溶洞對橋梁樁基設計與施工處治的影響因素分析

覃振洲，向 暉，胡 偉

（1.貴州宏信創(chuàng)達工程檢測咨詢有限公司，貴陽 550014；2.中建鐵路投資建設集團有限公司，北京 102600；3.湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411201）

據(jù)統(tǒng)計，截至2021年底，貴州省高速公路通車總里程已突破8 000 km，高鐵里程達到1 586 km，普鐵里程超過2 500 km?！顿F州省推進交通強國建設實施綱要》[1]中強調，到2035年，要基本實現(xiàn)交通現(xiàn)代化，基本實現(xiàn)城鎮(zhèn)居民半小時上高速、1小時上高鐵、1小時到機場，城際軌道交通公交化服務，相應建設指標為高速鐵路通車里程達到3 000 km，普速鐵路3 500 km，高速公路大于10 000 km。可見，貴州省交通基礎設施還有相當大的建設空間，尤其是高鐵建設。貴州省地貌屬于中國西南部高原山地，境內地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，平均海拔在1 100 m左右，全省地貌可概括分為：高原、山地、丘陵和盆地4種基本類型，其中92.5%的面積為山地和丘陵。境內山脈眾多，重巒疊嶂，綿延縱橫，山高谷深，素有“八山一水一分田”之說，是全國唯一沒有平原支撐的省份。在這種地貌下開展交通基礎設施建設，橋隧比會相當高。以盤興高鐵為例，其橋隧比達到了90.66%。橋隧比高不僅加大工程建設難度大，造價也將大幅上升。由于高鐵、高速公路對沉降變形控制要求高，故橋梁基礎一般設計采用大直徑灌注樁基礎，靠樁端阻力和樁側摩阻力來提供足夠的承載力，這就要求樁端有可靠的持力層，樁側和周圍土體有可靠的接觸。但貴州約17.6萬km2的面積碳酸鹽巖占比超過70%，巖溶極為發(fā)育[2]。巖溶是指水對可溶性巖石（碳酸鹽巖、硫酸鹽巖和鹵化物巖等）進行以化學溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用為輔的地質作用，以及由這些作用所產(chǎn)生的現(xiàn)象的總稱。在地表以下，對橋梁樁基承載力和樁基施工影響最大的主要是溶洞這種巖溶表現(xiàn)形式，影響因素包括溶洞的大小、埋藏深度和層數(shù)，相對樁基的位置及洞內填充物狀態(tài)。本文將梳理典型溶洞樁基設計施工和相關研究成果，分析上述因素對工程樁基設計和施工處治的影響，以期為貴州類似工程提供借鑒和參考。

1 溶洞大小影響

當橋梁樁基施工遭遇較小溶洞時，可作填充技術處理，填充物可選混凝土或工程建設中產(chǎn)生的棄土棄渣。待填充好后，按照無溶洞地層條件施工即可，該方法一般成本較低，且施工質量較容易控制。但當遭遇大溶洞時，填充往往代價大，難以取得較好效果，此時應考慮采用鋼護筒對溶洞進行穿越，在鋼護筒中進行灌注樁施工。以貴州省六威高速公路箐溝大橋為例[3]，地勘結果顯示，K69+690左12-2#、右12-1#樁基處存在大型溶洞。后經(jīng)揭開溶洞小口進洞勘察發(fā)現(xiàn)，左右兩側樁基下溶洞橫向發(fā)育明顯，相互連通，溶洞高約14.54 m，寬約9.12 m，有向周邊及下方發(fā)育現(xiàn)象，溶洞空腔達到約2 180 m3。對于如此大體積的溶洞，倘若采用填充技術進行處理，如回填漿砌片石，則在運輸和施工周期方面均存在很大難度，且洞內施工風險較大；如采用混凝土回填，則混凝土用量大，成本高，且因洞內裂隙發(fā)育，混凝土很可能會產(chǎn)生流失，進一步增大用量，成本不可控。后經(jīng)過綜合比選，現(xiàn)場施工采用鋼護筒施工法。鋼護筒按照2.3 m直徑，壁厚22 mm，每節(jié)1.5 m的規(guī)格由廠家訂做，質量可靠。連接采用螺栓和焊接兩重連接，確保整體剛度，在鋼護筒施工過程中嚴格控制垂直度指標。樁基檢測報告顯示該溶洞樁基樁身混凝土完整，為Ⅰ類樁。由此可見，對于大溶洞，采用回填處理一般難以滿足現(xiàn)場施工和成本控制要求，采用鋼護筒施工灌注樁則具有成本可控、施工安全等優(yōu)點。但該方法也存在成本高、容易堵管等問題。廣州北站綜合交通樞紐開發(fā)建設項目現(xiàn)場溶洞見洞率高達55%[4]，為確保施工質量和安全，節(jié)省工期，工程結合超前鉆探法、管波探測法，以及雙漿液工藝、袖閥管注漿和間歇注漿法的施工工藝，大幅提高了溶洞處理的效率，明顯降低了施工成本，使得超大溶洞區(qū)域沖孔灌注樁一次性成孔的概率大大提高，最大限度避免了后期樁基成孔施工中出現(xiàn)的漏漿、擴孔、塌孔和埋鉆等現(xiàn)象。該方法值得類似工程借鑒，但也存在對設備和人員技能要求高等不足之處。

