CFG樁在沿海高鐵的應用與體會

吳培榮

(東南沿海鐵路福建有限責任公司，福建福州　350013)

The Application and Experience of CFG-pile in Wenzhou to Fuzhou Coastal Railway

WU Peirong

CFG樁在沿海高鐵的應用與體會

吳培榮

(東南沿海鐵路福建有限責任公司，福建福州350013)

The Application and Experience of CFG-pile in Wenzhou to Fuzhou Coastal Railway

WU Peirong

摘要溫福線海相軟土分布較廣，厚度大、成因類型及地層結構復雜、工程力學性質差。在全線投資控制嚴格的情況下，部分軟基地段采取了CFG樁這種較為經濟的地基加固措施。鑒于當時CFG樁在鐵路軟土加固工程中應用較早，施工中出現了一些病害。通過對工點病害情況的分析、補充鉆孔以及開挖后樁體施工的實際情況，查明了病害出現原因。結合工點實際情況，提出了管樁、灌注樁、旋噴樁、反壓護道等不同的處理方案。在總結溫福線CFG樁的實踐經驗，提出CFG樁在設計和施工中一些需要注意的問題。

關鍵詞鐵路CFG樁病害處治措施

溫福鐵路北起溫州南站，途徑浙江省溫州市，穿越分水關后，進入福建省寧德市、福州市，南端接入外福線樟林站，是我國東部沿海鐵路的重要組成部分。

沿線溫州至蒼南線路主要通過海積平原，對厚度大于20 m的深厚層軟土原則上以橋梁通過，但在附近有大量挖方或隧道棄碴可用時，經過技術經濟綜合比較后，盡可能降低填方高度，可以以路堤通過。由于CFG樁可以利用挖方和隧道棄碴，保護了環境，且施工方法簡單，周期相對較短，處理地基后承載力較高等優點，沿線部分路基采取CFG樁對海積平原軟弱基礎進行加固，是我國鐵路中較早采用CFG樁加固軟土的鐵路。由于部分施工單位對CFG樁在濱海相、瀉湖相、溺谷相沉積土中的施工經驗不足，以及局部地段地質條件非常復雜，在施工中出現了一些CFG樁病害。

1地質概況

1.1　地形地貌

溫福線地處閩浙二省東部沿海地帶，線路所經地區地形地貌較為復雜，地形總的趨勢是西北高、東南低。其中蒼南至福州以低山丘陵為主，地勢起伏較大，峰頂高程200～800 m，多呈尖頂狀，自然坡度20°～50°；局部分布濱海海積平原，主要位于各河口及海灣灘涂地帶，海岸線曲折，灣內多為淤泥質漫灘。

1.2　工程地質

在濱海平原及灘涂區，廣布全新統淤泥和淤泥質土，局部地段夾有泥炭。土質松軟飽水，軟塑至流塑狀，具有高壓縮性和高觸變性、低承載力等特性。

1.3　水文地質

本區地下水類型有：松散巖類孔隙潛水、裂隙水(基巖裂隙水、風化裂隙水)。除第四系沖洪積潛水、斷層裂隙水較豐外，一般地下水欠發育。

2CFG樁加固地基機理

CFG樁對地基的加固作用主要表現在其置換作用、排水作用、樁間土改良作用、樁對土的約束作用。

置換作用：水泥漿將碎石和石屑這些骨料粘結起來形成一個整體，使得CFG樁起到了樁體的作用，能承擔大部分的上部荷載。張尚東[1]、邢仲星[2]、閻明禮[3-4]等研究表明，置換作用的大小，取決于樁體的直徑、材料組成、強度、彈性模量、泊松比等(如圖1)。

圖1　復合地基

排水作用：沈旦申[1,5]研究發現，由于CFG樁樁體滲透系數較樁間土大，在成樁初期，透水性較好，使樁周土處于一個良好的排水環境，加速了樁周土的固結，特別對于砂性土效果比較明顯(如圖2)。

圖2　樁的排水作用

樁間土的改良：CFG樁采用振動沉管等排土、擠土工藝，提高了樁間土的強度。對于不同土體，樁間土的加固方法及效果不同，對于黏性土改良作用較為明顯；對于砂類土，改良作用基本沒有改變，但振密的效果顯著(如圖3)。

圖3　樁間土的改良

樁對樁間土的約束作用：周德培[6]、閻明禮[3-4]等研究表明，復合地基中，樁間土由于受到樁的側向位移限制，會形成樁間豎向土拱，使樁間土抵抗垂直變形的能力加強(如圖4)。

圖4　樁對土的約束效應

3CFG樁常見破壞及病害

3.1　設計方面

在設計時，對于碎石類豎向增強體樁，考慮的破壞主要為四種模式[7-8](如圖5)。

圖5　豎向增強體復合地基破壞模式

刺入破壞：表現為樁體承載能力不足，樁體直接刺入下臥層，引起路基產生較大的豎向位移，破壞時主要表現為路堤沖切破壞或路基豎向沉陷。

鼓脹破壞：CFG樁在承受到上部荷載后，向下臥層傳遞荷載，由于樁周土體較軟，對樁的約束力較小，CFG樁容易產生受壓軸向鼓脹破壞。破壞時主要表現為路基整體下沉，拉裂等，且主要發生在淺層。

