浅析强烈岩溶发育区的桥梁勘察与设计

胡 伟

（苏交科集团股份有限公司贵州分公司,贵州 贵阳 550081）

0 引言

岩溶是我国西南地区广泛存在的一种不良工程地质，在建设桥梁工程时不可避免地会穿越溶洞。尤其是在强烈岩溶发育区，地层结构复杂，溶洞发育机理复杂，溶洞内一般无填充物或以流塑填充物为主，给桥梁工程的勘察和设计带来了许多不利。如果选择的勘察技术不合理，溶洞勘察结果不准确，无法为桥梁基础设计提供可靠的依据。同时，如果桥梁基础设计方案不合理，会给桥梁工程的建设和运营带来安全隐患，严重的会导致桥梁坍塌或倾覆，造成一定的人员伤亡和经济损失[1]。如何降低岩溶、确保桩桥梁工程的安全已成为亟待解决的难题。因此，进一步研究强烈岩溶发育区的桥梁勘察方法和基础设计要点具有十分重要的工程意义。

1 岩溶发育区桥梁勘察要求及主要勘察方法

1.1 岩溶区勘察要求

在岩溶发育地区，溶洞的存在会给桥梁设计带来了一定的困难。桥梁基础在设计之前，需结合《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011），选择合理的勘察方法查明桥位处的溶洞分布情况。岩溶勘察按不同阶段可分为可行性研究勘察、初步勘察、详细勘察、施工勘察。不同勘察阶段的要求如下[2]：①可行性研究勘察阶段，应查明岩溶洞隙、土洞发育条件，对场地稳定性和工程建设适宜性做出初步评价；②初步勘察阶段，要查明岩溶洞隙的发育程度和发育规律，对场地稳定性和工程建设适应性进行分区；③详细勘察阶段，要查明拟建桥梁工程范围内的各种岩溶洞隙位置、规模、埋深及地下水特征等，为溶洞处理和桥梁基础设计提供合理建议；④施工勘察阶段，主要是针对施工期间发现的与勘察设计不符的问题。

1.2 岩溶区勘察方法

1.2.1 工程钻探

工程钻探是岩溶区桥梁勘察最常用的方法，不仅能够查明钻孔附近地层条件，还可利用钻取的岩土芯样开展室内试验，获得岩土体的各种物理力学参数。按照破碎岩土体方法的不同，可将钻探设备分为回转钻探（利用钻杆将扭矩传递至钻头钻进）、冲击钻探（利用钻具冲击破碎岩土层钻进）、振动钻探（利用钻杆将振动器激发的振动力传递到钻头钻进）、冲洗钻探（利用高压射水破坏孔底土层钻进）。相关工程实践经验表明，公路工程勘察中回转钻探法效果最佳，应优先选择。条件不允许，再选择其他钻探方法。

1.2.2 地球物理勘探

岩溶区桥梁勘察最常用的地球物理勘探技术是高密度电阻率法和地质雷达法[3]。

高密度电阻率法：该方法是利用岩土体电阻率差异来区分岩性，识别岩土体的空间分布特征。和常规电阻率法测试原理基本相同，主要区别在于测点密度。高密度电阻率法使用大规模集成电路，电极覆盖范围更广，能获取丰富的地质信息，且数据采集和收录基本实现了自动化，减少了人为因素引起的误差。高密度电阻率法处理测试信息的主要步骤如下：绘制等值断面图→二维反演软件拟合→抽取测深曲线，给出初步的物理模型→绘出物探地质解释断面。

探地雷达法（GPR）：探地雷达是利用高频短脉冲电磁波来探测岩土体的一种勘探方法，测试效率高、精确度高、可视化强。探地雷达工作原理如图1所示：发射天线将高频电磁波以脉冲形式送入地下，经地下岩土体反射后回到地面，被接收天线接收。反射信号经增益调节和滤波处理后，可得到不同地层的雷达剖面图像。探地雷达测试效果的好坏与岩土体介电常数的取值密切相关，介电常数越大，探地雷达越敏感。一般情况下空气的介电常数取1，岩石的介电常数在4～20（具体参数可根据当地经验标定），水的介电常数取81。

图1 探地雷达工作原理示意

1.2.3 遥感技术和原位测试

遥感技术是基于电磁辐射理论，是利用探测器接收岩土体辐射来的电磁波数据，并传递到地面接收站处理成遥感图像，以此来识别溶洞岩区地貌形态和溶洞发育情况，尤其适用于裸露型岩溶地区。

