浅议岩溶区铁路桥梁桩基础设计和施工措施

浅议岩溶区铁路桥梁桩基础设计和施工措施

张记东

张记东

中铁第五勘察设计院集团有限公司北京大兴102600

摘要：岩溶作为一种不良的地质使得铁路桥梁桩基的设计与施工成为一个难点工程。为解决这一难题，精准完善的地勘资料，合理的设计，有效的施工处理手段，都是项目顺利建成所必不可少的。本文结合某铁路特大桥的实际地质情况介绍岩溶区桥梁桩基的设计和溶洞处理方案。

关键词：溶洞桥梁桩基设计施工

0引言

岩溶，是地下水对可溶性岩石（碳酸盐岩、石膏、岩盐等）进行以化学溶蚀作用为主，流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称[1]。随着铁路建设规模的持续扩大，铁路线位不可避免地要穿越岩溶区，这提升了铁路工程设计与施工的难度。本文以某高速铁路特大桥桩基设计为例，提出了岩溶区桩基设计的思路，以及施工过程动态设计的注意事项，意在为行业相关项目提供借鉴和参考。

1工程概况

本文涉及的高速铁路特大桥位于浙江省境内，桥梁全长9.2公里，通过地质调查和采用钻探、物探、原位试验等勘探测试手段，结合室内试验，查明了工点范围内对工程有影响的不良地质主要为岩溶。

桥址区DK117+830～DK122+130段下部连续分布二叠系下统石灰岩，岩溶形态主要由岩溶洞穴组成，大部分为岩溶洞穴，部分为空洞。充填物主要为黏性土、细角砾土，局部为未溶蚀完的灰岩碎块。溶洞发育于岩层中部，顶板埋深3.00～39.00m，钻探揭露溶洞垂直高度0.2～45.1m，钻孔遇洞率53.8％，钻孔线岩溶率20%，发育层数1～6层，以中等发育为主，局部强烈发育。

2桩基设计

2.1岩溶区桩基设计步骤

（1）桩的选择

基于详细地勘资料，结合现场施工、自然条件等因素，岩溶区桥梁桩基优先考虑钻孔灌注桩。桩长主要受桩端持力层深度的控制，桩底应嵌入基岩一定深度，但嵌岩深度也不宜太大。桩径则应该依据受力的要求初步确定，并且预估承台的厚度。

（2）桩数确定及桩位布置

①桩的根数。

式中：F为作用在桩基上的竖向力设计值，单位kN；G为承台及承台上土的重力，单位kN；R为单桩竖向承载力设计值，单位kN。

当遇到偏心受压时，对于桩基横截面的形心与荷载合力作用点一致时，仍可以采用上面的公式判定桩基根数。否则，应将增加1～2根桩基

②桩中心距

桩基布置时，过于拉大桩间距，会使得承台体积增加，增加工程费用；反之，桩间距太小，桥墩刚度受限，位移变形就会打，并且不利于发挥桩的承载力，施工也具备一定的难度。一般情况下，岩溶区桥梁采用的灌注桩桩，其中心距可先按2d进行验算，不满足时在逐渐加大桩间距，其中d为桩身设计直径。

③桩位布置

桩基的布置形式一般可按行列式形或梅花形布置，这样的布置方式能使桩基中各桩受力均匀，布置形式的对称性也可能让上部荷载的中心与基础的横截面形心重合或接近[2]。

（3）桩端基岩稳定性验算

对岩溶区桥梁桩基，一般要求桩底下基岩厚度不得少于5.0m，当所遇溶洞水平方向尺寸较大时，还需对桩基的抗弯强度进行验算。

（4）承台设计

承台设计同普通地质条件下桥梁桩基承台设计，一般不做特殊要求。

2.2岩溶区桩基设计

根据地质勘探结果，本项目桥址区地质变化较大，为确保每个桩基设计与地质情况最大程度符合，同时尽可能地减少桩基穿越溶洞以减少施工难度，对本项目岩溶区桩基进行逐桩设计。

