牛角口融江特大橋巖溶發(fā)育特征及因素分析

魏見海，秦秋文，滕金勇

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

巖溶地區(qū)復雜的巖溶發(fā)育情況可能對高速公路項目的勘察設計與施工造成危害，因而越來越受到業(yè)內的關注。巖溶發(fā)育程度與巖性、地質構造以及水動力作用有著密切的關系，給高速公路建設帶來巨大的安全隱患[1-2]。如何解決巖溶發(fā)育地段對高速公路建設帶來的困難，是當前面臨的重大地質難題之一。本文以融水至河池高速公路K4+454牛角口融江特大橋工程為依托，對橋址區(qū)巖溶發(fā)育特征及主要因素進行分析，得出巖溶發(fā)育規(guī)律，為該橋梁設計及施工提供合理建議。

1 工程概況

K4+454牛角口融江特大橋是融水至河池高速公路的控制性工程，橋梁跨越融江，采用(4×40)m+(90+160+90)m+(2×40)m預應力混凝土(后張)連續(xù)箱梁，先簡支后連續(xù)預制小箱梁；橋墩采用墻式墩、矩形蓋梁柱式墩、L形蓋梁柱式墩，橋臺采用樁柱式橋臺、肋板式橋臺；基礎采用鉆孔灌注樁基礎，擬建橋長為589.00 m，橋寬為29.50 m。

2 工程地質條件

該區(qū)域地貌形態(tài)表現(xiàn)為溶嶺谷地，橋位區(qū)微地貌表現(xiàn)為融江河谷階地地貌。該階地較平坦，河谷呈“U”字形，岸坡坡度較大。

根據(jù)工程地質測繪及鉆探揭露，橋址區(qū)覆蓋層主要為第四系沖洪積層(Q4al+pl)黏土及卵石，下伏基巖為石炭系下統(tǒng)巖關階上段(C1y3)深灰色中厚層細-微晶石灰?guī)r，河床大部分地段基巖出露。場地主要構造有融水-和睦復背斜，橋位區(qū)位于該復背斜東翼，處于次級向斜核部，該次級向斜軸呈南北走向，兩翼巖層傾角緩，巖層產(chǎn)狀穩(wěn)定。區(qū)域地質簡圖如下頁圖1、圖2所示。

圖1 區(qū)域地質簡圖

圖2 區(qū)域地質橫斷面簡圖

橋址區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，無活動斷裂帶通過，區(qū)域地殼穩(wěn)定。

橋梁跨越融江，河面寬，流量受季節(jié)變化影響較大，常年水量大。橋址區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙溶洞水。松散巖類孔隙水賦存于卵石層孔隙中，屬強透水層，水量大，富水性較好，分布連續(xù)，有統(tǒng)一地下水位，水位基本與融江相平，兩岸階地水位略高，向下滲透轉化為碳酸鹽巖裂隙溶洞水；碳酸鹽巖裂隙溶洞水埋藏于場地內的石灰?guī)r溶蝕裂隙中。地表水與地下水聯(lián)系密切[3]。

3 巖溶發(fā)育特征

根據(jù)橋梁勘察成果，橋址區(qū)除主墩5#墩及6#墩外，其余墩臺的第四系覆蓋層埋深>15 m，溶洞、溶蝕裂隙等巖溶現(xiàn)象普遍常見，溶洞內多充填有第四系沖洪積砂礫及卵石等強透水層土體，少量溶洞無充填。根據(jù)《公路工程地質勘察規(guī)范》(JTGC20-2011)，橋址區(qū)除主墩5#墩及6#墩外，均屬淺覆蓋型巖溶，主墩5#墩及6#墩屬裸露型巖溶。巖溶形式均為地下隱伏溶洞。

