新線引入既有客運專線車站軟土地基加固技術(shù)

杭紅星 陳尚勇 吳成杰

中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 武漢 430063

我國高速鐵路建設(shè)有時需要在軟土地基上修建路基。由于軟土地基工程特性差，其沉降控制是高速鐵路路基建造的關(guān)鍵。而鄰近高速鐵路營業(yè)線進(jìn)行新線路基建造時變形控制難度更大。要減少新線引入施工對既有線安全運營的影響，重點需要解決好兩方面問題：①軟弱地基條件下引入工程地基處理造成營業(yè)線路基附加沉降、偏移的問題；②引入工程施工過程對營業(yè)線安全運營的影響。對于解決以上問題，國際上無成功經(jīng)驗可循。國內(nèi)鐵路行業(yè)路基設(shè)計規(guī)范尚未有鄰近運營高速鐵路的有關(guān)設(shè)計條款，各設(shè)計單位遇到此類問題時僅憑經(jīng)驗。多年實踐經(jīng)驗表明，鄰近營業(yè)線地基處理宜優(yōu)先選用施工機械高度低、施工過程對既有線影響小的技術(shù)措施。布袋注漿樁技術(shù)需要的設(shè)備簡單，占地小，只需鉆機引孔，對于環(huán)境受限（如凈空受限等）地段的軟土地基處理有獨特優(yōu)勢。

布袋注漿成樁是分層注漿技術(shù)和土工織物綜合應(yīng)用而成的新技術(shù)［1］，采用適當(dāng)?shù)淖{設(shè)備通過注漿管將漿液注入預(yù)先埋設(shè)于軟土中的土工布袋內(nèi)，漿液在布袋內(nèi)的壓力大于布袋周圍土體的被動土壓力時，得以膨脹布袋壓密土體，并在袋內(nèi)析水硬化，與加筋注漿管一起形成較規(guī)則的圓柱狀或葫蘆串狀結(jié)石體，與周圍土體共同形成復(fù)合地基，達(dá)到加固軟土地基和提高地基承載力及復(fù)合模量的目的。

布袋注漿樁技術(shù)首次使用在甬臺溫鐵路客運專線臺州南車站、溫嶺車站、樂清車站等工點［2-3］。丁光文、宋寧、陳翠瓊等［4-6］先后對布袋注漿樁加固效果、成樁質(zhì)量、樁基檢測、工程造價等進(jìn)行研究。但工程應(yīng)用多局限在深厚層夾層軟基加固、鐵路路基加固、沿海軟土復(fù)合地基處理、擋土墻和基坑開挖等領(lǐng)域［7］，少有鄰近高速鐵路營業(yè)線路基地基加固中應(yīng)用布袋注漿樁技術(shù)的報道，國內(nèi)鐵路行業(yè)更是在2023年才將該技術(shù)正式納入技術(shù)規(guī)程［8］。本文結(jié)合商合杭（商丘—合肥—杭州）高速鐵路、滬蘇湖（上?！K州—湖州）高速鐵路引入既有客運專線車站工程地基處理，通過設(shè)計方案論證分析、現(xiàn)場試驗測試研究，提出采用布袋注漿樁解決上述問題的設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)，以促進(jìn)布袋注漿樁技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

1 工程概況

1.1 線路概況

既有客運專線車站高速場有2 條正線（Ⅴ道、Ⅵ道），5 條到發(fā)線（1 道、3 道、4 道、7 道、8 道），其中4道—7道為無砟軌道，其余均為有砟軌道。商合杭線從車站北端引入，滬蘇湖高鐵從車站南端引入，見圖1。車場內(nèi)商合杭高鐵線下工程已預(yù)留并提前實施，南側(cè)滬蘇湖高鐵引入工程為本次新建工程。滬蘇湖高鐵引入工程路基填高2 ～ 3 m，線路等級為國鐵Ⅰ級，設(shè)計速度為160 km/h。

