傾斜旋噴樁技術(shù)處理鐵路既有線路基病害工程實(shí)踐

李元彪+吳紅剛+馮帥

摘要：高壓旋噴樁具有加固體強(qiáng)度高、加固質(zhì)量均勻、加固體形狀可控的特點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)外工程界普遍接受的、多用、高效的地基處理方法。本文分析了既有路基產(chǎn)生沉降的主要原因，并介紹了傾斜式雙管高壓旋噴成樁技術(shù)在軟土路基沉降中的應(yīng)用，分別闡述了該技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇，施工工藝及加固效果，指出高壓旋噴成樁技術(shù)控制沉降變形效果明顯，值得推廣。

Abstract： High-pressure jet grouting pile is a versatile and efficient method of the ground treatment and is accepted universally in the domestic and foreign engineering field because of its ground reinforcement has high strength， uniform weight and controlled shape. This paper analyzes the main reason caused by the settlement of existing railway， and introduces the application of the technology of high-pressure jet grouting pile with inclined double-pile on the soft base subsides， and represents separately the choices of design parameter， the technology of construction and the effects of reinforcement. The settlement deformation is efficiently controlled by the technology of the high-pressure jet grouting pile， and it is recommendable.

關(guān)鍵詞：旋噴樁；既有路基；加固；質(zhì)量控制

Key words： jet grouting pile；existing railway；reinforcement；quality controlling

中圖分類號(hào)：U213.1+5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）20-0080-04

0 引言

高壓噴射灌漿技術(shù)是通過(guò)在地層中的鉆孔內(nèi)下入噴射管，用高速射流（水、漿液或空氣）直接沖擊、切割、破壞、剝蝕原地基材料，受到破壞、擾動(dòng)后的土石料與同時(shí)灌注的水泥漿或其它漿液發(fā)生充分的摻攪混合、充填擠壓、移動(dòng)包裹，至凝結(jié)硬化，從而構(gòu)成堅(jiān)固的凝結(jié)體，成為結(jié)構(gòu)較密實(shí)、強(qiáng)度較高、有足夠防滲性能的構(gòu)筑物，以滿足工程需要的一種技術(shù)措施。

日本在上世紀(jì)六十年代首創(chuàng)了高壓噴射灌漿技術(shù)。在之后的十余年間，該技術(shù)在我國(guó)的水電、煤炭、冶金、鐵路等領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。在同一時(shí)期，我國(guó)也開始涉足高壓噴射灌漿技術(shù)的應(yīng)用研究。發(fā)展至今，該技術(shù)已在各種建筑物地基的加固工程中得到大規(guī)模推廣應(yīng)用[1]。

本文以某鐵路既有線路基病害為例，主要闡述高壓旋噴灌漿處理鐵路既有線路基沉降病害的有關(guān)技術(shù)問(wèn)題。

1 鐵路路基沉降病害狀況

1.1 路基沉降的發(fā)生及狀況

病害段線路總體走向近南北向。由于路基沉降，路基兩側(cè)都出現(xiàn)了貫通裂縫，最長(zhǎng)的裂縫開裂長(zhǎng)度大概達(dá)到了600m，并且明顯可見鐵路兩側(cè)警示牌也出現(xiàn)了下沉現(xiàn)象，下沉最大處達(dá)1.5m。病害段線路軌道軌面起伏不平，可見明顯的臺(tái)階證明該段出現(xiàn)沉降變形。由于該段路基沉降嚴(yán)重，為保證鐵路正常運(yùn)營(yíng)，工務(wù)段不停地墊高道床維持鐵路的正常運(yùn)營(yíng)，目前道碴最高處墊高至2m。

該段病害曾采用灰土擋水墻和地基劈裂壓漿聯(lián)合加固，但線路兩側(cè)基底灌漿加固及3m深擋水墻實(shí)施以后，治理效果不明顯，農(nóng)田澆灌后路基繼續(xù)沉陷。擋水墻深度有限，不能完全阻斷灌溉水進(jìn)入路基，且在路基基底飽水土體中注漿成孔困難且無(wú)法注漿，加固處理效果不明顯。目前該段鐵路已經(jīng)采取限行措施。