樁體剪切破壞：主要發生在復合地基淺層土體非常軟弱、豎向增強體為柔性樁、布樁不夠時，導致淺層樁周土剪切破壞。這種破壞可以通過用較好的土料來置換地基表面較差的土來解決[9]。

滑動剪切破壞：主要發生在樁對樁周土體的抗側向變形抵抗力不足，發生樁身剪切破壞。破壞時主要表現為路堤失穩發生坍塌等現象，其破壞面主要呈弧線形狀。

CFG樁由水泥漿黏結，其黏結強度較高，抗壓強度高，但由于其沒有配筋，其抗拉強度與抗剪強度較低，主要容易發生豎向刺入破壞、滑動剪切破壞兩種類型的破壞。

3.2　施工作業

CFG樁成樁時主要病害為樁身縮頸、夾泥甚至斷樁，灌注時混凝土拒落，沉樁時進水，CFG樁未達到預定持力層，成樁時受周邊影響破損[10-11]。

(a)樁身縮頸、夾泥、斷樁：施工作業時，在遇到淤泥或淤泥質土時，拔管過快，淤泥涌入，造成樁身縮頸、夾泥甚至斷樁[12]。

(b)拒落：在CFG樁灌注拔管時，活瓣被周圍土包住打不開，或者封底的泥漿過干在管底形成栓塞，最終導致樁下部無充填物或樁底不密實[10]。

(c)進水：CFG樁在砂層灌注或者遇到承壓水時，地下水涌入水泥漿中，造成CFG樁碎石不能很好的粘合在一起，形成缺陷。

(d) CFG樁未達到預定持力層：在地質復雜、土層變化較大的地方施工時，由于局部地區含有軟弱下臥層或者透鏡體，常造成樁沒有進入設計的持力層，造成路基不均勻沉降。

(e)成樁時受周邊影響破損：CFG樁在成樁前，其自身強度比較低，且由于沒有配筋，其自身的抗剪強度較小。在CFG成樁前，大型施工機械的碾壓，CFG鉆機沒有間隔打樁，甚至因為近距離的施工便道上重型機械通過，或者既有鐵路列車經過時造成的震動，都有可能造成CFG樁破損。

對于海相軟土，由于加固區土層較軟，且含水量較大，上述的施工病害極易在施工中發生。鐵道第四勘察設計院開發了布袋注漿樁，較好的解決了CFG樁在海相軟土中的施工問題[13-15]。

4路基病害原因及處治

溫福鐵路路基工程中以大量的深厚層軟基為其主要特點，其中軟土或松軟土路基路基共有44 614.07 m/60處，占路基工程總長56 633.6 m的78.77%。沿線軟土成因類型復雜，主要包括濱海相、瀉湖相、溺谷相沉積，由于沉積類型不同，軟土分布厚度、工程性質均有較大差別。主要采取的地基加固措施有CFG樁、預應力管樁、強夯置換、水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、碾壓片石、挖除換填和排水固結等。

4.1　DK209+148.33～+338.00工點

在該段路堤填筑至高4.5 m時，發現在DK209+220～+255路堤頂面中偏右出現2 mm寬的縱向長35 m裂縫，右側坡腳及反壓護道出現裂縫；3日后裂縫發展到60 m長，裂縫里程DK209+200～+260。同時，DK209+200～+260路基中心開裂沉降繼續發展，由于路基向右滑移，原2～3條裂縫向下塌落逐漸形成一條寬度達20～40 cm的裂縫，DK209+170～+280段右側坡腳鼓脹開裂繼續發展，最大寬度20～40 cm， DK209+170～+280左側坡腳有開裂情況，裂縫1～2條，最大寬度1 cm。

病害產生的主要原因：①DK209+220～+255路堤處于丘陵坡腳附近的沿海灘涂區，補充鉆探顯示，在路基的一個橫斷面范圍內，土層有較大變化，路堤穿過養殖魚塘，造成樁身斷樁，路堤產生沖切下沉。②CFG樁大面積施工的經驗不足，造成單樁承載力不足，導致路堤下沉滑移。

處治措施：

①DK209+148.33～+161.53段，為防止地基向己施工完成的半山特大橋福州臺縱向位移，采用地基鉆孔灌注樁(取土樁)加固。

②DK209+161.53～+305發生下沉滑移段，地基采用管樁重新加固。

③DK209+305～+338軟土厚小于2.5 m段，地基采用挖除表層松軟土，換填A組填料處理。

4.2　DK247+595～DK248+100工點

該段路堤填筑至高5.09 m，距路肩面2.5 m時，停止填筑。放置3個月后發現DK247+700處左側排水溝開裂，同時向左側位移。再經過3個月，該段最大位移量左側為21 cm，右側為1 cm，最大位移處里程為DK247+700。左半幅填筑面微向左傾斜，DK247+675處1-4.0×4.7 m框架涵、八字墻及二節涵身向左拉開。路肩右側電纜槽下沉最大約9 cm，坡腳水溝鐵路側有外擠現象(如圖6、圖7)。

