防護(hù)住所有覆蓋層土層。護(hù)筒就位后，鉆機(jī)采用小沖程鉆進(jìn)，尤其溶洞頂板較薄時(shí)，防止頂板破碎塌落，引起塌孔。

兩層護(hù)筒之間空隙宜采用水泥砂漿壓漿處理，以保證樁的橫向剛度。

(3)拋填片石黏土

巖溶地區(qū)最常見的問(wèn)題就是施工漏漿，溶蝕發(fā)育輕微，溶洞發(fā)育不大的地區(qū)，雖然有漏漿，但過(guò)程一般是緩慢的，隨著鉆進(jìn)的過(guò)程，隨時(shí)向鉆孔中補(bǔ)充黏土及水，保證必要的水頭及泥漿比重，一般可順利成孔。

對(duì)于本橋溶洞發(fā)育強(qiáng)烈，多層尤其大型空溶洞地區(qū)，施工前應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況做好充分準(zhǔn)備，備足填充材料，溶洞較深時(shí)，拋填的黏土宜做成球狀備用，一方面填充迅速，另外可以保證黏土補(bǔ)充到底部，有利于迅速堵塞溶洞裂隙等，止住漏漿。

對(duì)于較大溶洞，有時(shí)雖拋填黏土難以止漏，或止漏后，由于施工振動(dòng)，較軟的泥漿容易塌落，造成二次漏漿，因此對(duì)較大溶洞，在拋填黏土?xí)r，伴以片石，反復(fù)沖砸，擠密溶洞孔壁，保證成孔質(zhì)量。拋填片石大小以10～15 cm為宜，建議不要扁平的，利于在鉆頭沖擊下擠密孔壁，黏土與片石的比例宜為1∶1。

(4)拋填混凝土

如溶洞較大，以上處理措施難以奏效，不能有效止漏時(shí)，可考慮在孔內(nèi)回填低強(qiáng)度等級(jí)混凝土至不漏漿為止，待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后再行鉆進(jìn)，一般可順利穿過(guò)該層溶洞漏漿區(qū)。

該橋在鉆孔施工過(guò)程中，根據(jù)以上原則制定的溶洞施工技術(shù)措施，溶洞處理效果良好，雖發(fā)生漏漿等情況，但未發(fā)生塌孔。經(jīng)檢測(cè)鉆孔樁均達(dá)到Ⅰ類優(yōu)質(zhì)樁的標(biāo)準(zhǔn)，可見溶洞地質(zhì)鉆孔施工技術(shù)措施的制定和執(zhí)行是可行和有效的。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上基底溶洞頂板安全厚度的方法確定的橋梁樁底設(shè)置位置，可確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性;深水區(qū)的施工防護(hù)方案切實(shí)可行，有效保證了施工進(jìn)度;溶洞處理措施的指導(dǎo)性原則、建議措施對(duì)保證樁基順利成孔切實(shí)有效，為巖溶地區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。由于巖溶發(fā)育情況沒(méi)有規(guī)律，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)逐樁鉆探情況逐墩分析，分清其規(guī)模、類型，最大程度保證橋梁安全及順利施工。

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