喀斯特地区桥梁桩基稳定性评价及施工决策优化设计

覃景业

(广西北部湾投资集团有限公司沿海高速公路分公司，广西 南宁 530027)

0 引言

桥梁结构由主梁上部结构、支撑体系和以桩基为主体的下部结构基础组成。

桩基作为下部结构的重要组成部分，通过桩与周围土体之间的摩擦力和桩端支承力的作用，桩基可以将上部结构的荷载传递到较深的稳定土壤层或岩石上。桩基根据不同的施工工艺分为灌注桩，预制桩等。其中，灌注桩基础承载力高、抗震性能好、适用范围广。但灌注桩基施工技术较为复杂，质量控制有限。在施工过程中，可能存在混凝土离析、沉降变化或桩径变化等缺陷。桩基是一个隐蔽的工程，结构检测的方法是有限的。国内统计资料显示，我国桩基施工质量约为80%合格。喀斯特地区的形成是由于水溶性岩石之间的化学和机械作用引起的化学现象，在施工过程中将降低桥梁桩基的稳定性。因此，有必要根据喀斯特地区的地质构造，设计合理的桥梁桩基施工方案，尽量避免喀斯特溶洞对桩基水稳定性的影响；同时，在实际施工中，影响喀斯特地区桩基稳定性的因素很多，可以采取进一步优化结构设计方案的措施，提高桥基的稳定性，建立喀斯特地区桥梁桩基稳定性评价模型。通过对广西南宁吴圩机场至大塘高速桥梁基础岩溶整治工程进行分析，建立喀斯特地区桩基稳定性评价模型，使桥梁基础的施工决策更加科学合理。

进一步的分析表明，在喀斯特地区的桥梁施工过程中，经常会遇到桥梁基础的沉降，地下涌水会破坏桥梁基础等，从而降低了桥梁基础的施工质量。因此，面对喀斯特地区桥梁基础施工问题，应根据喀斯特地区岩溶洞穴的大小和地质结构，设计合理的桥梁基础施工方案，以提高桥梁基础的稳定性。另外，在实际施工中，影响喀斯特地区桥梁基础稳定性的因素很多，不仅与岩溶洞穴分布有关，而且与喀斯特地貌岩溶结构及岩溶参数有关。

1 工程概况

广西南宁吴圩机场至大塘高速公路是北流(清湾)至南宁(苏圩)高速公路中的一段，全长约40 km，路线经南宁吴圩机场、那陈，止于南宁市良庆区大塘镇团福村附近与南北高速公路相交，设枢纽互通立交，同步建设机场连接线0.96 km。

本项目位于广西首府南宁市西南部，路线总体呈北西-南东走向展布，地势为东高西低。主要地貌形态表现为山丘连绵起伏，地形起伏较大，山顶多呈浑圆状，标高在106～230 m之间，自然斜坡坡度中等偏缓，丘陵间冲沟比较发育，多呈条带状分布，局部路段分布比较密集。

本项目所在区域地质条件相对简单，位于南宁纬向构造和新华夏系第二沉降带西南端这两大二级构造单元交接地带，也是构造体系的复合地带。区内发育有规模较小的皱褶和断层，进入第四纪以来，本区构造活动趋于稳定，所有断层均无明显复活迹象，均为非活动性断层，对项目无重大影响，属相对稳定地区，区域稳定性较好，适宜公路工程建设。

本工程控制性的大桥为六冬水库大桥(15×20 m小箱梁)，六冬水库大桥跨越水库，有14个桥墩在水中(1#～14#号墩)，水深基本变化不大，与正常蓄水位相比，水深在4～6 m之间，淤泥较多，施工难度比较大，项目计划联系相关水利部门放水后再进行桥梁下部构造施工，减少施工时间。

本工程有2座现浇桥梁，C50现浇混凝土方量为3 718 m3。现浇桥梁主要是跨越主线或高速公路、二级路等，现浇桥梁的墩身最高为12 m，主要是跨越南友高速公路。跨线桥梁难度大的方面主要是跨越南友高速公路桥梁(F匝道)，该跨线桥是本工程的控制性工程。