1.2 路基沉降原因分析

1.2.1 土層具有濕陷性和高壓縮性是路基沉降的根本原因

病害區(qū)地基土屬于粉質(zhì)粘土和粉土，該區(qū)土層為黃土和第三系泥巖風(fēng)化粘土在水流帶動(dòng)下形成的靜水沉積物。因此土層在含水量降低后成為兼具黃土性質(zhì)和粉土的混合土，在含水量增大后具有濕陷性和高壓縮性。

規(guī)范規(guī)定[2]：當(dāng)黃土的濕陷系數(shù)小于0.015時(shí)，應(yīng)定為非濕陷性黃土，當(dāng)黃土的濕陷系數(shù)大于或等于0.015時(shí)，應(yīng)定為濕陷性黃土。

從原狀土實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可知，該段病害地基土3m以上的濕陷系數(shù)在0.02～0.09之間，為中等濕陷性。3m以下的地層不具濕陷性，反而具有高壓縮性。

工程中一般采用100～200kPa壓力區(qū)壓縮模量Es指標(biāo)判斷土層的壓縮性：Es≤4MPa為高壓縮性土，20MPa≥Es≥4MPa為中等壓縮性土，Es≥20MPa為低壓縮性土。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見地基以下2.5m以內(nèi)土層壓縮模量為5.4～7.3MPa，屬于中等壓縮性土，2.5m以下土層為壓縮模量小于4MPa，屬于高壓縮性土。

1.2.2 周邊黃河灌區(qū)開始漫灌澆地使土體含水量增加是地基沉降的誘發(fā)因素

病害區(qū)年平均降雨量約為300mm，土體含水量差，所以2003年以前該路段從為出現(xiàn)路基沉降變形。2003年以后國(guó)家大力引黃灌溉，灌溉水滲入鐵路兩側(cè)的農(nóng)田，3m以上的地層的土體局部濕陷性基本完成。灌溉水下滲后引起地層含水量增大，含水量比土的液限稍高，已是含水率交稿的軟弱地層，并且地基承載力大幅度下降，使得路基沉降不能穩(wěn)定。加之每年春秋二季的灌溉鐵路二側(cè)的地基土長(zhǎng)期處于高含水狀態(tài)，承載力不能滿足列車荷載的要求。

1.3 路基地基土目前狀態(tài)分析

從現(xiàn)場(chǎng)勘察揭露深度范圍內(nèi)看，地表為種植土層，上部主要為近代沖湖相沉積的粘性土地層，底部為河相沉積的含碎石粉質(zhì)粘土層。按地層結(jié)構(gòu)、巖性特征、埋藏條件及其物理力學(xué)性質(zhì)，將場(chǎng)地巖土層劃分為6層。現(xiàn)自上而下將各土層巖性特征分述如下：

①素填土。

灰色，松散，稍濕，以粘性土為主，含植物根莖，該層沿鐵路分布，層厚0.6～2.05m，主要分布于鐵路路基底部；

② 種植土。

顏色雜，灰黑色為主，夾灰色、紫紅色，含大量植物根系，以黃土及粘性土為主，該層廣泛分布，層厚0.5～1.0m，分布于素填土底部及路基兩側(cè)老地面；

③黃土。

淺黃色、褐黃色，硬塑，濕，干強(qiáng)度中等，中等韌性，無(wú)搖震反應(yīng)，切面光滑，含鐵錳質(zhì)和少量氧化物；該層局部分布，層厚0.6～3.6m；

④粉質(zhì)粘土。

灰黃、褐黃色，硬塑～軟塑，濕，干強(qiáng)度高、低韌性，無(wú)搖震反應(yīng)，切面稍光滑，含鐵錳質(zhì)和少量氧化物；該層全場(chǎng)分布，層厚4.3～8.1m；

⑤粉土。

紫紅色、淺黃色，可塑～硬塑，干強(qiáng)度不高，中等韌性，無(wú)搖震反應(yīng)，切面光滑，含鐵錳質(zhì)和少量氧化物，手捻砂感強(qiáng)烈。該層全場(chǎng)分布，層厚2.7～5.8m；