該橋址巖溶發(fā)育在平面表現(xiàn)為：本次勘察除0#臺以外，其余墩臺鉆孔均揭露溶洞，融江兩岸墩臺1#墩、2#墩、7#墩至9#臺溶洞分布較少，河床墩臺3#墩至6#墩分布較多，鉆孔遇洞率為74.5%，橋梁各墩臺揭露溶洞數(shù)量情況如下頁圖3所示。

圖3 各墩臺揭露溶洞數(shù)量分布柱狀圖

該橋址巖溶發(fā)育在垂向表現(xiàn)為：溶洞呈頂板及底板厚度小的串珠狀沿垂向發(fā)育，大部分發(fā)育深度在基巖以下10 ～15 m，分布高程為70～90 m，個別墩臺溶洞發(fā)育深度超過基巖面15 m，分布不連續(xù)，洞高一般為0.80～2.50 m，最大洞高為10.5 m，其中大部分洞高較大的溶洞分布于3#墩至9#臺，總溶洞高度為142.87 m，線巖溶率約為15%。溶洞大部分均有充填，充填物為軟塑狀黏性土、卵石或砂，僅少數(shù)為空洞。此外，一些巖芯沿節(jié)理面及層面亦可見有溶蝕現(xiàn)象。橋梁各墩臺巖溶發(fā)育(溶洞底)分布情況如下頁圖4、圖5所示。

圖4 橋梁各墩臺巖溶發(fā)育(溶洞底)等高線圖

圖5 各墩臺溶洞底高程分布圖

對各墩臺巖溶發(fā)育程度詳細的評價如表1所示。巖溶發(fā)育程度判別標準根據(jù)《廣西巖土工程勘察規(guī)范》(DBJ/T45-066-2018)相關條文。

表1 各墩臺巖溶發(fā)育程度評價表

綜上所述，該橋址區(qū)大部分區(qū)域巖溶強烈發(fā)育。由于巖溶形態(tài)及分布復雜，對橋址區(qū)巖溶發(fā)育因素進行深入分析，對橋梁樁基設計、施工具有指導意義。

4 巖溶發(fā)育因素分析

根據(jù)巖溶發(fā)育的基本條件，結合區(qū)域地質及勘察成果，筆者認為該橋址巖溶強烈發(fā)育的主要因素有地形地貌、地層巖性(具有可溶性巖層)、地質構造(地下水有徑流的通道)、地下水動力條件(有溶解能力及足夠流量的水、地表水與地下水有水力聯(lián)系)等因素。

4.1 地形地貌

在地貌形態(tài)上，區(qū)域地貌形態(tài)表現(xiàn)為溶嶺谷地，橋位區(qū)微地貌表現(xiàn)為融江河谷階地地貌。河谷受地表水沖刷，覆蓋層很薄，部分地段河床基巖裸露，溶溝溶槽發(fā)育，石灰?guī)r與地表水直接接觸；河谷階地堆積有較厚的砂礫石、卵石等透水性良好的土體，河谷周邊地表水入滲，使地表水轉化為地下水，實現(xiàn)水動力循環(huán)，為橋址區(qū)巖溶發(fā)育提供了有利條件。

4.2 地層巖性

橋址區(qū)基巖主要為石炭系下統(tǒng)巖關階上段(C1y3)的深灰色中厚層細-微晶石灰?guī)r，細-微晶石灰?guī)r顆粒比表面積大，與地下水接觸面積大，溶解速率較快，巖性對于巖溶發(fā)育是十分有利的。

4.3 地質構造

橋位區(qū)整體處于融水-和睦復背斜地質構造中，而橋址區(qū)正好處于該復背斜的一向斜核部。在向斜構造形成過程中，核部內側巖層受到擠壓，外側巖層受到拉伸，往往發(fā)生類型不同、方位各異的裂隙，包括層間張開、層間裂隙、斷層、節(jié)理、劈理等，在核部形成網(wǎng)狀裂隙，兩翼巖層發(fā)生錯動而形成層間張開、層間裂隙，硬質巖在構造應力作用下易形成節(jié)理、劈理等[4]。這些構造裂隙不同程度地破壞了橋址區(qū)石灰?guī)r的巖體完整性，增大了巖體滲透系數(shù)，尤其是核部網(wǎng)狀裂隙最發(fā)育，為地下水在巖層中的徑流提供了充分的條件，有利于地下水的存儲及運動，加快了巖溶發(fā)育的速率，這也是河床3#墩至6#墩溶洞分布較多的內在因素之一。