岩溶区公路桥梁工程勘察中常用的原位测试技术包括静力触探、标准贯入试验、动力触探试验等，施工简单，成本较低，测试效率高。比如静力触探技术能够查明第四纪覆盖层中是否存在隐蔽土洞、土洞规模大小和具体埋藏位置等。

综上可知，每种勘察技术都有一定的优势和缺陷。强烈岩溶区的溶洞在空间上的发育上具有不均匀性和不确定性，如果在进行勘察时只采用某一种勘察方法探测溶洞形态，可能导致对岩溶、裂隙等发育情况认识不足，无法作为桥梁基础设计的依据，使得施工期间出现大变更，延误施工工期，对工程造价控制也是不利的。因此，建议强烈岩溶发育区的桥梁勘察要将工程钻探与地球物理勘探、原位测试、遥感技术等相结合，全面分析岩溶发育特点，提高勘察水平。

2 岩溶发育区桥梁基础设计要点

2.1 工程概况

该文依托贵州省江口至都格高速公路瓮安至开阳段高速公路项目，分析强烈发育区桥梁基础的设计要点。公路路线全长48.5 km，设计荷载为公路—I级，主线为双向4车道，位于山区地带，地形地貌起伏大，工程地质和水文地质复杂，地下水丰富，雨水较充足，年平均降雨量约1 216 mm，主要集中在7—10月份。

2.2 桥梁扩大基础设计要点

花梨互通A匝道桥，上部结构采用3×18.5 m的普通钢筋混凝土现浇箱梁，桥面铺装10 cm，与路线正交，下部构造采用“柱式墩+扩大基础、肋式台+扩大基础”。根据施工图勘察资料，0号桥台处有溶洞，地层从上至下杂填土、卵石土、黏土、灰岩。溶洞上的覆盖土层厚，顶板完整性好，但杂填土、卵石土的承载力不足（160 kPa），需换填强度高的碎石或砂砾并分层压实。

扩大基础的换填厚度d可按式（1）计算[4]：

式中，Q——换算荷载（kN/m）；[σ]——溶洞填充物的基本承载力（kPa）；b——换填材料顶面宽度（m）；β——换填材料的应力扩散角，一般取25°。

2.3 桥梁桩基础设计要点

2.3.1 桩型选择

桥梁桩基形式应根据溶洞分布情况确定。对于埋藏深度浅的溶洞，桩基可直接跨越，并以溶洞下的坚硬岩土层作为持力层，按端承桩设计；对于溶洞埋深＞设计桩长，且裂隙发育、溶蚀现象明显的路段，溶洞顶板承载能力差，不宜将溶洞顶板作为持力层，可按摩擦桩进行设计；对于溶洞埋深大，顶板完整性好的路段，如果“顶板安全厚度”满足规范要求，可按端承桩设计，否则仍按摩擦桩设计。

高枧互通A匝道桥上部结构采用9×40 m预应力混凝土T梁，桥面铺装10 cm，与路线交角90°，下部构造为“柱式墩+桩基、肋式台+桩基”。根据施工图勘察资料，地层从上至下杂填土、卵石土、黏土、灰岩，物理力学性质如表1所示：

表1 不同地层力学指标

溶洞位于灰岩地层中，溶洞顶埋深在15.6～32.3 m，因此，一部分桩基需端承桩设计（桩基以溶洞顶板为持力层），一部分桩基需按摩擦桩设计（桩基穿越溶洞）。

2.3.2 溶洞顶板厚度计算

对于摩擦桩，不需要验算溶洞顶板安全厚度。而端承桩主要是靠桩端阻力来承担桥梁荷载，如果溶洞顶板厚度过小，端承桩可能刺穿顶板，使桥梁产生不均匀沉降失稳，影响桥梁在建设或运营期间的安全性。该文对溶洞顶板安全厚度H常用的验算方法及适用条件进行了归纳总结，见表2[5]。

表2 溶洞顶板安全厚度的计算方法

2.3.3 桩间距、基桩根数计算

桩间距：强烈岩溶发育区的桥梁桩基间距不宜过大或过小。桥梁桩基间距过大，会导致承台面积大，相应的混凝土体积也都过大，圬工体积增加，很大程度上提高了工程造价；桥梁桩基间距过小，不仅会导致桩基施工困难，竖向承载力也不能充分发挥。结合项目设计经验，建议强烈岩溶发育区的桥梁桩基设计中心距取2.5倍桩径。