圖1 新線引入既有客運專線車站平面

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

既有客運專線車站場地位于湖積平原區(qū)，地形平坦開闊，辟為水田、魚塘，線路西側(cè)為既有宣杭鐵路，線路附近有村莊、林場，交通便利。

地基表層均為第四系地層，從上至下依次為：①素填土，松散，黃褐色～褐灰色；②1粉質(zhì)黏土，黃褐色 ～ 灰黃色，軟塑；②3淤泥，灰黑色，流塑；②4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰黑色 ～ 灰白色，流塑；②5 粉質(zhì)黏土，灰色，軟塑；③1粉質(zhì)黏土，灰黃色 ～ 黃褐色，硬塑；⑦1凝灰?guī)r，全風(fēng)化，黃灰色 ～ 褐黃色。場地代表性地基土物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 地基土主要物理力學(xué)指標(biāo)

2 預(yù)留工程現(xiàn)狀

車站通車運營多年來，1 道—Ⅱ道、8 道—10 道路基沉降尚未全部完成。2017 年5 月11 日至2018 年8 月16 日歷時15 個月的沉降監(jiān)測結(jié)果見圖2。可知：①1 道—Ⅱ道沉降較大段為K183 + 545.6—K183 +920.0段，其中1道累計沉降為6.8 ～ 19.6 mm，沉降速率為0.45 ～ 1.30 mm/月；Ⅱ道累計沉降為5.4 ～ 18.0 mm，沉降速率為0.36 ～ 1.20 mm/月。K184 + 040 —K184 +250段1道累計沉降為5.0 ～ 15.0 mm，沉降速率為0.33 ～1.00 mm/月。②Ⅸ道—10 道沉降較大地段為K183 +750 —K183 + 900段，其中Ⅸ道累計沉降為1.0 ～ 14.8 mm，沉降速率為0.07 ～ 0.98 mm/月；10道累計沉降為2.4 ～12.6 mm，沉降速率為0.16～0.84 mm/月。

圖2 不同線路沉降觀測曲線

3 地基加固方案比選

北端商合杭高鐵引入后，原預(yù)留實施工程因沉降尚未完成地基需補強加固，南端滬蘇湖高鐵引入新建工程需進(jìn)行地基處理。根據(jù)路基沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，確定車場內(nèi)預(yù)留地基補強加固范圍為1 道—Ⅱ道K183 + 545.6 —K183 + 920.0段以及K184 + 040 —K184 +250段；Ⅸ道—10道K183 + 750 —K183 + 900段。

根據(jù)文獻(xiàn)［9-14］，鄰近營業(yè)線地基處理及沉降補強加固，常?？蛇x擇高壓旋噴樁、局部換填加固、壓力注漿法、鉆孔樁樁板結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力管樁、現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)等方案。結(jié)合技術(shù)特點，各處理方案的優(yōu)缺點比選見表2。

表2 地基處理常用處理方案比選

以上常用方案中，高壓旋噴樁的施工設(shè)備最小、施工最方便，但是高壓旋噴樁噴射壓力較大，施工期間很可能會造成4 道—7 道無砟軌道基底管樁接頭的損壞，影響既有線運營安全而予以舍棄。現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土雖具有減載效果，但用于預(yù)留工程需開挖基坑，對站臺及相鄰無砟軌道影響大。路基填高較低，泡沫輕質(zhì)土用于基床范圍填筑時動荷載作用下長期服役性能尚處于研究階段。布袋注漿樁施工具有設(shè)備?。ǜ叨? m 左右，機座占地3 ～ 4 m2）、低噪聲、加固深度較大、對軟土地基擾動小等優(yōu)點，適用于對地基擾動變形控制要求嚴(yán)格的鄰近既有線地基加固。布袋注漿樁在深厚軟土地基加固中已有較多成功經(jīng)驗，而在鄰近無砟軌道營業(yè)線地基加固領(lǐng)域未見有成功案例。為此，現(xiàn)場進(jìn)行了試驗研究。

