喀斯特地區(qū)橋梁樁基穩(wěn)定性評價及施工決策優(yōu)化設(shè)計

覃景業(yè)

(廣西北部灣投資集團有限公司沿海高速公路分公司，廣西 南寧 530027)

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)由主梁上部結(jié)構(gòu)、支撐體系和以樁基為主體的下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)組成。

樁基作為下部結(jié)構(gòu)的重要組成部分，通過樁與周圍土體之間的摩擦力和樁端支承力的作用，樁基可以將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到較深的穩(wěn)定土壤層或巖石上。樁基根據(jù)不同的施工工藝分為灌注樁，預(yù)制樁等。其中，灌注樁基礎(chǔ)承載力高、抗震性能好、適用范圍廣。但灌注樁基施工技術(shù)較為復(fù)雜，質(zhì)量控制有限。在施工過程中，可能存在混凝土離析、沉降變化或樁徑變化等缺陷。樁基是一個隱蔽的工程，結(jié)構(gòu)檢測的方法是有限的。國內(nèi)統(tǒng)計資料顯示，我國樁基施工質(zhì)量約為80%合格?？λ固氐貐^(qū)的形成是由于水溶性巖石之間的化學(xué)和機械作用引起的化學(xué)現(xiàn)象，在施工過程中將降低橋梁樁基的穩(wěn)定性。因此，有必要根據(jù)喀斯特地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，設(shè)計合理的橋梁樁基施工方案，盡量避免喀斯特溶洞對樁基水穩(wěn)定性的影響；同時，在實際施工中，影響喀斯特地區(qū)樁基穩(wěn)定性的因素很多，可以采取進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的措施，提高橋基的穩(wěn)定性，建立喀斯特地區(qū)橋梁樁基穩(wěn)定性評價模型。通過對廣西南寧吳圩機場至大塘高速橋梁基礎(chǔ)巖溶整治工程進行分析，建立喀斯特地區(qū)樁基穩(wěn)定性評價模型，使橋梁基礎(chǔ)的施工決策更加科學(xué)合理。

進一步的分析表明，在喀斯特地區(qū)的橋梁施工過程中，經(jīng)常會遇到橋梁基礎(chǔ)的沉降，地下涌水會破壞橋梁基礎(chǔ)等，從而降低了橋梁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量。因此，面對喀斯特地區(qū)橋梁基礎(chǔ)施工問題，應(yīng)根據(jù)喀斯特地區(qū)巖溶洞穴的大小和地質(zhì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計合理的橋梁基礎(chǔ)施工方案，以提高橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。另外，在實際施工中，影響喀斯特地區(qū)橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定性的因素很多，不僅與巖溶洞穴分布有關(guān)，而且與喀斯特地貌巖溶結(jié)構(gòu)及巖溶參數(shù)有關(guān)。

1 工程概況

廣西南寧吳圩機場至大塘高速公路是北流(清灣)至南寧(蘇圩)高速公路中的一段，全長約40 km，路線經(jīng)南寧吳圩機場、那陳，止于南寧市良慶區(qū)大塘鎮(zhèn)團福村附近與南北高速公路相交，設(shè)樞紐互通立交，同步建設(shè)機場連接線0.96 km。

本項目位于廣西首府南寧市西南部，路線總體呈北西-南東走向展布，地勢為東高西低。主要地貌形態(tài)表現(xiàn)為山丘連綿起伏，地形起伏較大，山頂多呈渾圓狀，標高在106～230 m之間，自然斜坡坡度中等偏緩，丘陵間沖溝比較發(fā)育，多呈條帶狀分布，局部路段分布比較密集。

本項目所在區(qū)域地質(zhì)條件相對簡單，位于南寧緯向構(gòu)造和新華夏系第二沉降帶西南端這兩大二級構(gòu)造單元交接地帶，也是構(gòu)造體系的復(fù)合地帶。區(qū)內(nèi)發(fā)育有規(guī)模較小的皺褶和斷層，進入第四紀以來，本區(qū)構(gòu)造活動趨于穩(wěn)定，所有斷層均無明顯復(fù)活跡象，均為非活動性斷層，對項目無重大影響，屬相對穩(wěn)定地區(qū)，區(qū)域穩(wěn)定性較好，適宜公路工程建設(shè)。

本工程控制性的大橋為六冬水庫大橋(15×20 m小箱梁)，六冬水庫大橋跨越水庫，有14個橋墩在水中(1#～14#號墩)，水深基本變化不大，與正常蓄水位相比，水深在4～6 m之間，淤泥較多，施工難度比較大，項目計劃聯(lián)系相關(guān)水利部門放水后再進行橋梁下部構(gòu)造施工，減少施工時間。