⑥ 砂礫土。

灰色～灰黃，潮濕，松散，無(wú)搖震反應(yīng)，切面光滑，含鐵錳質(zhì)和少量氧化物。該層局部分布，層厚0.9～1.5m。

場(chǎng)地整個(gè)處于農(nóng)田包圍中，由于引黃灌溉的影響，不同深度土層含水量不同，土體不同的含水量嚴(yán)重影響土體本身物理力學(xué)性質(zhì)。地下土層主要為黃土狀粉質(zhì)粘土及黃土狀粉土，黃土狀粉質(zhì)粘土在水的作用下，呈流塑狀，工程性質(zhì)差，對(duì)路基本身及施工存在一定影響[3]。

經(jīng)野外鉆探與調(diào)查，場(chǎng)地大部分區(qū)域存在粉土和粉質(zhì)粘土，埋深4m范圍內(nèi)土層具有濕陷性，7.5m范圍內(nèi)地層承載力偏低。考慮列車荷載及路基本體的附加應(yīng)力隨深度減小至土體自重應(yīng)力的15%左右時(shí)對(duì)應(yīng)深度一般都在10m左右，因此建議加固深度確定為10m。

2 路基病害試驗(yàn)段整治設(shè)計(jì)

2.1 沉降治理方法的比選

目前軟基處理的主要方法有[4-5]：①換填墊層法；②擠密法；③深層攪拌法；④灌漿法；⑤強(qiáng)夯法等。

換填墊層法：換填墊層法主要作用是提高地基的承載力。其方法是將基底下一定范圍內(nèi)的軟弱土挖去，換填砂、碎石和素土等散體料，并分層夯實(shí)成低壓縮性的地基持力層。

擠密法：擠密法即先往土中打入樁管成孔，然后在孔內(nèi)填入礫石、砂、石灰，灰土等搗實(shí)而成。此法適用于含砂粒、瓦屑的雜填土及含砂量較多的松散土地基，對(duì)粘性大的飽和軟土地基，由于滲透性小，在加固過(guò)程中不能排出很多水分，擠密效果不如預(yù)期。

深層攪拌法：該工法是使用專用攪拌軸的輪葉，從地面開始破土攪拌到加固的深度，然后開啟閥門把水泥漿（粉）順著攪拌頭注入地基中，并通過(guò)攪拌頭拌和均勻。

灌漿法：該工法用在卵石、中、粗砂和有裂隙的巖石加固中，能夠達(dá)到較好的應(yīng)用效果。它是使用鉆機(jī)鉆孔，將注漿管下放到指定的灌漿深度，再密封處理鉆孔的頂部和四周。打開壓力泵，將拌制均勻的水泥漿或水泥砂漿通過(guò)高壓注入孔隙和巖石裂隙，擠出土中的自由水。待水泥漿凝固后，水泥漿和巖石裂隙膠結(jié)成整體。該工法保留了原狀土的體積和結(jié)構(gòu)，不需要過(guò)大的灌漿壓力即可完成加固。如是粘性土，則用較高的壓力灌入濃度較大的水泥漿或水泥砂漿。

強(qiáng)夯法：強(qiáng)夯法是將重錘起重到一定高度，然后自由下落，重復(fù)夯打，以加固地基，使強(qiáng)度提高，壓縮性減小。此法一般適用于無(wú)粘性土、雜填土和半飽和土。

該斷路基沉降的原因主要在路基下部土體承載力不足，不是在路基本體變形。因此本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)路基下部列車荷載影響深度范圍內(nèi)的土體進(jìn)行強(qiáng)化，通過(guò)高壓旋噴注漿技術(shù)，采用旋噴樁作為支撐骨架，擠密土體，改善此部分土體的抗?jié)B條件，與周圍土體形成具有一定承載力的復(fù)合地基[6]。以改善地基土的性質(zhì)，提高地基土的承載能力，有效控制地基土的持續(xù)沉降變形，保障行車安全。

2.2 傾斜旋噴樁的布設(shè)