3.1 布袋注漿樁試驗方案

試驗樁共分3 組進(jìn)行，見表3，分別在每個地基加固區(qū)域的兩端及中間位置，選擇質(zhì)量配比水∶水泥∶粉煤灰分別為0.70∶0.60∶0.40、0.70∶0.65∶0.35、0.70∶0.65∶0.45 三種配合比進(jìn)行試驗，每個斷面使用一種配合比。試驗樁樁徑0.35 m，樁間距1.2 m，每個斷面試樁根數(shù)不少于3根，共計試樁31根。

表3 布袋注漿樁試驗樁方案

布袋注漿樁試驗用水泥采用42.5 級普通硅酸鹽水泥，水泥各項性能指標(biāo)滿足GB 175—2020《通用硅酸鹽水泥》的規(guī)定。粉煤灰性能指標(biāo)符合F 類粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)中C50及以上混凝土標(biāo)準(zhǔn)要求。

注漿用布袋選用?0.35 m 卷筒型土工布袋，單位面積230 g/m2，加州承載比（California Bearing Ratio，CBR）頂破強度不小于5.5 kN，等效孔徑（O95）為0.07～0.50 mm，撕裂強度不小于0.9 kN，滲透系數(shù)（K）為1 × 10-2～1 × 10-3cm/s。

3.2 布袋注漿樁試驗過程

布袋注漿樁施工工藝主要包括樁位放樣、鉆孔、加筋注漿管連接、布袋綁扎、注漿、成樁檢測等階段。注漿施工由拌制漿液、制作加筋注漿管、綁扎布袋、注漿、清洗注漿管移位進(jìn)入下一樁位五個主要工序組成。

3.2.1 鉆孔

樁徑?0.35 m布袋注漿樁鉆孔采用GYB?200小型成孔機械搭配合金三葉鉆頭，泥漿循環(huán)成孔工藝，要求成孔直徑不小于0.30 m。鉆孔試驗過程中發(fā)現(xiàn)路基填土段尤其是底部碎石墊層易卡鉆、塌孔，導(dǎo)致成孔效率低、容易刺破布袋。改用桶式鉆頭引孔、添加氯化鈣、三乙醇胺等將碎石、填料層固結(jié)后，保證了成孔質(zhì)量，提高了成孔工效。

注漿管起到注漿通道和布袋導(dǎo)向撐的作用，分為標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)和帶眼管節(jié)。注漿管一般采用?32 mm、壁厚3.5 mm 的聚丙烯（PP?R）管，節(jié)長4 m，管節(jié)間經(jīng)過熱熔連接，其長度大于設(shè)計孔深35 ～ 50 cm，注漿底部采用標(biāo)準(zhǔn)堵頭封底，見圖3。底部1.0 m帶眼管節(jié)鉆有孔徑?20 mm、間距100 mm 的注漿孔眼，呈梅花狀布置，注漿完成后，注漿管作為加筋留在樁身。

圖3 PP?R注漿管和布袋制作

將布袋套于注漿管外，布袋的底端用細(xì)鐵絲綁扎兩道，以免泄?jié){。布袋在塑料管上每間隔1 m 用22#扎絲綁扎一道，以保證布袋順利進(jìn)入孔內(nèi)，同時扎絲不能綁得太緊，以便于布袋在漿液自重情況下能將袋子撐開。

3.2.3 注漿

注漿采用孔底返漿法，將注漿管插到底直接注漿，過程中記錄每根試樁的實際注漿量，注漿結(jié)束后管節(jié)保留在孔內(nèi)，作為布袋樁加筋材料。注漿的送漿壓力主要與注漿樁的埋置深度、土體圍壓、送漿距離、送漿流速等因素有關(guān)，可選壓力范圍為0.2 ～ 0.6 MPa。注漿時理論注漿量內(nèi)流量控制在60 L/min 左右，補漿時流量控制在40 L/min。