2 溶洞埋藏深度影響

橋梁樁基一般承受上部荷載較大，對樁基承載力要求較高，這就要求樁端進入穩(wěn)定可靠的持力層。因此，溶洞的埋藏深度將直接對持力層的選擇產(chǎn)生影響，也會改變樁身的承載性狀。高祁等試驗研究表明：樁身穿越多層溶洞時，溶洞段樁身軸力隨溶洞埋深增大而減小，溶洞埋藏越深，對樁身承載力的不利影響越小。當溶洞埋藏較淺，例如貴州巖溶地區(qū)一般都在地表范圍10～20 m內會形成一層淺溶洞[5]。黔北巖溶區(qū)某工程勘察發(fā)現(xiàn)貫通型溶洞和懸掛型兩種溶洞發(fā)育形態(tài)[6]，前者埋藏深度在5～12 m之間，最深為11.95 m，形態(tài)為垂向橢圓豎井狀，上下呈串珠狀貫通；后者埋深3～6.4 m，形態(tài)似傾斜偏形透鏡體狀，呈懸掛型土洞。對此類淺埋溶洞，樁基施工可在較小代價下對其直接進行穿越，進入更深土層。但有些溶洞則埋藏很深，如無錫某場地下伏基巖為三疊系青龍群灰?guī)r[7]，巖溶發(fā)育帶范圍在-80～-96 m間，位于第⑧層中風化灰?guī)r中。此時如仍選擇溶洞以下灰?guī)r層作為持力層的話，即設計樁基穿越上述溶洞，則樁長將達到100 m以上。樁基設計雖然安全可靠，但施工成本高、經(jīng)濟性差，得不償失。后經(jīng)仔細分析場地土層分布發(fā)現(xiàn)，第⑦層粉質黏土層具有中等壓縮性、中等強度，厚度超過20 m，完全滿足樁基規(guī)范對樁端持力層的厚度要求，且在擬建場地分布均勻。最終樁基設計方案選擇此土層作為持力層，減小樁長近40 m，但需在樁基施工前對溶洞進行注漿處理，以達到基巖穩(wěn)定性的要求。此外，對于淺覆蓋層巖溶區(qū)橋梁嵌巖樁基，若溶洞頂板完整且具有一定厚度，一般需大于3倍樁徑且不小于5 m時，可利用溶洞頂板的自承能力，將嵌巖樁樁端置于溶洞頂板上，這種設計思路不僅可簡化施工難度，還可以極大節(jié)約經(jīng)濟成本，但其前提是對溶洞頂板情況掌握較為清楚。