本工程有2座現(xiàn)澆橋梁，C50現(xiàn)澆混凝土方量為3 718 m3?，F(xiàn)澆橋梁主要是跨越主線或高速公路、二級路等，現(xiàn)澆橋梁的墩身最高為12 m，主要是跨越南友高速公路?？缇€橋梁難度大的方面主要是跨越南友高速公路橋梁(F匝道)，該跨線橋是本工程的控制性工程。

由于本工程的橋梁結(jié)構(gòu)的多樣性，造成橋梁施工難度加大，橋梁生產(chǎn)的投入增加，橋梁管理難度加大，對橋梁的施工必須科學(xué)組織、精心施工、精細化管理，持之以恒地保持嚴謹?shù)膽B(tài)度進行管理，確保橋梁施工的順利進行。

2 構(gòu)建喀斯特地區(qū)橋梁樁基穩(wěn)定性評價模型

2.1 制定樁基穩(wěn)定性的模糊算法評價指標

結(jié)合六冬水庫大橋工程地質(zhì)實勘數(shù)據(jù)，建立喀斯特地區(qū)橋梁樁基穩(wěn)定性評價模型，從巖石特征、巖溶洞穴和混凝土橋梁樁基施工項目環(huán)境特征三個方面綜合考慮，分析對六冬水庫大橋樁基施工穩(wěn)定指標的影響；同時，采用因素分類方法，每個指標的分類可以表示為以下形式評價等級集：評價等級集={C1,C2,C3,C4,C5}。為了評估六冬水庫大橋樁基的穩(wěn)定性水平，分別有5個級別的代表，用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ表示，具體內(nèi)容如下頁表1所示。

表1 六冬水庫大橋樁基的穩(wěn)定性等級評價內(nèi)容表

2.2 設(shè)計影響樁基穩(wěn)定性因素的評價矩陣的模糊算法

在實際施工中，為提升樁基穩(wěn)定性，可以應(yīng)用模糊層次分析方法，從能夠影響樁基穩(wěn)定性的因素中找出主要影響施工穩(wěn)定性的指標，進一步制定出優(yōu)化的喀斯特地區(qū)樁基施工方案，提升公路路基工程施工質(zhì)量。

在模糊層次分析方法中，針對單一因素的評價，假設(shè)存在集合U，則Ut為集合U的單因素，即Ui(i=1，2，…，m)；根據(jù)影響因素Ui，則設(shè)影響樁基穩(wěn)定性的隸屬度為vj(j=1，2，…，n)。

其中

最后，根據(jù)單因素評價向量進行模糊評價，得到總評價矩陣：

另外，設(shè)模糊評價矩陣R存在一個已知值A(chǔ)，當對該模糊評價矩陣R進行模糊評價后，對影響樁基穩(wěn)定性的因素進行模糊變換綜合評價：

2.3 確定評價指標在模型中的權(quán)重

為了確定評價指標在模型中的權(quán)重，選用群組決策，評分方式可采用專家三角模糊數(shù)評分法來確定橋梁樁基穩(wěn)定性指標權(quán)重，如表2所示。利用MATLAB可以設(shè)計如下程序進行判斷：

(1)根據(jù)前文建立的基本評價指標體系，構(gòu)建評價指標集；

(2)根據(jù)評價指標集，構(gòu)建判斷矩陣，并確定其特征向量；

(3)對特征向量進行歸一化計算；

(4)計算橋梁樁基穩(wěn)定性指數(shù)；

(5)確定模糊層次分析法計算結(jié)果。

表2 模糊風險判斷矩陣表

通過以上步驟，可得到橋梁樁基穩(wěn)定性的基本情況分別為0.10、0.24和0.31。分別對溶洞巖體特征U1、溶洞特征U2、工程環(huán)境U3進行一致性檢驗，結(jié)果如下：

各因素的權(quán)重矩陣分別為：

2.4 結(jié)果計算

重復(fù)運行前文程序，對程序運行結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

(1)溶洞巖體特征評價結(jié)果：

模糊矩陣：

A1=(0.15,0.28,0.31,0.26)

對溶洞巖體特征隸屬度計算結(jié)果分析，可以得到其最大隸屬度MAX(vj)=0.521 0。

(2)溶洞特性評價結(jié)果：

溶洞特性模糊矩陣：

A2=(0.21,0.25,0.31,0.33,0.09)

對溶洞特性隸屬度計算結(jié)果分析，可以得到其最大隸屬度MAX(vj)=0.451 0。

(3)工程環(huán)境評價結(jié)果：

工程環(huán)境模糊矩陣：

A3=(0.16,0.54)

在模糊評價向量中可以看出，其最大隸屬度MAX(vj)=0.623 0。

2.5 結(jié)果分析

對評價等級結(jié)果分析可知，三種因素對橋梁樁基的穩(wěn)定性影響程度排序如下：工程環(huán)境>溶洞巖體特征>溶洞特性，該結(jié)果也與工程實際相契合。如果風險水平達到Ⅲ級水平評價，則說明在該喀斯特地區(qū)，本工程橋梁樁基的穩(wěn)定性是正常的，風險也是可以接受的；進而可以確定在喀斯特地區(qū)橋梁工程施工中其樁基處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，風險也處于允許范圍之內(nèi)，但仍需進行有效的施工決策，以確保樁基的穩(wěn)定性得到進一步提高。

