京沈客专柴河特大桥岩溶区桥梁设计与基础施工

霍 翼

(京沈铁路客运专线京冀有限公司，北京 100142)

1 工程概况

京沈铁路客运专线(简称“京沈客专”)所经承德境内为山区地形，地势起伏较大，站位选址尤为重要。为了保证线路顺直，线路在柴河地区附近，综合跨越G112国道、柴河防洪要求等因素确定了柴河特大桥的桥位。由于柴河特大桥穿越强烈发育岩溶区，从降低施工风险、保证工期和后期运营安全等角度，选择最优的孔跨布置及施工技术方案。柴河特大桥12号墩～17号台原设计采用(64+64)m T型刚构跨越柴河主河槽和G112国道(见图1)，根据已完成地勘资料采用了摩擦桩和柱桩基础；连续梁采用挂篮悬浇施工、简支梁桥位支架现浇施工。

图1 原设计方案孔跨布置及地质状况(单位：m)

2 工程地质特征

2.1 地层岩性

2.2 不良地质影响及评价

勘察揭示该桥址区主要的不良地质为岩溶。岩溶主要发育在白云质灰岩层中，均被第四系冲洪积的圆砾土、卵石土层所覆盖，埋藏于地表22.60～26.60 m以下，属浅覆盖型岩溶，下伏基岩埋藏较浅。溶洞发育呈串珠状，相邻上下层溶洞的基岩厚度一般在0.70～3.00 m之间，溶洞内被粗、细角砾土及粉土、砂类土充填，揭露溶洞高度为4.20～28.90 m。地下水与地表水连通较密切，主要为河水补给地下水。

本桥岩溶补充勘察主要涉及到12～16号墩。根据钻探及物探结果、岩溶的形态、溶洞的连通性以及地下水与地表水的水力联系情况综合分析，岩溶发育强度如下：10～11号墩为岩溶中等发育段； 12～16号墩为岩溶强烈发育段，其中14、15号墩岩溶发育尤为强烈，14号墩基础左侧桩钻至90 m仍未揭穿溶洞底板；15号墩基础左中线处桩钻至89.6 m才揭露溶洞底板，钻探过程中极易塌孔，成孔困难；13号墩岩溶空腔高度达20 m，岩溶桩基施工风险极大、工期难以控制。岩溶补勘后地质纵断面如图1所示。

3 设计方案的比选

本线岩溶地质工点较少，参照国内沪昆铁路、贵广客专等铁路的岩溶桩基设计施工经验，对于一般溶洞要求桩底岩层溶洞顶板厚度≥6 m且需考虑临近钻孔岩溶情况，避免将石笋尖当作顶板；对于多层溶洞，深度达到40～50 m仍找不到6 m以上厚度的顶板作为持力层时，按柱桩侧顶板累计厚度>5 m、支承桩尖的顶板厚度≥3 m的要求设计[1-2]。考虑本桥14号墩90 m深度仍未揭穿溶洞底板且极易塌孔、成桩困难，为保证结构运营安全、减少岩溶桥墩、降低施工风险、确保施组工期，组织参建单位对桥梁孔跨布置方案进行调整，重点研究了两联(64+64)m T型刚构与主跨128 m连续梁方案[1-4]。

3.1 双联(64+64)m T构方案

双联(64+64)m T型刚构方案如图2所示。梁部采用挂篮悬浇施工，基础采用钻孔灌注桩(支承桩)，最大桩长91 m。

图2 双联(64+64)m T型刚构方案孔跨布置

双联(64+64)m T型刚构方案可避让原14号墩位置未揭示底板的深大溶洞，但13号墩桩基仍需穿越深大溶洞，最大桩长达91 m，施工风险较大，施工周期难以控制。

3.2 主跨128 m连续梁方案

为进一步降低施工风险及难度，在双联(64+64)m T型刚构方案基础上优化主桥孔跨布置、采用1×(64+128+64)m连续梁跨越原14号墩位置的深大溶洞(具体方案见图3)，避免深长桩施工，降低施工风险。

12号墩岩溶强烈发育，存在较大空腔(最大高度20 m)。为确保结构安全，桩基穿透串珠状溶洞，桩尖置于完整基岩内，桩底嵌入完整基岩不小于0.5 m。桩基采用16根∅1.8 m钻孔桩矩阵排列(4×4)、不等长桩布置，桩长30～65.5 m[3-4]。

