臨水環(huán)境下矮塔斜拉橋樁基施工關(guān)鍵技術(shù)與巖溶地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)防控研究

摘要：在臨水環(huán)境與巖溶地質(zhì)條件下，矮塔斜拉橋樁基施工面臨施工環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)不確定性強(qiáng)等挑戰(zhàn)?；诰唧w工程實(shí)例，分析了矮塔斜拉橋樁基施工的關(guān)鍵技術(shù)，包括臨水環(huán)境作業(yè)平臺(tái)搭建技術(shù)、旋挖鉆、沖擊鉆工藝優(yōu)化與溶洞地層成孔穩(wěn)定性控制。針對(duì)巖溶地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)建了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并提出了超前地質(zhì)勘探、溶洞處理綜合技術(shù)、樁基承載力動(dòng)態(tài)評(píng)估等防控措施，以期提升施工安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：臨水環(huán)境" "矮塔斜拉橋" "樁基施工" "巖溶地質(zhì)" "風(fēng)險(xiǎn)防控

Key Technologies for Pile Foundation Construction of Low Tower Cable-Stayed Bridges in Water Environments and Research on Karst Geological Risk Prevention and Control

FU Xingxing1" " TANG Weiwei2" " "DUANG Chao2" " ZHANG Xiaoqiang2

1．Guangzhou Railway Investment and Construction Group Co.， Ltd.， Guangzhou， Guangdong Province， 511493 China; 2. China Railway Tenth Bureau Group Urban Rail Transit Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou， Guangdong Province， 511493 China

Abstract： In the water environment and karst geological conditions， the pile foundation construction of low tower cable-stayed bridge faces challenges such as complex construction environment and strong geological uncertainty. Based on concrete engineering examples， the key technologies of pile foundation construction of low tower cable-stayed bridge are analyzed， including working platform construction technology in water environment， optimization of rotary drilling， and impact drilling processes and pore stability control of karst cave formation. A risk assessment model is constructed for karst geological risks， and prevention and control measures such as advanced geological exploration， comprehensive technology of karst cave treatment and dynamic assessment of pile foundation bearing capacity are proposed to improve construction safety and structural stability.

Key Words： Water environment; Short tower cable-stayed bridge; Pile foundation construction; Karst geology; Risk prevention and control

矮塔斜拉橋因其結(jié)構(gòu)受力合理、自重較輕、跨越能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)橋梁工程。然而，在臨水環(huán)境及復(fù)雜巖溶地質(zhì)條件下，樁基施工面臨諸多技術(shù)難題，如水流沖刷、基坑穩(wěn)定性控制、溶洞發(fā)育影響等。因此，如何在確保施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全的前提下高效實(shí)施樁基施工，并有效防控巖溶地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，是工程建設(shè)中的重要課題。本文結(jié)合具體工程案例，分析臨水環(huán)境與巖溶地質(zhì)的影響，提出樁基施工關(guān)鍵技術(shù)，并且基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，探討巖溶地質(zhì)的防控策略，以期為同類(lèi)橋梁工程提供參考。

1 工程概況與地質(zhì)水文條件

1.1 矮塔斜拉橋工程概況

新建珠三角城際軌道交通廣佛環(huán)線炭步白坭河特大橋50～53號(hào)墩，以（115+230+115）m 雙線斜拉橋跨白坭河，位于廣州花都區(qū)炭步鎮(zhèn)，橋長(zhǎng)460 m。主墩為Ф2 m鉆孔樁，承臺(tái)雙層矩形，橋墩門(mén)式，主塔高59 m和56.5 m，主橋?yàn)殡p塔雙索面矮塔斜拉橋。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，承受多種荷載，是五工區(qū)關(guān)鍵控制性工程。