注漿過程中發(fā)現(xiàn)，單位面積質(zhì)量規(guī)格為230 g/m2的布袋在注漿壓力達(dá)0.18 MPa以上時普遍出現(xiàn)破裂，原因是布袋被填土層中帶棱角碎石扎破，注漿壓力大于布袋能承受壓力導(dǎo)致布袋被脹破。經(jīng)調(diào)整布袋單面面積質(zhì)量不小于390 g/m2，CBR 頂破強度不小于10.5 kN，經(jīng)向、緯向撕破強力不小于1.4 kN 后重新注漿試驗，布袋破裂現(xiàn)象得到有效解決。

注漿結(jié)束后，對實際注漿量進(jìn)行統(tǒng)計分析，31 根試樁的注漿充盈系數(shù)平均值為1.33，最小值1.04，實際注漿量均大于理論值，每根試樁樁徑均達(dá)到設(shè)計樁徑要求。

3.3 試驗樁檢測

3.3.1 樁身質(zhì)量檢測

試驗樁齡期達(dá)到7 d 后，首先采用淺部開挖樁頭，目測檢查樁的完整性、均勻性，經(jīng)檢測31 根試驗樁樁身完整均勻，直徑均不小于0.35 m。成樁14 d 后，采用雙管單動取樣器在樁徑方向1/4、樁長范圍內(nèi)垂直鉆孔取芯，每處試樁取不同深度的不少于3 個試樣做無側(cè)限抗壓強度試驗，見圖4。

圖4 布袋注漿樁試驗樁取芯

試驗樁樁體強度結(jié)果詳見表4?？芍N配合比下試驗樁取芯的無側(cè)限抗壓強度均大于4 MPa，樁體強度比水泥土攪拌樁、旋噴樁成樁強度均要提高很多［17］。配合比水∶水泥∶粉煤灰 = 0.7∶0.6∶0.4條件下樁體取芯抗壓強度遠(yuǎn)大于4 MPa，具有優(yōu)化空間。

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表4 試驗樁樁體強度

成樁28 d后，抽取12根樁采用低應(yīng)變反射波法檢測樁身完整性，結(jié)果顯示均無清晰可見的樁底反射信號，且波速范圍無法確定。原因可能是樁身強度弱于混凝土，施工基樁長徑比大，樁身材料與樁周土結(jié)合緊密，導(dǎo)致低應(yīng)變的錘擊能量被樁土混合體大量吸收，無法有效向樁底傳播，無法通過低應(yīng)變反射波法檢測判定樁身質(zhì)量。

3.3.2 樁基承載力檢測

試驗樁單樁承載力設(shè)計值不小于100 kN，單樁靜載荷試驗最大試驗荷載分別按不小于200、260、360 kN實施。采用慢速維持載荷法進(jìn)行單樁豎向抗壓承載力試驗，根據(jù)受檢樁的預(yù)估極限承載力，按八級進(jìn)行荷載分級。載荷試驗采用堆重平臺作為加載裝置，堆載總重量不小于承載力極限值的1.2倍。

試驗樁的單樁承載力檢測結(jié)果見表5，典型的單樁承載力曲線見圖5。其中，Q為荷載，S為沉降，t為時間?？芍囼灅兜某两惦S荷載的增大逐級增大，Q?S曲線未出現(xiàn)陡降段，S?lgt曲線各級沉降均逐級增大，在各級荷載作用下，S?lgt曲線斜率均基本接近，且曲線尾均未出現(xiàn)下折征兆，單樁設(shè)計承載力取100 kN時有優(yōu)化空間。

