综合勘察方法在复杂岩溶桩基勘察中的应用

魏东旭，李 健，王 胜，王 帅

（山东省交通规划设计院有限公司，山东 济南 250031）

引言

岩溶地质灾害具有空间分布隐蔽性、发育不规则性、事故发生的突发性等特点，这些特点给高速公路桥梁地质勘察、设计及施工等带来了巨大的难度，是影响施工进度、工程质量及安全运营等关键因素之一,如何更好地开展岩溶勘察与评价工作成为了亟待研究的重要课题[1]。

在高速公路岩溶地质灾害勘察及防治措施方面，提出了很多理论。何高峰等[2]以南宁地铁2 号线工程为例，针对不同岩溶塌陷风险等级的岩溶处理原则，提出岩溶地区城市隧道施工相应的处理措施。王宝亮和李修君[3]，采用地质工程测绘、物探、地质钻探及原位测试等技术手段对高速公路服务站的断层破碎带、含水带、岩溶等不利地质进行了综合勘察及评价。陈华兴等[4]以麻驾高速公路为依托，对高速公路岩溶发育程度进行了分级，对岩溶地面塌陷进行了预测。以上研究主要是在地质测绘的基础上，结合物探及钻探等资料查明地下岩溶的分布规律及充填情况，进而提出相应的处治措施，而针对岩溶桩基范围内进行岩溶发育程度划分，找出桩基危险性区域的研究较少。

1 工程概况

青塘互通G106 跨线桥位于粤北翁源县白屋村北，为溶蚀洼地地貌单元。由于前期对“地质选线”重视不够，选址时没有避开断裂构造带，施工阶段，采取桩位内“一桩一孔”的方式进行逐桩补充勘察，布设地质钻孔24 个，其中溶洞钻孔17 个，见洞率为70.83%，其中2#、3#墩岩溶极强发育，原桩基位置无法满足桩基承载力要求，在此背景下，只有通过多种勘察手段，才能在桥址区内找出适合的桩基落墩位置，确保桥梁安全。

2 综合勘察

鉴于场区地质条件的复杂性、施工进度的紧迫性以及事故后果的严重性，施工过程中对桥址区补充地质测绘、物探、钻探等工作，目的是查明桥梁基础范围的地质情况，解决桩基落墩问题。

2.1 地质测绘

岩溶地区岩溶地质测绘，应着重查明场区的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、洞穴形态等。在此基础上，着重分析岩溶发育情况、分布规律与线路的关系，为选择合理的线路方案提供依据。

2.1.1 地形地貌

桥址区地貌形态属溶蚀洼地地貌单元，微地貌发育，地面标高在182.70～183.60 m 之间，地势起伏不大。

2.1.2 地层岩性

场区上覆地层为第四系冲洪积砾质粉质黏土，可塑～软塑状态，下伏基岩为石炭系测水段（C1dc）海陆交互相炭质灰岩等。岩地层走向近东西，倾向165°～205°，倾角22°～53°，溶发育强烈，为覆盖型岩溶。

2.1.3 地质构造

项目区域内经受多期地质构造运动的影响，地层复杂多变，构造较为复杂。根据地质构造图判断桥址区位于北东向与北西向次级断裂交汇处。

根据地质钻孔揭示，原设计方案的2#、3#、4#号墩钻孔内的岩芯异常破碎，岩溶十分发育。0#、1#、5#墩台内岩体较完整，岩溶微发育，由此推测断裂带位于1#与5#墩中间区段内。

2.1.4 水文地质

桥址区地表水发育，区内有小河经过，附近泉眼出露；地下水类型主要为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水以及裂隙构造水等，地下水位埋深较浅，稳定水位在1.20～3.50 m。

2.2 物探及解译

岩溶勘察应在地质测绘的基础上，采用物探先行、物探指导钻探和钻探验证物探的综合勘察方法。该工程采用高密度电阻率法对岩溶病害进行探测，目的是探明场区岩溶的分布范围及深度，在结合钻探资料的基础上找出适合做桩基落墩的范围。为此，在沿桥位纵向布设1 条测线，测线参数采用Wenner 装置型式，极距为5 m，电极数152 个，恒流（20 mA，100 V）采集。高密度电法反演电阻率断面，见图1。