根據(jù)相應(yīng)的評價等級作為評價結(jié)果，風險等級達到Ⅲ級，在喀斯特地區(qū)的工程施工中，橋基的穩(wěn)定性為一般，風險是可以接受的。換言之，已經(jīng)證實本喀斯特地區(qū)可以作為一個橋基施工場地，橋基失穩(wěn)風險在允許范圍內(nèi)。進一步分析表明，影響橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定性的因素主要體現(xiàn)在喀斯特地區(qū)的巖體特征、洞穴特征和工程環(huán)境等方面，因此，在實際施工中，應(yīng)加強施工設(shè)計和優(yōu)化管理，并采取一定的風險控制措施，提高橋基施工的穩(wěn)定性和施工質(zhì)量。

3 提高喀斯特地區(qū)橋梁樁基穩(wěn)定性的施工決策優(yōu)化設(shè)計

3.1 做好施工前方案比選工作

針對喀斯特地區(qū)的橋梁樁基施工，在施工之前應(yīng)能夠作好樁基附近地面的引排水準備工作，準備好引排水設(shè)施。在施工之前，施工人員還必須認真核對樁基施工設(shè)計文件與施工現(xiàn)場的實際情況，確保樁基施工設(shè)計方案更具完善性，提升樁基施工質(zhì)量。對喀斯特地區(qū)開展樁基施工前，做好施工安全防護，還需要做好先期勘探工作。

六冬水庫大橋共計15排橋梁樁基在水中，橋梁樁基實測最深水深為2.8～3.5 m，樁基及下部結(jié)構(gòu)施工考慮采用鋼棧橋+鋼平臺和填土筑島便道及筑島平臺兩種方案，兩種方案對比分析如表3所示。

表3 方案對比分析表

通過上文構(gòu)建的喀斯特地區(qū)橋梁樁基穩(wěn)定性評價模型可以看出，工程環(huán)境對橋梁樁基的穩(wěn)定性影響最大，所以在施工前的方案比選期間，工程環(huán)境應(yīng)作為第一要素。

綜上所述，六冬水庫大橋施工考慮樁基及下部結(jié)構(gòu)施工時會被水庫水浸泡基礎(chǔ)的問題，施工時采取填土筑島便道及平臺進行樁基及下部結(jié)構(gòu)施工，能有力保證工程施工時樁基的穩(wěn)定性。

3.2 解決好巖溶水問題

在喀斯特地區(qū)橋梁樁基的實際施工過程中，考慮巖溶水的滲漏作用，應(yīng)嚴格控制施工進度，避免工期拖延造成嚴重的滲漏。同樣，在橋梁樁基施工中，應(yīng)做到具體問題具體分析，特別是對于非均衡流量巖溶水或間歇性巖溶水，需要合理設(shè)置排水孔或排水管[6]。在樁基施工中，要嚴格按照設(shè)計文件，不能隨意改變原來設(shè)計施工現(xiàn)場，保持巖溶水流動可控，確保施工項目及時完成，由此可提高樁基施工的穩(wěn)定性。

3.3 根據(jù)溶洞特性加固施工

在橋梁樁基施工中，由于施工現(xiàn)場是在喀斯特地區(qū)，因此在進行樁基施工時，為提升樁基的穩(wěn)定性，需要觀測施工過程中的地面基礎(chǔ)的沉降量，施工前地面的沉降量應(yīng)保持穩(wěn)定的狀態(tài)；同時，在施工中，針對巖溶洞穴位置的樁基施工，可以應(yīng)用加固、跨越以及繞避等措施；而在具體施工過程之中，還應(yīng)隨時巡視巖溶施工場地周圍的環(huán)境變化，若是發(fā)現(xiàn)有異常的情況，應(yīng)該立即采取相應(yīng)措施，做好善后工作。無論在樁基施工中應(yīng)用什么處理方式，現(xiàn)場監(jiān)理人員一定要做好施工質(zhì)量檢查工作，樁基施工單位不可以隨意填塞巖溶或是擅自處理巖溶施工，樁基設(shè)計單位應(yīng)及時跟進巖溶處理情況。

4 結(jié)語

本文根據(jù)位于喀斯特地區(qū)的廣西南寧吳圩機場至大塘高速公路橋梁樁基施工過程中遇到的實際問題，提出喀斯特地區(qū)橋梁樁基施工決策方法，構(gòu)建喀斯特地區(qū)橋梁樁基穩(wěn)定性模糊評價模型，優(yōu)化了喀斯特地區(qū)橋梁樁基設(shè)計和施工過程，確保決策的正確性，可在提高橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定性與施工質(zhì)量方面發(fā)揮積極作用。