桥梁桩基础溶洞的处理方法及应用

桥梁桩基础溶洞的处理方法及应用
摘要：文章通过对工程不良地质的条件分析，提出了溶洞处理原则及方法，并结合桥梁设计方案分析了溶洞处理方案。

关键词：溶洞处理加固地基桩基础
Abstract: According to the engineering geological conditions are analyzed, and the principle and method of karst cave treatment, and connecting with the bridge designs analyzes the cave treatment scheme.
Key Words: cave treatment; reinforce foundation; pile foundation
引言
溶洞处理是桥梁桩基施工中难度较大的技术问题，由于其具有不可预见性、复杂性、危险性等特点，在处理过程中如何确定桥梁基础形式、桩基础持力层标高，如何在设计、施工过程中确保桩基础的质量，如何确定安全、合理、经济的基础设计及对不同的溶洞类型制订相应的处置案方案，都是桥梁设计、施工人员应该重视的问题。

1工程概况
某桥梁改扩建工程，设计为一座单幅桥梁，本桥上部构造采用(3×50+4×50)m 预应力混凝土T型组合梁，先简支后l刚构体系，全桥共两联；下部构造桥墩采用双柱式墩及薄壁墩，均配挖孔桩基础，桥台采用重力式U型台、扩大基础。

全桥长388m，桥面宽度12.25m，最大墩高47.4m。

本桥设计的难点在于3#高墩处下8米处有50×50m大溶洞，岩层覆盖厚度8米。

受工程规模控制，路线无法改移。

2地质条件分析
桥位区主要不良地质问题为岩溶，拟建桥斜跨溶蚀槽谷，两侧山坡上溶沟（槽）发育。

YK82+230～290处墩台位于溶蚀洼地及漏斗处，谷内岩溶漏斗呈串珠状展布，是地表水排泄的主要通道，钻孔在洼地揭露较大型溶洞。

下存在溶洞时会引起桥梁承台明显的差异变形和超应力，增加了上部结构破坏的潜在威胁，所以设计、施工中须采取处治措施进行处理，以确保桩基基底持力层承载力满足要求。

据现有钻探、物探及地质调绘资料分析，桥址区溶洞发育，对拟建桥稳定性危害极大。

钻探揭露溶洞见表1。

钻孔号钻孔位置洞顶板(m)标高洞底板(m)标高洞高度(m) 充填情况
ZK20(初勘)YK83+106.1左2m 910.21 909.51 0.70 粘性土
ZY29 YK83+236右2.7m 865.25 845.85 19.4 粘性土
ZK23(初勘)YK83+380.2左0.7m 889.47 888.67 0.80 粘性土
表1钻探揭露溶洞一览表
3溶洞的处理
3.1溶洞处理的原则
（1）每根桩必须用地质钻机钻探，详细记录地质状况、溶洞深度、高度、填充物类型，画图列表，为制定相应施工方案提供翔实依据。

（2）对填充物进行土工试验，分析其物理力学特性，检测容重、含水量、孔隙率等，为注浆参数计算提供依据。

（3）根据地质钻探资料和填充物情况，对每根桩设计出相应的溶洞处理方案、成孔方法及施工措施。

（4）对每种处理方案，都要进行仔细的计算，施工前在桥位处进行溶洞注浆及钻孔试桩试验，取得经验数据，完善施工方案，指导施工。

（5）遇到大溶洞时，必须请监理工程师和设计单位核查，明确处理方案，并报监理批准后实施。

根据溶洞地质构造、规模、类型以及对桥梁稳定性影响程度的不同，溶洞的处理方法可分为以下两大类。

3.2加固地基（扩大基础）
对于以下几种情况，可以采用加固地基的方式对溶洞进行处理：1）溶洞顶岩层覆盖较薄时，可使用清爆的方式，揭露、清除、换填溶洞内的充填物，或风干溶洞内的充填物，提高地基的承载力；2）对于持力层范围内的溶洞，首先应对覆土、原填充土质进行清除，在溶洞周围打入小钢轨，用浆砌片石或混凝土填塞，设置钢筋混凝土盖板或基础内部加钢筋网；3）溶洞埋藏不深且洞中有较厚的碎块石堆积物时，应使用压浆加固。

当堆积物为土、砂等细颗粒时，应使用旋喷桩加固。

3.3桩基础
处理桥梁溶洞最有效的方法就是采用桩基础，当遇到以下几种情况时应采用桩基础进行处理：
（1）溶洞埋藏较深且较大，同时不能满足顶板厚度检算要求时，只能采用桩基础；
（2）岩面溶蚀高差超过1m、岩溶洞穴平面和剖面尺寸超过1m、可溶性岩层埋深大于8m、明挖或水下施工压浆有困难等情况均可采用桩基处理；
（3）桩基穿过溶洞还是桩尖立于溶洞顶，必须经检算和经验设计来确定。

完整基岩顶板厚大于10m且顶板厚与溶洞孔径之比大于2时，基底以下溶洞可以不处理，否则应该采用桩基穿过溶洞。

桩基础主要包括：
（1）挖孔桩。

该桩基桩底无沉渣，孔底沉渣等易清除干净，能够清除地了解土层和孔底岩层性质，质量易保证，承载力高。

能够根据持力层的需要调整桩头直径，充分利用桩身混凝土强度，经济性好；
（2）预应力管桩。

该桩刚度较大，与其他类型桩相比，其抗裂、抗腐蚀和耐久性好，适用于地层较平坦的场地；
（3）沉管灌注桩。

该桩用于软弱的黏性土及砂土层时具有较好的优越性，但它不易穿越太厚的密实砂层。

单桩承载力主要由桩周围土的摩阻力决定的，因此，对于土层厚度差异大的场地，不应采用此桩型；（4）冲孔灌注桩。

冲孔灌注桩除能适用于地下水位以下的黏性土、砂土及地质情况复杂、夹层多、风化不均、软硬变化较大的岩层外，还能穿透旧基础、大孤石等障碍物。

4桥梁现有特点及溶洞处理方案
4.1桥梁现有特点
本桥现有特点主要有：
（1）桥址区地下水主要为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水，水量较贫乏，区域侵蚀基准面标高较低，地下水径流条件较好。