由于本工程的桥梁结构的多样性，造成桥梁施工难度加大，桥梁生产的投入增加，桥梁管理难度加大，对桥梁的施工必须科学组织、精心施工、精细化管理，持之以恒地保持严谨的态度进行管理，确保桥梁施工的顺利进行。

2 构建喀斯特地区桥梁桩基稳定性评价模型

2.1 制定桩基稳定性的模糊算法评价指标

结合六冬水库大桥工程地质实勘数据，建立喀斯特地区桥梁桩基稳定性评价模型，从岩石特征、岩溶洞穴和混凝土桥梁桩基施工项目环境特征三个方面综合考虑，分析对六冬水库大桥桩基施工稳定指标的影响；同时，采用因素分类方法，每个指标的分类可以表示为以下形式评价等级集：评价等级集={C1,C2,C3,C4,C5}。为了评估六冬水库大桥桩基的稳定性水平，分别有5个级别的代表，用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ表示，具体内容如下页表1所示。

表1 六冬水库大桥桩基的稳定性等级评价内容表

2.2 设计影响桩基稳定性因素的评价矩阵的模糊算法

在实际施工中，为提升桩基稳定性，可以应用模糊层次分析方法，从能够影响桩基稳定性的因素中找出主要影响施工稳定性的指标，进一步制定出优化的喀斯特地区桩基施工方案，提升公路路基工程施工质量。

在模糊层次分析方法中，针对单一因素的评价，假设存在集合U，则Ut为集合U的单因素，即Ui(i=1，2，…，m)；根据影响因素Ui，则设影响桩基稳定性的隶属度为vj(j=1，2，…，n)。

其中

最后，根据单因素评价向量进行模糊评价，得到总评价矩阵：

另外，设模糊评价矩阵R存在一个已知值A，当对该模糊评价矩阵R进行模糊评价后，对影响桩基稳定性的因素进行模糊变换综合评价：

2.3 确定评价指标在模型中的权重

为了确定评价指标在模型中的权重，选用群组决策，评分方式可采用专家三角模糊数评分法来确定桥梁桩基稳定性指标权重，如表2所示。利用MATLAB可以设计如下程序进行判断：

(1)根据前文建立的基本评价指标体系，构建评价指标集；

(2)根据评价指标集，构建判断矩阵，并确定其特征向量；

(3)对特征向量进行归一化计算；

(4)计算桥梁桩基稳定性指数；

(5)确定模糊层次分析法计算结果。

表2 模糊风险判断矩阵表

通过以上步骤，可得到桥梁桩基稳定性的基本情况分别为0.10、0.24和0.31。分别对溶洞岩体特征U1、溶洞特征U2、工程环境U3进行一致性检验，结果如下：

各因素的权重矩阵分别为：

2.4 结果计算

重复运行前文程序，对程序运行结果汇总如下：

(1)溶洞岩体特征评价结果：

模糊矩阵：

A1=(0.15,0.28,0.31,0.26)

对溶洞岩体特征隶属度计算结果分析，可以得到其最大隶属度MAX(vj)=0.521 0。

(2)溶洞特性评价结果：

溶洞特性模糊矩阵：

A2=(0.21,0.25,0.31,0.33,0.09)

对溶洞特性隶属度计算结果分析，可以得到其最大隶属度MAX(vj)=0.451 0。

(3)工程环境评价结果：

工程环境模糊矩阵：

A3=(0.16,0.54)

在模糊评价向量中可以看出，其最大隶属度MAX(vj)=0.623 0。

2.5 结果分析

对评价等级结果分析可知，三种因素对桥梁桩基的稳定性影响程度排序如下：工程环境>溶洞岩体特征>溶洞特性，该结果也与工程实际相契合。如果风险水平达到Ⅲ级水平评价，则说明在该喀斯特地区，本工程桥梁桩基的稳定性是正常的，风险也是可以接受的；进而可以确定在喀斯特地区桥梁工程施工中其桩基处于相对稳定状态，风险也处于允许范围之内，但仍需进行有效的施工决策，以确保桩基的稳定性得到进一步提高。