1.2 地質(zhì)水文條件

施工區(qū)域線路上跨白坭河二級(jí)水源保護(hù)區(qū)，水流復(fù)雜，水位受潮汐和季節(jié)影響變化大，汛期流速加快，地下水位與樁基孔內(nèi)聯(lián)通，河水水質(zhì)影響混凝土和鋼材，周邊地表水易致積水。斜拉橋主墩位于兩岸，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，砂層厚，溶洞、溶隙多，樁基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)高，需要針對(duì)性處理。

2 臨水環(huán)境下矮塔斜拉橋樁基施工的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 臨水環(huán)境作業(yè)平臺(tái)搭建技術(shù)

臨水環(huán)境下矮塔斜拉橋樁基施工，依水域地形、地質(zhì)、水流、水位等選平臺(tái)搭建方案。當(dāng)水域淺、地質(zhì)好時(shí)，用鋼管樁圍堰結(jié)合貝雷梁搭建。以振動(dòng)錘將鋼管樁打入河床，安裝貝雷梁并鋪?zhàn)鳂I(yè)面板，保障強(qiáng)度和穩(wěn)定性[1]。在水深且水流急區(qū)域，采用浮式平臺(tái)。拼接專(zhuān)業(yè)浮箱組成浮式基礎(chǔ)，經(jīng)精確計(jì)算，布置錨碇系統(tǒng)固定平臺(tái)，確保定位精度。平臺(tái)配備安全防護(hù)設(shè)施，其合理搭建為后續(xù)樁基施工設(shè)備作業(yè)提供穩(wěn)定基礎(chǔ)。2.2 旋挖鉆、沖擊鉆工藝優(yōu)化

臨水環(huán)境下，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告選擇鉆頭。軟土層采用大直徑筒式鉆頭，砂卵石層采用特殊合金齒螺旋鉆頭。鉆進(jìn)時(shí)，先慢進(jìn)，保證垂直；隨著深度增加，根據(jù)地層變換鉆進(jìn)速度；嚴(yán)格控制泥漿比重（1.1～1.3）、黏度（18～22 s）、含砂率（低于4%）；使用高強(qiáng)度抗彎曲鉆桿，以提高精度[2]。

根據(jù)地質(zhì)不同，沖擊鉆需要改變鉆頭形狀和重量。硬巖層采用重十字形尖銳齒鉆頭，軟土層應(yīng)減輕鉆頭重量并提高沖擊頻率。施工中，精確控制沖程（1～3 m）和沖擊次數(shù)，避免孔壁坍塌與疲勞破壞；加強(qiáng)泥漿循環(huán)系統(tǒng)的管理，清除鉆渣，保證護(hù)壁性能，以提高樁基施工質(zhì)量。2.3 溶洞地層成孔穩(wěn)定性控制

施工前，通過(guò)地質(zhì)勘察和超前鉆探，全面掌握溶洞相關(guān)信息，為方案制訂提供依據(jù)。利用泥漿相對(duì)密度計(jì)算公式，調(diào)整泥漿性能。

式（1）中：ρ為泥漿相對(duì)密度；m為泥漿質(zhì)量；V為泥漿體積。在溶洞區(qū)域，提高泥漿相對(duì)密度至1.2～1.3，同時(shí)增加黏度，以增強(qiáng)護(hù)壁效果[3-4]。針對(duì)小溶洞，回填黏土和片石形成防護(hù)層后再鉆進(jìn)；針對(duì)大溶洞或多層溶洞，采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)技術(shù)，依據(jù)溶洞高度、地質(zhì)選擇合適的鋼護(hù)筒下沉至穩(wěn)定地層。施工中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)孔內(nèi)水位、泥漿指標(biāo)和孔壁穩(wěn)定性，一旦異常，立即停止鉆進(jìn)并進(jìn)行分析，采取補(bǔ)漿、回填或調(diào)整鋼護(hù)筒位置等措施。