表5 載荷試驗結(jié)果

圖5 典型試驗樁Q?S和S?lgt曲線

4 鄰近營業(yè)線地基處理方案設(shè)計

4.1 設(shè)計方案

根據(jù)試驗樁工藝總結(jié)及檢測結(jié)果，最終選用布袋注漿樁技術(shù)加固商合杭高鐵、滬蘇湖高鐵引入客運專線車站工程軟土地基。

商合杭高鐵引入工程1 道、Ⅱ道K183+545.6—K183 + 920、K184 + 040—K184 + 250 段，Ⅸ道、10 道K183 + 750—K183 + 900段地基加固區(qū)域采用?0.35 m布袋注漿樁加固，樁長11.5 ～ 21.0 m，樁間距1.2 ～1.4 m，正三角形布置，樁頂鋪設(shè)0.2 m 厚中粗砂墊層。滬蘇湖高鐵引入工程K184 + 463.1—K185 + 614.4 段靠近寧杭鐵路無砟軌道側(cè)地基采用布袋注漿樁處理，樁徑0.4 m，樁間距d= 1.4 m，樁長5.0 ～ 12.5 m，樁頂鋪設(shè)0.6 m厚碎石墊層。典型設(shè)計斷面見圖6。

圖6 布袋注漿地基處理橫斷面

設(shè)計布袋注漿樁水泥結(jié)石7 d強度不小于2.8 MPa，28 d 齡期標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強度大于4.0 MPa，單樁承載力不小于127 kN。

根據(jù)試樁結(jié)果及工程實踐［6］，設(shè)計選用質(zhì)量配比（水∶水泥∶粉煤灰 = 0.70∶0.55∶0.45）能滿足強度要求，工程樁前期施工可采用配比水∶水泥∶粉煤灰 =0.7∶0.6∶0.4 進(jìn)行施工，同時進(jìn)行水∶水泥∶粉煤灰 =0.70∶0.55∶0.45 試成樁，經(jīng)取芯試驗，滿足試樣強度大于4 MPa 要求后，可調(diào)整為配比水∶水泥∶粉煤灰 =0.70∶0.55∶0.45施工。

4.2 施工質(zhì)量控制要點

注漿用布袋技術(shù)規(guī)格指標(biāo)為單位面積質(zhì)量不小于390 g/m2，CBR 頂破強度不小于10.5 kN，O95為0.07～0.50 mm，經(jīng)向、緯向撕破強力不小于1.4 kN，布袋滲透系數(shù)K= 1 × 10-2～1 × 10-3cm/s。

布袋注漿樁注漿泵輸送壓力設(shè)定為0.2 ～ 0.5 MPa，第一次注漿注滿后，保持小流量繼續(xù)注漿，注漿管頂部壓力控制在0.05 ～ 0.10 MPa，使布袋充分膨脹。

商合杭高鐵、滬蘇湖高鐵引入客運專線車站軟土地基加固工程設(shè)計布袋注漿樁近123000 m，每米樁身造價110 元，具有較強的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。地基處理施工過程中既有無砟軌道線路維持正常高速運行，新線引入對運營線影響小。地基處理施工完畢，對21根工程樁取芯進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強度試驗，結(jié)果見表6。可知：樁身無側(cè)限抗壓強度最小值8.00 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值9.31 MPa，試驗結(jié)果離散程度低。對11根工程樁進(jìn)行單樁載荷試驗，單樁極限承載力不小于254 kN，對應(yīng)的沉降5.2 ～ 15.9 mm，檢測結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

表6 工程樁取芯無側(cè)限抗壓試驗結(jié)果

5 結(jié)論

1）布袋注漿樁機械設(shè)備高度低，占地面積小，施工過程中對地基擾動程度弱，對于新線引入既有客運專線車站等空間受限的既有線地基加固工程，適用性強。

2）布袋注漿樁在路基填土層施工時可能存在塌孔、扎破布袋等問題。通過成孔過程中加入早強劑凝固填料顆粒、提高布袋單位面積重量等可予以解決。

3）布袋注漿樁漿液質(zhì)量配比水∶水泥∶粉煤灰 =0.70∶0.55∶0.45 情況下，樁身的無側(cè)限抗壓強度大于8 MPa，設(shè)計抗壓強度取4 MPa具有一定安全富余。

4）采用低應(yīng)變法檢測布袋注漿樁樁身完整性效果較差，工程應(yīng)用中應(yīng)加強樁身取芯檢測。