根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》公式，当桩底嵌入岩层内时，桩的容许承载力为：

进一步理解：相当于桩端应力；相当于桩侧极限摩阻力f。相当于每延米侧阻，kN/m。

式中：R—岩石的单轴饱和极限抗压强度。

A—桩底支承面积，按设计桩径计算；

U—为钻孔周长，按设计桩径计算；

不计桩穿过岩溶各层顶板的累计厚度侧摩阻力和桩底嵌岩段桩侧摩阻力，仅计桩底端阻力，相当于桩底支承在岩石层上（实际设计中一般最小嵌岩按0.5d）。系数=0（侧阻力）。

当短桩嵌岩不深，例如嵌岩深度不足0.5m时，这种情况下，桩底不存在沉渣。当桩基在受到荷载作用后，其自身的弹性变形小，导致桩基和土层之间的相对位移以及桩自身的位移变形都不大，桩顶荷载全部或绝大部分直接传递至基岩。

当覆盖较厚性质差的土层时，中长桩桩底嵌岩深度不足2m时，桩底施工沉渣能较好清除，桩受荷后桩端产生少量位移即能调动桩端阻力，并承担大部分桩顶荷载[3]。

因此，从安全的角度出发，岩溶地区铁路桥梁桩基础一般多采用柱桩，柱桩具有较好的安全性和稳定性。柱桩嵌岩深度可根据基岩的特点（裂隙节理、岩溶发育程度、岩性、厚度等）在1～3倍桩径范围内取最优化值。由于嵌岩深度影响桩基稳定性，设计时，当基岩为微风化岩时，嵌岩深度应>1d：终孔岩层为中风化岩时，嵌岩深度应>2d[4]。穿过岩层的钻孔桩，桩基底岩层厚度一般要求大于等于4～5倍桩径，且不宜小于5m。

3溶洞的处理方案

岩溶的处理措施离不开详细的地勘资料和合理的桩基设计。对溶洞进行处理的目的主要是为了保证成桩顺利，施工后桩基的质量不受影响；其次是为了弥补由于溶洞存在所造成的地基承载力不足。

岩溶区桥梁桩基设计应考虑溶洞的影响，溶洞处治的常见方法有如下几种：

（1）回填法：也叫抛填法，此方法适用于当溶洞垂直高度在2m以下或溶洞为串联溶洞但溶洞垂直高度都在2m以下，溶洞类型为半填充、无填充的溶洞，或全充填流塑状土等物质。回填材料多采用片石夹黏土或者水泥土等，待抛填完成后方可继续穿越溶洞[5]。

（2）护筒跟进法：当洞内无填充物且溶洞高度大于2m时，采用钢护筒跟进至溶洞底部处理。借助钢护筒的保护，钻机可以到达溶洞底部。对于溶腔较大且覆盖层不稳定的桩基，成孔过程中采用钢护筒穿透覆盖层及穿透上部连珠溶洞后跟进至稳定层可以有效的起到孔壁防护作用[6]。

灌注法：此种方法主要针对半填充或无填充溶洞，有的时候用填充片石和粘土的方法很难形成孔洞。在有些较大的半填充的溶洞内，由于溶蚀程度不同，在钻孔的时候容易发生偏孔卡钻等现象，当这种现象发生时，采用处理效果较好的方法就是填充混凝土[7]。

5结语

随着铁路建设的不断推进，铁路桥梁位于岩溶区的情况将不可避免，甚至会越来越多。由于桥梁位于岩溶发育区的桩基相比于一般地质条件下的桩基无论是设计还是施工都更有难度，溶洞的发育与否及分布范围都决定着设计和施工难度也不尽相同。希望本文所述的一些方法、措施对于此类情况能起到一定的借鉴作用。

参考文献：

[1]杨维思.黎湛铁路电气化改造工程岩溶地质勘察与分析[J].中国科技纵横，2015，（4）：134.

[2]强俊涛，马保松，吴浪辉.岩溶地区桥梁桩基施工技术浅议[J].科技资讯，2009，（15）：117-117.