3 溶洞層數(shù)影響

由于地質構造和地下水流動的相互作用，地下溶洞分布的復雜性將進一步增加，形成多層溶洞。如云南省文山州廣那高速公路工程冷水溝現(xiàn)場0～2#樁基就屬于多層溶洞[8]，12 m樁長位置處出現(xiàn)小溶洞高0.7 m，寬2 m，長3 m，18 m位置處出現(xiàn)大型溶洞高4 m，長5 m，寬4 m。又如廣州市金沙洲地區(qū)472個遇溶洞鉆孔的統(tǒng)計表明，揭露2層溶洞的鉆孔數(shù)占比18.6%；揭露3層溶洞的鉆孔數(shù)占比為7.6%；鉆孔最多揭露到7層溶洞，揭露大于等于4層溶洞的鉆孔數(shù)占比5.3%。多層溶洞具有一定的隱蔽性，在地質勘察過程中如果稍不詳盡就很難真實、全面地反映巖溶發(fā)育情況，小型溶洞相對更難以發(fā)現(xiàn)，如待樁基施工時才被發(fā)現(xiàn)，往往會因設計與實際不符而發(fā)生現(xiàn)場變更，影響工程進度、增加施工難度。傳統(tǒng)橋梁樁基設計一般采用大直徑單樁基礎，對于存在多層溶洞的地質情況，這種設計往往難以在溶洞之間找到符合規(guī)范厚度要求的持力層，故樁基只能穿越多層溶洞，使得持力層位于最底層溶洞以下，造成設計樁體一般很長，施工成本大增。但如果改單樁為群樁，則可大大降低單樁所受荷載，有效減小樁徑，這樣也許就可以在多層溶洞之間找到滿足頂板厚度要求的合適持力層。如清遠市青西大橋的回瀾互通主線橋24#-ZB樁基[9]，地勘揭露自上而下地層依次為素填土、粉質黏土、粉砂、細砂、粗砂、中砂、卵石、全風化粉砂巖、強風化粉砂巖、4.8 m全充填溶洞、強風化灰?guī)r、全充填溶洞、微風化灰?guī)r、半充填溶洞、微風化灰?guī)r、全充填溶洞、微風化灰?guī)r、半充填溶洞和微風化灰?guī)r，以上全為溶洞。設計樁長內溶洞呈多層串珠狀發(fā)育，最多達8層。最終為確保工程質量安全，原設計樁徑1.6 m，樁長47 m單樁基礎變更為4根樁徑1.2 m，長24.5 m的群樁基礎，并在工程實踐中結合注漿和黏土片石回填等處理措施，取得了較好的效果。

4 溶洞相對位置影響

由于溶洞形成的復雜性，實際工程中樁基中心線一般不會和溶洞頂板中心線重合，往往存在偏心，甚至不一定全部分布在溶洞頂板上，也有可能分布在溶洞的兩側，與溶洞存在一定距離。在這種情況下，樁基承載性狀及其承載力將會受到溶洞相對位置的影響。孫映霞等[10]的模型試驗發(fā)現(xiàn)當溶洞位于樁正下方時，破壞時的塌落拱也呈對稱形態(tài)；而當溶洞位于樁體左下側距樁中心線為2倍的樁徑時，則在溶洞的右上方形成塌落拱，且拱頂與豎向約成45°角。尹君凡等[11]提出了一種適用于軸對稱和偏心工況的溶洞頂板極限承載力計算方法，結果表明，偏心距對頂板極限承載力影響較大，對于一定頂板厚度，頂板極限承載力隨著偏心距的增加呈非線性增長，在偏心距大于發(fā)生沖切破壞的范圍外時趨于平緩，并逐漸達到基巖極限承載力。雷勇等[12]進一步在此基礎上考慮頂板由沖切破壞到完整基巖破壞的全過程，采用極限分析上限法推導建立了考慮溶洞相對位置變化時頂板極限承載力的計算方法。結果表明：對于頂板厚度為2倍樁徑的情況，當樁與溶洞從中心對稱到偏心距與樁徑之比為4，頂板承載力增量達到25%，且頂板厚度越薄，承載力變化越顯著。由此可見，設計中按照溶洞頂板和樁基兩者中心重合進行溶洞頂板承載力計算是偏于安全的。梁冠亭等[13]采用下限有限元法進一步探討了雙溶洞位置對樁基承載力的影響，結果表明，樁端極限承載力主要受距離最近溶洞的影響，其破壞模式也由該溶洞控制。若2個溶洞到樁端水平距離相同的情況，樁端極限承載力由2個溶洞共同控制，破壞模式也可分為2部分。