地下水对拟建桥墩基础施工影响较小；
（2）桥址区位于溶蚀中低山峰丛地貌区，岩溶发育，属工程地质条件复杂场地；
（3）桥址区出露地层为弱风化灰岩强度较高，分布稳定，厚度大，岩体相对较完整，承载力可满足桥梁基础设计要求；
（4）桥址区地表水不发育，地下水较贫乏；地表、地下水对混凝土无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。

4.2桥梁设计方案选取
对于存在岩溶的桥梁来说，应避免“见洞就穿”原则，对于岩溶洞上面的岩层以及覆盖物，其一般都处于稳定平衡的状态，其岩层的裂隙出现竖直的现象很少，大多数以小于90度为主。

在基桩的竖向应力作用下，节理裂隙间的岩体、岩块相互嵌挤，会产生不同方向的分力，从而达到新的平衡状态。

因此在岩溶地区进行桩基础设计时应充分利用基岩的稳定条件，保持其应力平衡状态，桩尖不必硬性穿越溶洞。

据上述原则应合理地选用穿洞或者不穿洞两种设计方案。

4.3方案设计
（1）溶洞顶板安全厚度计算评估
由于该桥墩上有8米左右岩层，洞穴顶板岩体节理裂隙少，处于中等厚度。

本工程中采用顶板厚度临界厚跨比法和应力传递线交汇法进行比较分析，确定溶洞顶板厚度安全与否。

影响洞穴顶板稳定性的主要四个因素为顶板的完整度、洞顶形态（成拱状况）、顶板厚度和建筑物跨过溶洞的长度。

以未成拱的水平顶板受力最不利。

当溶洞顶板都属完整时，则可取水平顶板的厚度h与跨长L之比为最小者，作为评价完整顶板安全厚度的临界值，大于此值的顶板为安全。

铁二院的建议值0.5～0.78。

将上值与应力传递线交汇法进行比较，h/L=0.5相当于混凝土应力扩散角为30°。

经计算本桥h/L=8/50=0.16，因此超出临界值，可推断该顶板厚度不安全。

（2）洞穴顶板冲切承载力计算
四川省《建筑地基基础设计规范》（DB51/5003-93），提出的计算式为：
（1）
验算时应符合下式要求：
式中：—顶板冲切极限承载力设计值；
—岩石抗拉极限强度设计值，当缺乏抗拉试验资料时，可取，硬度岩取小值，极软岩取大值；
—岩石天然抗压强度标准值;
—冲跨比；取λ=0.3-0.5，硬质岩取高值;
—冲切破坏锥体在h/2高度处的周长；
—基础底面下洞穴顶板的厚度；
—岩石的重度。

通过以上计算和验证，本工程中顶板需采用桩基础洞穿顶板，穿越溶洞落入弱风化岩层为桩基持力层。

5溶洞处理施工（桩基础施工）
（1）充填封闭法
对于小溶洞，采用充填封闭法填充溶洞，充填物根据地质钻孔揭示的溶洞情况确定，如果溶洞内无充填物，则充填干沙或碎石，如果有充填物，且呈松散或软塑状，则充填水泥浆、水泥砂浆或水玻璃。

填充后固结到一定强度时，按正常施工方法施工钻孔灌注桩。

（2）钢护筒跟进施工法
对于中溶洞和大溶洞一般采用钢护筒施工法。

钢护筒是用钢板卷制的圆形桶状结构物，钢护筒所起的作用主要是：防止素填土、粉质粘土等引起土层坍塌；减少受周围溶洞区的影响；永久性钢护筒可以作为钻孔桩防腐蚀的屏障。

在适当的条件下，还可以作为桩结构的一部分参与受力。

钢护筒制作简单，施工方便，扩孔后可直接下沉，不易错缝，可保证桩基的垂直度和顺直度，接缝严密，在混凝土浇注时不容易漏浆，顺利达到终孔要求。

考虑拟建本项目的重要性，该构造物按地震基本烈度7度设防，桥址区属岩溶发育地区，溶洞发育具有不均匀性，施工阶段应进行超前勘探，查明墩台位置岩溶发育情况。

桥墩均采用桩基础，选择弱风化灰岩作为基础持力层，基础埋深应满足抗滑稳定性的要求。

受项目规模的控制，对3#桥墩处下溶洞桩采用钢护筒处理，3#高墩上为薄壁墩，基础用4根1.8米端承桩支撑承台，如右图所示。

基础采用3cm钢护筒，一层钢护筒跟进到底，避免了多层护筒跟进，保留在基础参与桩基础永久受力，以保证桥基稳定。

桩基钢护筒跟进的施工工艺如下：场地平整、定位→埋设外钢护筒→冲孔至溶洞顶→溶洞顶部处理→下放内钢护筒→正常成孔至桩底标高（终孔）。

7.结论
通过该桥溶洞的处理及施工，笔者认为对于岩溶地区必须先做好工程地质勘察工作，在对桥梁采取设计前，应当先充分了解清楚工程地质情况，认真评价其工程地质条件。

根据工程地质勘察情况，对溶洞处理采取动态设计，应合理地选用穿洞或者不穿洞两种设计方案。

参考文献：
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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。