图1 高密度电法反演电阻率

可以看出，电阻率断面图较复杂，电阻率值差异大。（1）RK0+535—RK0+600 区段，埋深在18.0～60.0 m 范围内出现较多低电阻率值的封闭曲线，电阻率小于18.2 Ω·m，且呈上下贯通型，说明该范围内岩体完整性差，溶蚀发育，推测为岩体破碎带或岩溶发育区。（2）RK0+531—RK0+565及RK0+610—RK0+635 区段内，埋深在0～30 m范围的电阻率值为375～1 000 Ω·m，说明该范围内岩体完整性较好，推测为中风化灰岩。（3）RK0+531—RK0+565 范围内，0～25 m 范围内，大部分呈高阻反映，电阻率值1 500～2 500 Ω·m，推测为岩体较完整的基岩（微风化）。（4）桥址区内其他范围，电阻率值在40～140 Ω·m，推断为强风化灰岩，为断层及风化作用导致岩体破碎充水所致。上述物探解译结果与地质钻探结果相吻合。测区岩土层与电阻率值对应见表1。

表1 岩土层与电阻率值对应

2.3 钻探

为验证物探成果的正确性，准确掌握桩基持力层的情况、基岩的完整性以及溶洞发育情况，采用桩位内逐桩布孔的方式进行钻探。

原设计方案桥梁全长为135.6 m，桥跨径组成为2×25 m +40 m +2×25 m，桩基钻孔24 个，根据钻探揭示，溶洞钻孔17 个，见洞率为70.83%，钻孔见洞率大于60%；有较大规模的溶洞（最大串珠型溶洞厚度达34.7 m），溶洞间管道连通性强；串珠状竖向溶洞发育深度超过50 m；钻孔线岩溶率4%～70%，最大钻孔线容率为72.3%，平均钻孔线容率为38.5%,大于20%。场地按岩溶发育程度综合评价为极强发育区。其中2#、3#墩，钻孔线容率57.2%～72.3%，岩溶非常发育。结合地质测绘及物探成果，推测2#、3#墩附近为断裂构造带，对桩基安全存在巨大风险。

考虑到桥梁两端边孔桥较低和尽量减少溶洞桩基数量，充分利用物探及钻探成果，将原设计方案中孔跨径40 m改为60 m跨径，取消第一跨及最后一跨，并增设路基挡墙，桥跨布置改为25 m +60 m +25 m。变更后桩基孔18 个，钻探揭示溶洞钻孔为9 个，见洞率为50%，钻孔见洞率小于60%；钻孔线岩溶率6.5%～38%，最大钻孔线容率为39.6%，平均钻孔线容率为16.3%,小于20%。调整后桩基内岩溶发育程度综合评价为强发育区。桩位调整前后的钻孔岩溶发育埋深见图2、图3。

图2 原设计方案岩溶发育埋深

图3 调整后设计方案岩溶发育埋深

3 岩溶发育程度划分

场地岩溶发育程度划分主要通过钻探钻孔取得定量指标，通过遇洞率和线岩溶率两个重要指标判断场地岩溶发育程度和桩基岩溶发育程度。

岩溶发育程度可划分为岩溶极强发育、岩溶强发育、岩溶中等发育及岩溶弱发育四个等级。（1）岩溶极强发育区，钻孔遇洞率大于60%、钻孔线岩溶率大于20%；（2）岩溶强发育区，钻孔遇洞率30%～60%、钻孔线岩溶率10%～20%；（3）岩溶中等发育区，钻孔遇洞率10%～30%、钻孔线岩溶率3%～10%；（4）岩溶弱发育区，钻孔遇洞率小于10%、钻孔线岩溶率小于3%。根据上述标准将该桥进行岩溶发育程度分类，分类结果见表2 及图4。

表2 桩基岩溶发育程度分类

图4 岩溶发育程度分布

由表2、图4 可以看出，设计方案调整后，桥梁桩基有效地避开了岩溶极强发育区域，降低了安全风险。

4 工程方案对比分析

原设计方案桩基施工需穿过深厚层的岩溶，且2#、3#桩基均位于岩溶极强发育区域，除给施工带来巨大难度外，桩基处于高危险区域范围内，桩基的微小变形势必给桥墩乃至桥梁上部结构安全带来极大风险。采用调整跨径后方案，能够避开岩溶极强发育等高危险区域，保证桥梁安全运营。调整跨径方案前后对比见表3。

表3 桥梁跨径方案综合对比

5 结语

（1）桥梁选址时应坚持贯彻“地质选线”的原则和指导思想，查明断裂构造带及岩溶发育强烈的区域，避免不必要的经济损失及安全风险。（2）复杂岩溶地区桥梁桩基墩位应充分结合地质测绘、物探及钻探等手段，详细了解桥址区的岩溶发育及分布情况，为设计方案比选提供依据。（3）岩溶强烈发育等地质条件复杂地区的桥梁工程，随着勘察阶段深入以及对场地工程地质条件全面了解，可以通过调整跨径和桩基位置来避开岩溶极强发育区，降低安全风险。