随着公路工程交通基础设施建设规模日益扩大, 公路隧道穿越岩溶地层的情况越发复杂, 隧道建设将不可避免地遇到溶洞, 溶洞规模大小、充填状态以及空间位置的不同使得溶洞处治技术也不尽相同^[1,2,3,4,5]。研究表明, 当溶洞集中分布于隧道下方软弱地层中时, 一般采用桩基结构进行处治, 并对桩基施工过程中遇到的局部溶洞进行注浆或回填处理^[6,7,8,9]。溶洞内的桩基施工通常是从地层表面以人工挖孔或机械钻孔的方式向下开挖桩身^[10,11,12], 此类桩基在施工前先根据现场岩溶地质情况进行桩基选型、桩身参数优化以及局部岩溶软弱段预处理, 确保结构的整体稳定性^[13,14]。目前已有的岩溶桩基施工技术主要针对地层较高的情况, 而对于地层上方存在大范围岩溶空区的情况研究较少。

对于隧道穿越的特大型岩溶空区, 尤其是一种溶洞底板陡坡上升的空区场地, 其处治过程必将受到特大型溶洞空区轮廓、陡坡地层形态以及回填体的影响。因此, 在上述复杂条件下的桩基结构施工技术将成为特大型溶洞地段隧道施工安全保障的关键技术。本文以那丘隧道穿越的特大型溶洞为背景, 针对岩溶空区陡坡地层桩基支撑的处治工程, 建立了一套陡坡回填桩基施工方法, 重点对该套施工方法中的关键技术内容进行了研究, 并提出相应的桩基施工质量控制要点, 可为以后类似工程提供指导与参考。

永吉高速那丘隧道位于湖南湘西芙蓉镇境内, 为双洞单向交通长隧道。隧道基本沿东西走向, 所处地貌为岩溶中低山地貌。在隧道开挖掘进过程中, 于左线K14+350—K14+520段发现特大型溶洞, 该溶洞在已揭露的溶洞中规模最大。从平面上看, 特大型溶洞长170m, 其走向与隧道左线基本重合, 隧道左线穿越的溶洞空区轮廓十分不规则 (见图1) 。

根据地质勘测与钻探资料, 特大型溶洞内地层结构主要为第四系岩溶堆积黏土、第四系之前形成的胶结层和奥陶系下统的灰岩。该溶洞形成年代久远, 已停止发育, 下伏微风化灰岩地层岩石完整且致密坚硬, 岩石强度高;上覆胶结层厚度介于7.3~10.4m, 胶结情况较好, 呈软岩状;部分陡坡场地上堆积新近黏土层, 由于沉积时间短, 土层较松散, 局部夹杂块状灰岩, 呈较软~可塑状态。

隧道穿越的特大型溶洞空区范围较广, 地质条件复杂, 大部分场地的溶洞底板以35°陡坡上升且远低于隧道路面设计标高, 隧道基本悬空。针对隧道下方的岩溶空腔, 工程采用承载桩基进行处治。

本工程主要目的是在已揭露的特大型岩溶空区复杂地质条件下建造上部其他处治结构与隧道主体结构, 保证隧道的施工安全与结构安全, 因此必须对隧道底部的岩溶空区进行处治。隧道从特大型溶洞中上部穿越, 其底部的空区高差悬殊, 结合溶洞空区轮廓特点与基岩走向, 在陡坡地层设置承载桩基结构进行支撑, 岩溶空区陡坡段处治如图2所示。

由于桩基处于地势较低的陡坡地层上, 实际施工需考虑以下问题: (1) 桩身普遍较长, 在岩溶空区内施工桩基时无直接工作面。 (2) 受洞室与空区高度的限制, 一定高程内大型施工机械无法进场, 需以人工的方式施工作业。 (3) 陡坡地层岩面形态复杂, 在桩基施工过程中, 桩身垂直度将受到陡坡地形的影响。

基于以上分析, 岩溶空区陡坡桩基的施工将受到诸多因素的影响, 如何确定合理的施工方法是本工程的重点和难点。

结合特大型岩溶空区陡坡地层的特殊情况与桩基设计参数, 针对陡坡桩基提出一种以空区回填为辅、桩基施工为主的回填桩基施工方法。

处于岩溶空区陡坡地层上的桩基根据空间位置与受力特征分为嵌岩桩和扩底桩, 桩基设计为端承桩, 所有桩基桩身直径均为1.2m×1.5m, 其中扩底桩桩端采用刚性扩大基础, 基础分2层, 每层厚度1.0m, 襟边长0.75m;桩身混凝土强度等级均为C30, 桩身纵向受力主筋混凝土保护层厚度为100mm。基于回填桩基先回填后浇桩的施工特点, 在桩身周围设计钢筋混凝土护壁结构以抵抗空区回填引起的负摩阻现象, 护壁混凝土强度等级为C25, 壁厚25cm。