圖6　路肩下沉

圖7　骨道開裂

病害產生的主要原因是在地質條件復雜地段，施工單位未按設計意圖進行施工，設計樁長雖然足夠，但是樁端未進入持力層，造成單樁承載力不足，導致路堤變形過大。

處治措施：

①路堤在填筑過程發生位移后，填筑高度距路肩2.5 m，高路堤設計填高8.49～9.42 m，且地質條件復雜，地基采用管樁補強加固。

②DK247+595～+609.8、DK247+755.2～+770二段，為防止擠土及震動影響鄰近己施工完成的CFG樁，地基采用鉆孔灌注樁(取土樁)加固。

③在樁施工前于基底范圍內鋪設1.0 m厚C組以上填料工作墊層，施工完成后于樁頂設置0.6 m碎石墊層，并于其間鋪設一層高強度土工格室。土工格室高0.1 m，其抗拉強度≥180 MPa，延伸率≤10%，焊縫強度≥1 500 N/10 cm。

4.3　DK270+270～DK270+701.99工點

該段路基在填筑完成后1個月內，漿砌片石路肩與骨架護坡連接處出現橫向裂縫，裂縫出現后，在路基兩側采取反壓護道，護道寬15～35 m、高3.5 m，并沒能阻止邊坡裂縫的發展。

該段路基產生病害的主要原因有兩個方面。一是該段2004年定測時為稻田，地面高程3.8～4.2 m。2006年8月施工進場時，該段已經挖為水塘。2007年6月受“飛燕”臺風，導致暴雨成災，地面積水深1.2 m，長達2天，退水過后骨架下沉開裂。

二是CFG樁在抬高工作墊層情況下按設計樁長施工，造成樁端下部尚有部分軟弱地基，以及下臥卵石土表層承載力較低，導致施工期沉降過大，邊坡開裂(CFG樁底未進入設計地層)。

處治措施：

①DK270+281.6～+685.59段地基采用預應力管樁補強。

②DK270+270～+281.6與+685.59～+701.99二段，為防止擠土及震動影響鄰近己施工完成的CFG樁，地基采用鉆孔灌注樁(取土樁)加固。

4.4　DK260+673.82～+921工點

該段路堤填筑到離CFG樁樁頂4.85 m，在左線中心附近產生弧狀寬15 mm裂縫，隨后發生路基失穩坍滑。

該段路堤發生較大弧度的溜塌，路基邊坡表面開裂明顯，應是樁抗剪強度不足，發生了滑動破壞。

CFG樁抗剪強度不足的主要原因是：

(1)由于重載施工便道緊貼右側路堤坡腳，便道地基沒有加固處理，施工運輸土石方的重載汽車經過，來回震動，對初凝階段CFG樁造成影響。

(2)CFG樁大面積施工經驗不足，造成部分CFG樁斷樁。

處治措施：

DK260+673.82～+810基采用旋噴樁地基；

DK260+673.82～+766.0右側設反壓護道；

DK260+810～+904.170段軟土地基采用管樁加固；

DK260+904.17～+921.57段軟土地基采用C30鋼筋混凝土鉆孔灌注樁加固。

5CFG樁處理沿海軟弱地基體會

CFG樁首次在溫福鐵路軟基處理中進行了試驗與應用，大部分工點達到了設計預期，還是有部分工點產生了各種病害，有許多經驗及教訓值得我們去吸取，建議在今后的勘察設計及施工過程中加以改進。

(1)針對濱海相軟土含水量大、強度低、觸變性高等特點，應以橋代路的方案通過海積平原或灘涂區，從本質上保證鐵路工程的安全。

(2)沿海地段古地貌復雜，持力層高程起伏大，建議加強地質調查和走訪，查明古地貌形態，加密勘探點，勘探孔深要進入一定厚度的持力層。

(3)在大面積施工前應進行一定面積的試樁，取得適應自身工點的CFG樁施工參數和工藝。

(4)針對CFG樁施工過程中出現的斷樁、縮頸、浮樁等問題，施工單位應加強施工工藝的管控，正確了解設計意圖。

(5)對于緊鄰公路的CFG樁加固工點，特別是重載車輛頻繁通過產生的振動對初凝階段的CFG樁有很大的影響的地段，建議對CFG樁加固措施進行變更。

(6)對于緊鄰橋臺、涵洞地段10～15 m，建議采用鉆孔樁(取土樁)加固，隔離CFG樁，減緩CFG樁擠土效應對橋樁的影響。

參考文獻

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[9]TB10012—2004鐵路工程地質勘察規范[S]

中圖分類號：TU472.3+2

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)03-0060-04

作者簡介：吳培榮(1966—)，男，2004年畢業于福州大學交通工程專業，高級工程師。

收稿日期：2015-03-03