2.2.1 旋噴樁傾角的確定

設(shè)計(jì)采用數(shù)值分析方法對(duì)旋噴樁的幾何布置方式進(jìn)行多方案對(duì)比分析，從而確定出較優(yōu)的布置方案，為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)提供參考。

旋噴樁幾何布置方案如表1所示。針對(duì)每種布置方案，在路基頂面施加列車荷載66kPa，計(jì)算列車荷載作用下路基頂面的沉降。（圖1-圖4）

由圖3可知，方案8（即內(nèi)側(cè)樁豎向夾角為60度，外側(cè)樁豎向夾角為55度）和方案7（即內(nèi)側(cè)樁豎向夾角為60度，外側(cè)樁豎向夾角為45度）均為較優(yōu)方案，但是當(dāng)采用方案8時(shí)，旋噴樁加固范圍以下仍將存在1～2m的軟弱土層，可能出現(xiàn)軟弱下臥層問(wèn)題，從長(zhǎng)期效果來(lái)講，可能對(duì)地基承載不利，而采用方案7時(shí)，外側(cè)樁直接打入了硬土層中，從工程經(jīng)驗(yàn)上判斷其加固效果更為可靠，因此方案7可以作為設(shè)計(jì)參考。

就現(xiàn)場(chǎng)而言，如果內(nèi)側(cè)樁與豎向夾角過(guò)大，可能會(huì)出現(xiàn)路基表面噴漿污染道砟，而且孔口處不易成樁，增大了施工的難度，因此內(nèi)側(cè)樁角度不宜超過(guò)50°。外側(cè)樁需要考慮樁體置入土體的深度不宜超過(guò)30°。綜合考慮內(nèi)側(cè)樁豎向夾角為50°，外側(cè)樁豎向夾角為30°時(shí)，列車荷載作用下路基頂面變形相對(duì)比較小，而且加固效果的可靠性較高，該成果可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。

2.2.2 樁長(zhǎng)、樁徑及樁間距的確定

由于本次設(shè)計(jì)高壓旋噴樁[7]為傾斜式，地面以下2m以內(nèi)無(wú)法施工，因此，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)自地面以下2m開始，至地面以下10m計(jì)算樁長(zhǎng)。根據(jù)有限元分析結(jié)果，內(nèi)側(cè)樁豎向夾角為50°，樁長(zhǎng)為8m；外側(cè)樁豎向夾角為30°，樁長(zhǎng)為10m。

考慮置換率直接影響地基承載力的提高，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)采用800mm的樁徑，同時(shí)，根據(jù)路基沉降變形程度的不同，樁間距采用1.3m及1.5m兩種形式。

2.2.3 布設(shè)形式

病害治理設(shè)計(jì)于線路路肩外邊緣施作兩排高壓旋噴樁，單側(cè)齊列布置，雙側(cè)錯(cuò)列布置，樁間距1.3m、1.5m，單側(cè)兩排樁孔口間距0.5m。

3 傾斜旋噴樁施工工藝與參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地基條件，參考之前做過(guò)的一些工程[8-9]，旋噴樁采用雙管法進(jìn)行施工，施工工序?yàn)槠秸麍?chǎng)地、機(jī)具就位、鉆孔、置入注漿管，試噴射、噴射作業(yè)、拔管、沖洗器具、移開機(jī)具和回填注漿等。

旋噴技術(shù)參數(shù)：注漿材料采用42.5R普通硅酸鹽水泥制備的純水泥漿，漿液水灰比1：0.8，噴射注漿壓力為20～25MPa，噴嘴旋轉(zhuǎn)速度18～22r/min，噴嘴提升速度20～25cm/min，在臨近樁頂1.5m～2.0m處應(yīng)慢速提升旋噴至樁頂。（圖5-圖6）

4 整治效果

該工程于2014年6月開工，11月施工完畢，經(jīng)歷了一個(gè)雨季及灌溉期的考驗(yàn)，經(jīng)過(guò)近一年時(shí)間的定期監(jiān)測(cè)，采用旋噴樁處理過(guò)的路基地段下沉得到了有效控制，沒(méi)有再繼續(xù)發(fā)展，達(dá)到了整治的預(yù)期效果，為既有鐵路路線的安全運(yùn)營(yíng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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