綜合勘察方法在復(fù)雜巖溶樁基勘察中的應(yīng)用

魏東旭，李 健，王 勝，王 帥

（山東省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，山東 濟(jì)南 250031）

引言

巖溶地質(zhì)災(zāi)害具有空間分布隱蔽性、發(fā)育不規(guī)則性、事故發(fā)生的突發(fā)性等特點，這些特點給高速公路橋梁地質(zhì)勘察、設(shè)計及施工等帶來了巨大的難度，是影響施工進(jìn)度、工程質(zhì)量及安全運營等關(guān)鍵因素之一,如何更好地開展巖溶勘察與評價工作成為了亟待研究的重要課題[1]。

在高速公路巖溶地質(zhì)災(zāi)害勘察及防治措施方面，提出了很多理論。何高峰等[2]以南寧地鐵2 號線工程為例，針對不同巖溶塌陷風(fēng)險等級的巖溶處理原則，提出巖溶地區(qū)城市隧道施工相應(yīng)的處理措施。王寶亮和李修君[3]，采用地質(zhì)工程測繪、物探、地質(zhì)鉆探及原位測試等技術(shù)手段對高速公路服務(wù)站的斷層破碎帶、含水帶、巖溶等不利地質(zhì)進(jìn)行了綜合勘察及評價。陳華興等[4]以麻駕高速公路為依托，對高速公路巖溶發(fā)育程度進(jìn)行了分級，對巖溶地面塌陷進(jìn)行了預(yù)測。以上研究主要是在地質(zhì)測繪的基礎(chǔ)上，結(jié)合物探及鉆探等資料查明地下巖溶的分布規(guī)律及充填情況，進(jìn)而提出相應(yīng)的處治措施，而針對巖溶樁基范圍內(nèi)進(jìn)行巖溶發(fā)育程度劃分，找出樁基危險性區(qū)域的研究較少。

1 工程概況

青塘互通G106 跨線橋位于粵北翁源縣白屋村北，為溶蝕洼地地貌單元。由于前期對“地質(zhì)選線”重視不夠，選址時沒有避開斷裂構(gòu)造帶，施工階段，采取樁位內(nèi)“一樁一孔”的方式進(jìn)行逐樁補(bǔ)充勘察，布設(shè)地質(zhì)鉆孔24 個，其中溶洞鉆孔17 個，見洞率為70.83%，其中2#、3#墩巖溶極強(qiáng)發(fā)育，原樁基位置無法滿足樁基承載力要求，在此背景下，只有通過多種勘察手段，才能在橋址區(qū)內(nèi)找出適合的樁基落墩位置，確保橋梁安全。

2 綜合勘察

鑒于場區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性、施工進(jìn)度的緊迫性以及事故后果的嚴(yán)重性，施工過程中對橋址區(qū)補(bǔ)充地質(zhì)測繪、物探、鉆探等工作，目的是查明橋梁基礎(chǔ)范圍的地質(zhì)情況，解決樁基落墩問題。

2.1 地質(zhì)測繪

巖溶地區(qū)巖溶地質(zhì)測繪，應(yīng)著重查明場區(qū)的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、洞穴形態(tài)等。在此基礎(chǔ)上，著重分析巖溶發(fā)育情況、分布規(guī)律與線路的關(guān)系，為選擇合理的線路方案提供依據(jù)。

2.1.1 地形地貌

橋址區(qū)地貌形態(tài)屬溶蝕洼地地貌單元，微地貌發(fā)育，地面標(biāo)高在182.70～183.60 m 之間，地勢起伏不大。

2.1.2 地層巖性

場區(qū)上覆地層為第四系沖洪積礫質(zhì)粉質(zhì)黏土，可塑～軟塑狀態(tài)，下伏基巖為石炭系測水段（C1dc）海陸交互相炭質(zhì)灰?guī)r等。巖地層走向近東西，傾向165°～205°，傾角22°～53°，溶發(fā)育強(qiáng)烈，為覆蓋型巖溶。