根据相应的评价等级作为评价结果，风险等级达到Ⅲ级，在喀斯特地区的工程施工中，桥基的稳定性为一般，风险是可以接受的。换言之，已经证实本喀斯特地区可以作为一个桥基施工场地，桥基失稳风险在允许范围内。进一步分析表明，影响桥梁基础稳定性的因素主要体现在喀斯特地区的岩体特征、洞穴特征和工程环境等方面，因此，在实际施工中，应加强施工设计和优化管理，并采取一定的风险控制措施，提高桥基施工的稳定性和施工质量。

3 提高喀斯特地区桥梁桩基稳定性的施工决策优化设计

3.1 做好施工前方案比选工作

针对喀斯特地区的桥梁桩基施工，在施工之前应能够作好桩基附近地面的引排水准备工作，准备好引排水设施。在施工之前，施工人员还必须认真核对桩基施工设计文件与施工现场的实际情况，确保桩基施工设计方案更具完善性，提升桩基施工质量。对喀斯特地区开展桩基施工前，做好施工安全防护，还需要做好先期勘探工作。

六冬水库大桥共计15排桥梁桩基在水中，桥梁桩基实测最深水深为2.8～3.5 m，桩基及下部结构施工考虑采用钢栈桥+钢平台和填土筑岛便道及筑岛平台两种方案，两种方案对比分析如表3所示。

表3 方案对比分析表

通过上文构建的喀斯特地区桥梁桩基稳定性评价模型可以看出，工程环境对桥梁桩基的稳定性影响最大，所以在施工前的方案比选期间，工程环境应作为第一要素。

综上所述，六冬水库大桥施工考虑桩基及下部结构施工时会被水库水浸泡基础的问题，施工时采取填土筑岛便道及平台进行桩基及下部结构施工，能有力保证工程施工时桩基的稳定性。

3.2 解决好岩溶水问题

在喀斯特地区桥梁桩基的实际施工过程中，考虑岩溶水的渗漏作用，应严格控制施工进度，避免工期拖延造成严重的渗漏。同样，在桥梁桩基施工中，应做到具体问题具体分析，特别是对于非均衡流量岩溶水或间歇性岩溶水，需要合理设置排水孔或排水管[6]。在桩基施工中，要严格按照设计文件，不能随意改变原来设计施工现场，保持岩溶水流动可控，确保施工项目及时完成，由此可提高桩基施工的稳定性。

3.3 根据溶洞特性加固施工

在桥梁桩基施工中，由于施工现场是在喀斯特地区，因此在进行桩基施工时，为提升桩基的稳定性，需要观测施工过程中的地面基础的沉降量，施工前地面的沉降量应保持稳定的状态；同时，在施工中，针对岩溶洞穴位置的桩基施工，可以应用加固、跨越以及绕避等措施；而在具体施工过程之中，还应随时巡视岩溶施工场地周围的环境变化，若是发现有异常的情况，应该立即采取相应措施，做好善后工作。无论在桩基施工中应用什么处理方式，现场监理人员一定要做好施工质量检查工作，桩基施工单位不可以随意填塞岩溶或是擅自处理岩溶施工，桩基设计单位应及时跟进岩溶处理情况。

4 结语

本文根据位于喀斯特地区的广西南宁吴圩机场至大塘高速公路桥梁桩基施工过程中遇到的实际问题，提出喀斯特地区桥梁桩基施工决策方法，构建喀斯特地区桥梁桩基稳定性模糊评价模型，优化了喀斯特地区桥梁桩基设计和施工过程，确保决策的正确性，可在提高桥梁基础稳定性与施工质量方面发挥积极作用。