岩溶发育地区桥梁桩基设计分析

肖丽军

广州市设计院集团有限公司  510620

摘要：结合广州市花都区某安置区项目四座市政桥梁的桩基设计过程及施工配合情况，分析本项目场地溶洞发育情况对本项目桥梁设计及施工的影响，总结本项目桥梁在设计及施工过程中遇到的问题及采取的相关措施，探讨岩溶发育地区进行桥梁设计时的桩基设计要点及溶洞处理方案，以达到在满足桥梁桩基设计承载力的基础上，降低项目成本及施工风险的目的。

关键词：岩溶发育、桥梁桩基设计、溶洞处理

1、概述

在岩溶发育地区建设桥梁，溶洞的分布不仅使桥梁桩基础的设计存在较大的不确定性，而且对桥梁桩基的施工产生较大的安全隐患。本文结合广州市花都区某安置区工程市政桥梁的设计及施工配合情况，探讨如何在岩溶发育地区进行桥梁桩基础设计，确保桩基的稳定性、安全性及经济性。

2、项目概况

2.1桥梁设计概况

本项目位于广州市花都区的某安置区地块。本项目包含四座市政桥梁，上部结构均采用先简支后桥面连续的预应力混凝土小箱梁结构，基础均采用钻孔灌注桩。其中，规划主干路桥梁跨度2x20m，斜交15°，桩径均为1.3m；规划次干路桥梁跨度25+40+40m，斜交45°，桥台桩径为1.5m，桥墩桩径为1.8m；规划支路二桥梁跨度为25+30+30m，斜交135°；规划支路三桥梁跨度为3x30m，斜交45°，桥台桩径均为1.3m，桥墩桩径均为1.5m。

图1：桥梁典型横断面图

2.2本场地勘察情况

本项目的勘察钻孔布置方式按桩基直径的大小分为两种：第一种，直径≤1.5m的桩基布置一个详勘钻孔，两个超前钻孔；第二种直径为1.8m布置一个详勘钻孔，三个超前钻孔。根据本项目详勘及超前钻钻孔揭露情况，本场地岩土层按其成因类型自上而下可划分为：第四系人工填土层、冲洪积层、残坡积层、石炭系（强风化、中风化、微风化）砂岩、（中风化、微风化）石灰岩、（强风化、中风化、微风化）炭质灰岩。桥梁桩基共88根，钻孔揭露溶洞的桩基根数为52根，见洞隙率为59%，岩溶发育等级为强发育。本场地溶洞属于深覆盖型，无岩溶景观显露地表，溶洞分布无明显规律，洞体高度及分布无规律，洞体岩层顶板厚度无规律，顶板基岩厚度普遍较小，且存在串珠状溶洞发育，溶洞大多有充填，充填物主要为流塑~软塑粉质黏土、黏性土及松散砂，个别孔段含少量灰岩碎块。

图2：典型地质剖断面图

3、设计情况总结

3.1桩基设计情况总结

根据地质揭露情况，规划主干路桥梁、规划支路二桥梁、规划支路三桥梁桥位处溶洞发育较规律，桩基均按嵌岩桩设计，桩基穿过不良地质嵌入最下层完整的微风化灰岩1倍D（D为桩基直径），并保证桩底连续岩层厚度不小于4D，且不小于5米。规划次干路桥梁桥位处地质较为复杂，炭质灰岩与石灰岩交替存在，经向勘察单位了解，本场地炭质灰岩强度较低，且较为破碎，不建议桩底置于炭质灰岩上。为避免桩长过长，提高桩基的经济性及施工效率，规划次干路桥梁部分桩基按摩擦桩设计，部分桩基按嵌岩桩设计。为减小同一基础下各桩产生的不均匀沉降，桩基按摩擦桩设计时，桩底依然需要穿过不良地质，置于强风化或中风化炭质灰岩中；桩基按嵌岩桩设计时，桩底全断面穿过不良地质并嵌入最下层完整的微风化灰岩，并保证桩底具有一定的连续岩层厚度。

3.2溶洞处理设计

由于本项目溶洞发育剧烈，钻孔无法将溶洞的大小及边界摸查清楚，本项目溶洞处理采用动态设计的方法，先根据勘察资料初拟溶洞处理方案，后根据施工现场反馈情况，动态调整方案。根据勘察情况，本项目溶洞洞高在0.2m~39m之间，顶板厚在0.1m~9.8m之间，根据洞高及洞内填充物，本项目的溶洞处理原则为：

1）单个溶洞高度≤4.5m：

（1）溶洞为硬塑、可塑状全充填不处理。

（2）无充填、半充填、流塑状全充填，采用袖阀管注浆或抛填片石与黏土处理。

2）单个溶洞高度＞4.5m，或较大溶洞呈串珠状：

（1）溶洞为硬塑、可塑状全充填不处理。

（2）流塑状全充填，采用袖阀管注浆或抛填片石与黏土处理。

（3）无充填、半充填，采用钢护筒施工。

3）施工时应有黏土和片石等应急备料。

施工时，根据现场反馈，此场地溶洞均为联通溶洞，采用注浆进行溶洞预处理，对于洞高稍大的溶洞注浆，注浆效果远达不到预期效果。为控制桩基成本，并保证施工安全，确认采取每根揭露溶洞的桩基注浆50m3，以减少或延缓塌孔风险。