基桩根数计算：

（1）承台轴心受压时，基桩根数可根据单桩竖向承载力特征值估算，见式（2）：

式中，R——单桩竖向承载力特征值（kN）；F——作用在承载竖向力特征值（kN）；G——承台及承台上土的重力（kN），重度按20 kN/m3计算；n——桩基础根数。

（2）承台偏心受压时，群桩形心与竖向合力作用点一致，桩基础根数按上式计算；群桩形心与竖向合力作用点不同，把上式计算的桩基础数量额外增加10%～20%即可。

2.3.4 桩基强度验算

强烈岩溶发育区的桥梁桩基础通常是选用钢筋混凝土灌注桩，即利用机械钻孔、在孔内放置钢筋笼并灌注混凝土而成。在轴心荷载作用下，钢筋混凝土灌注桩的桩身截面强度用式（3）验算[6]：

式中，R——桩基竖向承载力（kN）；φ——构件稳定系数，非挤土灌注桩干作业施工取0.9，其他工况取0.8；Ap——桩基础横截面面积（m2）；As——桩基础纵向钢筋截面面积（m2）；fc——桩基础混凝土抗压强度（kPa）；fy——桩基础纵向钢筋抗压强度（kPa）。

在偏心荷载作用下，应先计算桩身所承受的最大弯矩及最大弯矩所在的位置，再结合《混凝土结构结构设计规范》（DG310—2020）确定桩身主筋面积和最小配筋率。如果桥梁桩基础长期水平力作用，还要对桩身裂缝宽度d进行验算，要求d≤0.2 mm。

2.3.5 溶洞处治

对于需要穿越溶洞的摩擦桩，为了保证施工安全，需结合岩溶发育情况选择合理的处治措施。

（1）回填法和注浆法。当溶洞无填充物或填充物较少可选择回填法，回填材料可采用片石、混凝土等，结合筑路高速公路沿线的料场就近选择。片石宜采用强度不小于30 MPa石灰岩，粒径在25～40 cm；混凝土强度等级不小于C20，如果施工工期紧张，可在混凝土中掺加早强剂快速提高其强度。如果桩基础范围内有多个溶洞，先处理上方的溶洞，再处理下方的溶洞。

当溶洞内流塑状填充物较多时，可选择注浆法。注浆材料可采用水泥浆、水泥砂浆等。注浆孔布布置应结合地勘单位提供的钻孔柱状图，如发现溶洞处于连通状态，只注浆最大的溶洞即可。同时，用注浆泵注浆时注浆管应插入溶洞填充物底部，注浆压力不宜太小，注浆压力宜在0.1～0.2 MPa，以确保浆液充分渗透到溶洞填充物内。如果桩基础范围内有多个溶洞，先处理下方的溶洞，再处理上方的溶洞。

（2）钢护筒跟进法。在岩溶发育复杂的地区，溶洞交错分布，钻孔过程中容易出现塌孔、漏浆、卡钻等问题。鉴于此，桩基础施工时宜使用钢护筒跟进法，如图2所示：

图2 钢护筒跟进法

钢护筒一般是用刚度较大、抗变形能力强的优质钢板拼接而成，根据地质情况不同，选用单护筒跟进或双护筒跟进，然而钢护筒跟进法施工工序复杂、施工效率低、造价较大，常与回填法或注浆法配合起来使用。

3 结论

该文分析了强烈岩溶区常用勘察技术的应用，并依托贵州省江口至都格高速公路瓮安至开阳段高速公路项目，探讨了桥梁扩大基础和桩基础的设计要点，主要得出以下结论：①强烈岩溶区地质情况复杂，应将工程钻探与地球物理勘探、原位测试、遥感技术等相结合，全面分析岩溶发育特点，为桥梁基础设计提供依据；②溶洞顶板较厚，且完整性好，换填碎石后能满足设计承载力，可采用扩大基础；③桥梁桩基形式应结合溶洞埋深、顶板岩土体强度、桩基础设计参数等选择端承桩或摩擦桩；④对于以溶洞顶板为持力层的端承桩需重点验算顶板安全厚度，对于穿越溶洞的摩擦桩，需使用回填法、注浆法、钢护筒跟进法等处理溶洞，防治各种病害。