3 巖溶地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估

3.1 巖溶地質(zhì)對(duì)樁基施工的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

巖溶地質(zhì)給樁基施工帶來(lái)諸多風(fēng)險(xiǎn)，準(zhǔn)確識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)對(duì)保障工程安全與質(zhì)量至關(guān)重要。首先，需要收集工區(qū)地質(zhì)勘察報(bào)告等資料，了解巖溶詳細(xì)信息。其次，通過(guò)跨孔CT等技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，確定巖溶具體位置和特征。從施工工藝來(lái)看，氣舉反循環(huán)成孔易出現(xiàn)溶洞漏漿、鉆頭偏斜等問(wèn)題，鋼筋籠下放時(shí)孔壁也可能垮塌。從工程安全角度，溶洞會(huì)使樁基持力層不穩(wěn)定，甚至引發(fā)坍塌事故，威脅設(shè)備和人員安全。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型構(gòu)建

在巖溶地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP） 構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。一是構(gòu)筑地層結(jié)構(gòu)模型，把目標(biāo)層設(shè)置成樁基施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的巖溶地質(zhì)；準(zhǔn)則層涵蓋了關(guān)鍵因素，如溶洞的大小、溶洞的發(fā)育程度、地下水的情況、施工工藝的復(fù)雜性；方案層是施工的具體階段，也是施工的具體環(huán)節(jié)。

通過(guò)專(zhuān)家打分構(gòu)建判斷矩陣，比較各準(zhǔn)則層因素的相對(duì)重要性。以判斷矩陣為例，其中，aij表示第i個(gè)因素相對(duì)第j個(gè)因素的重要性標(biāo)度，取值遵循1～9標(biāo)度法。之后，計(jì)算判斷矩陣的特征向量和最大特征值λmax，利用一致性指標(biāo)公式（其中，n為判斷矩陣階數(shù)）衡量判斷矩陣的一致性，再引入隨機(jī)一致性指標(biāo)（Random Consistency Index，RI），計(jì)算隨機(jī)一致性比率。當(dāng) CRlt;0.1 時(shí)，判斷矩陣一致性良好。綜合風(fēng)險(xiǎn)值是根據(jù)各種因素的權(quán)重和風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)?shù)計(jì)算出來(lái)的，以此來(lái)確定巖溶地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，從而提供量化的依據(jù)，以防治后續(xù)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果分析

從風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果來(lái)看，該工區(qū)矮塔斜拉橋樁基施工在巖溶地質(zhì)條件下面臨高風(fēng)險(xiǎn)，具體如表1所示。

其中：巖溶發(fā)育程度的權(quán)重為0.4、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分為8分、風(fēng)險(xiǎn)值為3.2，處于中等-強(qiáng)烈發(fā)育狀態(tài)，對(duì)整體風(fēng)險(xiǎn)影響最大；溶洞規(guī)模、施工工藝復(fù)雜程度的評(píng)分均為7分，風(fēng)險(xiǎn)值分別為1.4和1.75 ，提升了風(fēng)險(xiǎn)水平；；地下水活動(dòng)的評(píng)分為6分、風(fēng)險(xiǎn)值為0.9，影響相對(duì)較小；綜合風(fēng)險(xiǎn)值為7.25分，屬高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，施工時(shí)需要高度重視并防控。

4 巖溶地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)防控措施

4.1 強(qiáng)化超前地質(zhì)勘探精度與廣度

在廣佛環(huán)線佛山西站至廣州北站工程五工區(qū)矮塔斜拉橋項(xiàng)目中，強(qiáng)化超前地質(zhì)勘探是防控巖溶地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。利用地質(zhì)雷達(dá)，在已發(fā)現(xiàn)溶洞周邊以5 m間距掃描，調(diào)試參數(shù)，捕捉地質(zhì)異常信號(hào)，發(fā)現(xiàn)潛在小型溶洞。超前鉆探采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)設(shè)備，在大型溶洞周邊扇形布孔，孔間距3～5 m 。鉆進(jìn)時(shí)，依據(jù)巖芯提取情況調(diào)整參數(shù)，通過(guò)分析巖芯微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分，探測(cè)溶洞邊界、填充物特性與地層連通性，為施工提供精準(zhǔn)地質(zhì)數(shù)據(jù)，降低施工地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 優(yōu)化施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略