图3 主跨128 m连续梁方案孔跨布置

13号墩溶洞多填充密实且弱风化灰岩，单轴饱和极限抗压强度较高，桩基设计及终孔根据以下原则确定：①岩层完整、溶洞顶板厚度大于5 m时，可按照支立于岩面的柱桩设计，桩底嵌入完整基岩不小于0.5 m；②桩侧岩壁累积厚度大于5 m时(岩板厚度小于桩径的不计)，桩尖可置于厚度不小于3 m的岩溶顶板上，桩底嵌入完整基岩不小于0.5 m。桩基采用20根∅1.8 m钻孔桩矩阵排列(4×5)、不等长桩布置，桩长26～58.5 m[3-4]。

3.3 方案确定

根据施组安排柴河特大桥为本段工程控制节点，为加快施工进度采用大节段原位支架浇筑，根据拌合站混凝土供应能力确定梁部节段划分。主跨128 m连续梁方案进一步减少岩溶桥墩个数、有效降低施工风险，工期总体可控，但主体结构增加工程投资较多。具体方案比较见表1。

考虑规避岩溶地质区域深长桩施工风险及减小对柴河河道过水的影响，结合总体进度安排及现场施工需要，决定采用主跨128 m连续梁绕避深大溶洞方案，梁部采用大节段原位支架浇筑施工，基础采用钻孔灌注桩。

表1 孔跨布置方案对比

4 岩溶区基础施工

岩溶地段铁路桥梁桩基处理措施一般有片石黏土筑壁法、护筒跟进法、超前注浆填充法、全回转全套管法等。针对本桥岩溶分布特点、重点研究12号墩岩溶桩基施工方案。

4.1 岩溶分布

12号墩逐桩钻探揭示溶洞35次，溶洞高度为0.7～22.1 m，洞顶标高为534.72～579.02 m，洞底标高为529.53～577.03 m。中下层溶洞基本无充填物，为空洞；上层溶洞基本为全填充，充填物为粉质黏土、细角砾土。受地下径流影响，充填物可能随时间逐渐减少，易形成新的空洞。该墩遇洞率为87.5%，线溶率为13.56%～61.47%，岩溶发育程度为强烈发育。单个溶洞最大高度15.7 m，单个溶腔最大高度19.6 m。溶洞顶板以上土层整体采用预注浆处理、冲击钻施工工艺。

4.2 岩溶处理措施

根据岩溶分布及填充情况，综合采用了钢护筒跟进法、超前注浆法和片石黏土筑壁法进行施工。根据实际情况按照有利于及时封闭溶洞、隔断通道、先边后中、先长后短、隔桩跳打的原则安排施工[5]。

(1)表层卵石层(最深24.5 m)部分在钻机钻进至卵石层底部以下白云质灰岩时，极易塌孔，及时下放一级钢护筒确保顺利穿越。

(2)钻进过程中存在斜岩，容易偏孔、偏锤、卡钻，造成进尺较为缓慢；及时回填混凝土待强度满足要求后再次冲击成孔。

(3)24.5 m以下第1层岩溶的填充体在冲击钻进过程中漏浆十分严重，频繁回填造成进尺十分缓慢。在桩基开孔前对桩基周围布置注浆孔，采取双浆液桩位注浆对该部分地层进行预加固处理，减少漏浆。

(4)第2层大型岩溶空腔(较低空腔为2.7 m，最高空腔为19.6 m)，一般空腔采取抛填片石、黏土、混凝土筑填成孔；溶腔高度较高的溶洞在设计桩位周围根据实际情况开小孔(直径500 mm)，采用灌注水下混凝土处理漏浆。最高空腔溶洞钻至溶腔内时多次严重漏浆，采取灌装絮状混凝土的办法，对漏浆进行处理。

本桥岩溶区桩身混凝土质量均达到Ⅰ类桩标准，验证了所采取措施的可行性。

5 结束语

目前，该岩溶区域的桥梁及无砟轨道均已按施组安排高质量完工，满足了京沈客专的工期要求，收到了良好的效果。本桥岩溶地区的孔跨布置和施工技术方案，对保证工期起到了至关重要的作用，对今后其他铁路建设项目的类似方案研究具有一定的参考价值。