2.1.3 地質(zhì)構(gòu)造

項目區(qū)域內(nèi)經(jīng)受多期地質(zhì)構(gòu)造運動的影響，地層復(fù)雜多變，構(gòu)造較為復(fù)雜。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造圖判斷橋址區(qū)位于北東向與北西向次級斷裂交匯處。

根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭示，原設(shè)計方案的2#、3#、4#號墩鉆孔內(nèi)的巖芯異常破碎，巖溶十分發(fā)育。0#、1#、5#墩臺內(nèi)巖體較完整，巖溶微發(fā)育，由此推測斷裂帶位于1#與5#墩中間區(qū)段內(nèi)。

2.1.4 水文地質(zhì)

橋址區(qū)地表水發(fā)育，區(qū)內(nèi)有小河經(jīng)過，附近泉眼出露；地下水類型主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水以及裂隙構(gòu)造水等，地下水位埋深較淺，穩(wěn)定水位在1.20～3.50 m。

2.2 物探及解譯

巖溶勘察應(yīng)在地質(zhì)測繪的基礎(chǔ)上，采用物探先行、物探指導(dǎo)鉆探和鉆探驗證物探的綜合勘察方法。該工程采用高密度電阻率法對巖溶病害進(jìn)行探測，目的是探明場區(qū)巖溶的分布范圍及深度，在結(jié)合鉆探資料的基礎(chǔ)上找出適合做樁基落墩的范圍。為此，在沿橋位縱向布設(shè)1 條測線，測線參數(shù)采用Wenner 裝置型式，極距為5 m，電極數(shù)152 個，恒流（20 mA，100 V）采集。高密度電法反演電阻率斷面，見圖1。

圖1 高密度電法反演電阻率

可以看出，電阻率斷面圖較復(fù)雜，電阻率值差異大。（1）RK0+535—RK0+600 區(qū)段，埋深在18.0～60.0 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)較多低電阻率值的封閉曲線，電阻率小于18.2 Ω·m，且呈上下貫通型，說明該范圍內(nèi)巖體完整性差，溶蝕發(fā)育，推測為巖體破碎帶或巖溶發(fā)育區(qū)。（2）RK0+531—RK0+565及RK0+610—RK0+635 區(qū)段內(nèi)，埋深在0～30 m范圍的電阻率值為375～1 000 Ω·m，說明該范圍內(nèi)巖體完整性較好，推測為中風(fēng)化灰?guī)r。（3）RK0+531—RK0+565 范圍內(nèi)，0～25 m 范圍內(nèi)，大部分呈高阻反映，電阻率值1 500～2 500 Ω·m，推測為巖體較完整的基巖（微風(fēng)化）。（4）橋址區(qū)內(nèi)其他范圍，電阻率值在40～140 Ω·m，推斷為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，為斷層及風(fēng)化作用導(dǎo)致巖體破碎充水所致。上述物探解譯結(jié)果與地質(zhì)鉆探結(jié)果相吻合。測區(qū)巖土層與電阻率值對應(yīng)見表1。

表1 巖土層與電阻率值對應(yīng)

2.3 鉆探

為驗證物探成果的正確性，準(zhǔn)確掌握樁基持力層的情況、基巖的完整性以及溶洞發(fā)育情況，采用樁位內(nèi)逐樁布孔的方式進(jìn)行鉆探。

原設(shè)計方案橋梁全長為135.6 m，橋跨徑組成為2×25 m +40 m +2×25 m，樁基鉆孔24 個，根據(jù)鉆探揭示，溶洞鉆孔17 個，見洞率為70.83%，鉆孔見洞率大于60%；有較大規(guī)模的溶洞（最大串珠型溶洞厚度達(dá)34.7 m），溶洞間管道連通性強(qiáng)；串珠狀豎向溶洞發(fā)育深度超過50 m；鉆孔線巖溶率4%～70%，最大鉆孔線容率為72.3%，平均鉆孔線容率為38.5%,大于20%。場地按巖溶發(fā)育程度綜合評價為極強(qiáng)發(fā)育區(qū)。其中2#、3#墩，鉆孔線容率57.2%～72.3%，巖溶非常發(fā)育。結(jié)合地質(zhì)測繪及物探成果，推測2#、3#墩附近為斷裂構(gòu)造帶，對樁基安全存在巨大風(fēng)險。