陡坡嵌岩桩持力层为微风化灰岩, 承载力基本容许值为3 500k Pa, 饱和单轴抗压强度为55MPa;扩底桩持力层根据桩基所处位置的不同分为微风化灰岩与胶结层两种, 其中胶结层持力层承载力基本容许值为600k Pa。

陡坡地层回填桩基施工需借助于空区回填, 利用自下而上回填的路面提供桩身结构不同高度的施工作业面, 从而完成整个桩基的施工。具体施工流程为:桩基施工前先人工台阶开挖陡坡地层, 提供桩端开挖面, 然后分别对嵌岩桩与扩底桩桩端进行嵌岩和扩底处理, 并下放一定长度的预制钢筋笼。桩端处理后, 交叉进行岩溶空区分层回填与桩身护壁结构施工, 在此循环作业过程中根据桩身护壁拼接高度向上搭接桩身钢筋笼, 待桩身护壁与回填地基达到设计标高后, 整体浇筑桩身混凝土, 陡坡回填桩基施工流程如图3所示。

陡坡地层台阶开挖作为回填桩基施工的第1项工艺, 对后续回填桩基的施工安全与结构稳定有很大影响, 原因如下: (1) 在原始裸露陡坡地层表面直接开挖桩基将改变坡体应力场, 使得坡体发生变形, 可能引起陡坡岩体强度的变化, 从而导致陡坡的稳定性降低甚至发生破坏。 (2) 结合回填桩基施工特点, 在稳定、平整的岩面上进行桩基施工, 有利于控制桩基垂直度与地层稳定性, 保证后续施工的安全与陡坡桩基的施工质量。 (3) 受陡坡效应的影响, 不同回填区域的回填体可能随时间变化产生较大的不均匀变形, 降低回填地基稳定性。通过陡坡地层台阶开挖处理, 回填体坐落在稳定台阶上, 能降低这种潜在的风险。

陡坡台阶开挖前需清除地层表面堆积的黏土层, 然后以人工凿岩的方式从陡坡坡脚处向上设置台阶, 要求每层台阶向内倾斜, 斜坡坡度为2%~4%, 台阶宽度>2m且高度>1m, 保证台阶宽度满足桩端处理要求 (见图4) 。

结合桩基分布位置与陡坡地层特点, 对不同桩基桩端的嵌岩和扩底处理采取相应的施工技术。

扩底桩位于隧道衬砌左侧挡墙基础结构下方, 该区域裸露的地层结构为微风化灰岩与介于0.2~8.3m厚的胶结层, 灰岩与胶结层岩石坚硬且强度高。根据扩底桩所处的地层情况, 确定桩端刚性扩大基础以灰岩或胶结层作为持力层。由于扩大基础入岩深度较浅, 并且部分嵌入左侧岩壁, 基坑开挖时需尽量减少对围岩的扰动, 避免出现侧壁岩块塌落的现象。

针对上述情况, 选用明挖法进行基坑开挖, 一般施工流程为:基坑放样→基坑开挖→基坑清渣→绑扎钢筋→立模板→浇筑混凝土→基坑回填。由于岩层内无地下水且周边岩质良好, 基坑不设支撑结构, 坑壁坡率确定为1∶0。明挖法施工是在已开挖台阶岩面上以人工掏槽的方式垂直开挖基坑, 基坑开挖后, 清除坑内残碴并整平基底, 随后下放3m长的预制钢筋笼与基底抗裂钢筋进行绑扎, 然后完成立模板与混凝土浇筑, 最后用洞渣回填基坑周边直至覆盖整个基础结构。刚性扩大基础结构需在桩身护壁施工前完成混凝土浇筑 (见图5) 。

陡坡嵌岩桩主要分布于隧道衬砌结构下方, 桩端要求嵌入承载力高的微风化灰岩。关于嵌岩深度, 根据JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》要求并综合考虑溶洞空区地质条件、桩长、桩径以及空区回填施工的影响, 从安全性与承载能力的角度考虑, 最终确定嵌岩深度应>4.5m。

桩身嵌岩段开挖采用人工挖孔的方式施工, 在开挖过程中需跟进施作护壁结构, 以1m为进尺循环作业, 当桩孔开挖接近桩底设计标高时, 可减小开挖进尺与护壁结构长度, 最后下放5m长的预制钢筋笼。嵌岩段施工时应注意以下两点: (1) 为避免回填洞渣掉入桩孔内, 桩身嵌岩段护壁结构施工完成后, 需从开挖孔口位置向上继续做1节护壁结构, 嵌岩段施工如图6所示。 (2) 嵌岩段开挖至桩底后, 需清除桩身孔口内堆积的残渣, 然后才能下放钢筋笼。

基于回填桩基先做桩身护壁后浇桩身混凝土的施工特点, 桩身护壁结构的施工成为岩溶空区成桩技术中的关键工艺。由于施工作业受到空区高度的限制, 桩身护壁施工需以空区回填为基础, 利用回填路面提供桩身护壁分节施工的作业面。