5 洞內填充物狀態(tài)影響

經(jīng)過地下水的裹挾和沉積作用，溶洞內可能會存在一定的充填物質。根據(jù)填充程度，可分為全填充型、半填充型和無填充型。受填充物的沉積時長和洞內水環(huán)境的影響，填充物也往往呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)。如因氣象或水文地質條件改變，洞內水流失、滲漏甚至干涸，填充物發(fā)生較長時間沉積，完成固結，則可能呈現(xiàn)硬塑狀態(tài)。如果溶洞內始終處于飽水狀態(tài)，則填充物可能呈現(xiàn)軟塑或流塑狀態(tài)。如杭州至長沙鐵路客運專線（江西段）HKJX-3標五分部進賢特大橋段地處巖溶發(fā)育地帶[14]，結合工程地勘報告和超前地質鉆孔確認，按照《鐵路巖溶工程地質勘察技術》分類標準[15]，全填充型溶洞占比6%，洞內完全填充亞黏土、砂土和黏性土等，呈硬塑、流塑和軟塑狀；半填充型溶洞占比為11%；無填充型溶洞占比則達到83%。貴州省平寨水庫左岸底層灌漿廊道經(jīng)開挖及勘探鉆孔揭露發(fā)現(xiàn)[16]，溶洞被黏質細沙土充填密實，為全填充型。洞內填充程度和狀態(tài)會對樁基施工產(chǎn)生影響，如無填充或半填充的中小溶洞，一般對其進行回填處理，以便形成泥石護壁，進行成孔；若洞內填充物呈松散或軟、流塑狀，回填時可能還需添加水泥起到固化加強作用；對于全填充型且填充物呈硬塑狀態(tài)的溶洞，則可以直接鉆孔，并根據(jù)需要加強泥漿護壁作用；對于大型溶洞，除硬塑和密實狀態(tài)的全填充型外，其他填充類型與狀態(tài)下，回填已不具備經(jīng)濟性，且施工質量難以保證，則優(yōu)先采用鋼護筒施工法對溶洞進行穿越。貴陽市某城區(qū)棚戶改造地塊地下巖溶發(fā)育率為18.5%[17]，溶洞多數(shù)為全填充型，填充物為可塑性黏土，少數(shù)為無填充型。施工過程中發(fā)現(xiàn)地下室底板以下10 m深度處有一大型溶洞，長約60 m，高5～12 m，寬5～10 m，底部有一層較厚淤泥外，無明顯水流滲入。針對該無填充型溶洞，對比分析了深樁基礎處理法和回填注漿法2種方案。經(jīng)比較，該工程回填注漿方案在成本上比樁基礎方案節(jié)約成本達15%，回填注漿法工序簡單，技術難度相對較小，施工速度較快。陳伏冰介紹了無填充型溶洞兩種樁基成孔方法，分別是片石黏土筑壁法和鋼護筒跟進法，對相應質量控制措施進行了闡述。強調無論采取哪種方法，最大限度準確掌握樁位處的地質水文勘察資料是最為必要的，尤其對于復雜巖溶地區(qū)，要充分了解溶洞情況，應采取逐樁鉆探，在此基礎上，再確定合理的施工方法。

6 結束語

貴州省巖溶面積分布廣，地下溶洞分布較為普遍，水文地質條件復雜，給橋梁樁基工程的設計施工增加了難度。本文對典型溶洞樁基設計施工和相關研究成果進行了梳理總結，分析了溶洞大小、埋藏深度、溶洞分布層數(shù)、溶洞相對樁基位置，以及洞內填充物狀態(tài)對樁基設計、施工處治的影響。結果表明，上述各因素均會對樁基的設計施工處治產(chǎn)生明顯影響，為確保工程安全質量，其首要先決條件是要查明溶洞情況，而后在綜合考慮安全性、質量可控性和經(jīng)濟性的基礎上合理確定樁基設計思路和施工處治方法。本文結論可為貴州省類似工程提供借鑒和參考。