考慮到橋梁兩端邊孔橋較低和盡量減少溶洞樁基數(shù)量，充分利用物探及鉆探成果，將原設(shè)計方案中孔跨徑40 m改為60 m跨徑，取消第一跨及最后一跨，并增設(shè)路基擋墻，橋跨布置改為25 m +60 m +25 m。變更后樁基孔18 個，鉆探揭示溶洞鉆孔為9 個，見洞率為50%，鉆孔見洞率小于60%；鉆孔線巖溶率6.5%～38%，最大鉆孔線容率為39.6%，平均鉆孔線容率為16.3%,小于20%。調(diào)整后樁基內(nèi)巖溶發(fā)育程度綜合評價為強(qiáng)發(fā)育區(qū)。樁位調(diào)整前后的鉆孔巖溶發(fā)育埋深見圖2、圖3。

圖2 原設(shè)計方案巖溶發(fā)育埋深

圖3 調(diào)整后設(shè)計方案巖溶發(fā)育埋深

3 巖溶發(fā)育程度劃分

場地巖溶發(fā)育程度劃分主要通過鉆探鉆孔取得定量指標(biāo)，通過遇洞率和線巖溶率兩個重要指標(biāo)判斷場地巖溶發(fā)育程度和樁基巖溶發(fā)育程度。

巖溶發(fā)育程度可劃分為巖溶極強(qiáng)發(fā)育、巖溶強(qiáng)發(fā)育、巖溶中等發(fā)育及巖溶弱發(fā)育四個等級。（1）巖溶極強(qiáng)發(fā)育區(qū)，鉆孔遇洞率大于60%、鉆孔線巖溶率大于20%；（2）巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)，鉆孔遇洞率30%～60%、鉆孔線巖溶率10%～20%；（3）巖溶中等發(fā)育區(qū)，鉆孔遇洞率10%～30%、鉆孔線巖溶率3%～10%；（4）巖溶弱發(fā)育區(qū)，鉆孔遇洞率小于10%、鉆孔線巖溶率小于3%。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)將該橋進(jìn)行巖溶發(fā)育程度分類，分類結(jié)果見表2 及圖4。

表2 樁基巖溶發(fā)育程度分類

圖4 巖溶發(fā)育程度分布

由表2、圖4 可以看出，設(shè)計方案調(diào)整后，橋梁樁基有效地避開了巖溶極強(qiáng)發(fā)育區(qū)域，降低了安全風(fēng)險。

4 工程方案對比分析

原設(shè)計方案樁基施工需穿過深厚層的巖溶，且2#、3#樁基均位于巖溶極強(qiáng)發(fā)育區(qū)域，除給施工帶來巨大難度外，樁基處于高危險區(qū)域范圍內(nèi)，樁基的微小變形勢必給橋墩乃至橋梁上部結(jié)構(gòu)安全帶來極大風(fēng)險。采用調(diào)整跨徑后方案，能夠避開巖溶極強(qiáng)發(fā)育等高危險區(qū)域，保證橋梁安全運營。調(diào)整跨徑方案前后對比見表3。

表3 橋梁跨徑方案綜合對比

5 結(jié)語

（1）橋梁選址時應(yīng)堅持貫徹“地質(zhì)選線”的原則和指導(dǎo)思想，查明斷裂構(gòu)造帶及巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的區(qū)域，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失及安全風(fēng)險。（2）復(fù)雜巖溶地區(qū)橋梁樁基墩位應(yīng)充分結(jié)合地質(zhì)測繪、物探及鉆探等手段，詳細(xì)了解橋址區(qū)的巖溶發(fā)育及分布情況，為設(shè)計方案比選提供依據(jù)。（3）巖溶強(qiáng)烈發(fā)育等地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)的橋梁工程，隨著勘察階段深入以及對場地工程地質(zhì)條件全面了解，可以通過調(diào)整跨徑和樁基位置來避開巖溶極強(qiáng)發(fā)育區(qū)，降低安全風(fēng)險。