桩身护壁的施工范围根据桩基类型确定: (1) 扩底桩桩端扩大基础结构在下一道工序前已完成基坑混凝土的浇筑, 因此桩身护壁应从扩大基础顶部标高处施作。 (2) 嵌岩桩在嵌岩段开挖过程中已跟进施作护壁结构, 桩身护壁需从已建成的护壁结构处向上继续分节构建。

桩身护壁施工与空区回填存在交叉工程, 施工过程应重点考虑空区回填顺序、岩层台阶轮廓以及桩身护壁长度等因素, 确保桩身护壁施工质量满足要求。回填护壁施工要点概括如下。

1) 桩端施工完成后, 以先低后高为原则, 从陡坡坡脚位置顺着台阶方向分层回填。

2) 在陡坡台阶回填过程中, 对于不同台阶上的桩基, 护壁施工顺序将由桩基所处台阶的高度与空区已回填的高度决定:低台阶上的桩身护壁先跟进回填施工, 当回填至上一桩基所处台阶时, 已回填区域的桩身护壁同时跟进回填施工, 按此顺序循环作业, 完成陡坡高程范围内不同桩基的桩身护壁施工。

3) 陡坡段空区填平后, 不同桩基的桩身护壁结构可同时施工, 以1.0m为施工进尺, 每施工1节护壁, 回填1层洞渣, 最终施工至桩顶设计标高。

由于陡坡台阶高程较低, 空区回填以人工为主;陡坡填平后, 机械具备进场作业的条件, 以机械回填为主。桩身护壁结构施工如图7所示 (以嵌岩桩为例) 。

桩身钢筋笼需要在现场分节制作, 并根据嵌岩桩与扩底桩桩端处理技术确定下放顺序: (1) 嵌岩桩钢筋笼下放嵌岩段桩孔开挖及护壁施工完成后, 从桩身孔口下放5m长的预制钢筋笼。 (2) 扩底桩钢筋笼下放由于扩大基础混凝土的浇筑优先于上部桩身结构施工, 因此需在扩大基础浇筑前下放3m长的钢筋笼, 并在基坑内将钢筋笼与底部抗裂钢筋绑扎。

桩身护壁施工过程中跟进钢筋笼搭接, 桩身护壁每施工8节段, 下放8m长的预制钢筋笼, 在桩孔内进行焊接, 以此方式向上搭接钢筋笼。当桩身护壁施工接近桩顶位置时, 根据护壁剩余节段的长度调整预制钢筋笼下放长度。

桩身混凝土强度等级设计为C30, 在隧道场外配制时按C30配制, 配制过程需严格控制水灰比、粗骨料粒径与砂率等, 确保桩身混凝土配合比相同且满足强度要求。

作为陡坡回填桩基施工的最后一道工序, 不同桩基桩身混凝土的浇筑顺序需遵循跳跃式交错的原则。在浇筑过程中为防止出现离析现象, 采用漏斗加串桶下料, 要求一次连续性浇筑, 在浇筑过程中需不断矫正钢筋笼, 确保钢筋笼保护层厚度满足100mm的设计要求, 混凝土灌注高度需高出桩顶标高大约3/100桩长的高度。

特大型岩溶空区陡坡桩基的施工以空区回填为基础, 根据回填桩基施工特点, 提出以下桩基施工质量控制要点。

1) 陡坡段人工回填过程需严格控制回填洞渣的粒径大小与回填高度, 确保开挖台阶岩面上回填体的整体稳定性;机械回填过程中应严格控制洞渣的摊铺层厚度、机械碾压速度及碾压遍数, 保证回填体孔隙率与压实度在规定范围内。

2) 由于溶洞空区轮廓的不规则性, 机械回填过程中存在无法回填与压实的局部溶腔, 可通过泵送C20混凝土将溶腔填充密实。

3) 机械压实能力可能受到洞室作业的影响无法发挥完全, 需提前做好注浆加固预处理, 防止发生较大的回填体沉降对桩身护壁结构造成影响。

4) 在每节护壁结构支模浇筑前需检查垂直度与中心偏差度, 避免出现桩身倾斜。

5) 陡坡桩基施工完成后需对伸出桩顶的纵向主筋采取保护措施, 避免桩身主筋被溶洞局部爆破掉落的碎岩块砸弯。

1) 针对那丘隧道左线特大型岩溶空区内的陡坡桩基施工难点进行了分析, 建立一套以空区回填为辅、桩基施工为主的陡坡回填桩基施工方法。

2) 结合陡坡回填桩基施工工艺, 重点提出回填桩基施工方法中陡坡台阶开挖、桩端处理、回填护壁构建、钢筋笼施工以及桩身混凝土浇筑的关键技术。

3) 基于回填桩基先回填后浇桩的施工特点, 提出陡坡回填桩基施工质量控制要点。该套施工方法可为以后类似工程提供参考。