在新建珠三角城際軌道交通廣佛環(huán)線佛山西站至廣州北站工程五工區(qū)矮塔斜拉橋項(xiàng)目中，對(duì)于小型簡(jiǎn)單溶洞，在樁基施工時(shí)，利用泥漿的護(hù)壁原理，將泥漿比重提升至1.2～1.3之間，選用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土泥漿，增加泥漿膠體率，確保在鉆進(jìn)過(guò)程中形成穩(wěn)定的護(hù)壁，防止塌孔；遇到中型復(fù)雜溶洞，先采用水泥砂漿灌注處理，控制混凝土坍落度在180～220 mm，保證填充密實(shí)，同時(shí)跟進(jìn)鋼護(hù)筒，護(hù)筒壁厚10～12 mm，確保樁基施工安全；針對(duì)大型極復(fù)雜溶洞，運(yùn)用帷幕注漿止水技術(shù)，以50 ～80L/min的注漿速度，將雙液漿（水泥漿與水玻璃）注入溶洞周邊，形成止水帷幕[5]，同時(shí)配合鋼套筒護(hù)壁，鋼套筒直徑比樁徑大20～30 cm，壁厚15～20 mm，保障施工順利進(jìn)行，有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 完善應(yīng)急預(yù)案與資源儲(chǔ)備

面對(duì)巖溶地質(zhì)帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，完善應(yīng)急預(yù)案與資源儲(chǔ)備是保障施工安全的重要防線。

在應(yīng)急預(yù)案方面，針對(duì)可能出現(xiàn)的涌水、坍塌等緊急情況，制定了詳細(xì)且操作性強(qiáng)的流程。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)涌水跡象，立即啟動(dòng)一級(jí)響應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)人員迅速按照既定路線疏散至安全區(qū)域。技術(shù)人員利用專(zhuān)業(yè)檢測(cè)設(shè)備，快速測(cè)定涌水流量、水壓等參數(shù)，以此為依據(jù)，精準(zhǔn)計(jì)算止水所需的注漿量和注漿壓力，指導(dǎo)搶險(xiǎn)作業(yè)。

在資源儲(chǔ)備上，充分考慮巖溶地質(zhì)施工的特殊需求，在施工現(xiàn)場(chǎng)周邊儲(chǔ)備足量的高強(qiáng)度水泥，標(biāo)號(hào)不低于P.O 42.5，儲(chǔ)備量達(dá)300 t，確保在進(jìn)行注漿封堵時(shí)水泥供應(yīng)充足[6]。同時(shí)，配備不同規(guī)格的鋼支撐，長(zhǎng)度從3 m至1 0m不等，數(shù)量50根，用于支撐溶洞周邊，防止坍塌；還儲(chǔ)備了大功率的抽水設(shè)備，流量不低于100 m3/h，揚(yáng)程30 m以上，確保在涌水時(shí)能迅速排水，降低水位，保障施工安全。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)廣佛西環(huán)五工區(qū)矮塔斜拉橋展開(kāi)了研究，深入探討臨水環(huán)境下樁基施工技術(shù)與巖溶地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)防控。通過(guò)優(yōu)化水下鋼護(hù)筒沉放定位技術(shù)、改進(jìn)氣舉反循環(huán)成孔工藝與控制溶洞地層成孔穩(wěn)定性，使樁基施工的安全可靠程度得到提高。同時(shí)，通過(guò)巖溶地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別、評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建和防治措施的實(shí)施，降低了巖溶對(duì)樁基承載力的影響。本文的研究成果可以為改善橋梁樁基在復(fù)雜地質(zhì)條件下施工的安全性和施工效率提供同類(lèi)工程的技術(shù)參考。

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