4、桩基设计经验总结

设计过程中，由于相邻钻孔所揭露的地质情况差异较大，仅通过钻孔难以判断桩周地层不良地质发育情况。为了摸清溶洞的具体发育形态，为桥梁设计提供可靠依据，在岩溶发育强烈的桩位可结合地质雷达探测，地质CT等方法。相关物探手段能更准确直观的描述溶洞形态大小，但准确性较依赖勘测技术人员主观经验，造价较高。因此，需结合钻孔勘察综合选用。

岩溶发育强烈地区，岩面往往呈现出陡峭的倾斜状。而桥梁桩基荷载往往较大，一般须全断面穿过溶洞等不良地质，并对桩底持力层连续厚度有较高要求，施工也较困难。因此，根据本项目的设计及施工配合情况，位于岩溶发育地区的桥梁桩基设计要点总结如下：

1）桥梁基础形式的选择通常与溶洞顶板厚度及跨度、溶洞发育深度、顶板以上各土层性质等因素相关。一般来说，若溶洞顶板较薄或跨度较大，岩性较破碎，溶洞底板连续厚度较大的，应考虑将桩基穿过溶洞范围，以底板为持力层，采用嵌岩桩；若溶洞顶板较厚跨度较小，溶洞发育较深，顶板以上土层性状较好，则可考虑采用摩擦桩或复合地基，以尽量缩减桩长，降低施工难度。

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG 3363-2019【1】，条文6.1.5：在同一群桩基础中，不宜同时采用摩擦型桩和端承型桩，也不宜采用直径不同、材料不同和桩端深度相差过大的桩。在岩溶发育地区，由于溶洞的分布，往往无法统一桩型，桩端深度也易存在较大的差异。因此，当无法统一同一群桩基础下的桩型时，为了保证同一群桩基础下的桩基不产生较大的不均匀沉降，往往将摩擦桩桩端穿过溶洞置于较为破碎的岩层中。

2）在溶洞发育强烈的地区，当洞内充填物为流塑状或无充填物时，若不对溶洞进行预处理，而直接进行桩基冲孔，会有较大的塌孔及漏浆的风险，不仅会增加施工的风险，而且桩基成本也大幅度提高。因此，在桩基设计过程中，为保证施工安全性，在溶洞洞高大或溶洞顶板较薄时，采用钢护筒跟进桩基冲孔施工，保证桩基成桩质量。在溶洞洞高较大时，应考虑对溶洞进行预处理，防止施工过程中，溶洞迅速塌孔，来不及进行应急措施，危及桩基施工人员的安全。

3）在本项目施工过程中，规划主干路桥梁的其中一根桩位于陡峭的岩层上，设计桩长长达59m，与北侧相邻的桩位处岩面高差达45m，因此，钻进过程中出现了严重的偏孔现象，采取填充片石复冲的方法依旧无法解决，且冲锤出现破坏的情况。经试验，该处斜岩岩层强度高达66MPa，钻进进尺十分困难。通过补充勘察四个钻孔，结合原详勘及超前钻分析该桩位岩层及溶洞发育情况，结合勘察单位意见，判断该桩无法在目前孔深终孔，分析该处溶洞发育情况判断该桩南侧溶洞发育较强烈，北侧地质较完好，因此综合考虑工期、造价以及桩基质量控制等因素，将该桩位微移至北侧，原桩位孔填充低标素混凝土填平。通过该情况的处理，可得出结论，在岩溶发育强烈地区，由于溶洞发育情况的差异，相邻桩位持力层顶深度相差剧烈，施工难以进行，可通过判断地下溶洞发育情况、持力层岩层顶面倾斜情况，在原桩位无法终孔的情况下，可将桩位墩台轴线往岩面较高位置微调。由于持力层岩层顶面倾斜剧烈，微调后的桩端能较快全断面进入持力层，不仅可以加快施工进程，节约工程造价，而且可以避免由于长时间未终孔导致塌孔的风险。

图3：规划主干路桥梁桩基地质剖面图

5、结束语

在岩溶发育地区进行桩基设计，不仅需要考虑桩基承载力要求，还需结合桩基的经济性、施工安全性综合确定桩基位置、桩长及溶洞处理措施。在溶洞发育强烈地区，桩基应采用动态设计，结合现场施工技术及机械情况，采取安全有效的措施，保障桩基质量及施工安全，必要时，进行补充勘察，摸清地下溶洞发育趋势，微调桩基位置。

参考文献：

【1】JTG 3363-2019《公路桥涵地基与基础设计规范》【S】

【2】高歌今.岩溶地区桥梁桩基础设计及施工技术措施【J】. 铁道标准设计.2004（12）：58-60

【3】齐永正，王国体，袁志斌.岩溶地区大直径灌注桩施工【J】.安徽建筑2005（1）:67-68

【4】陈小杰.岩溶地区桥梁桩基础设计与施工【J】.桥隧工程,2013（14）：85-87