4.4 地下水動力條件

根據(jù)區(qū)域地質和水文地質資料，橋址區(qū)地下水類型主要有松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，且以碳酸鹽巖類裂隙巖溶水為主。由于橋位區(qū)跨越融江，地表水水量大且流速快，與地下水有著非常密切的水動力聯(lián)系。在融江兩岸，地表水通過松散巖類孔隙水補給碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，沿向斜兩翼石灰?guī)r層間裂隙，向向斜核部滲流；而在河床地區(qū)，地表水直接補給碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，沿向斜核部縱橫交錯的網(wǎng)狀裂隙向深部巖體不斷徑流向下滲透，構成了橋址區(qū)巖溶水不斷循環(huán)的系統(tǒng)，加快了石灰?guī)r的溶蝕速率?？傊?，融江兩岸墩臺比河床墩臺溶洞高程總體較高，河床墩臺3#墩至6#墩溶洞分布較多，這種現(xiàn)象與地下水動力條件密不可分。

綜上所述，該橋梁橋址區(qū)巖溶發(fā)育程度主要受地形地貌、地層巖性、地質構造、地下水動力條件等4個方面的因素綜合控制，巖性是內因，其余均為外因。其中，地質構造決定了地下水動力條件，這兩者對巖溶發(fā)育起了關鍵性作用。

5 橋梁勘察設計與施工建議措施

該橋梁勘察過程主要以鉆探為主，以能探明地基各巖土層分布、巖溶發(fā)育程度和樁端持力層滿足橋梁設計要求為度，對于巖溶強發(fā)育的墩臺，宜增加鉆孔。在橋梁樁基礎設計方面，建議同一墩臺樁基礎樁端穿過該墩臺最下面一層溶洞，尤其是主跨5#墩、6#墩及引橋4#墩、7#墩，確保橋梁樁基礎的安全可靠。在施工過程中，可采取物探及鉆探相結合的手段進行施工勘察，比如管波探測法、樁底巖溶探測法等，進一步查明其余樁基礎的溶洞分布情況。

橋梁樁基礎施工主要以沖孔鉆進為主，巖溶發(fā)育墩臺的樁基礎施工過程中可能出現(xiàn)漏漿、斜孔、串漿、串孔、卡錘、掉鉆甚至地面塌陷等情況，嚴重影響現(xiàn)場施工人員、設備的安全。針對該特大橋巖溶發(fā)育情況，為保證成孔過程安全和成樁質量，可結合該橋梁橋址區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律以及施工中出現(xiàn)的巖溶問題，選取拋填片石、回填素混凝土、鋼護筒跟進、局部地段注漿加固等措施進行巖溶處理[5]。

6 結語

(1)通過對橋址區(qū)鉆孔資料、區(qū)域地質及水文地質條件的分析，總體上認為，橋址區(qū)的巖溶強烈發(fā)育，主要的巖溶形態(tài)為串珠狀發(fā)育的溶洞，但極個別墩臺巖溶弱發(fā)育。

(2)橋址區(qū)巖溶發(fā)育主要受地形地貌、地層巖性、地質構造及地下水動力條件等因素的綜合控制，巖性是內因，其余均為外因。其中，地質構造決定了地下水動力條件，這兩者對巖溶發(fā)育起到了關鍵性作用。

(3)建議在橋梁設計及施工時，根據(jù)各墩臺巖溶發(fā)育程度區(qū)別對待，在橋梁樁基礎施工過程中，應根據(jù)不同巖溶問題，采取相應的處理措施。